世界各地的軍隊現在正在開發和構想無人機群。蜂群由多個無人駕駛飛行器（UAV）組成，具有一定的自主性，可以導航和感知周圍區域。與 "捕食者 "或 "死神 "相比，它們更聰明、更自主，被設計為自行起飛和降落，自行飛行任務集，自行在空中加油，并自行穿透敵人的防空設施。

在最近和正在進行的敘利亞、也門和納戈爾諾-卡拉巴赫的沖突中，無人機的使用凸顯了大規模應用無人駕駛和自主平臺的意義和效用。這種蜂群也迫使對手消耗彈藥和其他軍事資源，從而以一種能夠進一步精確攻擊或電子反制的方式發出陣地信號。

無人機群的發展和該技術在各國的進一步發展將在后面的段落中介紹。

美國：美國蜂群計劃

為了保持領先地位，美國一直在大力投資于無人機群的研究和開發。美國蜂群計劃中的三項發展特別令人感興趣：Perdix無人機蜂群、低成本無人機蜂群技術（LOCUST）、機器人智能體指揮和傳感的控制架構，即CARACaS系統。

Perdix無人機群。2016年10月，美國戰略能力辦公室（SCO）在加利福尼亞發射了一個由103架Perdix無人機組成的蜂群。這些無人機是從三架F/A-18 "超級大黃蜂 "戰斗機上發射的，表明美國空軍有能力結合其先進的空中優勢和 "尖端創新 "來使用蜂群技術的發展。

Perdix無人機是一種微型無人機，因為它的翼展不到30厘米--使它成為在城市環境中運行的理想選擇。它有兩組機翼，一個小型電池組，以及一個內置攝像頭。這是一個簡單的設計，起源于2011年麻省理工學院的林肯實驗室，后來被SCO拿去做實驗。無人機被裝在一個小盒子里，可以從戰斗機上的照明彈分配器中彈出，這是一個重要的解決方案，因為它意味著這些系統可以輕松地安裝在現有的飛機上。該蜂群展示了先進的行為，"如集體決策、自適應編隊飛行和自我修復"。它被比喻為一個集體有機體，共享一個分布式大腦進行決策，并像自然界中的蜂群一樣相互適應。

Perdix系統相互連接并自行形成蜂群，不需要操作員的微觀管理。即使一些系統死亡，蜂群也能做出反應，重新制定模式或完成任務，這意味著一架Perdix無人機的失敗不會導致其他無人機放棄任務。Perdix微型無人機演示如上所示。

LOCUST計劃。Perdix無人機表明向自主運作的硬件邁進，而LOCUST計劃是指所使用的軟件。LOCUST目前正被用于Coyote（叢林狼）無人機，該無人機從一個平臺上發射--與目前美國海軍艦艇上的反艦導彈發射器一致。被認為是獲得攻擊能力的一種更便宜的方式，LOCUST計劃有可能取代單一的、昂貴的反艦導彈。LOCUST系統在40秒內至少發射30個 "叢林狼 "無人機，然后在飛行過程中進行同步，形成蜂群。30架無人機群的價格約為50萬美元，單機價格僅為1.5萬美元，LOCUST的成本不到目前部署的價值百萬美元的魚叉反艦導彈的一半。LOCUST的具體目的是利用低成本的無人機，如Coyote--無人機是可消耗的，因此如果一個被摧毀，"其他的無人機會自主地改變其行為以完成任務"--進入進攻層面。

CARACaS計劃。最后，美國蜂群計劃的第三個發展可以在CARACaS計劃中找到。CARACaS開發的軟件和硬件都可以安裝在美國海軍的任何船只上，這說明走向自主系統的過程正在多個戰場上發生。CARACaS目前用于小型無人船--但也可用于任何船只--并使用群集技術進行操作，使船只能夠相互溝通。這個項目背后的想法是，昂貴但重要的日常任務，如港口巡邏，可以委托給一個無人監督的系統。海軍的CARACaS系統正在消除 "水手生活中枯燥、骯臟和危險的任務"。

小精靈計劃。美國國防高級研究計劃局（DARPA）也展示了X-61A Gremlin空中發射無人機。DARPA的 "小精靈 "計劃背后的想法是將像C-130這樣的貨運飛機變成母艦，能夠在遠離敵人防線的地方發射和回收成群的小型無人機。小精靈 "飛行器長約14英尺，加滿燃料后重約1,600磅。這比Perdix微型無人機大得多。

最初展示的是回收四個Gremlins，從長遠來看，一個C-130可以回收多達16個這樣的飛行器，這取決于操作要求。從概念上講，"小精靈 "也可以從F-16戰斗機、B-52戰斗機和其他飛機上發射，只需對飛機進行少量改裝。這可以大大改變蜂群中的系統數量。

