該項目的目的是進行無偏見的研究，以確定基于場景，對彈藥和補給的需求的下一代后勤艦（NGLS）的最佳類型和數量。近幾十年來，美國海軍一直不受常規威脅或來自近似競爭對手的嚴重競爭的制約。海軍作戰部長（CNO）和海軍陸戰隊司令（CMC）的指導促使海軍部（DON）追求大國競爭，并重新計算軍事力量對對手的優勢和劣勢。這種對創新和能力優勢需求的增加提供了新的概念，如分布式海上作戰（DMO）、有爭議環境下的沿岸作戰（LOCE）和遠征先進基地作戰（EABO）。這些概念改變了美國海軍在有爭議的環境中使用和分配其部隊的方式。戰略機動性和戰斗后勤部（N42）的人員提出了一個復雜的問題：海軍如何才能在后勤上支持和維持這些分布式部隊，而又不至于讓對艦隊的長期維持至關重要的戰斗后勤部隊（CLF）艦艇承擔不必要的風險？本文提供了一個框架，使用轉運數學模型來重新武裝和補給未來的后勤需求，以支持LOCE、DMO和EABO。

這篇論文考慮的情況是，一架無人機保衛一個高價值的目標，以抵御一些入境的攻擊無人機。防御性無人機配備了短程武器，必須以最有效的方式摧毀每一架攻擊性無人機。這個問題是應用數學中幾個開放性問題的交匯點，例如在有損耗的情況下的最佳行動規劃，以及解決有移動目標的 "旅行推銷員問題"（TSP）。我們研究的目的是通過將該問題分解為各組成部分的問題，然后提出各組成部分的概念驗證方案來分析該問題。這篇論文的主要成果包括一個建模框架，在這個框架中，可以在不需要約束的情況下進行優化；比較使用不同類型的成本函數進行優化的優勢（例如，最小化高價值單位被摧毀的機會與基于防御者相對于攻擊者的路徑的度量）；以及通過將其映射到標準TSP或使用機器學習來解決某些限制下的移動目標TSP。

1.1 戰斗中的自主系統

自動化系統，特別是無人駕駛飛行器（UAVs）的迅速增加，改變了現代戰場。美國已經率先在整個作戰范圍內開發和實施無人機，從信號情報到無人機精確打擊[1], [2]。然而，我們的對手繼續取得有意義的進展，最近的例子是俄羅斯在烏克蘭使用中國制造的無人機[3]，無人機可能參與了最近對北溪管道的破壞[4]，甚至恐怖組織的小規模、低技術的無人機攻擊[5]。

美國繼續按照無人駕駛航空系統（UAS）路線圖[6], [7]發展其無人機能力，該路線圖規定了無人機平臺的幾個重要任務，包括情報、監視和偵察（ISR）、壓制敵方防空（SEAD）、電子攻擊、網絡節點/通信中繼和空中投遞/補給。然而，這份清單中明顯缺少的是無人機系統的防御。無人機戰爭的一個新的和發展中的方面，即無人機對無人機的交戰，迫在眉睫。有許多無人機防御系統正在開發中，包括地面激光系統，如海軍陸戰隊的緊湊型激光武器系統（CLWS）[8]和導彈系統，如陸軍的KuRFS和Coyote Effectors[9]。然而，新的反無人機系統（C-UAS）無人機正在開發中，如洛克希德-馬丁公司的MORFIUS[10]，它使用高功率微波（HPM）武器系統，使敵方無人機在飛行中失效。

美國軍方和國防部（DOD）總體上對其無人機能力進行了大量投資，這不僅包括人員、設備和武器，還包括對無人機和蜂群的戰術運用的大量研究，而這些研究超出了最近取得巨大成功的ISR和精確打擊能力[11], [12]。在2019年的指揮官規劃指南中，海軍陸戰隊指揮官大衛-H-伯杰將軍要求建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人系統家族"，以及 "大大增加我們在其他領域成熟無人駕駛能力的努力" [13]。正是在這些其他領域，我們必須繼續創新，特別是在我們對抗對手在無人機/無人機系統開發方面的成果的能力方面。

2021年，美國防部發布了其C-UAS戰略，確定了其核心挑戰：小型無人機系統（sUAS）的指數級增長給美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正在極大地改變小型無人機系統的合法應用，同時使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。當被疏忽或魯莽的操作者控制時，小型無人機系統也可能對國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。國防部必須在越來越多的小型無人機系統與國防部飛機共享天空、在國防部設施上空運行以及被我們國家的對手使用的環境中，保護和捍衛人員、設施和資產[14]。

