準確和強大的自主水下導航（AUV）需要在各種條件下進行位置估計的基本任務。此外，美國海軍更希望擁有不依賴外部信標系統的系統，如全球定位系統（GPS），因為它們會受到干擾和欺騙，并會降低操作效率。目前的方法，如地形輔助導航（TAN），使用外部感知成像傳感器來建立一個本地參考位置估計，當這些傳感器超出范圍時，就沒有用了。現在需要的是多個導航過濾器，每個過濾器都能根據任務條件發揮更大的作用。本論文研究了如何結合多個導航過濾器來提供一個更穩健的AUV位置估計。提出的解決方案是利用基于信息論框架的交互式多模型（IMM）估計方法，混合兩種不同的過濾方法。第一個過濾器是基于模型的擴展卡爾曼過濾器（EKF），在航位推算（DR）條件下有效。第二個是用于主動地形輔助導航（ATAN）的粒子濾波方法，在傳感器范圍內適用。利用在華盛頓州新月湖收集的數據，我們開發了每個導航過濾器的結果，然后我們演示了如何使用IMM信息理論方法來混合方法，以改善位置和方向的估計。

近年來，美國防部已指示加速采用人工智能（AI），并建立一支技術先進、能夠確保美國安全的部隊。未來自主海上行動的一個重要組成部分是無人自主車輛能夠在不使用全球定位系統（GPS）或其他外部信標系統的情況下運行。

在一個快速發展的技術世界中，在拒絕使用GPS的環境中或不使用聲學轉發器等系統，甚至是深海導航定位系統（POSYDON）系統的情況下進行操作從未如此關鍵。領先的解決方案是地形輔助導航（TAN），它利用機載地圖和傳感器系統的組合，以便在已知的地圖內進行相關的測量。這種方法的最大缺點是需要不同的濾波估計方法，而這些方法在設計上可能無法協同工作。

這項研究將分幾個部分介紹。首先是實施一個新的擴展卡爾曼濾波器（EKF），作為海軍研究生院的遠程環境監測單元100（REMUS）車輛上的航位推算（DR）模型，以改善其在速度估計不準確時的估計。其次，這項研究試圖在信息理論的基礎上建立一個用于主動地形輔助導航（ATAN）的粒子過濾器（PF）。最后，也許是最重要的，本研究試圖在PF和EKF之間實現一個新的信息理論聯合過程，以改善所有狀態的估計。

圖 1.1 定位、導航和授時替代層次結構。

圖1.2 可能需要不同過濾技術的情況。狀況1，AUV在水面附近作業，可以利用GPS數據。由于深度原因，AUV無法利用任何其他傳感器，必須使用DR模型。狀態2，太深了，無法快速獲取GPS數據，而且還沒有深到可以使用面向海底的傳感器。制度3可以利用DVL/ADCP和慣性導航系統（INS），可以提供更準確的運動估計。制度4可以利用成像傳感器來進一步提高導航的準確性。

圖5.1 機載水深和成像傳感器提供的測量值與粒子分布相關。該分布的香農熵顯示了粒子分布中的不確定性，高值表明該分布對位置不確定。由于從AUV經歷地形到計算香農熵有一個時間延遲，標量值不會完全一致。然而，它將很好地表明分布具有低水平的不確定性。

論文組織

本論文的組織結構如下。第2章是文獻回顧，包括設備說明、貝葉斯濾波（BF）和信息論的必要背景，以及現場實驗的概述。第3章將介紹位置估計濾波技術和交互式多模型（IMM）的概述。第4章將討論基于模型的擴展卡爾曼濾波器（EKF）的發展。第5章將討論粒子濾波器（PF）的開發和仿真結果。第6章將討論信息理論互動多模型（IT-IMM）的開發和仿真結果。論文將在第7章中總結和討論未來的工作。

論文貢獻

• 介紹一種新的IT-IMM估算方法，通過綜合使用后驗概率分布中的香農熵和預測PF性能的地形適宜性措施，將基于模型的EKF和PF聯合起來。

• 在沒有ADCP/DVL的情況下，基于模型的EKF用于估計前進和側滑速度。

• 一種PF算法，實現了粒子再分配的信息理論框架。

數字孿生有可能支持設計、建造、運營和維護美海軍部（DON）賴以開展海軍行動的平臺的決策者。然而，由于數字孿生的應用范圍和與之相關的風險仍不清楚，因此關于數字孿生的知識體系很薄弱，這給美海軍部帶來了挑戰。本論文進行了定性的技術評估，以確定采用數字孿生對DON的企業架構的影響。對企業范圍內采用的分析確定了數字孿生在DON的戰略、流程、人員、技術、網絡安全和風險管理方面的機會和風險。數字孿生提供的商業價值主要取決于物理平臺的總風險值和數字孿生同步的度和頻率。

海軍服務是基于平臺的（美海軍部，2020c）。在戰術層面上，海軍行動是由艦艇、飛機和潛艇等平臺進行的（海軍部，2020c）。這些海軍行動是為了履行海軍的持久職能。

海軍對復雜系統的依賴，如艦艇和潛艇，來進行海軍行動，這就要求有效地管理和開發這些產品及其相關的信息。這些產品的開發采用了設計、開發、運行和處置四個階段的過程。這個過程被稱為產品生命周期管理（PLM）。DON開發和維持有效的PLM是至關重要的。沒有足夠的PLM，國防部不可能開發、部署和維持滿足不斷變化的海洋環境需求的平臺。海軍作戰部長（CNO）2021年的NAVPLAN進一步強調了PLM對海軍的重要性。在他對美國海軍的指導中，CNO解釋說，"專業地照顧我們的平臺是我們的DNA"，"維持我們的船舶和飛機對滿足未來的需求絕對是至關重要的"（海軍作戰部長[CNO]，2021，第7頁）。

為了維持所需的PLM，DON必須發現和利用減少不確定性的手段。不確定性限制了決策者在他們管理的產品中避免風險和利用機會的能力。不確定性表現為知識不足的結果（Kramer，1999）。因此，不確定性可以通過決策支持工具來減少，這些工具可以為決策者提供及時和相關的信息，以做出更明智的決策（Kramer, 1999）。數字孿生是一種新興技術，能夠在PLM過程中支持DON決策者。數字孿生是現實世界系統的數字表示（Gartner，n.d.-a）與數字建模等類似概念不同，數字孿生是完全集成的，數據在物理產品和虛擬產品之間雙向常規流動（Grieves & Vickers，2017）。對產品數據的常規捕獲和分析可以支持對物理產品的決策。然而，在DON背景下，采用的好處和風險并沒有明確界定。本論文旨在探討數字孿生如何以及為什么可以在產品生命周期管理（PLM）的背景下被DON采用。

A. 問題陳述

美國防部的運作需要協作、復雜和昂貴的系統。國防部產品生命周期管理（PLM）中的挑戰導致操作能力下降以及財政需求增加。數字孿生有可能幫助國防部克服這些挑戰，保持國防部系統狀態的最新數據，并進行自動數據分析以幫助決策。然而，關于數字孿生的知識體系對國防部來說是一個挑戰，因為整個應用范圍和與數字孿生相關的風險仍不清楚。隨著國防部繼續尋找能夠延長其系統使用壽命的方法，由計算機支持的收集和響應通過數字孿生提供的數據變得越來越可取。因此，需要研究如何在DON企業內采用數字孿生，以及與這種潛在采用相關的商業價值。

B. 目的聲明

本研究的目的是探索如何在國防部內采用數字孿生。這項研究的重點是確定（a）數字孿生對國防部企業架構的影響，（b）采用數字孿生對美國防部PLM的好處和風險，以及（c）數字孿生能夠為國防部提供的商業價值。這項研究的目標很重要，因為美國防部PLM的不足對國防部的運營能力有直接的負面影響。這項研究的結果可以幫助國防部更好地了解如何采用數字孿生，最終目的是改善PLM，從而提供商業價值。

