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無人機系統（UAS）的發展及其在作戰行動中的應用代表著戰爭模式的轉變。自 20 世紀末以來，無人機系統一直被用于情報搜集和精確打擊，但傳統武裝部隊一直認為無人機系統不適合大規模作戰行動（LSCO），而且過于脆弱。最近的沖突證明情況恰恰相反。這些沖突還表明，無視戰場上無人機系統威脅的部隊將無可挽回地面臨失敗。通過三個案例研究（納戈爾諾-卡拉巴赫、中東和利比亞），本專著將強調無人機系統威脅對聯合作戰模式的嚴峻挑戰。然而，如果部隊具有凝聚力、訓練有素、組織有序，能夠保護自己免受這種威脅，并采取積極主動的方法應對這種威脅，那么這種作戰方式在無人機環境下仍然適用。此外，最近發生的涉及使用無人機的沖突重新喚起并強調了不同部門之間，甚至部隊不同領域組成部分之間必要的合作精神，并強調了這種方法的重要性。最后，無人機并沒有改變戰爭的性質。相反，無人機加強了戰爭的政治性，因為無人機的使用直接影響到面對無人機的交戰方的決策。

時間是 2040 年。法國陸軍正以一個師的兵力投入到一次大規模、全域、作戰行動（LSCO）中，以應對同行的威脅。這支部隊正在對行動區內威脅法國國家利益的一個地區勢力實施聯合強行進入行動。美國向法國提供了防空能力，以確保部隊的機動自由。在聯合部隊成功突破反進入/區域封鎖（A2AD）保護后，該師的偵察梯隊完全由無人駕駛車輛組成。這個無人駕駛的第一梯隊旅使指揮官能夠在不與滯留在后方的輕步兵部隊交戰的情況下進行偵察。由于無人機在戰場上占據主導地位，裝甲單元被認為過于脆弱，坦克或步兵戰車因被認為過于昂貴而退役，無法在作戰環境中保持相關性。由于敵方強大的 A2AD 網絡，并根據總參謀長的建議，法國總統選擇不部署有人駕駛飛機，因為損失一架飛機在財政成本和公眾輿論方面都將是災難性的。因此，空中部分完全由武裝無人機組成，它們具有強大的持久打擊能力，而無需冒有人駕駛飛機的風險。以前的師系統，包括重型和輕型裝甲旅戰斗隊、一個師偵察營以及完全由人員組成的情報、火力和維持輔助部隊，已經被放棄，因為它太重太脆弱，不夠靈活，無法在大量使用無人資產的作戰環境中取得勝利。現在的新師是由搭載在輕型裝甲車上的輕步兵單元和無人機組合而成。該單元在強大的防空系統保護傘下開展行動，既能防護有人或無人飛機，又能依靠動能和非動能資產。該師擁有輕型車輛，易于部署；擁有無人機，機動性強；擁有強大的防空層，生存能力強。

一種新的作戰方式已經形成，傳統的聯合兵種機動方式已被歷史塵封。無人機取代了傳統的情報和火力資產，將兩者結合在一個平臺上。由于無人機能夠在戰場上的任何地方開展行動，它們證明了裝甲和機械化單元的無用性，因為它們很容易成為無人機的目標。無人機可以飛越敵方領土，瞄準雷達、指揮所或后勤節點。它們在戰場縱深的行動會擾亂敵軍的陣腳，摧毀其戰斗意志。因此，配合無人機行動的唯一部隊是輕步兵，以占領地面并確保持久的勝利。

