自第二次世界大戰以來，美國在每一次沖突中都主宰著天空，但隨著低成本致命的無人機系統的爆炸性擴散，作戰指揮官將不再能夠假定空域是安全的--他們將不得不有意地爭奪它。使得這一新趨勢在作戰計劃和使用方面如此具有破壞性的原因是，無人機系統的獲取成本（相對而言）很低，而且操作簡單。一個適度的軍事強國可以部署幾十甚至幾百架作戰無人機系統。小型和中型致命的無人機系統已經出現，作為傳統攻擊飛機的低成本、經過戰斗驗證的替代品。事實證明，無人機系統在本質上很難被針對傳統飛機設計的傳感器探測到，因此需要專門的解決方案來對付它們。這些武器系統正在重新定義空中力量并使之擴散化，將多種聯合功能融合到單一的戰術平臺中，可以由一個經過有限培訓的小隊來操作。在未來的任何沖突中，美國應該期望面對日益成熟的各種規模和種類的多任務無人機系統陣列。JFACC將再次與敵人共享空域，這是自 "沙漠風暴 "第一夜以來從未發生過的真正意義上的事情。

擊敗這些小型/中型無人機系統的關鍵是被動和主動措施的結合

被動措施應包括加強機動性和偽裝、隱蔽和欺騙（CC&D）戰術，使無人機系統操作者無法獲得打擊目標所需的關鍵可探測特征。煙幕彈提供了技術含量低但有效的隱蔽性，可以抵御光電傳感器，紅外干擾器可以抑制激光瞄準吊艙。機動性、高保真誘餌和無線電欺騙可以迷惑目標，并使人無法了解作戰機動部隊的模式。

在主動措施方面，本文之前討論了瞄準無人機系統的挑戰。現有的技術允許集中的多情報收集和融合，以追蹤SUAS回到它們的起源點，從而能夠對其可疑的GCS位置進行聯合射擊。新興技術應該集中在無人機系統的獨特特性上，除了傳統的地對空防御系統外，還有專門的反無人機系統，以應對高端威脅。美國陸軍已經確定了這樣的系統，并有計劃將移動短程防空（M-SHORAD）與他們的機動部隊和固定的關鍵目標附近結合起來。但這些系統都在爭奪資金。在大國競爭的時代，不能允許這些采購落入預算削減線以下。即使在高強度的沖突中，小型和中型無人機系統也肯定會發揮重要作用。

近幾十年來，安全環境發生了巨大的變化。最重要的是，這對敵對戰爭的作戰方式產生了影響，特別是所使用的軍事方法。軍事革命是戰爭和沖突史上一個不可分割的特征。變化的最重要驅動力之一是技術進步，今天，技術以無與倫比的速度推動著軍事事務的這種轉變。將傳感器技術與精確打擊效應器和通信相結合的無人機作戰能力就是一個最好的例證。人工智能（AI）、機器人、網絡、云技術、納米技術和激光系統是為此目的而采用和整合的技術進步。這些進步得到了小型化、相對低成本的制造和隱身技術的補充。特別是軍用無人機的發展，已經改變了民用和軍用任務。雖然無人機在農業、監測、電影攝影和其他領域有多種民用應用，但本文將討論軍用無人機、無人駕駛飛行器（UAVs）和不同大小的遙控飛機，它們被用來進行對人類人員來說過于枯燥、骯臟或危險的活動。沒有人在機上是軍用無人機的主要賣點，因為這對各種原因都有幫助：首先，它需要更少的飛行員在戰場上冒生命危險；其次，由于沒有飛行設備，無人機更輕，可能非常小。

為了保持武力使用的可控性，限制武力升級的危險，并限制使用武力造成的政治風險和傷害，混合戰爭參與者更愿意使用軍事影響相對較小的限定戰爭方法。無人機戰爭技術，以及無人駕駛和遠程精確武器系統，實際上適合于啟用這種方法。

作為第一步，必須對混合沖突/戰爭背景下現有的無人機使用情況有一個總體的了解，這也是因為盡管無人機的部署越來越多，但它仍然是一種有爭議的戰術。使用無人機是否符合道德？它甚至是合法的嗎？由于缺乏使用軍事無人機的法律框架，以及大量的平民傷亡，這些仍然是高度討論的問題。有必要在歐洲和國際層面上制定關于使用無人機的法律。

這一分析旨在為圍繞武裝無人機在陸軍行動中的使用、風險、挑戰和結果的學術辯論做出貢獻。本文將首先介紹軍用無人機：描述無人機的類型，并對軍用和民用無人機、軍事應用、目的和戰術進行區分。隨后，將分析在軍事行動中使用無人機的法律和倫理爭議。

最后，將解釋兩個案例研究：第一個是關于納戈爾諾-卡拉巴赫爭議地區44天的戰斗（2020年），它提供了一個樣本，說明這些武器可能對特定沖突的結果產生巨大影響；第二個是關于2004至2009年美國在巴基斯坦的攻擊。它描述了缺乏規范在戰場上使用軍用無人機的國際法，以及由此產生的非法殺戮。