這將為軍方開辟一個可能性的世界，允許部署小型、廉價、可重復使用的無人機群，其傳感器和有效載荷與傳統的飛機不同。

俄羅斯

俄羅斯軍方正在努力開發空中、地面和海上的機器人系統群，其中一些項目已經接近于現實。

早在2017年，在關于 "俄羅斯武裝部隊機器人化 "的年度會議上，就審議了機器人群的概念。

2018年，俄羅斯國防部MOD的 "ERA軍事創新技術城"與高級研究基金會--一個類似于美國 "國防DARPA "的組織--以及莫斯科物理技術學院的科學家一起主辦了無人機群試驗。

同年，關注無線電電子技術公司，一家國有企業集團，聲稱到2025年，它將開發一種能夠控制無人機群的直升機。

2020年，俄羅斯國防部還用三種不同的無人機類型進行了首次空中蜂群試驗，這些無人機在敘利亞被廣泛使用，使俄羅斯軍隊的分層覆蓋范圍擴大到250公里。

Staya-93計劃。俄羅斯國防部的茹科夫斯基和加加林航空學院的科學研究中心目前正在研究Staya-93提案--Staya在俄語中是 "flock"的意思--專注于領導者和跟隨者無人機之間的連接和通信，特別是當無人機可能受到對手的廣泛反制。

Molniya計劃。Kronshtadt設計局最近提出的另一個名為Molniya的蜂群概念涉及從有人和無人的平臺上發射多個噴氣動力的隱形無人機，進行空中和地面打擊，并提供電子戰和偵察能力。

到2021年底，俄羅斯軍隊將獲得多功能遠程無人機，以提供精確打擊，可與有人駕駛飛機以及地面和海基機器人系統一起群起而攻之。這些無人機包括Okhotnik S-70重型戰斗無人機和Altius無人機。

俄羅斯國防部對軍用無人機開發的優先事項包括將人工智能元素引入無人機控制系統，同時進行無人機群開發。

2021年4月，俄羅斯國防部宣布，它正在進行一個項目，以創建一個專門的無人駕駛飛行器來識別和打擊敵人的潛艇。按照設想，這些無人機將能夠利用人工智能的元素在群中運行。俄羅斯國防部暗示，為了容納必要的設備和武器，可以使用具有大型有效載荷的無人機模型，如S70 Okhotnik或Altius。另一項建議涉及俄羅斯未來的遠程隱形PAK-DA轟炸機發射和指揮無人機群。

高級研究基金會正在開發Marker UGV，作為多種技術的試驗臺，包括地面和空中機器人的人工智能和群集控制。

另一種UGV，即重型Udar，以BMP-3裝甲車底盤為基礎，設想與無人機和UGV編隊協同作戰。

正在接受俄羅斯國防部評估的新Kungas概念涉及一組不同大小的UGV，用于情報、監視和偵察以及戰斗任務。

俄國防部還在設計一個水下微型機器人群，可以在北極條件下連續工作數小時，同時還在為北極探索設計一個巨大的冰山水下概念，將涉及多個有人和無人的平臺。

當談到利用人工智能進行蜂群 "指揮和控制 "時，俄羅斯軍事機構及其專家承認，在開發關鍵算法方面還有很多工作要做。

中國

中國是最接近美國高密度無人機群能力的國家，開發人工智能授權的自主無人機群。最近，中國電子信息研究院（CAEIT）測試了一個由CH-901無人機組成的48×管狀發射無人機群。CAEIT過去曾在2017年展示了一個200個單位的無人機群。中國公司還展示了令人印象深刻的1000多架無人機群，使用四旋翼無人機進行大型公開展示，然而這些無人機是由地面控制的，不具備分布式智能。

中國正在進行現有無人機機群的整合，與軍方進行強有力的協作自主作用。它還有一個忠誠的僚機AVIC 601-S '暗劍'正在開發中，它將與第四代和第五代PLAAF戰斗機平臺一起運行。中國已經保持了一項吉尼斯世界紀錄，即同時飛行3,051架預設程序的無人機。

英國

英國可能在2021年中期擁有世界上第一支可操作的蜂群無人機部隊，以執行包括在敵方防線內執行自殺式任務和壓倒對手防空的任務。皇家空軍的№216中隊已被賦予測試和部署未來無人機群能力的任務。英國還宣布了 "蚊子項目"，這是英國皇家空軍的輕量級廉價新型作戰飛機（LANCA）無人駕駛忠誠僚機計劃的一部分。這旨在到2023年飛出一個聯網的無人駕駛僚機。

英國還測試了一個自主的無人機群，每個無人機都攜帶萊昂納多的BriteCloud消耗性主動誘餌的變種，作為電子戰有效載荷。使用含有電子戰干擾器的BriteClouds，無人機能夠對作為假想敵綜合防空網絡代理的雷達發動模擬的非動能攻擊。