未來幾十年，聯合作戰是否會朝著這個方向發展？無人機是否代表著戰爭性質的最終改變？無人機能否僅靠自身力量贏得沖突并限制地面部隊的投入？通過對近期沖突的研究，如 2020 年的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭、近期中東地區圣戰組織與常規部隊（美國、俄羅斯或歐洲）之間的沖突以及 2019 年和 2020 年的利比亞戰爭，這些沖突都顯示了無人機的廣泛應用，可能會得出這樣的結論。這些沖突顯示了使用無人機所帶來的潛力，以及從 20 世紀戰爭演變中繼承下來并延續到 21 世紀初的常規聯合武器方法的局限性。使用裝甲和機械化編隊的傳統聯合作戰方法的交戰方在面對無人機攻擊時遇到了困難，因為無人機的攻擊會在戰爭的戰術、作戰或戰略層面上削弱指揮官的能力。無人機為其使用者提供了非對稱優勢：通過使防空系統飽和、永久占據天空、通過攝像頭捕捉可能造成的高傷亡以及在社交網絡上播放宣傳片的影響，無人機代表了一種進入對手決策圈的新方法。

在這里，沖突的性質很重要。正如理查德-哈斯（Richard Haas）在《必要性戰爭，選擇性戰爭》（War of Necessity, War of Choice： 兩次伊拉克戰爭回憶錄》中所下的定義。在比較兩場伊拉克戰爭時，他說："必要的戰爭涉及最重要的國家利益，除了使用武力之外沒有其他有前途的選擇，如果要維持現狀，肯定要付出相當大的代價"。另一方面，"選擇性戰爭往往涉及不那么明顯'重要'的利害關系或利益，以及存在可行的替代政策"。這一區分非常重要，因為它將決定使用手段的范圍，限制或擴大武器的選擇。在一場有選擇的戰爭中，無人機可以提供良好的能力，給對手造成損失，并在不冒生命危險或昂貴的物資損失的情況下達到目標。由于其無人駕駛的性質，無人機為其使用者提供了可擴展和創造性的選擇，而不會受到使用有人駕駛飛機固有的技術、戰術甚至政治限制的阻礙。在迫不得已的戰爭中，它們可以通過瞄準防空網絡、后勤節點、指揮所或機動單元，作為力量倍增器來削弱對手的軍事力量。

20 世紀，交戰國陸軍提出了聯合作戰的概念。一戰結束后，法國開始實施坦克、步兵和炮兵協同作戰。在戰時，這一概念繼續發展，并在第二次世界大戰期間得到所有交戰國空軍的整合。沖突結束后，面對作戰環境的變化、原子武器的威脅或反叛亂戰斗，這一概念得到了完善，但總體上仍具有現實意義。根據美國的條令定義，聯合作戰是 "同步和同時使用各種武器，以達到比單獨或依次使用每種武器更大的效果"。這種方法的優勢在于使不同的作戰功能能夠彌補其他功能的不足。通過這種合作，作戰功能構成了一個強大的作戰系統。

上述每一次沖突都對聯合作戰方法提出了挑戰，迫使領導人修改作戰方法。今天，無人機的威脅是對聯合作戰模式的嚴峻挑戰。然而，在無人機環境下，如果部隊具有凝聚力，訓練有素，組織有序，不僅有能力保護自己免受威脅，還能采取積極主動的方法應對威脅，那么這種作戰方式仍然適用。此外，最近發生的涉及使用無人機的沖突重新喚起并強調了不同部門之間，甚至部隊不同領域組成部分之間必要的合作精神，并強調了這種方法的重要性。最后，無人機并沒有改變戰爭的性質。相反，它們加強了戰爭的政治性質，因為它們的使用直接影響到面對它們的交戰方的決策。

在為潛在的高強度沖突做準備的背景下，這個問題與西歐或美國陸軍等行為體高度相關，因為自冷戰結束以來，這些行為體一直在相對舒適的環境下作戰，擁有無可爭議的空中優勢。在此期間，西方軍隊面對的敵人不具備造成大量傷亡的能力或技能。因此，他們不會像納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中那樣，面臨意味著友軍大量損失而導致決策癱瘓的重大致命僵局。