C. 研究問題

• 1.采用數字孿生如何影響海軍部的企業架構？

  • 1.1.業務流程是如何改變的？

  • 1.2.對海軍部的網絡安全有什么積極和消極影響？

• 2.如何采用數字孿生來支持海軍部的產品生命周期管理？

  • 2.1.數字孿生給組織帶來什么好處？

  • 2.2.數字孿生給組織帶來什么風險？

• 3.數字孿生能給海軍部帶來什么商業價值？

  • 3.1.所提供的價值是否值得采用？

D. 論文的組織

本論文又分為四章。第2章是文獻回顧，調查了數字孿生的背景、組成部分和應用。第3章解釋了分析的方法。第4章是基于研究問題的數字孿生的分析。第5章是結論，提供關鍵的見解、建議和未來研究的機會。

在過去的幾年里，大西洋上的敵對潛艇活動一直在穩步加強。此外，戰略對手已經開發了復雜和隱蔽的潛艇，使它們更難被定位。活動的加劇加上先進的平臺，使美國的對手能夠挑戰其在水下領域的主導地位。盡管已經對使用貝葉斯搜索方法的優化搜索策略進行了廣泛的研究，但公開文獻中的大多數方法都側重于搜索靜止的物體，而不是搜索由Blue潛艇進行的移動的Red潛艇。因此，我們開發了一個敵方潛艇的模型，其目標是避免被發現。隨著搜索努力的消耗，根據負面搜索結果計算出敵方潛艇位置的后驗概率分布。我們提出了一種尋找搜索模式的方法，該模式試圖在貝葉斯框架內利用馬爾科夫特性使探測的概率最大化。具體來說，我們研究了三種不同的運行窗口方法：一個簡單的網絡優化模型，一個在每個時間段后執行更新的網絡優化模型，該模型正在規劃整個路線，以及一個只提前兩個時間段的動態程序。

近年來，戰略對手在水下領域的進展，加上在大西洋的更多部署，給美國海軍（USN）帶來了新的挑戰。更加隱蔽的潛艇在聲學上與弗吉尼亞級SSNs相當，這使得美國海軍更加難以定位和跟蹤這些潛艇。這些挑戰已經確定需要完善可用來尋找敵對潛艇的工具。

在這篇論文中，討論了為潛艇上的決策者提供一個完善的搜索工具的需求，以幫助他們搜索敵對潛艇。我們研究了基本搜索算法的不同方法，該算法能夠進一步發展并在潛艇上實施。

我們首先介紹了我們為Red的運動建模的方法。我們假設Red最初位于一個大小為200乘200海里的搜索區域（SR）內，該區域被描述為一個劃分為400個10乘10海里單元的網格。然后，我們定義一個離散時間馬爾可夫鏈來模擬Red在SR中的運動，鏈中的一個狀態是Red潛艇的單元位置，過渡概率管理Red從一個單元到另一個單元的運動。為了決定單元之間的過渡概率，我們假設有關于Red任務的可用情報，這些情報以概率方式決定了Red的運行方式。

接下來，我們研究了三種算法，以幫助潛艇指揮官對Red潛艇進行搜索的能力。對于我們考慮的所有三種算法，重要的是要明確，搜索計劃是在進行任何搜索之前產生的。我們首先考慮簡單的網絡算法（NA）算法，其中生成的搜索計劃使在搜索時間范圍內未發現Red的概率最小。在優化方面，這相當于找到Red的概率最大化，而且它不考慮搜索時間范圍內的任何搜索結果；它是在搜索開始前計算的，不會改變。然后，我們通過利用貝葉斯定理來修改這個帶有更新的算法（稱為帶有更新的網絡算法（NAU）），在假設被搜索的單元格不包含Red的情況下，更新Red位置的概率分布。利用每個時間段的更新概率分布，網絡優化算法在Blue花費搜索精力的每個剩余時間段重新運行，這給了Blue一條新的搜索路線。盡管NAU算法的結果是為剩余時間段提供了一條搜索路線，但只使用了下一個要搜索的單元。接下來，我們開發了一種動態編程（DP）算法，以最大化在下一個時間段或下一個時間段找到Red的概率。該算法還利用貝葉斯定理來進行Red位置分布的更新，假設Red從未在Blue搜索的單元中出現過。所有三種算法的完整搜索路徑都是在搜索開始前計算出來的。

在我們的Blue搜索算法中，我們做了幾個假設。首先，我們假設Blue概率地知道Red的起始位置和Red運動的過渡矩陣。這些信息的來源是Blue搜索者外部的傳感器對Red的初始探測以及關于Red任務的情報。我們還假設Blue搜索者有完美的傳感器；也就是說，如果Blue和Red同時出現在同一個小區，Blue將以100%的概率探測到Red。此外，我們假設Red和Blue在每個時間段只能移動一個單元，這本質上意味著兩艘潛艇以相同的速度行駛。在我們的方案中，我們假設Blue在SR中最北面的任何一行開始搜索，如果Red離開SR，它就不會返回。如果Red在離開SR之前沒有被發現，或者在搜索期間沒有被發現，則搜索失敗。最后，我們假設Red有一個固定的過渡矩陣；也就是說，Red對Blue的存在沒有反應，在搜索期間，Red在單元格之間過渡的概率保持不變。

為了研究算法的表現，我們運行了多種方案，在這些方案中，我們改變了Red的起始特征，如起始單元和Red可能開始的不同單元的數量。然而，Red的過渡矩陣在每個場景中保持不變。對于每個場景，Blue的搜索路徑在每種算法中都被計算一次。同樣，對于每個場景，Red的路線被模擬了10,000次，使用假設的可能的起始單元集，每個單元都以相同的概率選擇，以及每個場景的相應過渡矩陣。確定Red被Blue檢測到的復制比例，如果被檢測到，檢測發生在哪個時間段。模擬的輸出是檢測到Red的估計概率，以及相應的95%置信區間和每種算法的經驗CDFs。經驗CDF是指在每個時間段或之前檢測到Red的概率。CDF顯示了每種算法在搜索工作中的表現。我們還計算了計算時間，以CPU周期衡量，以確定每種算法的計算成本。

我們的結果表明，三種算法產生了類似的結果；然而，NAU和DP算法的表現一直優于簡單的NA算法。對于NAU和DP算法來說，計算出的檢測概率的95%置信區間是重疊的；因此，NAU和DP算法的真實檢測概率都在彼此的誤差范圍之內。在我們考慮的前五種情況中，最高的估計檢測概率接近20%，最差的也達到8%左右。探測概率低的原因有三種可能的解釋。首先，在我們考慮的場景中，Red很有可能在Blue可能探測到Red之前離開SR。另外，因為我們假設Red在單元之間的轉換概率是均勻的，所以Red的路線存在高度的不確定性。最后，Blue在指定的有限時間內進行搜索。

我們還運行了一個方案，將Red的起始位置固定在一個單元中，并改變過渡矩陣中的概率，以代表Red很有可能過渡到西北方向的單元的情況。這種情況表示Red向指定方向移動的確定性更高。很明顯，隨著Red向某些單元的過渡概率增加，檢測到Red的概率也會增加。通過這種情況，我們也表明貝葉斯更新是有效的，因為在NAU和DP算法中，如果Red不在最初最有可能出現的地方，Blue會繼續找到Red；然而，使用NA算法，如果Red在有可能探測到Red的第一個時間段內不在最有可能出現的地方，那么Blue就無法探測到Red。這個結果是合理的，因為如果當Blue第一次可以探測到Red時，Red不在它最有可能出現的小區里，那么Red就沒有遵循最可能的路線；Blue使用這一信息來更新NAU和DP算法中Red位置的概率分布，但對NA算法則沒有。

就計算成本而言，DP算法的求解效率比其他算法高得多，需要的CPU周期比NAU算法少三個數量級。然而，我們表明，對于NAU和DP算法，計算成本隨著Blue可能檢測到Red的時間段的增加而增加。由于NA算法不執行更新，它的成本在整個場景中保持不變。

我們的研究結果表明，DP算法是最適合未來發展的。它的性能始終與NAU算法相似，而計算成本卻大大降低。當充分發展后，這種算法可以在潛艇上使用，并在操作員可用的任務規劃工具中實施。