這個話題與Finabel MS有關，因為它可能使他們意識到有必要審查與該主題有關的立法，以形成對無人駕駛飛行器的共同理解。此外，在2020年的納戈爾諾-卡拉巴赫沖突中大量使用作戰無人機，可能為Finabel MS將無人機能力與火炮相結合的新戰略鋪平道路。

總之，各國在沒有仔細研究對所有各方（友軍、敵方戰斗人員、平民和社會）的潛在后果的情況下，不得輕率作出決定。

無人機蜂群來了！美國、中國和俄羅斯處于無人機群開發和利用的最前沿。然而，無人機的低成本和易得性使非國家行為者能夠以富有想象力和創造力的方式利用無人機，包括蜂群。本專著的目的是要解決以下問題：無人機群為軍隊提供什么效用？無人機群提供了許多優勢，包括持續的情報、監視、偵察和目標定位；對軍事人員和組織的低風險和低成本，以及癱瘓個體和組織決策的潛力。相比之下，無人機群有其脆弱性和挑戰。脆弱性包括從對手的黑客攻擊到反蜂群武器的存在，而一些挑戰包括組織上的抵制和國際法。無人機群就在這里，而且很快就會出現在戰場上，現在是解決如何最好地運用它們的時候了。在概述了無人機群的潛在好處和局限性之后，該專著最后提出了四項建議：需要敘述、建立無人機群理論、了解人機界面以及為無人機群的使用進行組織過渡。

21世紀，沖突地區的上空出現了無人駕駛飛行器（UAVs），也就是眾所周知的無人機。過去二十年來，在武裝沖突地區內外，無人機的部署已變得非常普遍。無論它們是否有武器，無人機都在當代沖突的作戰方式上留下了印記，并為國家和非國家行為者提供了使用致命武力的新方法。無人機為交戰各方提供了 "天空中的眼睛"，是關于敵人行蹤的全天候情報來源。 無人機在沖突地區上空盤旋，借助廣泛的機載傳感器系統和相機，通過執行情報、監視、目標獲取和偵察（ISTAR）來收集戰場信息。這些功能支持了無人機的作用，將其與地面或空中的其他武器系統聯系起來，并利用傳感器數據來確定目標，或者用機載火箭、導彈或炸彈直接攻擊目標。無人機在戰爭中的應用給軍隊帶來了多種優勢，如提高態勢感知能力和消除飛行員的風險，同時也相對便宜。

最初，美國（US）主導了武裝和非武裝無人機的生產和部署，以色列和中國緊隨其后。2001年9月11日恐怖襲擊發生后不久，美國就在阿富汗上空使用無人機追蹤基地組織成員，它很快感到有必要在其 "捕食者 "無人機上加裝導彈，而在此之前，這些無人機都是非武裝的。 武裝無人機是奧巴馬總統領導下的美國秘密定點清除計劃的標志。以色列在2011年之前已經在其定點清除計劃中使用武裝無人機，但直到2022年夏天才公開承認。在過去五年里，土耳其等其他國家在利比亞、敘利亞北部、土耳其南部和伊拉克的行動中大量使用無人機，發揮了主導作用。無人機正在成為反叛亂行動和軍事干預行動的首選武器，利比亞戰爭就是一個例子，它通常被稱為 "世界上最大的無人機戰區"。 在這些地方，人們可以看到各種類型的軍用無人機的廣泛傳播和擴散。

談到無人機的生產和出口，土耳其、伊朗和中國等國家已經加入了無人機生產國的行列，渴望在無人機市場上發揮巨大作用。這些新的無人機大國一直在向一系列以前不是無人機用戶的非西方國家，如埃塞俄比亞、尼日利亞、利比亞和阿塞拜疆出口他們的Bayraktar TB-2s、Mohajer-6s和Orlan-10s，而且還向非國家武裝團體，如真主黨和也門的Ansar Allah（更有名的Houthis）。根據無人機研究中心的數據，2019年有95個國家有活躍的軍事無人機計劃，而2010年有此類計劃的國家為60個，增加了58%。這些國家總共擁有約30,000架無人機。同樣，在這些國家擁有的武裝無人機的數量和類型方面，也有明顯的擴大和多樣化。 技術先進的軍隊不再享有對無人機使用和出口的壟斷；其他幾十個國家也加入了它們的行列，擴大其無人機能力。正如無人機專家丹-格納所解釋的那樣，這一發展不可避免地影響到武裝沖突的未來。