雖然該戰略要求在理論、組織、訓練、物資、領導和教育、人員、設施-政策（DOTMLPF-P）等方面應對這些挑戰，但必須做更多的工作，將研究/開發與戰術層面的使用結合起來，并使之同步。這篇論文的目的就是要彌補這些領域之間的差距。

1.2 目前的工作

為了提高ISR能力，無人機技術早期發展的大部分學術工作都致力于各種學科的最佳路徑控制，但具體的軍事應用包括為ISR任務避免碰撞/雷達[15]。這項工作的成功從美國的無人機精確打擊能力中可見一斑。在海軍研究生院（NPS），Kaminer等人就大型蜂群的動力學和行為開展了大量的工作[16]-[20]。盡管有很長的工作歷史，這些最近的論文提出了高價值單位防御中的一個新的最佳控制問題，開發了具有損耗建模的最佳控制問題的計算框架，并開發了高效的數值框架來解決最佳控制問題中的不確定參數

許多文獻都涉及到減員模型。蘭徹斯特損耗模型使用微分方程來研究敵對部隊的依賴性損耗，自第一次世界大戰（WWI）以來，該模型被有力地運用于戰斗研究[21], [22]。一些工作已經確定了需要并解決了明確結合最優控制和損耗建模的問題[23], [24]。然而，并不存在將這些領域有效地結合在一起的一般框架或理論，當它們被解決時，其結果往往是高度特定的場景。

本論文的大部分內容將關注旅行銷售員問題（TSP）在動態環境中的應用。最佳控制和TSP在物理學和工程科學中經常有交集。例如，一個這樣的問題可能是由航天器以最佳方式訪問木星的所有79顆衛星[25]。Moraes和Freitas通過比較幾種啟發式算法來解決移動目標TSP（MT-TSP），并應用于人群和無人機檢測[26]。

1.3 開放式問題

耦合蘭徹斯特損耗模型、最優控制理論和TSP的問題對于大領域的超級蜂群是難以解決的。然而，無人機防御研究必須關注這三個領域的交叉點，以便適當地解決這一領域現存的軍事戰術和戰略問題。超級蜂群系統的基本特征還沒有得到很好的理解，盡管隨著我們擴大小型蜂群參與戰略和框架的規模，它們的屬性可能會出現。

圖 1.1 一般研究問題的解決框圖

本論文從這個有利的角度來探討這個問題，從小型蜂群開始，開發新的方法來解決更多可解決的系統，然后可以擴大規模。

每一種方法都考慮到sUAS有限的機載計算能力和作戰期間有限的可用時間。如圖1.1和1.2所概述的一般研究問題，首先是估計諸如武器類型、武器效能、無人機群類型等參數。本論文將把所有的參數視為常量、已知量。關于參數的不確定性分析見Walton等人[17]。

圖1.2 研究問題的場景可視化

其次，一群防御性無人機必須決定如何分割即將到來的攻擊者集合，以便以最佳方式與他們交戰，使高價值單位（HVU）的生存概率最大化。本論文將這一場景限制在單一防御無人機上。關于多重TSP（MTSP），見參考文獻[27]-[29]。

1.4 提綱

剩下的幾塊，決定攻擊順序和路徑優化，將在下面幾章討論。第二章假設已經知道或選擇了合理的攻擊順序，并解決相關的科學問題，即如何使HVU的生存率最大化。我們偏離了最優控制的路徑優化，而是致力于建立全新的、無約束的優化框架的可行性，在這里我們討論了各種成本函數的優點和缺點。第三章和第四章分別從TSP和機器學習（ML）的有利角度解決攻擊順序問題。

第三章試圖消除MT-TSP的時間依賴性，以證明動態版本的TSP仍然可以在轉換的空間上采用傳統的TSP算法，第四章為ML的應用建立了一個概念證明。最后，第五章展示了我們開發的圖形用戶界面（GUI）的功能，作為無人機防御任務規劃的輔助工具。

美國海軍陸戰隊（USMC）正在進行組織和行動上的變革，以適應當今世界新的作戰要求。《美國海軍陸戰隊部隊設計2030》描述了新的概念，如遠征先進基地作戰（EABO），重點是偵察/反偵察和海上攔截。為了檢查和評估新的作戰概念、部隊結構、武器系統、戰術、技術和程序，以及其他對這些行動的調整，美國海軍陸戰隊需要能夠代表與這些預期變化相關的全部變化的模型和模擬。21世紀聯合武器分析工具（COMBATXXI）是由美國海軍陸戰隊和美國陸軍共同開發的戰斗模擬，用于支持建模和分析。在過去的20年里，COMBATXXI擁有研究這些新概念所需的許多基本能力，但目前在一些關鍵領域缺乏真實的表現，如研究海上攔截的新角色的關鍵方面所需的海上水面作戰人員。這種表現需要平臺的識別、瞄準和評估損害，從而確定其繼續執行作戰任務的能力。本研究的目的是檢查與EABO有關的新作戰概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關的建模方法。該研究描述了一種建模方法，該方法在COMBATXXI中的初步實施，以及對該模型在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。研究最后提出了后續工作的建議，以進一步改進或運用所開發的能力。