高超音速飛行器設計的分析成本很高，部分原因是高超音速飛行系統所特有的物理現象。在計算資源有限的情況下，在飛行器設計的早期盡可能多地考慮這些現象是可取的。降階模型可以通過利用以前的結果，以較低的成本提供對這些現象的洞察力。研究了機器學習模型在預測飛行中的高超音速武器周圍壓力場方面的效用。使用穩態RANS求解器Kestrel在高超音速下模擬了一個參數化的雙錐體模型。得到的壓力場被用來訓練兩個神經網絡（NN）模型，U-Net和多尺度網絡，以及兩個元模型，K-近鄰和回歸克里格。神經網絡模型被設計為使用不同的方法來提取流場關系：U-Net利用自動編碼，而多尺度網絡則利用順序細化方案。所有模型都在統一的笛卡爾網格上預測壓力值，其分辨率比CFD模擬所需的非結構化網格小得多。NN的準確性、計算復雜性和多功能性與元模型進行了比較。此外，研究了每種方法準確預測沖擊相互作用或與下游車輛幾何形狀撞擊的能力。這種封閉式ML模型可以提供比傳統CFD解決方案更多的優勢，因為它們不需要對計算域進行任何網格劃分，并且可以快速生成流場預測--在幾秒鐘的時間內。在這個數據集上，NN模型被發現有缺乏但穩健的性能。此外，NN模型被證明可以毫不費力地適用于無法用現有幾何參數化描述的任意幾何形狀。

這項研究采用了多種機器學習（ML）技術來預測高超音速雙錐體產生的穩態壓力場。對參數化的高超音速體進行流動模擬，產生了廣泛的自由流條件和幾何配置。本章將討論對高超聲速飛行器的興趣、高超聲速流動系統的特點，并提供相關領域以前工作的例子。

1.1 高超音速飛行

高超音速飛行系統已經成為世界各地的組織所關注的話題。能夠以高超音速飛行并保持高超音速的系統為軍隊帶來了進攻和防御的優勢。美國空軍（USAF）認為開發有能力的高超音速武器是一個 "改變游戲規則 "的進步，并預計2030年的作戰環境將使用這些武器[1]。導致高超音速系統設計和使用的線索可以追溯到從萊特兄弟的萊特飛行器開始，飛機需要達到更快的速度和更高的高度。萊特飛行器的首次飛行標志著人類有能力在大氣層中進行動力旅行，并開創了空中力量的時代。飛機的發展建立在萊特兄弟的成就之上，隨后飛機的速度和工作高度開始成倍增加。到第二次世界大戰時（萊特飛人首飛后約40年），飛機的建造方法和部件發生了巨大變化，這些飛機的最高速度達到每小時400英里（mph），比第一架動力飛機的速度大了一個數量級，并且可以達到30,000英尺的高度。到了太空競賽的幾十年，即20世紀60年代和70年代，飛機能夠達到每小時1200英里的跨音速，并將其運行高度提高一倍，達到60000英尺。在此期間，實驗性的X-15高超音速飛機能夠達到7馬赫，高度超過35萬英尺[2]。飛機能力方面的這些進步在軍事空中力量方面特別有用。與對手車輛相比，能夠更快地行駛和機動并達到更高的高度的車輛在空對空作戰中具有優勢。這些屬性也有助于避免來自地面的攻擊，因為快速移動的目標可能難以被動能武器擊中，如果飛機飛到彈藥可達到的最大高度以上，這種武器就完全沒有用處。這些高速和高空能力也可以實現情報、監視和偵察（ISR）任務。在這種高超音速飛行器的控制[3]、[4]、推進[5]和優化[6]-[8]方面已經進行了許多研究。

最近對高超音速飛行器的興趣集中在無人駕駛的武器和彈藥上。洲際彈道導彈（ICBM）的發展通過使用火箭將有效載荷加速到大氣層以上，增強了軍事彈藥的全球覆蓋范圍。一旦火箭助推器的燃料耗盡，彈藥就會以最小制導的彈道軌跡落回地球。彈藥將其重力勢能換成動能，并在重新進入大氣層時可達到非常大的高超音速。下降過程中的這些大速度使得瞄準和消除彈藥成為一項困難的任務，然而洲際彈道導彈飛行路徑的彈道性質使得早期探測和根據早期軌跡數據預測飛行路徑是可行的。在其飛行路徑的最慢部分知道彈藥的位置，其不確定性相對較小，這使得它們容易被攔截。噴氣式或滑翔式高超音速武器可以減少這些脆弱性。這些類型的高超音速武器能夠比它們的洲際彈道導彈保持更接近地球表面，同時保持其大的飛行速度。這種組合使這些武器能夠延遲被對手發現，壓縮其反應時間，同時也難以用傳統的彈藥進行攔截[9]。高超音速武器的持續發展將使美國空軍能夠生產出更有效的進攻性武器，并增強更好地防御對手部署的類似和傳統武器的能力。

1.2 高超音速環境

高超音速飛行環境引入了一些獨特的流體流動特性，使其成為一個不利的操作環境。安德森在他的書和出版物中對這一主題進行了很好的評論，這里總結了一些主要的觀點。高超音速流動的主要特點是：薄沖擊層、熵層、粘性相互作用和高溫、低密度流動，這些特點將其與低馬赫超音速流動區分開來。[2]

沖擊層最容易解釋的是在二維楔形上的流動，前緣附有沖擊波。從θ-β-M關系中可以看出，對于一個規定的轉角，增加馬赫數將減少沖擊角，這樣在馬赫數接近無窮大的極限，沖擊角接近偏轉角。墻壁和沖擊波之間的流動走廊就是沖擊層。如前所述，在大馬赫數的極限下，這個沖擊層的厚度會縮小并接近零。所有通過沖擊波的氣流必須在沖擊層中向下游移動。因為這個層隨著馬赫數的增加而收縮，沖擊層中的流動密度必須隨著馬赫數的增加而增加。根據理想氣體定律和各向同性的關系，密度的增加也會導致沖擊波后面的壓力和溫度增加（這些關系在高超聲速流動系統中可能會被打破，這一點將在后面討論，但對于說明問題仍然很有用）。如果還考慮到粘性效應，邊界層將沿著表面形成。在足夠的雷諾數和馬赫數下，邊界層可以成為沖擊層的一個相當大的部分，或者沖擊可以與邊界層合并，這種相互作用可以引起大的空氣熱負荷[2]，[10]。

通過沖擊波的氣流會產生熵，這與沖擊波的強度成正比[2]。沖擊波的強度與自由流的入射角成正比，其中最強的沖擊波是與流動有90度入射角的正常沖擊，強度隨著入射角的減小而下降。如果高超音速體周圍的沖擊波沒有附著在前緣，而是有一些正的對峙距離，它將采取弓形沖擊的形式。弓形沖擊的規模和距離受高超音速體的形狀和自由流條件的影響。弓形沖擊靠近機體上的停滯點的部分將有一個幾乎垂直于自由流的入射角，當弓形沖擊遠離停滯點時，入射角將下降。這種角度的變化改變了弓形沖擊的局部斑塊的強度，從而在通過弓形沖擊的流動中產生了非均勻的熵分布。根據Crocco定理，由此產生的熵梯度會產生渦度，而最強的渦度是在停滯點附近通過弓形沖擊的流動中產生的。這種高渦度的流動集中在體表的邊界層附近，可以給邊界層引入額外的能量。請注意，弓形沖擊可以發生在任何超音速流動中，然而低馬赫流動中的弓形沖擊強度不足以產生大量的渦度。[2]

流體中的粘性相互作用促進了高超音速流動的動能向熱能的轉移。這在邊界層變得尤為突出，因為流動必須完全停止（相對于飛行器而言），以滿足壁面的無滑動條件。這些極端的溫度會導致壁面升溫，如果沒有實施適當的熱管理，構成材料會軟化并失效（如果是金屬）[2]。如果沖擊波沖擊或與邊界層相互作用，所產生的空氣熱負荷甚至會變得更大[10]。大的、局部的空氣熱負荷是不可取的，特別是在那些沒有預期的地方，或者當地的表面沒有被設計成可以處理這些負荷的地方。在這些地方的沖擊會導致表面失效，損害車輛部件的空氣動力和結構完整性。這方面的一個例子發生在X-15飛機的一次試飛中，由于沖擊造成的加熱，下部垂直穩定器受到了嚴重的損壞[11]。這一事件并沒有導致飛行器或飛行員的損失，然而，外部結構受損的高超音速氣流會導致高溫氣體的侵入，從而使內部部件暴露在它們沒有設計的條件下。2003年2月1日，哥倫比亞號航天飛機被確定為是氣體侵入飛行器內部結構的原因，導致了飛行器和機組人員的損失[12]。