無人機也被稱為 "無人駕駛航空系統"（UAS），指的是在沒有任何飛行員的情況下自主或遠程操作的任何飛機。無人機系統由三個關鍵部分組成：

• 無人駕駛飛行器（UAV）、
• 遠程控制飛行器的操作員、
• 連接前兩個部分的指揮和控制系統（C2）。

最初，無人機是在不裝備武器的情況下運行的，但最終還是裝備了武器。如今，閑逛彈藥是武裝無人機的最后演變。據無人機研究中心的丹-格廷格和阿瑟-霍蘭-米歇爾稱，"它們的設計目的是用爆炸彈頭攻擊視線以外的地面目標"。懸停彈藥將在戰場上空飛行，跟蹤潛在目標并最終將其擊落。簡而言之，這種彈藥就是自殺式無人機。在本研究中，無人機系統和無人機的表述將不加區分地使用。

本專著將介紹三個案例研究：第一個案例研究將側重于 2020 年的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭，以及亞美尼亞人無力應對無人機威脅所造成的后果：由于阿塞拜疆憑借無人機和閑逛彈藥獲得了空中優勢，亞美尼亞領導層被削弱，被迫承認失敗，同時在戰場上面臨重大損失。第二個案例研究將考慮非國家行為者在伊拉克和敘利亞使用無人機打擊常規對手的情況。盡管戰術成功與否參差不齊，但無人機使用者能夠讓對手懷疑自己的實力，并在敵人的母國制造恐慌。反伊斯蘭國聯盟成員通過加強聯合武器合作和窒息恐怖分子的無人機制造網絡，成功地保護了自己的部隊。最后，第三個案例研究的重點是利比亞的無人機。利比亞被認為是世界上最大的無人機行動區，表明無人機構成了新的廉價版空中力量。然而，在利比亞，無人機并不足以在戰場上強制決策；要贏得長期決策，就必須與地面裝甲和機械化單元合作。僅靠無人機的部隊無法保持戰術優勢，也無法實現戰略目標。從作戰角度看，利比亞案例研究強調，無人機的使用加強而非徹底改變了聯合和聯合武器合作的精神。無人機是戰爭方式范式的轉變。它迫使軍事領導人改變作戰方式和作戰方法。然而，這還不是一場軍事革命。跨領域合作能夠在面對這一威脅時扭轉局勢。

在視距（WVR）內進行空戰需要執行復雜的空中機動和快速的順序決策。如果加入額外的武器能力，這些決策的復雜性還會進一步增加。無人自主飛行器技術和武器能力的發展有助于克服人為限制帶來的障礙。事實證明，自主無人作戰飛行器（AUCAV）和定向能武器（DEW）等先進武器能力在 WVR 空戰中至關重要。這就引出了一個問題--AUCAV 能否擁有適當的人工智能和武器能力，以改進高質量的空戰演習和戰術？為了研究這個問題，我們提出并解決了廣義空戰機動問題（ACMP），在這個問題中，我們建立了一個模型，以控制正在尋求與攻擊敵機交戰的防御型 AUCAV。該模型利用每架飛機的 5 自由度點質量來跟蹤其狀態轉換，同時還跟蹤內部攜帶的火炮和 DEW 能力。由于該問題的維度較高，我們提出了一種近似動態編程（ADP）方法，其中我們開發了一種近似策略迭代算法。這種 ADP 算法通過神經網絡回歸來實現高質量的戰斗機戰術和機動。我們的計算實驗結果表明，在 3 個問題實例中，有 2 個實例的 ADP 策略優于所有 3 個基準策略。ADP 策略學會了同時使用內部攜帶的火炮和 DEW，這促進了 ACMP 中任一武器平臺的態勢效益理念。在 WVR-ACMP 中加入 DEW 功能可以體現前所未有的空戰戰術。