法國

法國空中客車公司首次為未來戰斗航空系統（FCAS）/Systeme de Combat Arien du Futur（SCAF）計劃展示了協作式遠程載具（RC）群和僚機技術。

其他國家

以色列正在開發蜂群技術，關于這種舉措的細節被嚴密保護。有趣的是，IAI提供了一個基于智能手機的蜂群指揮和控制應用程序，在全球范圍內銷售。

土耳其已經通過TB-2等國產平臺在敘利亞和利比亞證明了成熟的MALE無人機能力，它也有各種蜂群無人機計劃。其中最主要的是 "卡爾古（Kargu）"四旋翼飛機，它可以在戰術戰場上發揮動能攻擊作用。在未來的日子里，土耳其正在努力成為一個全球無人機大國。

伊朗是另一個在行動上使用無人機的中東國家。伊朗當局將無人機用于兩個主要目的--監視和攻擊，伊朗有能力在地平線上和大多數天氣條件下執行任務。這些無人機包括有能力投擲炸彈或發射導彈并返回基地的無人機和尋找機會目標的 "神風 "無人機。伊朗當局在后者方面取得了更大的成功，這在2019年沙特油田襲擊事件中可見一斑，據稱當時使用了伊朗制造的無人機和巡航導彈。雖然在車輛群方面可能有基本的協作自主權，但伊朗和土耳其都沒有在其無人機群中展示真正的分布式情報能力。但他們的努力清楚地表明了該技術是如何成熟和擴散的。

印度：無人機群發展

印度陸軍展示了一種成熟的進攻能力，由75架具有分布式智能和邊緣計算的自主無人機群組成，在2021年1月新德里的印度建軍節閱兵期間用神風攻擊摧毀了各種模擬目標。在演示中，偵察無人機調查了目標，然后攻擊和母艦無人機釋放有效載荷和裝有炸藥的神風特攻隊無人機，進行攻擊。西方評論家注意到印度陸軍演示的幾個重要特點，并將其與美國圍繞無人機所做的努力相比較，后者往往強調一個大型同質化的蜂群。有人指出，印度的原創工作，在世界上第一次公開展示了異質蜂群的努力，是這一領域可能的發展方向。一家印度初創公司NewSpace Research & Technologies與印度陸軍的蜂群開發項目有關。

印度斯坦航空有限公司（HAL）已經公布了空中發射靈活資產（ALFA -S）空中發射蜂群無人機系統，作為其下一代戰斗空中編隊系統（CATS）的一部分。這是一個獨特的計劃，它利用空中發射的遠程載體和蜂群單位的網絡來滲透到有爭議的空域。美國空軍的空軍研究實驗室正在與印度就ALFA-S的各個方面進行合作。新空間研究與技術有限公司也是HAL的ALFA計劃的合作伙伴。

HAL的CATS計劃的另一個組成部分是 "勇士 "忠誠翼人資產。這是為防空和進攻性打擊任務準備的，將與印度的Tejas LCA和即將到來的AMCA第五代作戰飛機一起以載人和無人機組隊（MUM-T）的方式使用。值得注意的是，印度被本土研究的力量和政府的 "印度制造 "所推動，以擁抱顛覆性技術，這在某些領域與世界各地發生的類似努力不相上下。HAL在班加羅爾舉行的2021年印度航空展上公布了勇士號的第一個1:1模擬模型。

三家印度初創公司在印度空軍組織的為期三年的蜂群無人機競賽中獲勝。"蜂群架構"獎由前印度空軍軍官Sameer Joshi經營的新空間研究與技術私人有限公司獲得。順便說一下，新空間公司最近從印度陸軍贏得了1500萬美元的蜂群無人機訂單。"通信架構"獎由德里科技大學團隊與阿達尼防御公司合作獲得，"無人機架構"獎由Dhaksha無人系統公司獲得。

IAF構思了2018年10月3日啟動的 "梅哈爾-巴巴蜂群無人機競賽"，以鼓勵開發蜂群無人機，在不同領域中使用。該競賽的名稱是為了紀念已故空軍準將梅哈爾-辛格，他在IAF的同事和崇拜者親切地稱為 "Baba"梅哈爾-辛格。它的概念是為蜂群無人機技術發展專有的設計、開發、制造和生產的 "低成本-高影響 "解決方案。該競賽只對本地人才和本地初創企業開放。

無人機群的特性

美國戰略能力辦公室（SCO）實際上并沒有創造出蜂群；麻省理工學院（MIT）的工程學生采用了 "全商業組件設計"。因此，如果無人機蜂群技術足夠容易獲得，以至于學生可以開發它，全球擴散幾乎是不可避免的。因此，新的無人機技術正在被各個國家迅速部署。