1.3 飛行器設計

在目前和最近的過去，已經有相對較少的全尺寸高超音速飛行器測試。這些測試的費用很高，而且成功率也不高。此外，目前還不存在能夠準確模擬高超音速飛行器自由流條件的高超音速飛行器測試設施，而這些設施在任務中占有相當大的比例。這些因素使得大部分高超音速飛行器的設計都要通過計算工具來完成。這些高超音速流體模擬可能很復雜，而且計算成本極高，需要數天或數周的時間來計算。除了計算所需的大量時間外，還有其他準備措施，如生成計算網格，這些都增加了單一配置的復雜性和產生模擬結果所需的時間。單一配置的如此長的時間框架使得這些類型的模擬對于探索可能的設計空間來說是不理想的。因此，為了探索設計空間，有很大的動力去利用減序模型或能以更快的速度產生低保真度結果的方法。低保真度的結果是指那些可能不完全代表真實的結果或可能沒有包含與問題相關的物理信息的結果。低保真解決方案通常是真實解決方案的近似值，為了計算的便利性，犧牲了分辨率或物理精度。

設計新型飛行器的過程始于確定可能的配置空間和對飛行器幾何形狀或飛行條件的相應約束。然后在這個空間中進行搜索，以找到由一個或多個目標函數定義的最理想的配置。以前設計的性能可以用來集中或指導搜索中的下一個興趣領域。一般來說，在找到一個最佳或可接受的配置之前，必須對許多配置進行評估，然后停止搜索。在高超音速飛行器的情況下，對一個設計的評估往往需要大量的、昂貴的CFD模擬或風洞測試來確認其性能。為了減少尋找可接受的配置方案所需的昂貴測試的數量，可以將搜索分成幾輪，在這幾輪中，可以對一大批候選配置進行缺乏物理精度的計算上的廉價測試，以確定有希望的候選配置[13]。然后可以選擇一定數量的這些候選人進行更昂貴的、物理上更精確的測試。這種將逐漸昂貴的、更精確的評估技術應用于逐漸變小的候選方案池的過程可以大大減少在設計空間中尋找解決方案所需的總時間和計算資源[14]。

以前的工作[15]-[19]已經開發了一些方法，將增強的物理精度引入廉價的評估方法，以便在設計過程的早期使用。在設計過程的早期引入增強的物理精度可以幫助在搜索過程的早期識別可能的不理想的性能特征，使所選的設計更早地集中于更有希望的配置。計算便宜的評估方法的一個例子是修正的牛頓正弦方程法，這是一種基于面板的方法，用于預測高超音速表面的壓力分布。雖然這種方法在無限馬赫數的限制下能產生相對準確的結果，但它對沒有直接暴露在自由流中的面板的壓力系數分配為零。重要的是，這種方法不能進行需要流場演變知識的預測，例如由沖擊波和邊界層產生的現象。使用這種方法，任何沖擊對車輛配置的影響都不會被發現，這可能會導致在最終將其從候選配置中放棄之前花費更多的資源進行調查。在設計探索的這一階段采用具有類似計算費用的減序法，有機會在設計過程中更早地發現不理想的配置，從而節省時間和計算資源。這項研究的重點是預測在可能發生沖擊的情況下高超音速系統配置的結果表面壓力。

1.4 機器學習

機器學習（ML）是數字建模的一個領域，它試圖通過以算法或自動化的方式最小化或優化一些可取性指標來理解或發現數據集中的潛在分布。機器學習模型是自組織的，即它們的結構或內部參數可以被調整以最適合訓練數據。有兩種類型的學習：無監督的和有監督的。無監督學習只利用數據集的輸入數據，一般用于聚類或降維問題。本研究中不使用無監督學習。監督學習同時利用輸入和目標反應。模型被訓練來產生預測的反應，這些反應相對于已知的目標反應是最小的損失函數。這種模型包括簡單的算法，如普通最小二乘法（OLS）回歸，以及大多數類型的神經網絡。像OLS回歸這樣的模型有獨特的內部參數解決方案，在給定的數據集上對給定的損失指標產生最佳性能。對于其他模型，如神經網絡，沒有分析解決方案，必須通過迭代更新內部參數來提高模型性能。就神經網絡模型而言，通常有大量的參數可以調整，使用猜測和檢查的方法來更新所有這些參數將是難以實現的。如果模型被適當地指定，那么內部參數的更新方向和幅度就可以用梯度下降法計算出來。

各種機器學習模型已經被應用于高超音速領域，從表面載荷預測到航空彈性響應建模再到飛行控制系統。克里格模型已被用于預測高超音速飛行器的表面壓力和熱通量值，以及高超音速飛行器的控制[20]-[23]。神經網絡模型已被用于許多應用，包括結構位移預測[19]、航空彈性效應的模式預測，卷積神經網絡也已被用于加速CFD收斂。U-Net結構被用來模擬機翼上的亞音速流動[24]，多尺度網絡被用來模擬通過多孔介質的不可壓縮的流動[25]。

1.5 文件組織

本文件分為六章。第2章建立了本工作中使用的機器學習模型的背景。討論了開發這兩個神經網絡模型的論文。第3章概述了這些模型在這項工作中的實現。還討論了從模擬輸出中生成輸入數據的問題。第4章討論了用于生成數據集中的設計點的抽樣方法。在高超音速測試和本研究的背景下，討論了雙錐體的效用。仿真需要確定求解器中的設置，以及進行計算的網格。本章還討論了生成網格的過程和進行網格收斂研究。第5章在對高超聲速初步設計的有用性方面回顧了模型訓練的結果。最后，第6章對這些結果以及未來的后續工作進行了一些討論。

當 "伊斯蘭國 "在2014年使用無人機（UAV）襲擊聯軍時，無人機的使用范圍迅速擴大，使弱國和非國家行為者對技術上占優勢的敵人具有不對稱的優勢。這種不對稱性導致美國防部（DOD）和國土安全部（DHS）在反無人機系統（CUAS）上花費大量資金。盡管市場密集，但許多C-UAS技術使用昂貴、笨重和高耗能的電子攻擊方法進行地對空攔截。本論文概述了當前用于C-UAS的技術，并提出了一個深度防御的框架，即使用裝備有網絡攻擊能力的機載C-UAS巡邏隊。利用空中攔截，本論文開發了一種新型的C-UAS設備，稱為可拆卸的無人機劫持器--一種低尺寸、重量和功率的C-UAS設備，旨在利用IEEE 802.11無線通信規范對商業無人機進行網絡攻擊。實驗結果顯示，可拆卸無人機劫持器重400克，耗電1瓦，價格250美元，可以攔截對手的無人機，而且沒有意外的附帶損害。這篇論文建議國防部和國土安全部使用類似于 "可拆卸無人機劫持者 "的技術，納入空中攔截以支持其C-UAS深度防御。

總結

這項工作表明，美國目前打擊無人駕駛系統的框架是不夠的，因為它缺乏打擊敵對集團的多管齊下的攻擊所需的能力。由于應對高空飛行的無人機所需的技術限制，地面的地對空導彈和其他基于地面的反無人機系統（C-UAS）技術如果作為獨立的系統使用是有缺陷的。相反，一個為空中攔截而設計的無人機網絡中隊，盡管其本身技術復雜，但提出了一種新的方法來對抗敵方的無人機。

本論文首先確定了國防部（DOD）和國土安全部（DHS）目前正在使用的C-UAS技術。然后，本論文討論了用于破壞數字通信鏈路的射頻（RF）干擾技術以及可被網絡攻擊利用的通信協議漏洞。接下來，本論文創建了一個理論框架，用于開發可附加在無人機主機上的低尺寸、低重量和低功率（SWaP）的網絡攻擊裝置。利用從現代防御行動和空中攔截中獲得的知識，本論文通過兩個假設的場景來說明無人機到無人機的攔截，其中一個水力發電設施被一個叛亂組織的無人系統攻擊。