引言

A. 背景介紹

美海軍陸戰隊作戰發展司令部（MCCDC）作戰分析局（OAD）運行海軍陸戰隊研究系統（MCSS），該系統每季度向整個海軍陸戰隊征求研究提名。每年都有幾項研究需要用高分辨率的戰斗模擬進行建模。21世紀聯合武器分析工具（COMBATXXI）是一個高分辨率的分析性戰斗模擬，自1998年以來，由OAD和美國陸軍白沙導彈發射場研究和分析中心（TRAC-WSMR）共同開發。聯合武器模擬代表了從戰術層面上的單個實體（即車輛、飛機、步兵、艦艇、登陸艇等），直至加強營級單位的行動。

COMBATXXI提供了跨越多個領域的建模能力，包括兩棲作戰、聯合武器作戰和綜合防空。該模擬可用于進行詳細的傳感器到射手的分析，包括直接和間接射擊以及關鍵的指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）的相互作用。對多領域作戰平臺的詳細分析和聯合武器作戰是COMBATXXI的主要功能。這種能力已經由OAD在兩棲戰車（ACV）備選方案分析（AoA）、殺傷人員地雷/集束彈藥（APL/CM）研究、有爭議環境中的兩棲攻擊研究、未來垂直升降能力集3 AoA、ACV中炮能力研究和先進偵察車（ARV）AoA中進行了展示。

目前，OAD正在支持2030年部隊設計（2020年海軍陸戰隊司令部）的幾個方面。帶有概念性戰術、技術和程序（TTPs）的新場景正在被用來進行各種分析。需要包含各種威脅和戰術情況的復雜行為。

海軍研究生院（NPS）建模、虛擬環境和模擬（MOVES）研究所擁有獨特的技術專長，以支持和擴展OAD對COMBATXXI的分析使用。多年來，MOVES開發了創新工具，極大地提高了分析人員使用COMBATXXI模擬的效率和效果。國家核安全局MOVES研究所的任務是通過開發和維護所需的功能，提供技術支持以進行OAD研究和分析技術培訓，提高OAD更充分地運用COMBATXXI的分析能力。MOVES支持OA開發、維護和增強工具和能力，如Behavior Studio、Workbench、Observer/Sensor工具、實體和單位行為，以及Monterey Extensions軟件包。OAD提供COMBATXXI模擬、現有行為、數據、測試方案和文件，作為政府提供的信息（GFI）供NPS使用。分配任務的場景和相關數據庫可以達到營級登陸隊（BLT）或海軍陸戰隊遠征部隊（MEF）的水平，并且可以包括所有海軍陸戰隊空地特遣部隊（MAGTF）的能力（例如，指揮部（CE）、地面戰斗部（GCE）、空中戰斗部（ACE）和后勤戰斗部（LCE））。

B. 范圍和目標

2030年部隊設計包括新的組織，如海上瀕海團（MLR）和新的作戰概念，如遠征先進基地作戰（EABO），重點是偵察/反偵察和海上攔截。本項工作的目的是研究與EABO有關的新概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關建模方法。該研究描述了一種建模方法，該方法在COMBATXXI中的初步實施，以及對該方法在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。

C. 問題陳述

美國海軍陸戰隊（USMC）正在進行組織和行動上的變革，以適應當今世界新的作戰要求。美國海軍陸戰隊部隊設計2030描述了新的概念，如遠征先進基地作戰（EABO），需要對部隊結構、任務和作戰能力進行審查。為了檢查和評估新的作戰概念、部隊結構、武器系統、戰術、技術和程序，以及其他適應這種行動的措施，美國海軍陸戰隊需要能夠代表與這些預期變化有關的全部變化的模型和模擬。在過去的20年里，COMBATXXI擁有許多研究這些新概念所需的基本表現，但在一些關鍵領域缺乏現實的表現，例如在研究海上攔截的新作用的關鍵方面所需的海上水面戰斗人員的表現。這種表述需要對這些平臺進行識別、瞄準和評估損害，以確定其繼續執行作戰任務的能力。需要開展工作，審查與EABO有關的新概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關的建模方法。