創建任務分配算法。創建無人機群從根本上說是一個規劃問題。無人機可以很容易地在電子商店買到，或者就像伊拉克和敘利亞伊斯蘭國那樣用膠帶和膠合板建造。無人機群的挑戰是讓各個單元一起工作。這意味著開發通信協議，以便它們能夠共享信息，管理無人機之間的沖突，并共同決定哪些無人機應該完成哪些任務。要做到這一點，研究人員必須創建任務分配算法。這些算法允許蜂群將特定的任務分配給特定的無人機。一旦創建了算法，它們就可以隨時共享，只需要在無人機上進行編碼。

人工智能（AI）的利用。國家安全和人工智能方面的專家爭論的是，單一的自主武器是否能夠充分區分民用和軍用目標，更不用說數千或數萬架無人機。據美國的人工智能專家稱，在某些狹窄的環境中，這種武器可能在50年內就能做出這種區分。他們認為，人工智能還不能管理戰場上的復雜情況。

先進的蜂群能力。先進的蜂群能力，如異質性（不同大小的無人機或在不同領域運行的無人機）和靈活性（輕松增減無人機的能力）仍然相當新穎。然而，讓無人機協作并投擲炸彈是可以實現的。

涉及的風險量。無人機群惡化了致命的自主武器所帶來的風險。即使一個精心設計、測試和驗證的自主武器擊中錯誤目標的風險只有0.1%，但如果乘以數千架無人機，仍然意味著巨大的風險。

無人機通信。無人機通信意味著一架無人機的錯誤可能會傳播到整個蜂群。

涌現行為。這是一個術語，指的是由單個單元的行為導致的復雜的集體行為，是蜂群的一個強大的優勢，允許像自我修復這樣的行為，在這種情況下，蜂群會改革以適應無人機的損失。但是，涌現行為也意味著每個無人機共享的不準確信息可能導致集體錯誤。

無人機群未來發展路徑

武裝的、完全自主的無人機群是未來的大規模毀滅性武器。蜂群可以造成與在長崎和廣島使用的核武器同樣程度的破壞、死亡和傷害--即數萬人死亡。這是因為無人機群結合了傳統大規模殺傷性武器特有的兩個特性：大規模傷害和缺乏控制以確保武器不傷害平民。

各國已經在把非常大的無人機群放在一起。美國海軍研究生院也在探索在海上、水下和空中運行的100萬架無人機群的潛力。要達到長崎的潛在傷害水平，無人機群只需要39,000架武裝無人機，如果無人機上有能夠傷害多人的爆炸物，也許會更少。

繼2021年1月在新德里建軍節閱兵式上展示了75架無人機群后，印度已表示有意將無人機群規模擴大到1000架以上。

無人機群也可以作為沒有核武器的國家的戰略威懾武器，以及作為恐怖分子的暗殺武器而發揮作用。

消耗性微型無人機。佩迪克斯微型無人機能夠進行低空情報、監視和偵察以及其他短期任務。它們可以從空中、海上或地面發射，并以小群和大群的方式運行，以執行其任務。

DARPA的Gremlins計劃，如這個藝術家的概念所示，設想從轟炸機、運輸機和戰斗機上發射無人駕駛飛機群，在主機仍在射程之外的時候攻擊目標。

在飛行中改變。DARPA的 "拒止環境中的協作行動"（CODE）計劃將使多個配備CODE的無人駕駛飛機能夠協作地感知、適應和應對意外的威脅和新目標。這些系統可以共享信息，計劃和分配任務目標，做出協調的戰術決策，并在高威脅環境中做出反應。

俄羅斯S-70 Okhotnik忠實僚機與蘇-57戰斗機

2021年建軍節，印度軍隊在新德里展示了75架無人機的異構蜂群

土耳其軍隊已經部署了500多個卡爾古群集無人機系統進行動力攻擊

野外火災對國土安全構成直接威脅，因為它們造成嚴重的個人、經濟和社會壓力。隨著無人駕駛飛行器（UAV）蜂群的使用越來越普遍，它們很可能作為一線消防航空資產，提高空中滅火飛行的操作速度，從而提高消防員的安全。這篇論文探討了使用無人機蜂群作為火災撲救方法的概念，在一個現實的火災場景中，將理論上的無人機蜂群與傳統的航空資產進行比較，然后使用系統工程方法來定義在林野空間實施無人機蜂群的壓力點。這項研究的結果支持無人機蜂群的繼續發展，并明確界定了在實施大規模無人機蜂群飛行之前必須解決的領域。滅火無人機蜂群系統顯示出巨大的前景，因為它具有相對的便攜性，并且能夠為無法隨時獲得傳統滅火飛機的地區提供空中滅火選擇。然而，在實施之前，解決無人機蜂群系統的后勤和通信限制，將是至關重要的。

執行摘要

野外火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。認真對待野地火災的威脅，并尋求實施增加安全和保障的技術進步是至關重要的。荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用成群的無人駕駛飛行器（UAVs）對荒地火災進行火力攻擊。

隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進荒地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。在一項回顧性研究中，巴特勒發現，從2000年到2013年，有78名野外消防員的死亡，即26.2%，與航空有關。國家機構間消防中心報告說，在過去10年中，"每年平均有62,693場野火，每年平均有750萬英畝受到影響。"國家消防局估計，現在每年用于撲滅野火的費用為16億美元。盡管有所有這些事實，這些年用于撲滅這些火災的資源基本上保持不變。由于野外火災的威脅使公民面臨財產損失、高額的撲滅費用和潛在的生命損失，目前有必要探索基于無人機的火災撲滅。無人機群可能比目前的航空資產更有效地執行空中滅火的關鍵任務。

無人機蜂群是在特定參數下部署的半自主的航空器群，以完成一項任務。這些飛機在發射和回收時得到人類控制器的協助，但隨后被允許在特定參數下完成任務。無人機蜂群可以被證明是快速部署的空中資產，可以在地面部隊到達之前找到并壓制火勢。利用無人機群進行滅火行動可以提高消防員和公眾的安全，使火勢保持小規模和可控，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火場。

使用傳統的固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機無法在濃煙條件下、天氣事件和黑暗的夜晚飛行。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。由于無人機和無人機群有能力在夜間和許多有機組人員的飛機無法做到的條件下飛行，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。致力于使用無人機群進行空中滅火可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，同時使火勢更小、更容易控制。

這篇論文旨在回答這樣一個問題：新興的無人機群技術如何在野外環境中作為一種火災攻擊方法來實施。研究設計采用了一種三管齊下的方法。首先是概念驗證法，通過參與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究集團的實際無人機群飛行任務來促進。在測試過程中，我們飛行了多種類型的無人機群，并將無人駕駛的地面車輛整合到群中。實際測試表明了在荒地部署無人機群的可行性，并強調了在全面部署前必須解決的問題。

第二種方法是對50架無人機群和傳統的單引擎空中加油機（SEAT）進行比較分析，攻擊理論上的火災。該分析允許對無人機群和傳統飛機在特定時間內攻擊火災進行比較。衡量標準包括投放的滅火劑數量和每種資產的預計運營成本。這些信息被用來完成無人機群和傳統飛機之間的成本比較。最后，Innoslate 4（V 4.5.1.0）基于模型的系統工程軟件和建模系統被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。這些飛行方案允許(a)確定實施的壓力點，(b)了解無人機群和SEAT飛機的限制和好處，以及(c)確定無人機群操作和確保成功任務所需的地面支持人員之間的關鍵關系。

作為這項研究的結果，我們相信無人機群可以對野外環境中的空中滅火做出重要貢獻。無人機群因其相對的便攜性和對防火區有限的進入障礙而顯示出巨大的前景。雖然50架無人機群對每個森林保護區來說可能并不可行，但即使有幾架滅火無人機，在地面部隊可以攻擊它們之前，也可以控制低至中強度的火災。然而，在這之前，必須解決許多壓力點，以全面實施基于無人機群的火災撲救。其中一些問題包括制定和實施明確的無人機群飛行政策和程序，審查聯邦航空管理局關于無人機群行動的現行規則，制定支持無人機群行動的后勤最佳做法，并確保積極的通信聯系以保證對無人機群的完全控制。最后，如果美國接受了將無人機群用于野外消防和其他商業行動的概念，那么支持無人機和無人機群的基礎設施以及專注于建造、編程和操作的無人機具體教育就至關重要。

在野外環境中使用無人機群的概念對于提高消防行動的安全性和生產力有明確的價值。雖然有一些障礙需要克服，但未來的野外消防工作將大量涉及無人機群。預計多個運營商將尋求進入無人機群建設和運營的最前沿，這既是一個商業機會，也是一個協助解決日益嚴重的野外火災問題的機會。雖然無人機滅火不太可能很快取代傳統的空中滅火，但使用無人機群作為另一種空中滅火工具的能力，特別是在傳統飛機不飛行的夜間，應該為火災管理人員提供另一種快速和更安全地緩解火災的手段。

I. 引言

荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用無人駕駛飛行器（UAVs）群，在荒地火災失去控制之前對其進行火力攻擊。蜂群是在特定參數下部署的無人機自主團隊，以完成一項任務。無人機群被允許在任務參數范圍內做出自主和合作的決定，同時由一個操作員進行監督控制。這種能力與目前的無人機操作形成對比，后者需要每架飛機都有一個飛行員。利用無人機群進行滅火行動有可能提高消防員和公眾的安全，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火災。