最后，本論文進行了三個獨立的實驗，以開發一種名為 "可拆卸無人機劫持者 "的無人機對無人機攔截能力。可拆卸無人機劫持器是由樹莓派4號B型機、Alfa AWUS036ACH無線網卡和(2)18650電池構成的，它被設置為使用虛擬網絡計算（VNC）連接進行遠程訪問[1]。選擇三個商用無人機是基于它們使用IEEE 802.11無線通信標準，以及它們使用帶有預共享密鑰的WPA2加密技術所帶來的安全性。

實驗一包括在地對空和空對空操作中實地測試可拆卸無人機劫持者。同時，實驗二對可拆卸式無人機劫持器在亞冰點環境下進行了臺式測試，實驗三對可拆卸式無人機劫持器進行了熱成像[2]測試。偽證和傳輸控制協議（TCP）/同步（SYN）洪水攻擊被選為網絡攻擊技術。射頻干擾和其他電子攻擊技術方法被排除在外，因為它對在2.4GHz和5GHz頻段運行的其他系統有附帶損害。此外，射頻干擾的功耗要求太高，不適合在本論文中考慮。

為了評估針對802.11 WiFi無人機的網絡攻擊的效果，本論文在每次攻擊過程中測量了以下特征：目標的行為，目標和可拆卸無人機劫持者之間的距離，與每種攻擊方法相關的功耗，以及可拆卸無人機劫持者的熱特征。經過基線測試，首選的攻擊方法被證明是針對Parrot Bebop[3]和Skydio 2+[4]的去認證攻擊。

在第一次實驗中，盡管有適量的環境雜波，可拆卸無人機劫持者在250米外識別和減輕目標無人機造成的威脅沒有問題，導致目標在懸停模式下消耗了額外的電池電量。接下來，研究小組創造了一個場景，一個敵對的無人機攻擊了一個水力發電設施。從距離可拆卸式無人機劫持者250米處開始，以每小時15公里的速度和不斷變化的海拔高度飛行，一旦攻擊開始，目標就在距離其預定目的地80米的地方停下來。最初，目標在原地盤旋，飛回其發射點。然后，無人機在距離可拆卸無人機劫持者100米處最后一次與GCS連接的地方自行降落。在整個測試過程中，事實證明，"可拆卸無人機劫持器 "能有效地識別和減輕目標，而不會對無人機主機或周圍環境造成任何干擾。

零度以下的溫度測試表明，需要在可拆卸式無人機劫持器上安裝更好的溫度傳感器，以確保更準確的讀數。然而，即使暴露在零度以下的溫度下30分鐘，可拆卸式無人機劫持者也切斷了其目標的通信連接。為了使可拆卸式無人機劫持器能夠投入使用，需要進行加固處理，以確保該設備能夠在極端天氣環境下運行，這可能會增加SWaP要求。

在熱成像實驗中，使用FLIR A320溫度屏[5]拍攝靜態圖像，并由研究小組進行分析。靜態圖像是在操作使用前、連續操作5分鐘后和操作5分鐘后，從可拆卸式無人機劫持器的自上而下、正面和自下而上的觀察角度拍攝。熱成像實驗表明，經過五分鐘的操作，可拆卸式無人機劫持器的溫度只增加了3.3℃。

所進行的實驗證明，在將可拆卸式無人機劫持器整合到另一個空中平臺時，是非常有希望的。研究小組不僅證明了該系統將對WPA2加密的無人機起作用，而且這項研究還確定了將目前的原型發展為網絡化系統家族的方法。零度以下的實驗證明，可拆卸無人機劫持器將在多種環境下充分運作。從基線原型開發和空中實驗，到零度以下和熱能測試，可拆式無人機劫持器處于技術準備程度的第六級。這個技術準備程度是將概念發展為能力的一個重要里程碑。

在目前的形式下，可拆卸式無人機劫持器是一個可配置的 "波頓 "解決方案，可在各種平臺上使用。根據主機-無人機，可能會有系統集成方面的問題。具體來說，在運行測試期間，CPU與環境溫度的差異表明，根據主機-無人機的規格，在主機上集成時應考慮到熱特性。此外，在運行網絡攻擊時，與可拆卸式無人機劫持者的VNC連接被切斷，這使得操作者無法控制可拆卸式無人機劫持者進行故障排除。這個問題可以通過使用可拆卸式無人機劫持器上的以太網端口與嵌入式射頻模塊建立一個單獨的連接回到地面站來解決。研究小組對這一功能進行了基線測試，使用Persistent Systems MPU5[6]無線電，這對未來與其他無人駕駛飛機的系統集成很重要。

綜上所述，C-UAS市場仍處于起步階段，破壞的時機已經成熟。高性能計算機模塊越來越小，功耗越來越低，同時能力越來越強。開發C-UAS技術的公司應該重新調整他們的努力，利用高性能和低SWaP來創造更便宜，但更有能力的C-UAS設備。此外，國防部和國土安全部應該為設計空中C-UAS的低SWaP網絡攻擊系統創造要求。本論文和使用可拆卸的無人機劫持者的實驗證明，有可能對多個無人機進行空中網絡攻擊，而對他的設備影響最小。這個框架并不是要取代目前的方法，而是為了增強和提高C-UAS技術的有效性，以滿足操作環境的需要。雖然這項研究的重點是對抗消費型無人機以保護軍事基地和關鍵基礎設施，但過去兩場歐洲戰爭表明，地面短程防空系統無法與具有動能打擊能力的高空無人機相比。因此，未來的工作有很多機會來對抗消費者和政府的無人機，加強理論，并設計一個C-UAS設備的空中網絡。

提綱

盡管戰爭的性質是不變的，但技術在未來幾十年繼續發展，這意味著戰爭方式的個別特征也將改變。最值得注意的是，隨著信息技術的擴展和自主系統在未來戰場上的擴散，美國及其合作伙伴應該適應未來戰爭的發展。本論文的目的是研究目前的C-UAS技術和參謀長聯席會議（JCS）的理論，以確定哪些方面可以改進。這將為C-UAS戰略的轉變和新產品的開發提供信息，如本論文中提出的產品。

• 第2章通過分析當前和未來系統在殺傷鏈處理方面的成功或不足之處，審查了C-UAS技術的能力和局限性。這將有助于確定國防部和國土安全部在哪些方面可以重新設計其C-UAS技術的采購戰略。此外，本章還研究了當前的C-UAS理論、戰術、技術和程序（TTP）以及標準操作程序，以確定國防部可以改進其對抗無人機的戰略。

• 第3章探討了用于干擾數字通信鏈路的非動能射頻緩解措施。這一技術討論的重點是電磁（EM）波傳播、鏈路預算分析、低探測概率（LPD）和低攔截概率（LPI）原則、擴頻通信和射頻干擾原理。

• 第4章以第3章中的信息為基礎，探討利用消費型無人機上的通信協議漏洞的方法。這一章研究了開放系統互連（OSI）模型，它與數字通信的關系，以及如何開發網絡攻擊技術以提供對敵對無人機的精確攻擊。

• 第5章使用海軍陸戰隊的深度防御模式進行防御性作戰[33]，以保持進攻性思維來限制對手對第1-3組無人系統的使用[34]。本章還討論了作戰飛機如何被用作空中攔截來保衛關鍵基礎設施。此外，本章還提供了對比圖來探討當前的C-UAS架構，整合機載網絡攻擊和EW設備可能是什么樣子，以及與擬議架構相關的優點和缺點。最后，本章的結論是兩個假設場景，即叛亂團體使用無人駕駛自殺式無人機群攻擊水電設施。

• 第6章概述了第7章所使用的實驗方法、設置和數據收集方法，其中設計和建造了一個可拆卸的無人機劫持器的原型。

• 第7章描述了用于創建第5章中概述的概念的原型的實驗過程。本章進行的實驗對敵方無人機進行了拒絕服務（DoS）攻擊，該攻擊是由可拆卸無人機劫持器發射的，該劫持器連接在友方無人機上。