無人駕駛飛行器執行情報、監視、偵察、瞄準和打擊任務的能力為海軍航空計劃決策者帶來了一個貿易空間決策。在軍方當前的財政環境下，有人駕駛飛機和無人駕駛飛機都在爭奪有限的資金。本研究采用基于智能對象（SIMIO）環境的仿真建模框架，對快速攻擊艇/近岸快速攻擊艇反水面戰擴大殺傷鏈進行建模。它測試和分析了多種有人駕駛和無人駕駛飛機配置。在評估非保密作戰概念和使用非保密數據源方面，結果表明，敵對武器交戰造成的飛機損耗是決定作戰概念效率的主導因素。根據作戰環境，成本低、能力差的無人駕駛飛機可替代生存能力更強的有人駕駛飛機或能力更強、成本更高的無人駕駛飛機。我們提供了可量化的衡量標準，使我們能夠高效、有效地選擇執行快速攻擊艇/近岸快速攻擊艇反水面作戰殺傷鏈的飛機。

無人駕駛飛行器（UAV）具有持久性、多功能性和降低人員風險的特點，是國防部軍事行動不可或缺的一部分。無人飛行器在執行從情報、監視、偵察和目標定位到精確打擊等各種任務中的表現，證明了其在作戰和戰術層面發揮增效作用的能力。行動上的成功促使無人機的資金、研發、采購和融入作戰空間的工作不斷增加。

最終，在國防部不斷增加的預算壓力下，無人機的價值將由其相對于同等任務能力的有人駕駛飛機的投資回報率來決定。為了確定投資回報，海軍航空系統司令部的項目決策者和作戰司令部需要有能力全面估算各種航空平臺的成本和可實現的戰斗力，以提高項目和作戰決策的有效性和有效性。盡管需要對無人機進行成本驗證，但目前用于模擬和評估殺傷鏈成功與否的方法缺乏成本這一關鍵指標，并且排除了每架次執行多個殺傷鏈所產生的貢獻（Dunaway 61）。

本研究評估了在執行擴大的快速攻擊艇（FAC）/近岸快速攻擊艇（FIAC）反水面戰（ASUW）殺傷鏈過程中的一部分作戰或采購中的無人機和有人駕駛飛機，以回答以下問題：

• 什么是有效的無人機和有人機部署部隊結構，以實現快速攻擊艇/近岸快速攻擊艇反水面作戰任務的作戰要求？

• 考慮到固定的作戰要求，在有爭議的反水面作戰環境中，無人機是否能提供一種替代有人駕駛飛機的具有成本效益的方法？

• 在執行擴大的端到端反水面戰殺傷鏈時，無人機的附加值是什么？

本研究采用基于智能對象（SIMIO）環境的仿真建模框架，對快速攻擊艇/快速近岸攻擊艇 ASUW 擴大殺傷鏈進行建模。我們構建了一個擴展殺傷鏈的仿真模型，其中包括傳統的發現、固定、跟蹤、瞄準、交戰和評估事件，并納入了非保密或名義上的飛機傳感器性能、維護活動、飛機可靠性和軍械性能。

本研究考慮了 FAC/FIAC ASUW 擴大殺傷鏈的執行情況，以確定有人駕駛飛機和無人駕駛飛機的有效組合，并評估了三種目前正在使用或正在采購的飛機的性能：MH-60S "夜鷹"、MQ-8C "火力偵察兵 "和 RQ-21A "黑鷹"。我們根據未分類的海軍航空系統司令部和太平洋直升機海上戰斗聯隊行動構想（CONOPS）選擇飛機配置，并對整合 RQ-21A 飛機的未來行動構想進行評估。

該研究對 200 多個建模參數和變量進行了 132,000 次模擬，以表示模型飛機的行為和名義 RED 威脅。模擬結果提供了有關受評估飛機配置性能的信息，這些性能基于其執行殺傷鏈的成本效益及其有效摧毀敵軍、降低敵軍戰斗力和及時發現中立部隊和敵軍的能力。

采購、部署和在作戰中使用有人駕駛和無人駕駛飛機的決策代表著海軍航空計劃的重大決策。本研究提供了一種方法，并通過模擬殺傷鏈的結果告知決策者如何更好地裝備作戰人員。下面我們總結了研究的主要發現：