D. 技術方法

為滿足這一需求，本研究對EABO概念進行了研究，并描述了一個能捕捉到這些概念的關鍵方面的名義情景。本研究審查了當前COMBATXXI的能力，以確定需要哪些額外的或修改的能力來解決新概念。該研究描述了一種建模方法（COMBATXXI需要的能力），在COMBATXXI中的初步實施，以及對該模型在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。研究的結論是對后續工作的建議，以進一步改進或運用所開發的能力。

在贊助商的指導下，如果技術上可行，開發的新功能應在不修改現有Java代碼的情況下實施。NPS MOVES必須提前通知OAD研究主辦方并獲得批準，任何需要新代碼或修改COMBATXXI核心模型現有代碼的開發工作。這種通知使 OAD 有機會與 TRAC-WSMR 和 COMBATXXI 配置咨詢委員會協調潛在的代碼修改。

E. 本文件的組織

第一章是本研究的介紹，提供了關于工作基礎、研究范圍和目標、問題陳述和一般技術方法的背景信息。第二章概述了EABO，作為研究的概念基礎，并描述了一個名義上的情景，目的是確定必須達到的功能能力，以代表感興趣的操作條件，如海上攔截（如船舶代表，瞄準船舶能力，評估船舶能力的損害，并根據所受損害確定持續的任務有效性）。第三章展示了如何在COMBATXXI中實現表示概念場景所需的能力。第四章介紹了在COMBATXXI中執行概念情景的例子，并確定了研究變體的樣本，以檢驗新增能力的應用。第五章提出了研究結論和后續工作的建議。附錄A是報告中使用的術語和縮略語的詞匯表。附錄B提供了用于啟動COMBATXXI中的分層任務網絡（HTN）進程的python腳本清單，以執行概念情景中的實體行為。

什么是多域作戰？

以下定義摘自美國陸軍訓練與條令司令部：

多域作戰（MDO）描述了美國陸軍作為聯合部隊[陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊和太空部隊]的一部分，如何在競爭和武裝沖突中對抗和擊敗能夠在所有領域[空中、陸地、海上、太空和網絡空間]與美國抗衡的近鄰對手。該概念描述了美國地面部隊作為聯合和多國團隊的一部分，如何在2025-2050年的時間框架內威懾對手并擊敗能力強大的近鄰對手。

MDO為指揮官提供了許多選擇，以執行同時和連續的行動，利用出其不意以及快速和持續地整合所有領域的能力，給對手帶來多種困境，以獲得物質和心理上的優勢以及對作戰環境的影響和控制。

多域作戰的關鍵元素

• 滲透敵方的反介入和區域拒止（A2/AD）系統（分層和綜合遠程精確打擊系統、沿岸反艦能力、防空系統、遠程火炮和火箭系統），使美軍能夠進行戰略和作戰機動。

• 破壞--擾亂、降低或摧毀A2/AD系統，使美軍能夠進行作戰和戰術機動。

• 利用由此產生的機動自由，通過擊敗所有領域的敵軍來實現作戰和戰略目標。

• 重新競爭--鞏固各領域的成果，迫使其以對美國和盟國有利的條件恢復競爭。

需要什么樣的軍備解決方案?

• 戰爭的速度和決策的速度可以說從來沒有像今天這樣快過，而且明天可能也會這樣。

• 在陸、海、空、天，甚至網絡領域運作的資產的密切協調，以促進ISR活動和對敵對目標的殺傷鏈，需要精確性，以及在各種平臺上 "蓄勢殺傷 "的能力。

• 系統的通用性可以減少后勤的負擔，簡化培訓和維護，并有助于確保各平臺的性能一致、可靠。

• 基于成熟技術的解決方案能夠迅速投入使用，并為作戰人員增加更多的靈活性和選擇，是一種力量的倍增劑。

美國負責采購和維持的國防部副部長辦公室（OUSD A&S）的任務是快速和低成本地向作戰人員和國際合作伙伴提供和維持安全和有彈性的能力。現在迫切需要開發適應性采購框架（AAF），以加快軟件開發和采購流程，加強作戰概念（CONOPS），如分布式海上作戰（DMO）。國防部（DoD）必須利用與國防戰略和全球威脅的性質相聯系的數據驅動的分析來塑造AAF，并擴展新的能力來應對新的威脅。威脅和能力共同演化矩陣（TCCM）解決了這一要求。威脅是一種能力試圖處理的問題。一種能力是代表威脅的問題的解決方案。共同進化算法探索了一些領域，其中一個能力或能力組合的質量由其成功擊敗一個威脅或威脅組合的能力決定。TCCM有可能在新的和有爭議的環境中系統地優化、推薦和共同演化能力和威脅。我們展示了一個關于幫助項目執行辦公室（PEO）使用從公開來源匯編的非機密數據對特定領域DMO的能力和威脅進行戰役的用例。