• 第8章是本論文的結論。對第5章提出的架構以及第7章的實驗進行了討論。本章最后提出了對未來C-UAS系統采購和理論發展的影響。

巴德學院無人機研究中心2019年12月的一項研究，確定了537個專門用于對抗無人機的系統[32]。雖然現有的反制措施已經滿足了國防部和國土安全部在2010年代末和2020年代初的需求，但它們很可能在多管齊下的攻擊中站不住腳。盡管市場密集，但每個系統都有與其使用相關的技術、社會和法律限制。此外，許多已投入使用的反措施都很昂貴和笨重，而且只會越來越笨重，因此很難采購和維持足夠的C-UAS設備來覆蓋所有潛在的攻擊載體。同時，無人機越來越便宜，越來越小，而且越來越網絡化--導致未來現有的系統可能無法抵御蜂群攻擊。這一現象正在烏克蘭與俄羅斯的戰爭中實時上演，因為烏克蘭已經利用無人機達到了破壞性的效果。也就是說，價值100萬美元的Bayraktar TB-2對俄羅斯軍隊造成了嚴重破壞，在一次空襲中摧毀了價值超過5000萬美元的地對空導彈[35]。這使得我們很容易預見這樣的情景：對手利用無人機群對美國的戰略基礎設施進行多波段、多頻率的攻擊。下一章專門概述了目前的C-UAS技術套件，并了解到目前還沒有一個明確的手段來對抗無人機群，而不會產生嚴重的意外后果。

近年來，針對工業生態系統的高級持續性威脅（APT）的復雜性急劇增加。這使得開發超越傳統解決方案的高級安全服務成為必須，輿論動力學（Opinion Dynamics）就是其中之一。這種新穎的方法提出了一個多智能體協作框架，允許跟蹤APT的整個生命周期。在本文中，我們介紹了TI&TO，這是一個攻擊者和防御者之間的雙人博弈，代表了一個現實的場景，雙方都在爭奪現代工業結構中的資源控制權。通過使用博弈論來驗證這種技術，我們證明，在大多數情況下，輿論動力學包括有效的第一項措施，以阻止和減少APT對基礎設施的影響。為了實現這一目標，攻擊者和防御者的模型都被標準化，并應用了一個公平的評分系統，后者用不同的策略和網絡配置運行了幾個模擬測試案例。

引言

世界各地的公司面對的網絡安全攻擊數量明顯增長，導致了巨大的經濟損失[2]。當涉及到關鍵的基礎設施（即核電站、電網、運輸和制造系統）時，這種情況變得更加嚴重，其工業控制系統必須在所有條件下保持工作。在這里，我們處理的是SCADA（監督控制和數據采集）系統，幾十年來一直在與外部網絡隔離的情況下工作；反過來，如今它們正越來越多地整合新技術，如物聯網（IoT）或云計算，在削減成本的同時外包各種服務。因此，需要做出更大的努力來跟上這種進步，以應對這些系統可能帶來的最新的攻擊載體和可利用的漏洞。

近年來最關鍵的問題之一是高級持續性威脅（APTs），這是一種復雜的攻擊，特別是針對目標基礎設施，由一個資源豐富的組織實施。它們的特點是利用零日漏洞（零時差攻擊），采用隱蔽技術，使威脅在受害者網絡中長期無法被發現。Stuxnet是第一個報道的這種性質的威脅[6]，但許多其他的威脅在之后被發現，通常是在攻擊完全執行后的幾個月[7]。在網絡安全方面，只是提出了一些機制來從整體上解決這個問題，超越了傳統的機制（如防火墻、入侵防御系統（IPS）、入侵檢測系統（IDS）、防病毒），這些機制只代表了在第一階段對APT的準時保護[21]。

在這些新穎的機制中，輿論動力學（Opinion Dynamics）[15]包括一個多智能體協作系統，通過分布式異常關聯，使攻擊的整個生命周期都可以被追蹤。在本文中，我們提出了一個理論但現實的方案，以證明該方法在不同類型的攻擊模式下的有效性，使用結構可控性領域[8]和博弈論[14]支持的概念。為了這個目標，我們開發了TI&TO，這是一個雙人博弈，攻擊者和防御者為控制現代工業結構中的資源而競爭。兩個玩家都有自己的動作和相關的分數，分別根據APT和基于Opinion Dynamics的檢測系統的行為。這個博弈最終在不同的模擬中運行，旨在展示算法的能力，同時也建議將該技術與其他防御方案結合起來進行最佳配置。因此，我們可以把我們的貢獻總結為：

• 正式定義TI&TO博弈，指定游戲板、每個玩家的目標和得分規則。
• 設計一個攻擊者模型，以一組階段的形式，靈活地表示APT的各個階段，以表示攻擊者的行動，這些行動受制于一個確定的分數。
• 設計一個基于使用意見動態和響應技術（即本地檢測、冗余鏈接、蜜罐）的防御者模型，以減少APT在網絡中的影響，這也意味著博弈中的相關得分。
• 進行的實驗驗證了該算法，并推薦了返回最佳結果的防御者的配置。

本文的其余部分組織如下。第2節介紹了 "輿論動力學"的概念，并強調了應用博弈論來檢測網絡攻擊的建議。在第3節中，定義了博弈，包括規則以及攻擊和防御模型。然后，進行了幾次模擬，并在第4節進行了討論。最后，在第5節中提出了結論和未來的工作。

前沿作戰基地（FOB）防御是一項人力密集型任務，需要占用作戰任務的寶貴資源。雖然能力越來越強的無人駕駛飛行器（UAV）具備執行許多任務的能力，但目前的理論并沒有充分考慮將其納入。特別是，如果操作人員與飛行器的比例為一比一時，并沒有考慮提高無人機的自主性。本論文描述了使用先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統開發和測試自主FOB防御能力。開發工作利用了基于任務的蜂群可組合性結構（MASC），以任務為中心、自上而下的方式開發復雜的蜂群行為。這種方法使我們能夠開發出一種基于理論的基地防御戰術，在這種戰術中，固定翼和四旋翼無人機的任意組合能夠自主分配并執行所有必要的FOB防御角色：周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應。該戰術在軟件模擬環境中進行了廣泛的測試，并在現場飛行演習中進行了演示。實驗結果將使用本研究過程中制定的有效性措施和性能措施進行討論。

第1章：導言

1.1 背景和動機

2019年，美國海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍發布了他的規劃指南，作為塑造未來四年的部隊的一種方式。他在其中指出："我們今天做得很好，我們明天將需要做得更好，以保持我們的作戰優勢"[1]。這句話摘自海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍的《2019年司令員規劃指南》（CPG），呼吁采取集中行動，以應對海軍陸戰隊在未來戰爭中預計將面臨的不斷變化的挑戰。在為海軍陸戰隊確定未來四年的優先事項和方向的CPG中的其他指導，呼吁建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人駕駛系統系列"[1]。伯杰將軍進一步呼吁利用新技術來支持遠征前沿基地作戰（EABO）。EABO將需要靈活的系統，既能進行有效的進攻行動，又能進行獨立和可持續的防御行動。簡而言之，實現EABO將需要最大限度地利用每個系統和海軍陸戰隊。

從本質上講，伯杰將軍正在呼吁改變無人駕駛飛行器的使用方式。通過使用大型的合作自主無人飛行器系統，或稱蜂群，將有助于實現這一目標。無人飛行器蜂群提供了在人力需求和后勤負擔增加最少的情況下成倍提高戰場能力的機會。正如伯杰將軍所提到的 "下一個戰場"，海軍陸戰隊將必須利用各種技術，最大限度地利用自主性和每個作戰人員在戰場上的影響。

目前的無人系統使用理論是以很少或沒有自主性的系統為中心。另外，目前的系統依賴于單個飛行器的遠程駕駛；也就是說，每輛飛行器有一個操作員。部隊中缺乏自主系統，這在監視和直接行動的作戰能力方面造成了差距。此外，側重于一對一操作員-飛行器管理的無人系統理論要求操作員的數量與車輛的數量成線性比例。這對于 "下一個戰場 "來說是不夠的。相反，海軍陸戰隊將需要能夠讓操作員擺脫束縛或提高他們同時控制多個飛行器的能力系統[2]。