• 在執行 FAC / FIAC ASUW 殺傷鏈時，無人駕駛飛機為有人駕駛飛機提供了一個可行且具有成本效益的替代方案。

• 飛機損耗是決定殺傷鏈效率的主要因素。追求作戰生存能力或低成本飛機為實現低成本高效率的殺傷鏈執行提供了有效途徑。

• 提高飛機傳感器能力是減少飛機戰斗損失和減員成本的最有效方法。

• 飛機出動持續時間和彈藥有效載荷會影響降低敵方戰斗力的能力。

本研究提出了一種創新方法，通過納入飛機維護、可靠性和成本來分析殺傷鏈的有效性。通過評估作戰效能與成本效率之間的關系，這項研究能夠探索無人駕駛飛機和有人駕駛飛機的協同空間。總之，有人駕駛飛機和無人駕駛飛機將繼續在各種航空任務中發揮重要作用。在軍方當前的財政環境下，有人駕駛飛機和無人駕駛飛機將爭奪有限的資金。本論文測試和分析了多種有人駕駛飛機和無人駕駛飛機的大量模擬數據。

總之，有人駕駛飛機和無人駕駛飛機將繼續在各種航空任務中發揮重要作用。在軍方當前的財政環境下，有人駕駛飛機和無人駕駛飛機將爭奪有限的資金。本論文對多種有人駕駛和無人駕駛飛機配置進行了大量模擬測試和分析。其結果提供了可量化的衡量標準，有助于高效、有效地選擇執行 FAC / FIAC 反水面戰殺傷鏈的飛機。

直升機與艦船之間的界面是飛行員工作中最具挑戰性的飛行環境之一。有幾個因素使這種飛行狀態變得復雜，例如飛機、船舶和海洋之間的相對運動，以及氣流尾流和著陸區的封閉性。海霧、惡劣天氣和照明條件等視覺條件的惡化也加劇了其他困難。這些因素造成的飛行員高負荷工作可能會導致飛行員喪失態勢感知能力，從而導致災難性的飛機事故。目前已投入使用的提示系統無法應對這一挑戰。

為了減輕飛行員的工作量，提高態勢感知能力和性能，需要更好的飛行員提示系統。本論文研究了利用現代渲染技術的增強現實提示在多大程度上減輕了飛行員的工作量，提高了態勢感知能力和性能。這是通過支持 "抬頭、閉眼 "的以自我為中心的界面理念來實現的。提示系統力求將常見的飛行員任務元素納入設計中。對路徑預覽和軌跡預測的變化進行了研究。提示的視覺元素顯示為三維實物。

高工作負荷環境下的操作靈活性是飛行員完成任務的關鍵。動態生成飛行員可手動飛行的飛行軌跡是本論文的另一個目標。軌跡規劃采用了貝塞爾曲線的數學框架，以確保路徑滿足飛行員、認證機構和特定任務元素的需求。

在佐治亞理工學院的可重構旋翼機飛行模擬器中編入了四種不同的提示范例。這些范例包括：二維抬頭顯示器（HUD）、飛行引導提示系統（FLCS）、空中隧道（TIS）和三維飛行路徑標記（FPM）。然后，在一系列 "飛行員在環"（PIL）研究中，使用客觀測量方法和飛行員工作量調查對這些提示進行了評估。

共有 20 名飛行員參加了研究。7 名飛行員參加了第 1 階段，3 名飛行員參加了第 2 階段，10 名飛行員參加了第 4 階段。第 3 階段僅包括作者和 LTC Joe Davis 飛行的數據，原因是與大流行病相關的旅行限制導致無法使用更多外部飛行員。大多數 PIL 研究的參與者人數相對較少，在 2 到 6 人之間。為了從相對較少的參與者中獲得統計意義，參與者被要求多次重復任務。例如，第 4 階段的飛行員每人總共飛行了 54 次。根據中心極限定理，大樣本量的分布近似于正態分布，超過 30 個樣本量即被視為大樣本[1]。因此，即使對數據進行分割，以研究特定的提示條件或起始位置，也符合大樣本量標準，我們可以從中獲得統計洞察力。