引言

不僅美國防部負責采購和維持的副部長辦公室（OUSD A&S）有必要制定采購戰略，而且整個國防部也有必要應用數據驅動的分析以及與國防戰略和全球威脅的性質相聯系的創新和適應性作戰概念（CONOPS），并為作戰人員擴展新的能力。

例如，為了提高部隊的總體戰備能力，并在廣泛的行動和沖突頻譜中隨時投射戰斗力，海軍需要靈活的指揮和控制（C2）組織結構來滿足CONOPS。例如，DMO是海軍的一個CONOPS，而遠征先進基地作戰（EABO）是美國海軍陸戰隊（USMC）的一個CONOPS。DMO和EABO都是海戰現代化的新興作戰概念。PMW 150是PEO C4I的C2系統項目辦公室，也是C2解決方案的主要提供者，它的工作重點是將作戰需求轉化為海軍、海軍陸戰隊、聯合部隊和聯軍作戰人員的有效和可負擔的作戰和戰術C2能力。PMW150的任務是 "以創新的方式滿足相關能力的操作要求，使作戰人員能夠保持C2的優勢"（Colpo，2016）。

另一方面，美國艦艇的海上行動，特別是在沿海地區，將繼續存在爭議和危險；因此，當務之急是發展DMO和EABO，以實現統一的行動愿景。DMO的目的是在有爭議的環境中支持國家和戰略目標。DMO的概念不僅將進攻性打擊視為在戰斗中獲勝的主要戰術，而且還將欺騙和迷惑敵人的能力確定為在有爭議的環境中獲得成功的關鍵任務。目前的工作重點是將現有的平臺、系統和能力與DMO的具體戰術相結合，以實現海上戰略和作戰目標。DMO被定義為 "通過使用可能分布在遙遠的距離、多個領域和廣泛的平臺上的戰斗力來獲得和保持海上控制所必需的作戰能力"（海軍作戰發展司令部[NWDC]，2017）。

DMO作為海軍和海軍陸戰隊資產運作的一個概念，其發展源于分布式殺傷力（DL）模型（Popa等人，2018）。DMO的概念采用了DL的擴展觀點，由三個支柱組成：通過網絡射擊能力提高單個軍艦的攻擊力，將攻擊能力分布在廣泛的地理區域，并為水面平臺分配足夠的資源，以實現增強的作戰能力（Rowden, 2017）。DMO還強調在所有領域，包括空中、地下和網絡戰，都需要更有彈性和可持續性的水面平臺。DMO的未來觀點是成為以艦隊為中心的戰斗力，通過整合、分配和機動性，允許在多個領域（有爭議的空中、陸地、海上、太空和網絡空間；國防部，2018）同時和同步執行多種能力和戰術，以便在復雜的有爭議的環境中戰斗和獲勝（Canfield，2017）。因此，DMO不僅包括傳感器、平臺、網絡和武器的傳統戰爭能力，而且還延伸到隨著新技術發展的其他戰術。DMO概念使用涉及ISR、機器學習（ML）和人工智能（AI）的先進探測和欺騙，特別是使用無人系統來增強進攻性戰術行動的能力；因此，通過潛在地利用平臺、傳感器、武器、網絡和戰術的不同組合，可以在所有海上領域放大一支多樣化但統一的部隊的戰斗力。

DMO的概念包括詳細的能力，如反措施、反目標和反介入的戰術。反措施是旨在轉移威脅的防御性能力。反目標可能是進攻性能力、欺騙性戰術和轉移威脅的作戰演習。欺騙性戰術包括無人資產群、機械和物理反措施、電子干擾和限制電磁輻射，或排放控制（EMCON）。反介入是為了消除威脅。

傳統上，基線部隊結構由一組固定的友軍艦艇和飛機組成，排列成行動組，包括航母打擊組（CSG）、遠征打擊組（ESG）、水面行動組（SAG），以及各種獨立的可部署單位，如EABO的遠征海軍部隊。

DMO的行動要求包括能力、人力、維護和供應等資源，需要仔細分析、計劃和執行，這需要正確的數據戰略、分布式基礎設施和深度分析。威脅與能力協同進化矩陣（TCCM）的技術概念解決了DMO和EABO行動的要求。威脅是一種能力試圖處理的問題，包括其復雜性和緊迫性。一種能力是代表威脅的問題的解決方案。來自ML/AI社區的協同進化算法探索了一些領域，其中能力或能力組合的質量由其成功擊敗威脅或威脅組合的能力決定。戰爭游戲模擬中使用的協同進化算法類似于國防應用中廣泛使用的蒙特卡洛模擬，只是它們參與了預測和預報、優化和博弈（minmax）算法等ML/AI。DMO和EABO概念要求處理不斷變化和發展的威脅的能力和資源網絡的靈活性和進化。