考慮到這些目標，美國海軍研究生院（NPS）的先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）已經開發并演示了一個用于控制大型、自主、多飛行器的系統，該系統利用了分布式計算的優勢，并將駕駛的認知要求降到最低。ARSENL在現場實驗中證明了其系統的功效，在該實驗中，50個自主無人駕駛飛行器（UAV）被成功發射，同時由一個操作員控制，并安全回收[3]。

1.2 研究目標

這項研究的主要目標是證明使用無人機蜂群來支持前沿作戰基地（FOB）的防御。特別是，這需要自主生成、分配和執行有效的、符合理論的基地防御所需的子任務。這部分研究的重點是開發基于狀態的監視、調查和威脅響應任務的描述；實施支持多飛行器任務分配的決策機制；以及任務執行期間的多飛行器控制。

輔助研究目標包括展示基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）過程，以自上而下、以任務為中心的方式開發復雜的蜂群行為，探索自主蜂群控制和決策的分布式方法，以及實施一般的蜂群算法，并證明了對廣泛的潛在蜂群戰術有用。總的來說，這些目標是主要目標的一部分，是實現主要目標的手段。

1.3 方法論

基地防御戰術的制定始于對現有基地防御理論的審查。這一審查是確定該行為所要完成的基本任務和子任務的基礎。然后，我們審查了目前海軍陸戰隊使用無人機的理論，以確定這些系統在基地防御任務中的使用情況。

在確定了任務要求的特征后，我們為基地防御的整體任務制定了一個高層次的狀態圖。子任務級別的狀態圖等同于MASC層次結構中的角色。

ARSENL代碼庫中現有的算法和游戲以及在研究過程中開發的新算法和游戲被用來在ARSENL系統中實現子任務級的狀態圖。最后，根據高層次的狀態圖將這些游戲組合起來，完成基地防御戰術的實施。

在游戲和戰術開發之后，設計了基于理論的有效性措施（MOE）和性能措施（MOPs）。通過在循環軟件（SITL）模擬環境中的廣泛實驗，這些措施被用來評估基地防御戰術。在加利福尼亞州羅伯茨營進行的實戰飛行實驗中，也展示了該戰術和游戲。

1.4 結果

最終，本研究成功地實現了其主要目標，并展示了一種包含周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應的基地防御戰術。此外，開發工作在很大程度上依賴于MASC層次結構，以此來制定任務要求，并將這些要求分解成可在ARSENL蜂群系統上實施的可管理任務。這一戰術在實戰飛行和模擬環境中進行了測試，并使用以任務為中心的MOP和MOE進行了評估。最后的結果是令人滿意的，在本研究過程中開發的戰術被評估為有效的概念證明。

1.5 論文組織

本論文共分六章。第1章提供了這項研究的動機，描述了這個概念驗證所要彌補的能力差距，并提供了ARSENL的簡短背景和所追求的研究目標。

第2章討論了海軍陸戰隊和聯合出版物中描述的當前海軍陸戰隊后方作戰的理論。還概述了目前海軍陸戰隊內無人機的使用情況，并描述了目前各種系統所能達到的自主性水平。

第3章概述了以前自主系統基于行為的架構工作，ARSENL多車輛無人駕駛航空系統（UAS）和MASC層次結構。

第4章對基地防御戰術的整體設計以及高層戰術所依賴的游戲進行了基于狀態的描述。本章還詳細介紹了用于創建、測試和評估這一概念驗證的方法。在此過程中，重點是對每一戰術和戰術所針對的MOP和MOE進行評估。

第5章詳細介紹了所進行的實戰飛行和模擬實驗，并討論了與相關MOPs和MOEs有關的測試結果。

最后，第6章介紹了這個概念驗證的結論。本章還提供了與基地防御戰術本身以及更廣泛的自主蜂群能力和控制有關的未來工作建議。

這是MSG-145技術活動（TA）的最終報告，即標準化C2-仿真互操作性的實施。其目標讀者是北約技術界，特別是那些在指揮與控制（C2）和建模與仿真（M&S）領域工作的人。

本文件描述了MSG-145 TA的工作和發現，它是MSG-085的后續活動。MSG-085的背景在最終報告[1]中已有記載。

本報告描述了北約建模與仿真小組145（MSG-145）的工作和成就。該小組的主要目的是提供證據，支持仿真標準互操作性組織（SISO）的指揮與控制仿真（C2SIM）互操作性標準的實施，從而建議將該標準作為北約標準化協議（STANAG）予以采納。

這項工作建立在北約早期M&S活動的基礎上，特別是MSG-048和MSG-085，它們涉及聯合作戰管理語言和軍事場景定義語言（C-BML和MSDL）的開發和使用。這項工作的成功鼓勵了SISO致力于制定一個統一的標準，即C2SIM，用于初始化、任務/報告和由此產生的系統（我們稱之為聯盟）的同步操作。MSG-145進行了補充研究和實驗，以確定、測試和展示相關的用例。

MSG-145的活動包括：評估SISO C2SIM草案并向SISO提供反饋；開發有代表性的用例并在實驗環境中實施；提供一個持久的、分布式的實驗/測試和評估環境，即C2SIM沙盒；開發一個架構以提供C2SIM作為服務，并收集證據以支持小組提議采用C2SIM作為STANAG。

對C2SIM標準包的評估是通過檢查C2SIM的基礎數據模型（由一套本體表達）、審查文件和指導過程進行的。

由不同國家團體主導的用例涵蓋了：

• 無人駕駛自主系統（意大利）。

• 軍事行動訓練中的網絡戰（美國）。

• 軍隊的任務規劃（挪威）。

• 使用戰術數據鏈的空中行動（法國和德國）。

• 聯合任務規劃（英國）。

• 指揮所培訓（德國）。

這些用例中的每一個都提供了一個框架，用于測試C2SIM標準，并幫助SISO完善該標準。支持性實驗在國家和聯盟環境中進行，包括北約的聯軍戰士互操作性演習、實驗、檢驗演習（CWIX）和小組自己的迷你演習（MiniEx）。用例和實驗也證明了在幫助識別和探索利用機會方面的價值。其他工作描述了一個與系統開發者相關的參考架構，包括那些與M&S即服務（MSaaS）相關的工作。

已經開展了大量的推廣活動：在國內和國際上都提供了技術論文、演講、演示和輔導，如：ITEC、I/ITSEC、TIDE Sprint、ICCRTS和SISO SIW。ITEC, I/ITSEC, TIDE Sprint, ICCRTS和SISO SIW。完整的細節和參考資料見本報告的主體部分。

該小組的C2SIM沙盒是一個完整的C2SIM環境，承載著一個有代表性的建設性仿真、一個C2代用品和一個C2SIM網絡服務器，以提供網絡通信能力。用戶可以從世界任何地方使用安全的虛擬專用網絡（VPN）連接自己的系統。沙盒已被廣泛使用，目前在羅馬的北約模擬和仿真卓越中心（MSCOE）有一個持久的能力。

最后，報告總結了該小組是如何實現其目標的，確定了開發路徑以及如何使用和擴展C2SIM標準。它還總結了外展活動。最后，對北約來說最重要的是，它涵蓋了北約作為STANAG采用C2SIM標準所需的建議和過程。

該報告建議

• 應在SISO C2SIM標準基礎上提出并批準C2SIM STANAG。

• NMSG應向各國和業界推廣C2SIM標準。

• NMSG應向北約聯邦任務網絡（FMN）推廣C2SIM標準，并將該標準加入北約互操作性標準和配置文件（NISP）以及北約M&S標準配置文件（STANREC 4815）。

• 需要繼續開發決策支持和實施工具，以進一步發展業務能力。

• 實驗水平應擴大到包括更多的用例，以支持作戰計劃。

1.1 文檔結構

本報告的結構如下。

• 引言（第1章）。
• MSG-145概述（第2章）。
• C2仿真操作化任務（第3章）。
• 實驗、研討會和會議（第4章）。
• 識別的教訓和吸取的經驗（第5章）。
• 未來開發（第6章）。
• 結論和建議（第7章）。
• 參考文獻和書目（第8章）。

附件包括：

• C2SIM參考架構（附件A）。
• 2019年小型演習（附件B）。
• 2019年空中作業擴展演示（附件C）。
• 關于采用SISO C2SIM標準作為北約STANAG的建議（附件D）。