除了使用武裝無人機的國家行為體領域的轉變，擁有和部署無人機的非國家武裝團體（NSAG）也在增加。他們從其盟友那里獲得了無人機技術和培訓；例如，也門的胡塞武裝從伊朗獲得了無人機部件。此外，非國家武裝團體還能獲得商業無人機，對其進行改裝，使其成為可用于戰斗的武器。像伊拉克和敘利亞伊斯蘭國（ISIS）和真主黨這樣的武裝團體已經將其制造具有打擊能力的民用無人機的工作專業化和產業化，徹底改變了非國家武裝團體的無人機能力。他們的無人機制造和使用知識已經轉移到其他NSAG，擴大了軍用無人機的部署領域。這些商用現成（COTS）無人機說明了軍用和民用無人機之間的模糊區別：一架業余無人機只需花幾百歐元甚至幾十歐元就能在網上買到，但只需在上面裝上彈藥，就能輕易變成武器。非國家武裝團體對消費類技術的使用與商業無人機公司的激增相輔相成，使各種國家和非國家行為者都能獲得廉價的技術。非國家武裝團體手中武器化的COTS無人機的發展，加上各種國家生產、出口和使用無人機，導致了重要的法律、倫理和政治問題，例如，出口管制條例、保護平民和降低使用武力的門檻。

不幸的是，國際規則和條例沒有跟上無人機生產、出口和部署的爆炸性國際增長的步伐。盡管在95個擁有積極軍事無人機計劃的國家中，有63個被認為主要擁有外國制造的無人機，但沒有多邊機制來全面監管無人機和無人機技術的出口和后續使用。現有的幾個軍控制度--導彈技術控制制度（MTCR）、瓦森納協議、歐盟關于武器出口的共同立場和國際武器貿易條約（ATT）--提供了一些指導。然而，由于無人機生產商或用戶的參與度有限，對某些類型的無人機關注度狹窄，或者缺乏強有力的、具有法律約束力的規則，這些協議都未能有效地監管無人機出口。專門指導無人機部署和出口的第一次嘗試是美國2015年的一項政策，該政策導致了關于武裝無人機出口和使用的聯合宣言，該宣言由54個國家簽署并在2016年發布。然而，該宣言被各國、專家和民間社會組織批評為非包容性的，因為它是由美國起草的，幾乎沒有其他國家或專家的意見，它的范圍有限，措辭模糊，而且由于宣言的自愿性質，沒有現實意義。基于這一聯合聲明，美國一直在與一小群國家合作制定 "武裝無人駕駛飛行器的出口和后續使用的國際標準"，然而，完整的文件尚未公布。

本論文探討了區塊鏈與互聯網協議第六版（IPv6）數據包信息的使用，以支持與無人駕駛飛行器（UAVs）智能蜂群的安全、高性能和可擴展的通信。在這篇論文中，我們研究了三種情況下的加密數據包的交換，即點對點、點對多和多對點。我們模擬了每個場景下的蜂群行為，并在模擬運行中改變了蜂群中無人機的數量。基于仿真的結果顯示，對于點對點場景和多對多場景，即使在多對多場景中，交互節點的數量增加，延遲也沒有明顯增加。相反，在點對多的情況下，延遲會增加。需要進行更多的研究來評估本論文中提出的區塊鏈-IPv6方法的安全性和可擴展性。

圖. 使用區塊鏈技術的無人機群智能中的塊生成概念

引言

越來越多的無人機被用于軍事目的，再加上自動化方面的進步，如為無人駕駛飛行器（UAV）配備不同程度的自主權和群集智能，使得這些飛行器成為敵對勢力的誘人目標。為了獲得競爭優勢，對手將試圖找到無人機的飛行控制器、接收器或發射器的可利用的物理和網絡漏洞，然后應用動能、網絡或某種動能和網絡攻擊機制的組合來操縱無人機的行為，例如使無人機墜毀或泄露敏感數據。

攻擊軍用無人機的一個途徑是操縱無人機使用的通信機制，無論是無人機與無人機之間的通信還是無人機與人類操作員之間的通信。例如，對手可以修改或阻止無人機群之間的數據交換，以降低無人機群的行動效率。重要的是，為軍事單位提供的無人機已經過動能和網絡脆弱性評估，與這些脆弱性相關的風險在無人機的操作使用之前就已經得到緩解，并且在無人機的使用壽命內對無人機系統進行修改時，也要進行風險評估和緩解。

安全風險管理也要在一個框架中進行規范，美國國家標準與技術研究所（NIST）就是這樣做的，它發布了一個風險管理框架。多種技術可用于實施降低安全風險的措施。例如，Vikas Hassija和Vinay Chamola[1]斷言。"當務之急是保持無人機和其他用戶之間交易的安全性、成本效益和隱私保護。區塊鏈技術是一個非常有前途的解決方案，可用于部署實時無人機應用"。

A. 問題陳述

科學技術的創新和進步之間存在著一種共生關系。諸如自動駕駛汽車、自主無人駕駛飛行器（UAV）和智能家用電器等能力，一度被認為是科幻小說的范疇，或者在技術上太難實現，現在已經很普遍了。

無人機的概念最早出現在1783年，當時約瑟夫-米歇爾和他的伙伴雅克-艾蒂安-蒙戈爾費埃公開展示了一種當時可以說是無人機或無人駕駛飛機的交通工具[2]，其形式是1849年在法國一個叫安諾奈的地方的熱氣球，在那次戰爭中，由奧地利中尉弗朗茨-馮-烏沙提斯創造的氣球炸彈被用來攻擊威尼斯市。雖然這次攻擊只造成了輕微的損失，但它可以被稱為成功，因為兩天后威尼斯就投降了[3]。尼古拉斯-特斯拉在1898年獲得了遙控（RC）的專利，大約20年后，一家名為拉斯頓-普羅克特空中目標的公司在特斯拉之前獲得專利的遙控技術基礎上發明了第一架無翼飛機[4]。