A. 研究的動機

野地火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。大規模的野地火災所代表的危險是如此嚴重，以至于火災管理人員必須嘗試使用所有可用的戰術來抑制它們，包括直接和間接的火災攻擊方法。這些技術需要將消防員置于危險之中，以減緩或阻止火災的發展。2010年至2019年期間，134名消防員在撲滅野地火災時因公殉職。"國家機構間消防中心 "報告說，在過去10年中，"平均每年有62693場野火，平均每年有750萬英畝受到影響。 "然而，這些年來，對抗這些火災的資源可用性保持不變。隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進野地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。

1. 用蜂群技術增強消防戰術

使用單個無人機來協助收集野地火災的情報的概念是熟悉的領域。對于大多數大型野地火災，單個無人機可用于觀察火災的位置和運動，或監測已逃離控制線的火災。無人機產生的情報成為火災預測和即將到來的行動期的行動規劃的一個關鍵因素。然而，無人機還沒有被部署用于直接滅火活動，也沒有在野地火災中部署無人機群。蜂群技術正處于起步階段，需要更多的開發才能成為應用于滅火行動的可行選擇。

術語 "無人機群 "是指由一個控制器操作的多個無人機。受控蜂群是為特定任務編程的無人機團隊，由一個控制器操作。半自主的蜂群是一個由控制器協助發射和回收的無人機團隊。半自主蜂群有特定的任務參數，據此它可以識別任務，決定哪些成員將完成任務，完成任務，并恢復到基站，同時在成員之間進行分工以確保成功完成。

由于必須在火場上放置大量的水或阻燃劑的滅火有效載荷，使用單個無人機進行直接滅火攻擊的概念既沒有被大力探索，也沒有被研究。然而，隨著無人機群技術的潛力，允許在站點上放置許多較小的有效載荷，以及攜帶多達100磅的重型無人機系統的進步，許多無人機群可能會有效地壓制火災。使用無人機群而不是傳統的飛機，可能是野火撲滅的下一個巨大進步。執行這項工作的技術正在開發中，然而，目前它既不實用，也無法擴展。

2. 野地火災越來越普遍，破壞性越來越大

野地火災必須作為國土安全問題用廣角鏡頭來看待。許多行動方案可以同時進行，以減少野地火災的頻率、嚴重程度和強度。有必要不把一個解決方案作為解決野地火災問題的萬能藥，而是擁抱創新和技術，以應對減少這些破壞性火災的挑戰。

由于大火對經濟、社會和情感的影響極大，野地火災直接威脅到美國的國土安全。撲滅這些火災的成本在貨幣支出和人力成本方面繼續增加，包括消防員和死于野地火災的市民的生命。國家消防局估計，現在每年用于撲滅野地火災的費用為16億美元。歷史上，有一個指定的 "火災季節"；然而，損失巨大的野地火災發生在一年中的所有月份，導致西部一些州放棄火災季節的概念。

由于野地火災繼續給消防員和生活在城市-野地交界處的人們帶來挑戰，探索更有效和更具成本效益的方法來對抗這些破壞性的火災變得至關重要。人們無法逃避的事實是，全球變暖正在改變森林的易燃性，使其更容易燃燒。這些煤渣干燥的條件造成了由于火勢發展速度太快而導致多人喪生的情況。一個明顯的例子是2018年加利福尼亞州的營地大火，85人喪生，18,804座建筑被燒毀，主要是在火災發生的前五個小時。一個更近的例子是2021年12月30日科羅拉多州丹佛市外的馬歇爾大火，在短短幾個小時內，有兩人喪生，991座建筑被燒毀。這場大火是由干燥的條件和超過每小時90英里的風助長的。加劇這些火災的事實是，在人員、飛機和雇用額外援助的資金方面，打擊這些火災的資源有限。資源的稀缺已經成為一個重要的問題，特別是在火災季節的中心地帶，多個火災正在燃燒并迅速擴大。在過去的幾個火災季節，有的時候根本沒有足夠的資源投入到消防工作中。當這種情況發生時，火災管理人員必須做出艱難的決定，注銷有時數千英畝的土地或數百個房屋。

3. 全球變暖和對荒地的威脅

以前被認為是史無前例的火災和火災行為，現在似乎已經成為每年夏天的常態。全球變暖極大地影響了荒地環境，創造了更熱和更干燥的氣候，使火災持續增長。目前和遺留的關于在何處、如何以及何時滅火的政策增加了美國森林的燃料負荷。森林管理政策需要幾十年才能趕上美國森林目前的燃料負荷。全球變暖和氣候變化倡議可能需要幾十年才能對森林產生積極的影響。根據保險信息協會的數據，2020年美國大約有1010萬英畝的土地被燒毀，美國處于野火高風險或極端風險的房屋共有450萬。

必須承認全球變暖和氣候變化對野外環境的負面影響。全球變暖對森林最重要的影響是干旱和更高的日平均溫度。這些較高的溫度對植被有兩個重大影響。第一是創造較低的長期燃料濕潤度（從燃料中帶走水分）。第二，在環境中造成蒸汽壓力不足（帶走空氣中的水分），使植被更容易著火。11 燃料越干燥，受熱時越容易著火。這兩種氣候變化影響共同作用，使燃料干燥，然后保持干燥。