1.2 為什么要對C2SIM的互操作性進行標準化？

C2和仿真系統之間的互操作是現代軍事力量轉型中一個共同的重要主題。它被要求支持軍事企業執行業務活動和任務主線，如作戰訓練、信息共享和決策支持。這一要求意味著有能力將C2系統和仿真系統無縫集成，并提供有意義的、明確的信息交流手段。C2SIM互操作適用于在不同層次上為共同目標運作的系統:

• 1）服務內部。
• 2）跨部門（即聯合）。
• 3）在多國或聯盟背景下的國家之間。

此外，自主無人駕駛車輛系統（UVS）的出現導致C2系統和新興的機器人部隊類別之間需要增加相互合作。越來越多的無人系統的使用產生了開發和驗證新操作概念的需要，因此需要有實驗能力。C2系統和機器人系統之間的通信要求在許多方面與C2系統和仿真系統之間的通信要求相似。

在這樣一個 "系統簇"環境中，一個系統對另一個系統的控制需要一個明確的、自動化的機制，其中C2和M&S概念可以以有效和開放的方式聯系起來。

需要C2和仿真系統之間的相互合作來支持軍事活動，例如部隊的準備工作；對行動的支持；和能力的發展。目前，不同制造商和/或國家的系統之間的互操作需要專有的接口，需要時間和金錢來開發和維護。此外，在許多情況下，除了這些供應商的特定接口外，在軍事場景定義、初始化和執行過程中還需要人為干預。所謂的 "旋轉椅"界面需要向仿真操作員提供信息，他們必須將這些信息手動翻譯成仿真可以處理的指令。用標準化、自動化的界面取代這樣的操作人員，可以節省大量的費用，同時也能使操作更加有力和及時。

因此，制定定義C2和仿真系統之間交換軍事信息的通用接口標準，可以大大降低成本，并大大促進系統集成。

C2SIM互操作標準化的好處包括：降低成本和工作量；減少場景準備時間；提高真實性和整體效果。

1.3 C2SIM互操作性標準

利益相關者已經認識到建立一個國際公認的標準的重要性，該標準提供了一個獨立于系統的語言和協議。

1.3.1 C-BML

戰斗管理語言（BML）是一種不含糊的語言，用于指揮和控制進行軍事行動的部隊和系統。BML正在被開發為一種標準的表示和手段，用于交流數字化的C2信息，如命令和計劃，使軍事人員、仿真部隊和未來的機器人部隊能夠理解。此外，BML必須通過數字化報告提供態勢感知和共享的共同作戰圖像（COP）。在以網絡為中心的環境中，BML對于實現相互理解尤為重要。BML還必須在一個多國分布式綜合能力變得越來越普遍和重要的環境中促進C2SIM的互操作性。

BML是獨立于學說的，但提供了表達學說的手段。然而，BML并不作為標準化理論的手段：詞匯必須在各自的應用領域中得到很好的定義，以便在過程結束時毫不含糊地生成可執行的任務。BML必須以底層信息技術系統（M&S或C2系統）可以交換信息的方式對這些方面進行建模，同時也可以正確解釋結果。因此，仿真互操作性標準組織（SISO）承擔了BML標準的開發工作，即聯盟戰斗管理標準。

C-BML語言使用聯合協商指揮與控制信息交換數據模型（JC3IEDM）的數據定義，因為它代表了一套公認的、定義明確的信息元素。然而，JC3IEDM的信息結構不是C-BML標準的一部分。

2014年4月，SISO批準了C-BML的初始版本，這是一種標準化的正式語言，用于指揮和控制（C2）、仿真和自主系統之間的數字化軍事信息交流。C-BML是一種互操作性標準，可以大大促進軍事場景的準備和執行，以支持軍事企業活動。

1.3.2 MSDL

涉及C2系統和仿真系統之間信息交換的用例情景，往往需要對所有系統進行與現有作戰和/或仿真數據庫一致的預先初始化。

軍事場景定義語言的目的是減少場景開發的時間和成本，它能夠創建一個獨立于仿真的軍事場景格式，側重于現實世界的軍事場景方面，使用行業標準的數據模型定義XML，可以方便和可靠地被當前和不斷發展的仿真所使用。最初的MSDL能力是在美國陸軍的 "半自動化部隊"（OneSAF）計劃中，在2001年至2004年的早期架構發展階段進行的原型設計。一個SISO研究小組（SG）得出結論，全社會都需要一個標準化的軍事場景格式，以減少開發時間和成本，并實現寶貴場景產品的共享。標準化的場景格式還提供了一種方法，可以將主要由人工復制的場景自動化為多種仿真場景格式，并減少這一人工過程中引入的錯誤數量。

2006年，一個正式的SISO MSDL標準產品開發小組（PDG）成立，其具體目的是制作一個標準的軍事場景定義語言數據模型。PDG審查了OneSAF以前的工作，并將其與JC3IEDM進行了擴展和調整。由此產生的SISO標準的1.0版本于2008年11月獲得批準。除了OneSAF，MSDL還被美國陸軍建模和仿真辦公室（AMSO）、空軍和海軍陸戰隊以及北約活動所采用。

1.3.3 C2SIM

由SISO開發的MSDL和C-BML標準分別用于支持場景初始化和場景執行，目前正在協調建立C-BML/MSDL聯合標準，也稱為C2SIM標準。為此，2014年，SISO將C-BML和MSDL產品開發組（PDG）合并，形成C2SIM PDG。這就產生了第二代協調的標準，它保持了C-BML和MSDL的優點，也提供了可擴展性。

圖1-1顯示了操作概念，C2SIM實現了C2系統、M&S應用和自主系統之間信息（如計劃、命令和報告）和初始化數據的交換。

1.4 北約以前在C2SIM互操作標準化方面的工作

北約協調支持辦公室（CSO）的建模與仿真組（MSG）近年來支持了一些與C2SIM互操作相關的技術活動。MSG-145是2006至2014年開展的MSG-085和MSG-048技術活動的后續活動。在2016年3月MSG-145開始之前，北約探索小組-038（ET-038）于2015年9月舉行。

MSG-048展示了C2SIM的可行性，MSG-085展示了C2SIM互操作性的效用。MSG-145打算將C2SIM投入使用。

1.4.1 北約MSG-048技術活動

MSG-048技術活動探討了 "戰斗管理語言"（BML）作為一個開放框架的組成部分，在北約范圍內連接C2系統和M&S或機器人系統的技術可行性。

MSG-048的研究結果提供了一套經驗教訓，豐富了MSG-048實驗項目的經驗。一套關于C2SIM互操作的操作和技術要求已被證明對仿真互操作性標準組織（SISO）的C-BML標準化活動有用，并為MSG-085技術活動提供了參考。2013年，MSG-048因這項工作獲得了北約科學成就獎。

1.4.2 北約MSG-085技術活動

MSG-048的后續活動，即2010年啟動的MSG-085 TA的結果，主要得益于作戰團體的大量參與，為C2SIM互操作性確立了更清晰的范圍和完善的作戰和技術要求集。MSG-085通過幾次實驗活動證明了概念的正確性。他們首先確認了現有C2SIM互操作性方法的操作相關性并衡量了其效益。他們還確定了現有技術的局限性和需要改進的地方，并有助于向更廣泛的社區通報C2SIM互操作性的最新情況。最重要的是，從這些活動中獲得的經驗教訓有助于為正在制定C2SIM互操作性標準的SISO標準化機構制定一套建議。一個主要的建議是，C-BML和MSDL應該基于一個共同的數據模型，并合并成一個C2SIM標準。

1.4.3 北約ET-038技術活動

探索小組在2015年提出的范圍是探索和定義北約未來需要執行的技術工作，以實現C2SIM的互操作性。事實上，在改進C2SIM方面還有很多技術工作。MSDL和C-BML都需要有下一代的開發，以促進它們的合作以及它們能夠實現的互操作性的范圍。MSDL應該滿足廣泛的國家和北約系統的需求，而C-BML應該提高它所能代表的復雜性和使用它來代表復雜情況的便利性。利益相關者對合并這兩項活動以產生一個統一的、更易于管理和部署的C2SIM互操作性解決方案的共識進行了分析，以確定未來TA的范圍。這催生了MSG-145。