貝塞爾曲線為動態生成著陸軌跡提供了一種可行的方法，供飛行員手動飛行。這些方法在數值上非常穩定，執行速度也足夠快，對飛行員的感知延遲極小。飛行員在橫向和縱向上都能以足夠的精確度遵循生成的軌跡。使用三維 AR 提示，飛行員在頭腦中將其處理為信號而不是標志或符號，這種模式的轉變減少了工作量，其性能與傳統提示方法相同或更好。

多無人機協同升降系統使用多個無人機共同升降和運輸有效載荷。從可擴展性和便攜性的角度來看，這些系統有可能大大降低空中運輸任務的物流成本。與傳統的單機物流模式不同，通過在多架廉價飛機之間分配起升能力，可以有針對性地運送大量有效載荷。為了以高度自主的方式完成大跨度的任務，合作飛機必須能夠在多個點可靠地與單一有效載荷對接，并在系統參數未知的情況下，以可變幾何配置的方式在飛行途中穩健地穩定下來。本論文提出了一種新穎的自適應飛行控制框架，該框架使用擴展卡爾曼濾波器在控制分配方案中更新相關系統參數。此外，這項研究還對之前開發的模塊化對接系統進行了擴展，該系統支持在不同的復合系統幾何結構中進行自組裝，考慮了多智能體操作，并通過模擬交易研究優化了設計參數。論文介紹了高保真模型和模擬，利用多體反饋線性化約束穩定和基于約束的脈沖接觸模型等技術，以驗證控制策略，并在復雜動力學條件下優化設計。本論文還介紹了無人飛行器合作飛行控制和參數估計的實驗結果。

軍用飛機推進系統是噴氣發動機設計中最具挑戰性的領域之一： 在受飛機空氣動力學影響極大的多變環境中工作時，這些發動機應在不影響可靠性和運行成本的前提下，以盡可能小的體積提供大的推力輸出。此外，軍用飛機運行的多學科性質經常會引入相互矛盾的性能目標，很難將其納入發動機設計中。所有這些因素再加上發動機開發成本非常高，因此有必要在設計階段的早期進行適當的選擇，以確保開發過程的成功和新發動機概念的可行性。

盡管該領域的研究數量巨大，但也許是由于所涉及數據的敏感性，迄今為止發表的研究都集中在相當具體的主題上，而沒有涉及完整的多學科飛機推進系統集成問題。為此，需要結合不同研究領域的內容和貢獻，建立新的綜合方法。

本項目研究開發一種新方法，將發動機初步設計與飛機運行要求相互聯系起來。在此范圍內，構建了通用軍用機身的表示方法，并將其與發動機性能模型和仿真工具相結合，以研究推進系統對飛機任務性能和生存能力的影響。更具體地說，該項目在軍用飛機推進系統集成領域的貢獻主要集中在三個方面：

• 新的軍用飛機表示法，模擬飛機與推進系統之間相互作用的關鍵方面： 飛機空氣動力學、機身/推進系統空氣動力學干擾、紅外和噪聲特征。該模型計算要求低，適合用于大規模參數研究和軌跡優化案例。

• 基于模擬的新技術，用于估計爬升性能和評估飛機/發動機配置在現實任務場景中的任務能力。所開發方法的創新點包括爬升軌跡問題的多目標表述、高度-機械跟蹤技術、能量-機動性（E-M）技術的擴展，允許同時優化飛機軌跡和發動機計劃，以及為軍用飛機引入最小噪音和紅外軌跡。

• 考慮到飛機的紅外特征和飛機/導彈的運動性能，量化推進系統對飛機生存能力的影響。這是通過將飛機紅外模型與導彈對飛機和飛機對飛機的運動模擬相結合來實現的，這些模擬用于測量飛機易受攻擊的程度，以及飛機自身攻擊機動目標的能力。