從那時起，無人機技術和它的應用已經穩步增長。它們已被用于科學研究，如收集有關火山活動的數據，在這些地方使用駕駛飛機會太危險或太昂貴。在20世紀90年代，亞伯拉罕-卡雷姆推出了 "捕食者"，這是一種配備了攝像頭和其他傳感器的無人機，用于監視。國防界為 "捕食者 "配備了武器裝備，包括導彈[5]。掠奪者本身已被用于一些沖突，如在阿富汗、巴基斯坦、波斯尼亞、前南斯拉夫、伊拉克、也門、利比亞、敘利亞和索馬里的沖突[6]。在2022年，它們也被烏克蘭和俄羅斯武裝部隊廣泛用于戰斗。

無人機技術的一個重大進步是應用了蜂群智能，一群無人機模仿大量同質動物的智能行為，如蟻群、鳥群和蜜蜂群。蜂群通過蜂群成員之間的協調表現出集體行為。蜂群的行為可以被編碼為算法，而這些算法又可以通過軟件實現，在計算機上執行，比如無人機中使用的嵌入式計算機[7]。蜂群行為甚至被用來進行基于無人機的燈光表演，例如在2020年東京奧運會的開幕式上。

在蜂群中，蜂后是控制器，同樣地，在蜂群智能無人機中，系統中有一個控制中心，典型的控制器名為地面控制站（GCS）。無人機的工作方式很直接，這涉及到無人機和GCS之間的數據交換，然后GCS可以連接到衛星，或者衛星可以直接連接到無人機，一切都在實時發生。圖1說明了無人機和其基礎設施的一種通信方式。至少，通信需要是低延遲和安全的[8]。

有兩種技術可以在GCS和無人機之間進行通信。第一種技術是基于蜂群基礎設施的GCS，第二種是飛行Ad-Hoc網絡（FANET）。基于蜂群基礎設施的GCS本身有一個GCS，用于集中式通信。所有的無人機群都將與GCS進行通信，以便群組能夠運作。然而，這種技術的一個缺點是，它依賴于GCS的可用性和正確運作。如果GCS受到干擾，整個無人機群也會受到干擾。相比之下，FANET使用一個發射器向某個無人機發送命令，然后該無人機將這些命令轉發給第二個無人機。然后這些命令將以串行或并發的方式分發給其他無人機。所有的無人機將進行通信，并擁有發射器給出的命令列表，這樣，如果這個發射器發生故障，所有的無人機仍然可以執行命令，因為每個無人機都有一個有效的命令列表。最后，通過使用這種FANET技術，每個無人機將具有冗余性，而不完全依賴通信基礎設施。然而，這種技術也有缺點。例如，一個入侵者或一個未知的無人機可以進入并破壞無人機群。再比如，無人機群的授權成員無法檢測到，所以入侵者（即未經授權的參與者）的無人機，從而可以獲得將由授權無人機執行的命令列表[9]。

為了克服入侵者無人機的問題，也許可以應用區塊鏈來防止未經授權的無人機使用無人機群命令來獲取列表。區塊鏈本身已被廣泛用于金融領域，目的是在每筆交易的驗證過程中消除第三方。

在區塊鏈中，當數據被分發時，將很難被黑客攻擊并獲得完整的數據，因為它是由一個使用加密手段的網絡驗證的。每個區塊由前一個區塊的哈希值，驗證哈希值的隨機數，或稱nonce，以及時間戳組成。完整性的保證是由區塊鏈為第一個區塊的形成提供的，這個區塊是由一個經過驗證的交易形成的結果，稱為創世區塊。由于哈希值是不可預測的或唯一的，欺詐或復制行為將被發現。每個經過驗證的區塊都有其哈希值，對該區塊的任何改變都會對其他區塊產生影響。如果所有或大多數節點給予許可或同意，該區塊就會被添加到鏈上，因為共識機制安排交易的有效性在某個區塊的有效性。

區塊鏈上的這種共識機制可以通過三種方式進行，那就是工作證明、股權證明和投票，實用拜占庭容錯。在加密貨幣的世界里，工作證明被用于采礦。它的工作原理是在每個節點上進行數學方程的計算，然后每個首先完成計算的節點將有權將最新的區塊輸入區塊鏈。使用權益證明，只有合法的節點可以進行計算以達成共識。另一方面，實用拜占庭容錯是基于投票的，要求至少有三分之一的授權節點是拜占庭的。

認證過程是通過生成具有偽隨機函數的一次性密碼（OTP）來進行的。無人機在區塊鏈中注冊，每架無人機根據存儲在區塊鏈節點中的關系，確定它能夠認證的最近的無人機。認證請求從無人機發送至相關的無人機，后者在區塊鏈中觀察并檢查該無人機是否有關系，并能對其進行認證。這個方案能夠挫敗外部惡意無人機的攻擊或第三方攻擊，即使對手知道第一個令牌。