圖 1. 每個節點都使用 CLA 注意：每個節點的內容和數據可能包括能力；首先需要對能力進行索引、編目和數據挖掘。

圖 2. TCCM 和兵棋仿真的概念

綜合指揮與控制（CC2）被定義為指揮和控制整個行動范圍的綜合能力--核與非核、軍事與非軍事、美國與聯盟--從和平時期的合作到競爭、危機和沖突，在所有威脅環境中，包括跨核和核后使用，從國家決策層到戰術層保持一致。(建議的定義) 。注：綜合C2要素是指國家領導人的指揮和控制、核C2和聯合/共同的所有領域C2。

AFRL對其2017年的MD-C2 "Clean Sheet "進行后續研究，以制定一個綜合的C/JADC2/C3-NC2/C3概念架構框架，然后以該框架為基礎，為聯合/全域C2（JADC2）/C3和國家C2/C3（包括核C2/C3）應用提出漸進的技術解決方案（名義上是向適用的ABMS和NC2項目辦公室提出）。

• 國家領導人C2（NLC2）包括由適當指定的國家高級領導人及其支持人員進行的活動、過程和程序，以集體對抗、減輕或阻止對美國重要利益和國家生存的威脅，包括國家確保社會福利和安全的能力。(建議的定義)

• 核指揮與控制（NC2）是指總統作為美國武裝部隊的總司令，通過既定的國家指揮權力線對核武器、核武器系統和軍隊的核武器行動行使權力和指導。

綜合/聯合全域C2（C/JADC2）被定義為在所有威脅環境中指揮和控制美國和國際伙伴軍事行動的軍事能力，在戰略到戰術決策層面上保持一致，跨越競爭-沖突的行動范圍。(建議的定義)

聯合全域指揮與控制（JADC2）被定義為在戰爭的各個層次和階段，跨越所有領域，并與合作伙伴一起，以相關速度提供信息優勢的作戰能力。(目前的定義)

提綱

• 背景
  • STRATCOM和HAF/A10要求
  • 問題聲明
  • 定義和架構關系
• 全面的C2預定用途概述
• 清單式架構研究結果
• 清單式架構研究建議
  • 近期的綜合C2理論和概念
  • 科學和技術，原型設計和實驗
  • 與JADC2相關的建議
  • 全面的C2架構開發第2階段

美陸軍網絡部隊的技能和能力在其成立后的十年里得到了增長。本文重點介紹了美陸軍網絡任務部隊部分所需的結構性變化，這些變化將使其繼續增長和成熟，因為陸軍過去的組織和結構性決定對當前和未來的效率和效力帶來了挑戰。對當前形勢的評估強調了軍事領導層必須解決的領域，以使陸軍的網絡部隊繼續發展以滿足多領域行動的需要。

訓練和裝備一支能夠在新領域開展行動的新軍事力量是一個反復的過程。美國上一次開始這樣的工作是在二十世紀初，航空部隊的誕生和空域的出現。戰術、部隊結構和利用新能力的戰略是在建立軍事航空后發展起來的，但由于當時缺乏危機感而被界定和限制。第二次世界大戰迫使空軍迅速成熟，并導致了美國陸軍航空隊的建立，這是一支為應對空域挑戰而設計的有凝聚力的戰斗部隊。像陸軍航空隊一樣，陸軍的網絡部隊正在達到成熟，擁有切實的能力和對對手的作戰經驗，并將受益于評估先前的組織和人事決定的影響，為多領域行動做準備。

對軍事網絡的重大和復雜的入侵為美國網絡司令部（USCYBERCOM）的成立提供了動力，并使網絡空間與空中、海上、陸地和太空一起成為作戰領域。美陸軍和國防部（DoD）已經在建立該領域的能力方面取得了重大進展。 從部隊結構的角度來看，主要的亮點包括：

• 在2010年建立美國陸軍網絡司令部（ARCYBER）。

• 通過在2011年創建第780軍事情報旅（網絡）來組建一支進攻性網絡部隊。

• 在2014年創建網絡保護旅（CPB），以容納防御性部隊。

• 在2019年建立第915網絡空間戰營（CWB），以滿足戰術網絡空間電磁活動的要求，以及所有網絡任務部隊（CMF）小組；以及

• 在2018年實現全面作戰能力。

在人事方面，陸軍在2014年成立了網絡部，并在2018年整合了電子戰。最近，陸軍正式確定了網絡空間能力發展官員/準尉軍事職業專業（MOSs），以提供設計和創建特定網絡空間能力的有機能力。