上述方法是利用已公布的數據開發和驗證的，并在一系列測試案例中用于研究飛機的性能趨勢，在這些案例中，不同的推進系統設計在各種模擬任務中的有效性得到了評估。結果成功證明了所開發的方法能夠量化飛機性能與發動機設計之間的關系，為理解采用不同推進系統配置所產生的性能權衡提供了基礎，從而最大限度地提高動力裝置設計過程的效率。

隨著技術的不斷進步和日常對海洋資源的依賴，無人水面航行器（USVs）的作用成倍增加。目前，具有海軍、民用和科學用途的 USV 正在各種復雜的海洋環境中進行廣泛的作業，并對其自主性和適應性提出了更高的要求。USV 自主運行的一個關鍵要求是擁有一個多車輛框架，在此框架下，USV 可以在實際海洋環境中作為一個群體運行，并具有多種優勢，例如可以在更短的時間內勘測更廣闊的區域。從文獻中可以看出，在單體 USV 路徑規劃、制導和控制領域已經開展了大量研究，而在了解多載體方法對 USV 的影響方面卻鮮有研究。本論文整合了高效的最優路徑規劃、穩健的路徑跟蹤制導和合作性集群聚合方法等模塊，旨在開發一種新的混合框架，用于 USV 蟲群的合作導航，以實現海洋環境中的最優自主操作。

首先，設計了一種基于 A* 算法的有效而新穎的最佳路徑規劃方法，其中考慮到了與障礙物的安全距離約束，以避免在移動障礙物和海面洋流的情況下發生碰撞。然后，將這種方法與為 USV 開發的新型虛擬目標路徑跟蹤制導模塊相結合，將路徑規劃器的參考軌跡輸入制導系統。當前工作的新穎之處在于將上述集成路徑跟蹤制導系統與分布式集群聚集行為相結合，通過基于簡單電位的吸引和排斥功能來維持 USV 蟲群的中心點，從而引導 USV 集群進入參考路徑。最后，介紹了一個用于 USV 船隊合作導航和制導的最佳混合框架，該框架可在實際海洋環境中實施，并可在海上有效地實際應用。

自城市化出現以來，城市戰一直是常規作戰部隊的一個難題，通常被視為應盡量避免的事情，因此只有在必要時才會進行。兩棲作戰也有類似的歷史，兩棲攻擊歷來受到戰術、技術和作戰方面的限制。美國海軍陸戰隊在這兩個戰場都開展過行動。然而，隨著大多數沿岸城市化進程的加快，兩棲作戰部隊需要在沿海城市登陸和作戰的情況正在出現，而亞太周邊地區新出現的 "特大城市 "和 "棚戶區 "使情況變得更糟。這個問題的嚴重性可以從亞太地區目前城市化趨勢的統計數據和分析中看出（鑒于美國外交政策正在進行的 "向亞洲傾斜"）。美國海軍陸戰隊（USMC）和其他軍事組織以前開展的城市兩棲作戰行動也進一步說明了這一點。 以便為上述行動的執行提供清晰的圖景。最后，根據這些證據和分析，顯然有必要建立海軍陸戰隊城市戰訓練中心和專門的城市戰支援部隊，以補充目前以濱海為重點的海軍陸戰隊部隊和訓練。