B. 方法

在本論文中，我們研究了使用IPv6（互聯網協議版本6）在無人機之間進行通信的方式。與IPv4（互聯網協議版本4）相比，IPv6有很多優點，即速度更快，更有效，因為它的路由表比IPv4少，所以路由過程將更有組織和有效，而且更安全，因為它配備了交換數據的加密功能。帶寬更有效，因為IPv6支持組播。配置更容易，因為它自動運行。總的來說，IPv6更適合無人機等移動設備，因為不需要通過網絡地址表（NAT），因此延遲低。IPv6將使用區塊鏈與權益證明共識相結合。

與加密貨幣一樣，區塊鏈上的每個節點都必須進行支付。在這項研究中，支付被替換成OTP。每個節點產生相同或同步的OTP。區塊鏈和OTP在這里的使用是為了檢測未經授權的無人機，并防止他們讀取或更新無人機群使用的命令列表。此外，我們探索了區塊鏈、智能合約共識（SCC）和分布式賬本技術在蜂群通信方面的能力。此外，還根據提出的無人機群智能通信架構的概念進行了模擬。

C. 范圍

本論文的范圍僅限于探索區塊鏈技術和OTP的聯合使用，這兩種技術在IPv6數據包中都有填充。

D. 研究結果總結

在進行了模擬物理無人機在點對點、點對多、多對點場景下的運行，并使用1-10000次迭代或交易的實驗后，得到了各場景的延遲比較結果。從這些結果可以得出結論，對于點對點方案和多對多方案，即使在多對多方案中，交互節點的數量增加，延遲也沒有顯著增加。而在點對多的情況下，一個節點以廣播信息的形式同時向幾個節點進行交易，這導致了延遲的增加。第四章和第五章解釋了仿真結果和這些結論的總結。此外，第五章還討論了與本論文中的事項有關的未來工作的可能性和建議。

E. 論文組織

第二章介紹了無人機群智能通信區塊鏈功能的背景，并利用它作為無人機群智能的通信手段。它還對IPv6結構格式進行了概述。第三章討論了基于IPv6區塊鏈的通信數據傳輸的分析。具體而言，分析了IPv6區塊鏈數據包的場景、保密性、完整性和可用性。第四章闡述了IPv6區塊鏈在無人機蜂群智能中實現的可能性和挑戰的研究成果。第五章提供了結論和對未來研究的建議。

在一個大國競爭重新開始的時代，美國及其盟國面臨的最重大挑戰之一是需要遏制俄羅斯等國家對西太平洋或東歐的盟友或伙伴發動機會主義侵略行為的能力。本報告提出了一個 "通過偵測進行威懾"的作戰概念，以阻止俄羅斯等國家的侵略，該概念利用現有的非隱形長航時無人機系統（UAS）網絡，在西太平洋和東歐的關鍵地理區域保持實時、持久的態勢感知。

背景

俄羅斯等國家正在發展能力，在日益強大的偵察-打擊網絡的掩護下，迅速對其周邊國家發動入侵。西太平洋和東歐最有可能演變成危機和沖突的地理摩擦點離俄羅斯和中國比離美國大陸近得多。只需發出有限的警告，莫斯科等就可以利用他們的時間距離優勢，在美國及其盟國作出反應之前奪取盟國領土，從而造成事后難以扭轉的既成事實。

美國武裝部隊的配置很差，無法應對這些挑戰，而這些挑戰需要長期的監測而不是偶發的覆蓋。盡管美國防部擁有必要的現有和近期能力，即非隱身的長距離無人機系統，但它需要發展新的行動概念和組織來有效運用這些能力。利用無人機系統威懾機會主義侵略的新概念，我們稱之為 "通過偵測進行威懾"，也將從允許盟友和合作伙伴全面參與的方法中大大受益。

實施 "通過偵測進行威懾"的概念將需要一個由具有成本效益、持久性和可與廣泛的盟友和合作伙伴進行互操作的系統組成的情報、監視和偵察（ISR）網絡。實時態勢感知對于及時有效地應對次常規灰區侵略和常規既成事實博弈的雙重挑戰至關重要。執行ISR任務的無人機系統可以為即將到來的俄羅斯等的攻擊提供更多的警告，從而幫助確保前沿陣地的部隊準備好果斷的回應。通過增加預警時間，無人機系統將有助于減輕美國的時間-距離劣勢，從而使美國及其盟友能夠集結足夠的戰斗力來防止既成事實。"

實施 "通過偵測進行威懾"作戰概念

這項研究確定了亞太和歐洲的三個優先地理區域，進行長距離無人機偵察：臺灣海峽、中國南海和中國東海，歐洲的波羅的海、黑海和地中海東部。除了臺灣海峽、南中國海和東中國海之外，持續觀察中國海岸線上的軍事活動的能力將提高對態勢的認識，提醒美國及其亞洲盟友和伙伴注意中國即將發動的攻擊。監視中國的活動也可以達到監視的目的，從而有可能威懾該地區的其他機會主義行為者，如朝鮮和俄羅斯。