從理論到培訓再到組織，該部門和網絡單位不得不確定需求，進行試驗，并制定解決方案，以滿足不斷變化的網絡空間行動的需求。在這篇文章中，我們研究了與兩個最初的部隊結構決定相關的挑戰，并提供了克服這些挑戰的考慮。

首先，當陸軍創建其網絡部隊時，進攻性和防御性網絡行動被隔離在兩個不同的獨立旅內。歷史上的分界繼續存在，并帶來了意想不到的后果。盡管創建了一個新的分支和軍事職業專業，但將進攻性網絡行動（OCO）和防御性網絡行動（DCO）分開的組織決定對人員和資源產生了負面影響。

其次，這些單位有復雜的指揮系統，有獨立的行政控制（ADCON）和作戰控制（OPCON）關系。目前，網絡小組的作戰指揮與小組的行政和領導不一致，包括人員評級、財產問責、統一軍事司法法典的權力和指揮本身（例如，連長跟蹤網絡小組的訓練和醫療準備，而小組負責人負責日常運作）。這些復雜的問題造成了混亂和驚愕，并阻礙了統一的努力。

雖然這些組織決定是經過深思熟慮的，也是出于行動的需要，但它們阻礙了陸軍網絡部隊內部的統一行動，造成了組織和行動上的損失。整個聯合網絡社區正在進行反省。隨著所有的CMF團隊最近實現了充分的操作能力，美國網絡司令部正在評估其目前的規模，并要求陸軍和空軍派遣更多的團隊。 為了給網絡空間帶來更統一的方法，空軍通過重新指定和重新分配第67網絡空間聯隊下的幾個單位來重新調整其內部組件的結構和組成。 現在是重新審視陸軍內部結構以更好地支持網絡空間行動的理想時機。如果陸軍忽視了過去因需要而做出的決定的影響，而不重新評估其有效性，那將是一種失職。本文認為，美陸軍必須在網絡部門內部推動更大的團結，使該組織作為一支有效的網絡空間戰斗力量繼續前進。

這項合作研究描述了與當前聯合作戰方式相關的挑戰，包括將作戰司令部作為作戰總部，以及聯合特遣部隊在應對危機方面的不足。對聯合特遣部隊的分析包括反應時間、人員配置、訓練和準備問題。此外，該研究還討論了聯合作戰的挑戰，包括單一服務和聯合作戰之間的關鍵差異以及聯合指揮和控制的獨特方面。隨后，作者提出了一個替代性的常設聯合作戰總部，暫時稱為美國遠征軍（AEF）。對美國遠征軍的討論包括一個潛在的組織結構，關鍵要素在聯合行動過程中的作用，以及該組織框架如何在選定的作戰司令部內應用。最后，本研究討論了擁有常設總部的意義，這些總部可以分析和試驗當前的服務和聯合行動概念，以便為未來的沖突做好準備。

美國軍隊將如何在未來的戰爭中保持競爭優勢？由于其對手正在發展更迅速的作戰和取勝能力，美軍必須比其對手更早地成為一支卓越和可持續的聯合部隊，并朝著建立常設遠征軍總部而不是聯合特遣部隊（JTF）的方向發展，作為其主要作戰總部。美軍應將美國遠征軍正式確定為主要的聯合作戰總部，以應對需要軍事干預的危機。成功的實施需要這些總部與聯合作戰的性質相一致，利用各軍種的優勢，盡量減少額外的部隊結構要求，并協助目前的聯合和軍種概念發展。

現有的作戰司令部并不是最佳的聯合作戰總部，因為它們將大部分時間用于軍事外交、戰區安全合作和對大國競爭的支持。目前依靠聯合特遣部隊來填補這一空白是有問題的，因為危機后啟動這種編隊需要大量的組建時間，而且聯合特遣部隊總部主要來自單一軍種的總部，他們缺乏進行復雜的聯合行動所需的經驗和訓練。

美軍應建立美國遠征軍，作為主要的聯合作戰總部。這些總部應該是常設的；有編號的；在區域上與地域作戰司令部保持一致；并從現有的、在區域上保持一致的軍種總部和編隊中挑選。擬議的美國遠征軍將與美國遠征軍組成部分的指揮官一起，在與美國遠征軍指揮官組成的指揮委員會中進行聯合指揮決策；以職能人員組織，而不是按J代碼組織；并采用聯合作戰行動程序，由指揮委員會及其職能人員制定聯合行動方法，組成部分的指揮人員參與詳細規劃和命令的制定。