本論文開發了一個基于海底特征導航的模擬框架。使用自動潛航器（AUV）在海底定位感興趣的物品是一種對海軍大有裨益的能力。自動潛航器為消除勞動力需求提供了一個途徑，但其購置和維護成本仍然很高。解決這一問題的辦法是使用兩艘 AUV，其中一艘的能力更強，負責用信標尋找和標記海底物品。配備成本效益型傳感器的消耗性 AUV 將對威脅進行定位、識別和消除。利用海底成像技術將海底圖像與先驗圖像馬賽克關聯起來，再加上超短基線（USBL）信標，AUV 可以在沒有傳統導航系統的情況下完成具有挑戰性的任務目標。增量平滑與測繪 2（iSAM2）是一種同步定位與測繪（SLAM）技術，可用于 AUV 的位置定位，是一種適合實時導航操作的技術，具有圖像和 USBL 傳感功能。模擬框架能夠評估 AUV 的性能，同時將實際操作的風險降至最低。該框架由一個軟件架構組成，可使用與實際操作相同的軟件進行測試。本論文展示了這一框架，并對其在基于圖像的 SLAM 中的可用性進行了分析。

美軍目前的條令基本摒棄了使用潛艇協同戰術（稱為 "狼群戰術"），原因是 "狼群 "之間和 "狼群 "內部的協調十分復雜。然而，最近的技術進步可能會大大提高在狼群中行動的潛艇之間進行安全通信的可行性。基于智能體的建模用于模擬潛艇在戰時環境下的海上行動。模擬了三種安全通信可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續安全通信。考慮了三種戰時環境：獵殺過境商船的潛艇、在中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇，以及在中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。效果以 "產量 "來衡量，即目標的平均殺傷數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。模擬結果表明，隨著戰時中立航運的增加，"狼群 "戰術的成功越來越依賴于潛艇的安全通信和態勢感知。

圖 1.1. 狼群攻擊階段

由于編隊間和編隊內協調的復雜性，目前的條令已基本摒棄了使用潛艇協同戰術（即所謂的狼群戰術）。最近，自主水下定位、通信和其他技術的進步提高了水下艦艇之間協同作戰的可行性。此類技術的興起要求圍繞更具生存力和殺傷力的水下能力重新思考當前的作戰條令。對這一主題的深思熟慮的探索已經開始，如 Cares 和 Cowden（2021 年）對分布式戰爭時代艦隊戰術的未來進行了仔細分析。重新審視 "狼群 "戰術將為海軍思想家提供價值，因為他們將繼續在未來自主無人系統日益增多的海戰環境中尋找最佳戰略。

仿真用于探索 "狼群 "戰術在七個不同場景中的有效性，這些場景既改變了戰時環境，也改變了潛艇獲得信息的頻率。對模擬輸出進行分析，以確定 "狼群 "戰術的成功率在潛艇與目標環境之間安全通信的不同限制條件下如何變化。考慮了三種安全通信的可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續可用通信。考慮了三種目標環境：獵殺過境商人的潛艇、在含有中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇以及在含有中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。潛艇被分配到不重疊的水域空間，每艘潛艇都不會離開其分配的水域空間，也不會試圖擊殺其水域空間外的目標。船只進入第一個水域空間，然后前往第二個水域空間，依此類推。潛艇靠近并將其水域內的船只分類為中立或目標。分類完成后，潛艇會殺死被列為目標的船只。潛艇在一個水域發射的武器不會影響其他水域的潛艇，也不會影響航運行為。效果用 "當量 "來衡量，"當量 "的定義是成功擊殺目標的平均數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。潛艇沒有后勤限制，沒有彈藥限制，敵方戰艦也不會試圖摧毀任何潛艇。

當潛艇進行通信時，它們會將完美的信息傳遞給艇外實體，而不會失去隱蔽性或被攔截的機會。只有當潛艇探測到目標，但無法在目標離開其水域之前對其實施攻擊時，潛艇才會與艇外實體通信。所傳遞的信息是潛艇無法起訴的目標的位置和未來路徑。只有下一個水域的潛艇才會收到來自艇外入口的信息；它會在確定的時間訪問這些信息。與中立航運有關的信息不會傳遞。因此，雖然存在通信的動機，但通信對平均擊斃目標數量的影響是有限的。在戰時環境下，目標與中性商船到達率之比非常小，通信可最大程度地提高 "狼群 "的性能，使潛艇能夠更好地采取行動，摧毀隱藏在大量中性航運交通中的水面行動小組。