用于"通過偵測進行威懾"作戰概念的無人機系統來自美國、盟國和伙伴國的庫存，并將在國家集團中運作，也可能作為聯盟網絡的一部分。除了這里描述的那些任務外，還需要更多的無人機系統來執行ISR任務。

在亞太和歐洲戰場實施 "通過偵測進行威懾"戰略所需的無人機系統機身總數完全可以達到。事實上，這個概念的一個優點是，它采用了美國已經擁有的能力，但在大國競爭中卻沒有得到充分利用，因為它們在這種情況下的價值沒有得到重視。CSBA的分析表明，實施"通過偵測進行威懾"將需要在西太平洋地區部署46架飛機，在歐洲再部署46架，總共92架。除此以外，還需要更多的無人機系統來執行這里描述的ISR任務。 美國及其盟國和伙伴可以通過將現有飛機從其他地區和任務轉移到西太平洋和歐洲，以及將美國已經采購的一些飛機分配給新的任務來滿足庫存要求。這些決定將取決于每架飛機的生產狀況和現有機隊的規模。

根據國會預算辦公室的數字，估計92架無人機系統的年度運營成本將總計約14億美元。由于這些飛機將來自于現有的庫存，而不是新的采購，因此運營成本代表了國防部無論如何都會花錢來維持這些飛機的飛行（假設它讓它們繼續飛行）。由于這個原因，實施"通過偵測進行威懾"不應要求增加任何開支。相反，實施這個概念只需要美國防部改變它對已經支付的飛機的處理方式。由美國及其在西太平洋和歐洲的許多盟國和伙伴分攤，相對于預期的安全收益，每個國家的估計成本應該是可以承受的。

總之，美國及其盟國在與中國和俄羅斯的競爭中面臨著行動上的挑戰，包括阻止非常規力量的機會主義侵略行為的能力，這將導致既成事實的發生。"通過偵測進行威懾"，基于這樣的理念：如果對手知道他們一直在被監視，而且他們的行動可以被廣泛宣傳，那么他們就不太可能實施機會主義的侵略行為，這可以產生并保持實時態勢感知，從而有助于應對既成事實的挑戰。能夠執行大范圍持續監視任務的非隱身無人駕駛ISR飛機最適合于美國、其盟友和合作伙伴實施"通過偵測進行威懾"。但這一概念并非萬能，它只是邁出可能有效和可負擔的一步。

圖 MQ-9“死神”無人機

圖 1：使用無人機系統的 ISR 架構

圖 2: 建議的西太平洋無人機覆蓋區

圖 3:建議的東歐無人機覆蓋區

表 2：按地理區域按檢測概念進行威懾所需的 UAS 清單

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

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

兵棋模擬是一種決策工具，可以為利益相關者分析的場景提供定量數據。它們被廣泛用于制定軍事方面的戰術和理論。最近，無人駕駛飛行器（UAVs）已經成為這些模擬中的一個相關元素，因為它們在當代沖突、監視任務以及搜索和救援任務中發揮了突出的作用。例如，容許戰術編隊中的飛機損失，有利于一個中隊在特定戰斗場景中勝利。考慮到無人機的分布可能是這種情況下的決定性因素，無人機在超視距（BVR）作戰中的位置優化在文獻中引起了關注。這項工作旨在考慮敵人的不確定性，如射擊距離和位置，使用六種元啟發法和高保真模擬器來優化無人機的戰術編隊。為紅軍蜂群選擇了一種空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast，作為案例研究。優化的目的是獲得一個藍軍蜂群戰術編隊，以贏得對紅軍蜂群的BVR戰斗。采用了一個確認優化的穩健性程序，將紅軍蜂群的每個無人機的位置從其初始配置上改變到8公里，并使用兵棋方法。進行了戰術分析以確認優化中發現的編隊是否適用。

索引詞：優化方法，計算機模擬，無人駕駛飛行器（UAV），自主智能體，決策支持系統，計算智能。

I. 引言

兵棋是在戰術、作戰或戰略層面上模擬戰爭的分析性游戲，用于分析作戰概念，訓練和準備指揮官和下屬，探索情景，并評估規劃如何影響結果。這些模擬對于制定戰術、戰略和理論解決方案非常有用，為參與者提供了對決策過程和壓力管理的洞察力[1]。