美國遠征軍概念的一個主要好處是，除了在緊急情況下的聯合作戰外，還能夠調整和試驗軍種和聯合行動概念，以實現部隊管理。常備的美國遠征軍非常適合試驗、評估和發展聯合作戰概念和特定服務概念，并在聯合作戰中整合空間和網絡領域。作為區域性的、持續建立的聯合編隊，美國遠征軍可以針對潛在對手的理論和能力最有效地測試這些概念。

在未來，美軍快速、有效和聯合應對對手行動的能力將成為一種戰略威懾力。盡管建立以目前聯合特遣部隊組織為模式的常設作戰總部將有助于解決目前方法在效率和有效性方面的一些不足，但這種解決方案并不完整。此外，在不增加部隊結構的情況下，得到軍種的支持，與當前的聯合概念發展倡議保持一致，或者成功實施，都是不太可能的。因此，美軍應將美國遠征軍正式確定為主要的聯合作戰總部，以應對需要軍事干預的危機。

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。

摘要

當代和新出現的安全威脅以及從最近的軍事行動中吸取的教訓已經證明，為了在傳統的物理領域（陸地、空中、海上、太空）實現作戰目標，確保在非物理領域的主導地位至關重要，即網絡空間、電磁環境（EME）和信息環境。因此，除了物理作戰領域之外，在非物理領域取得優勢的能力對于實現戰役的軍事和非軍事目標具有決定性意義。

作戰人員將面臨消除沖突，協作，同步和整合行動的挑戰，以實現并發揮協同效應以應對多種威脅，其中可能還包括來自每個作戰領域對手的武裝沖突閾值以下的行動，包括非物質的。

本文探討了作戰環境聯合情報準備 (JIPOE) 作為支持聯合作戰規劃、執行和評估的主要工具的作用和意義，從而有助于多域作戰 (MDO) 的同步和協調。在這方面，基于政治、軍事、經濟、信息、基礎設施-物理、時間(PMESII-PT)方法，不可能將對當代作戰環境(OE)的分析局限于物理領域及其與非物理領域的關系。相反，作者們相信，確定一種合適的方法來關注在非物理領域單獨或聯合進行的活動影響，它們在PMESII-PT所有領域的相互融合和實際操作領域的相關性，將大大有助于友軍識別和評估對手的重心(COG)、關鍵弱點、意圖和行動路線(COAs)的能力，包括各自的指標。JIPOE將為聯合部隊指揮官(JFC)提供OE的整體視圖，將與戰術層面密切合作、共享和開發，通過結合不同領域的能力，應該能夠壓倒對手的部隊。這種集中控制和分散執行的方法將有助于在作戰和戰術層面之間產生協同效應。

引言

未來的軍事行動將以物理和非物理層面的融合為特征，眾多不同的行為者將在其中運作。任何部隊都需要適應極其復雜的作戰環境和大量的作戰變量，需要適應性地使用一系列武器系統來產生致命和非致命的效果。因此，除了物理作戰領域（即陸地、空中、海上和太空），在非物理領域（網絡空間、EME、信息環境）取得優勢的能力將對實現戰役的軍事和非軍事目標具有決定性意義[1, p.280]。

OE是影響能力運用和影響指揮官決策的條件、環境和影響因素的綜合體[2, p.3]。了解OE的因素和條件不僅是所有計劃活動，特別是行動設計的關鍵前提，也是友軍保護和許多其他相關任務的關鍵前提[3, p.41]。

JIPOE代表了一種系統的方法，用于分析有關OE和對手的信息。它可以應用于全部的軍事行動。指揮官和參謀部在危機背景、根本原因和具體動態方面，對戰區形成共同的理解和整體的看法。它使指揮官能夠直觀地看到問題的程度，以及他們如何塑造和改變OE，使之成為他們的優勢，這將為他們的決策提供信息[2, p.3-5]。

JIPOE產品極大地促進了聯合（即作戰）層面的軍事行動的規劃和執行。現代軍隊，特別是北大西洋公約組織（NATO）內的軍隊，幾十年來在討論跨領域（陸、海、空）的協調行動時一直使用聯合這一術語。如今，由于全球安全環境的巨大變化以及俄羅斯和中國日益增長的野心，為了挑戰潛在的同行對手，需要采取多領域的方法。在傳統的戰爭門檻下，盟國及其合作伙伴已經受到了跨越物理和非物理領域的持續攻擊[4, p.2]。MDO一詞不同于聯合行動，因為它旨在關注跨越多個領域的行動，而不考慮服務的歸屬，不一定是由多個部門進行的行動[5，p.49]。

圖1:支持聯合行動的當前JIPOE流程的可視化。

圖2:提出支持MDO的JIPOE過程方案。