全球變暖的第二個影響是氣候變化促成的不穩定的天氣模式，在雨季帶來大量的雨水，在夏季帶來更熱和更干燥的條件。雨水在春季促進了輕型植被的生長，增加了總體燃料負荷。當更熱、更干燥的夏季到來時，新生長的植被很容易干燥。這些植被現在已經 "固化"，并準備好攜帶火種，特別是當暴露在風中時。如果該季節的植被沒有燃燒，那么下一個火災季節的燃料量就會增加。全球變暖影響的天氣模式對野地火災產生了指數級的影響，首先是增加了燃料負荷，然后是嚴重干燥的地區，使其更容易發生火災。森林管理政策允許嚴重的灌木叢積累，在森林環境中創造了促進火災更熱、更快、更強烈的條件。

能否準確地界定什么是導致全球變暖和氣候變化對野地火災的具體影響，在未來幾年將繼續吸引公眾的關注。全球變暖的影響每年都隨著美國西部和全球其他地區的大型野火燃燒而顯示出來。這些大火將要求消防管理人員接受有可能限制未來大火增長的技術和政策。莫里茨指出，國家對野火在全球變暖中的作用的理解正在改變。他說，在2003年至2007年期間，在大型野地火災期間，通常問的問題是 "這里該怪誰？" 相反，現在問的問題是："這些火災是由于氣候變化造成的嗎？"也許認識到野火是全球變暖的一個極端結果將影響到對全球氣候變化產生積極影響的政策。

4. 野地環境中航空資產的利用

隨著野地火災的威脅使公民面臨潛在的生命損失，高額的貨幣成本，以及無人機研究的其他領域的新興潛力，探索基于無人機的火災撲滅，在這個時候是有必要的。了解飛機在撲滅野地火災中的作用是至關重要的。使用消防直升機和固定翼飛機已經成為當前整體滅火計劃的一個組成部分，特別是在大型快速移動的野地火災中。一般來說，消防管理人員利用飛機的速度和能力，在火勢擴大為重大火災之前迅速撲滅。很少，如果有的話，飛機能夠完全壓制火災。最終需要地面上的消防員來完全控制野地火災。從本質上講，飛機是用來 "爭取時間"，以便獲得和部署其他消防力量。

然而，使用飛機是一種極其昂貴的救火方法。美國林務局（USFS）按類型和能力確定了飛機的合同費率。在2018年至2021年的合同期內，1型直升機（動力最強，能夠投下最多的水）的合同費率在每飛行小時4000美元至8000美元之間，這取決于飛機類型。固定翼飛機投放緩釋劑的成本可能在每飛行小時7100美元至13500美元之間，不包括緩釋劑成本。美國聯邦調查局在2018年 "約6.07億美元的合同飛機，"包括旋翼和固定翼飛機。在預算緊張的時代，人們必須考慮使用飛機滅火的成本效益。如果使用無人機滅火可以證明成本較低，而且與傳統航空資產一樣有效，甚至比傳統航空資產更有效，那么就應該深入探索無人機的使用。

使用固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機不能在濃煙條件下飛行，天氣事件，夜晚的黑暗，飛行員飛行時間的限制，能夠駕駛這些飛機的人有限且專業，以及在需要維修時無法進入飛機。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。大量的消防員在從事滅火行動時因飛機事故而死亡。在一項回顧性研究中，巴特勒、奧康納和林肯發現，從2000年到2013年，有78名野地消防員的死亡與航空有關，占26.2%。19在這種情況下，高度熟練的消防員和飛行員喪生，他們駕駛的機體通常被摧毀。雖然消防管理人員試圖將消防員和機組人員的風險降至最低，但不幸的是，將男女人員置于危險境地以減緩或阻止野地火災，仍然是一種有效的策略。

在未來幾年，無人機和無人機群可能會取代載人航空資產進行火情識別和直接滅火。由于無人機和無人機群有能力在夜間和多種條件下飛行，而有機組人員的飛機卻不能，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。此外，無人機理論上可以飛行整整24小時，只受制于所需的維護、飛行員的休息要求，以及嚴重到不允許飛行的火災條件。致力于無人機和無人機群可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，并使火災更小、更容易控制。

B. 研究問題

如何將新興的無人機群技術作為野外環境中的一種火災攻擊方法來實施？

C. 方法和研究設計

本論文探討了無人機群如何成為直接滅火行動的一種新方法，即抑制或延緩火勢發展到初期階段，使常規消防部隊有時間在火勢發展到重大荒地火災之前到達、控制和壓制火勢。通過與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究小組一起參與實際的無人機群飛行任務，使用了概念驗證方法。這些飛行為情景研究的有效性提供了依據，這些研究用于開發在荒地環境中實際應用的任務。實際測試告知了部署的可能性，并強調了全面部署前必須解決的問題。此外，我們分析了商業無人機群用戶的當前利用模式，以確定他們的應用與他們可能融入荒地消防行動的關系。