最近，無人駕駛飛行器（UAVs）作為一種新的高科技力量出現了。利用它們來實現空中優勢可能會導致深刻的軍事變革[2]。因此，它們的有效性經常在兵棋中被測試和評估。

由于具有一些性能上的優勢，如增加敏捷性、增加過載耐久性和增加隱身能力，無人機已經逐漸發展起來，并在許多空中任務中取代了有人系統[3]。然而，由于戰斗的動態性質，在視覺范圍之外的空戰中用無人系統取代有人平臺是具有挑戰性的。在空戰中，無人機可以被遠程控制，但由于無人機飛行員對形勢的認識有限，它將在與有人平臺的對抗中處于劣勢。然而，這種限制可以通過自動戰斗機動[4]和戰術編隊的優化來克服。此外，使用無人機可以允許一些戰術編隊和戰略，而這些戰術編隊和戰略在有人駕駛的飛機上是不會被考慮的，例如允許中隊的飛機被擊落，如果它有助于團隊贏得戰斗。文獻中最早的一篇旨在優化超視距（BVR）作戰中的飛機戰術編隊的文章[5]表明，空戰戰術是用遺傳算法（GA）進行優化的候選方案。該實施方案采用分層概念，從小型常規作戰單位建立大型編隊戰術，并從兩架飛機的編隊開始，然后是四架飛機，最后是這些飛機的倍數。在模擬中沒有對導彈發射進行建模。當一架飛機將其對手置于武器交戰區（WEZ）的高殺傷概率（Pkill）區域內一段特定時間，簡化的交戰模擬器就宣布傷亡。事實證明，所提出的方法的應用是有效的，它消除了團隊中所有沒有優化編隊的飛機，并為整個優化編隊的飛機團隊提供了生存空間。

Keshi等人[6]使用了與[5]相同的分層概念，從由兩架飛機組成的元素中構建大型戰術編隊。模擬退火遺傳算法（SAGA）被用來優化編隊，使其能夠克服對局部最優解的收斂。對16架飛機的編隊進行了優化，提出的最優解表明SAGA比基本的GA更有效。最后，為了探索一個穩健的SAGA，對不同的馬爾科夫鏈進行了比較，事實證明自調整馬爾科夫電流更適合所提出的問題。

Junior等人[7]提出使用計算機模擬作為一種解決方案，以確定BVR空戰的最佳戰術，使擊落敵機的概率最大化。在低分辨率下使用通用參數對飛機和導彈進行建模，并改編了名為COMPASS的模擬優化算法，模擬了兩架飛機對一架飛機的BVR戰斗。低分辨率模型假定在水平面的二維空間內有一個均勻的直線運動。使用優化的戰術表明，擊落敵機的平均成功率從16.69%提高到76.85%。 Yang等人[8]提出了一種方法來優化飛機對一組目標的最佳攻擊位置和最佳路徑。該工作考慮到飛機能夠同時為每個目標發射導彈，并將飛機與目標有關的攻擊性和脆弱性因素作為評價攻擊位置的指標。一個高保真模擬被用來模擬每個導彈的飛機、雷達、導彈和WEZ的動態特性。這項工作并沒有解決在BVR戰斗場景中優化一組飛機對另一組飛機的編隊問題。

Li等人[9]提出了一種基于指揮員主觀認識的編隊優化方法，即在空戰中目標設備信息不確定的情況下選擇飛機編隊的問題。首先，計算戰斗機的戰斗力，這是通過指揮員的主觀認識評估目標戰斗力的基礎。戰斗機的戰斗力以能力的形式表現出來，包括攻擊、探測、生存能力、通信、電子戰、預警系統等。因此，通過采用前景理論和綜合模糊評估來優化空戰訓練。最后，一個應用實例證明了該方法在小規模空戰中的可行性。作者聲稱，利用戰斗力評估戰斗情況的能力為優化空戰訓練提供了一種新的方法。

?zpala等人[10]提出了一種在兩個對立小組中使用多個無人駕駛戰斗飛行器（UCAVs）進行空戰的決策方法。首先，確定兩隊中每個智能體的優勢地位。優勢狀態包括角度、距離和速度優勢的加權和。在一個團隊中的每個智能體與對方團隊中的每個智能體進行比較后，每個航空飛行器被分配到一個目標，以獲得其團隊的優勢而不是自己的優勢。為一對對立的團隊實施了一個零和博弈。對許多智能體參與時的混合納什均衡策略提出了一種還原方法。該解決方案基于博弈論方法；因此，該方法在一個數字案例上進行了測試，并證明了其有效性。

Huang等人[11]開發了新的方法來處理UCAV編隊對抗多目標的合作目標分配和路徑規劃（CTAPPP）問題。UCAV的編隊是基于合作決策和控制的。在完成目標偵察后，訓練指揮中心根據戰場環境和作戰任務向每架UCAV快速傳輸任務分配指令。UCAV機動到由其火控系統計算出的最佳位置，發射武器裝備。合作目標分配（CTAP）問題通過增強型粒子群優化（IPSO）、蟻群算法（ACA）和遺傳算法（GA）來解決，并在歸因、精度和搜索速度等方面進行了比較分析。在進化算法的基礎上發展了UCAV多目標編隊的合作路徑規劃（CPPP）問題，其中提供并重新定義了獨特的染色體編碼方法、交叉算子和突變算子，并考慮燃料成本、威脅成本、風險成本和剩余時間成本來規劃合作路徑。

Ma等人[12]開展的工作解決了在BVR作戰場景中優化兩組（R和B）無人機對手之間的優勢地位問題。一個無人機ri∈R對一個無人機bj∈B的優勢是通過ri和bj之間的距離、ri的導彈發射距離的下限和上限、ri的高度和bj的高度之差以及ri的最佳發射高度來估計的。決定性的變量是無人機在兩組中的空間分布和每架飛機在這些組中的目標分配。無人機在三維作戰空間BVR中的可能位置被簡化（離散化），通過立方體的中心位置來表示。每個無人機組都有一組立方體。優化問題被建模為一個零和博弈，并被解決以獲得納什均衡。

Ma等人[12]提出的工作沒有使用高保真模擬來分析無人機空間分布的選擇和分配給它們的目標對BVR作戰的影響。高保真模擬對飛機、雷達、導彈及其導彈的WEZ的動態特性進行建模。這些動態特性也影響到BVR作戰時每架飛機的行動觸發，因此也影響到最終的結果。例如，如果在兩組無人機之間第一次沖突后的時間窗口內考慮高保真BVR作戰模擬，新的沖突可能會發生，直到模擬結束。因此，每個在交戰中幸存的無人機將能夠選擇一個新的目標，這取決于可用目標的優勢值。在[12]中沒有考慮與無人機行為有關的不確定性。有關敵方無人機在戰術編隊中的確切位置及其導彈發射距離的信息是行為不確定性的例子。這兩個信息和上面描述的其他信息在BVR戰斗中是相關的：它們直接影響飛機之間的交戰結果。

在這項研究中，我們試圖解決文獻中發現的一些局限性，如低分辨率模擬、與敵人有關的不確定性的處理以及缺乏對優化解決方案的穩健性的確認，旨在提高兵棋結果的質量。我們的目標是驗證哪些藍色蜂群的戰術編隊可以在BVR戰斗中戰勝紅色蜂群。作為一個案例研究，RED蜂群使用了空軍經常采用的戰術編隊，稱為line abreast[13]。為了評估BLUE蜂群解決方案的穩健性，我們解決了新的問題，改變了RED蜂群每架飛機的位置，目的是估計新的RED蜂群編隊對BLUE蜂群的優化戰術編隊的效率的影響。

我們使用自主智能體和高保真計算機模擬來優化BVR戰斗中的無人機戰術編隊，考慮與敵人相關的不確定性，如戰術編隊中的位置誤差和導彈發射距離。統一行為框架（UBF）被采納為創建自主智能體的基礎。飛機和導彈在三維環境中用六個自由度（DoFs）建模。

該程序將在接下來的章節中進一步討論。

小型無人駕駛飛機系統（sUAS）的指數式增長為美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正極大地改變著小型無人機系統的合法應用，同時也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。如果被疏忽或魯莽的操作者控制，小型無人機系統也可能對美國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。越來越多的 sUAS 將與美國防部飛機共享天空，此外美國對手可能在美國防部設施上空運行，在此環境下美國防部必須保護和保衛人員、設施和資產。

為了應對這一挑戰，美國防部最初強調部署和使用政府和商業建造的物資，以解決無人機系統帶來的直接風險；然而，這導致了許多非整合的、多余的解決方案。雖然最初的方法解決了近期的需求，但它也帶來了挑戰，使美國防部跟上不斷變化問題的能力變得復雜。為了應對這些挑戰，美國防部需要一個全局性的戰略來應對無人機系統的危害和威脅。

2019年11月，美國防部長指定陸軍部長（SECARMY）為國防部反小型無人機系統（C-sUAS，無人機1、2、3組）的執行機構（EA）。作為執行機構，SECARMY建立了C-sUAS聯合辦公室（JCO），該辦公室將領導、同步和指導C-sUAS活動，以促進整個部門的統一努力。

美國防部的C-sUAS戰略提供了一個框架，以解決國土、東道國和應急地點的sUAS從危險到威脅的全過程。國防部的利益相關者將合作實現三個戰略目標：（1）通過創新和合作加強聯合部隊，以保護國土、東道國和應急地點的國防部人員、資產和設施；（2）開發物資和非物資解決方案，以促進國防部任務的安全和可靠執行，并剝奪對手阻礙實現目標的能力；以及（3）建立和擴大美國與盟友和合作伙伴的關系，保護其在國內外的利益。

美國防部將通過重點關注三個方面的工作來實現這些目標：準備好部隊；保衛部隊；和建立團隊。為了準備好部隊，國防部將最大限度地提高現有的C-sUAS能力，并使用基于風險的方法來指導高效和快速地開發一套物質和非物質解決方案，以滿足新的需求。為了保衛部隊，國防部將協調以DOTMLPF-P考慮為基礎的聯合能力的交付，并同步發展作戰概念和理論。最后，作為全球首選的軍事伙伴，國防部將通過利用其現有的關系來建設團隊，建立新的伙伴關系，并擴大信息共享，以應對新的挑戰。

通過實施這一戰略，美國防部將成功地應對在美國本土、東道國和應急地點出現的無人機系統威脅所帶來的挑戰。在這些不同操作環境中的指揮官將擁有他們需要的解決方案，以保護國防部人員、設施、資產和任務免受當前和未來的無人機系統威脅。