為了說明無人機群直接攻擊火災的潛在價值，本論文利用俄勒岡州西部的蒂拉穆克州森林的一場理論火災。使用50架無人機群和一架單引擎固定翼空中加油機對火災進行 "攻擊"。單引擎空中加油機（SEAT）是傳統上用來攻擊火災的常規飛機。對無人機群和傳統的SEAT飛機攻擊這場火災進行了比較分析。符合國防部建筑框架的系統工程建模軟件Innoslate 4（V 4.5.1.0）被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。為了進行比較，飛行受制于SEAT的一個正常燃料循環。通過對兩種資源所提供的總的消防產品和每加侖的比較成本，對火災攻擊方法進行了比較。這些信息導致了關于使用無人機群作為消防資產的可行性的結論，這些無人機群可以代替傳統的空中消防設備，也可以作為輔助設備。最后，對目前的空中野地滅火方法進行了定量分析，明確地側重于使用常規固定翼飛機與蜂群技術對付理論火災的成本。通過比較分析和實際測試，建立了一個理論部署模型，解決了利益相關者的擔憂和作為商業運作的無人機群行動的潛力。

D. 研究目標

• 檢驗利用無人機群進行野外滅火的可行性。

• 確定如何將無人機群應用于荒地消防工作。

• 識別目前特定于軍事的無人機群應用，這些應用可以適用于荒地消防。

E. 章節概述

這篇論文在很大程度上受到了城市-荒地交界處的消防員個人經驗的影響。第一章討論了這項研究的動機和它的關鍵性。野地消防是一個高度專業化的領域，帶來了自己的語言和行話，所以第二章定義了關于野地消防的背景信息，并介紹了與理解本論文有關的術語。第三章涉及與論文主題和研究問題相關的學術文獻。在第四章中，對比較分析的方法進行了描述和解釋。由于對蜂群技術的研究有限，第四章劃定了分析中的假設和限制。它還主要依靠Innoslate 4系統工程軟件來圖解滅火的過程。本章最后介紹了我們的實驗和建模的結果。第五章討論了傳統的固定翼空中加油機和50架無人機組成的蜂群飛行之間的比較分析結果。從這個比較分析中，設計出了對未來無人機群實施的建議。第六章回顧了這些結論，并建議進行后續研究，以進一步發展無人機群在野外環境中的使用課題。該研究應加強使用無人機群進行直接火力攻擊的可行性。雖然這項技術和研究的實際應用可能要在未來幾年才能實現，但這些發現應該為未來的研究人員提供一個起點。

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。

通過介紹設計、配置和所需的端到端信號處理，本科學報告提出了一個用于改進合成孔徑雷達（SAR）成像的系統。與傳統的聚光合成孔徑雷達相比，擬議的系統將產生具有同等或更好的分辨率圖像，并顯著增加區域覆蓋。該系統的設計和配置是基于相控陣天線和適當的硬件，以實現快速電子波束轉向，并允許對多個接收通道進行數字化。目前的技術水平已經足夠成熟，可以建造這樣一個系統的所有組成部分。作為一個具體的目標，報告提出了一個能夠在5公里的地面范圍內以10厘米的分辨率（方位角和斜向范圍）成像的系統。建議的系統是在X波段模擬的，但原則上也可以在任何有足夠可用帶寬的波段運行。重要的是，這種模式可以在無限的方位角范圍內進行收集，這是其他提議的系統所不能達到的。

由于所考慮的決議推動了已知理論的極限，該報告還介紹了一個增強的理論，這是推導信號處理算法所需要的。所提出的方法將基于地球引力勢的球面諧波模型的物理模型納入三維曲線的差分幾何理論。從該理論中，開發并提出了一種基于文數的SAR處理算法，該算法擴展了目前的方法。建議的算法只依賴于精確的姿態數據和單一的精確狀態矢量。因此，如果傳感器儀器能夠在成像時測量這些參數，該方法就適用于機載SAR處理。

對國防與安全的意義

本報告中提出的方法為合成孔徑雷達提供了設計和信號處理框架，它可以在大范圍內以極高的分辨率成像。目前的系統不具備這種能力，按照目前的計劃，未來的系統也不可能具備這種能力。一方面，新穎的擬議設計提供了改進的合成孔徑雷達成像，而不放棄目前國家資產所提供的任何能力。另一方面，這些改進滿足或超過了目前在指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）方面的能力差距。該設計（或其某些變體）應被考慮用于未來的搜救任務。