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無人潛航器（UUV）的普及為海洋領域帶來了新的機遇和威脅。與傳統海軍平臺相比，無人潛航器具有商業可用性和低購置成本，為經濟和軍事上處于劣勢的敵國提供了在海底領域競爭的能力。無人潛航器可對港口、航道、石油平臺、海底電纜和管道等海基和沿海基礎設施構成威脅。如果對手有能力收集有關這些基礎設施的情報、對其進行破壞或使其處于危險之中，將使美國經濟及其貿易伙伴付出高昂的代價。除了對關鍵基礎設施的威脅外，UUV 還威脅到美國和盟國水雷作為非對稱海戰工具的有效性。先進的無人潛航器和傳感器包向敵國擴散，使其能夠探測、繪制地圖，并有可能使盟軍水雷失效或避開盟軍水雷，從而使水雷失去獲取和維持制海權的主要作用。Blandin 等人（2013 年）預計有必要開發反 UUV（cUUV）系統，以減輕這些 UUV 威脅。

本畢業設計報告總結了從系統工程角度開發和分析 cUUV 系統概念的研究工作。這項研究的核心目標是識別 UUV 在技術和操作方面的威脅漏洞，然后開發一套 cUUV 架構來展示如何利用這些漏洞。基于模型的系統工程（MBSE）技術用于評估架構的有效性，其總體目標是為開發 cUUV 能力提供一種有組織、有系統的方法。為實現這一目標，開發了一種迭代系統工程流程，用于指導研究工作。

通過對市場上現有的無人潛航器平臺、傳感器有效載荷及其技術規格進行市場調查，確定了需要應對的潛在威脅無人潛航器系統的問題空間。該調查研究了 237 種 UUV 系統的關鍵參數和能力及其任務應用（AUVAC 數據庫 n.d.）。調查發現，大多數 UUV 可用于多種任務類型，雖然 UUV 的物理參數（如尺寸和重量）會影響最大工作深度和續航時間等指標，但物理參數與任務應用之間沒有特定的相關性。因此，我們開發了一種具有普遍威脅的 UUV 結構模型。

Blandin 等人（2013 年）確定了四個潛在的未來軍用 UUV 任務領域： 信息作戰 (IO)；情報、監視和偵察 (ISR)；水雷對抗 (MCM)；以及進攻性攻擊作戰 (OAO)。鑒于美國海軍已有成熟的基于 UUV 的 MCM 條令，并假定對手可能會追求類似的能力，這項工作的重點是開發與 MCM 任務相關的 cUUV 系統概念。隨后進行的詳細研究審查了操作環境限制、受威脅 UUV 的操作概念 (CONOPS) 以及功能和物理架構，以便從完整的系統角度了解受威脅 UUV 可能如何執行 MCM 任務。在這一問題空間定義階段確定的結果被用于制定具有廣泛適用性的 cUUV 分類法，該分類法定義了反威脅 UUV 的使用概念、功能和方法。

為建立 cUUV 系統概念開發框架以應對多式聯運威脅，將 cUUV 分類法應用于多式聯運 UUV 任務，以描述 cUUV 問題空間。然后使用基于智能體的建模（ABM）軟件包 NetLogo（Wilenski，1999 年）對受威脅的多用途無人潛航器進行建模，并使用多種參數值進行模擬，目的是 (1) 評估系統在執行多金屬結核調查任務時的基線性能，以及 (2) 確定表明 cUUV 系統存在漏洞的參數。

評估 UUV 威脅任務時使用了三個性能指標（MOPs）：漏雷百分比、水雷標記位置誤差平均值和水雷標記位置誤差標準偏差。這些 MOP 代表了所繪制雷區地圖的實用性，最佳地圖的漏雷率、標記位置誤差平均值和標記誤差標準偏差都較低。一個有效的反無人潛航器解決方案會增加漏掉的水雷數量，以及發現的水雷的位置誤差和不確定性。模擬結果發現，側掃聲納（SSS）的聲學性能下降對漏失水雷的數量有顯著影響，而受威脅的 UUV 導航航向噪聲增大導致水雷標記誤差測量值增加。通過建模、模擬和統計分析，深入探索了問題空間并確定了威脅 UUV 的薄弱環節，在 cUUV 分類框架內定義了三種潛在的 cUUV 結構，并在 ABM 軟件中進行建模，以評估其防御威脅 MCM UUV 雷場的有效性。

第一個 cUUV 系統概念，即多普勒速度記錄（DVL）欺騙系統（DSS），采用了一種有針對性的攻擊使用概念，利用 cUUV 分類法中的 "混淆導航 "方法擾亂受威脅的 UUV。該系統概念由分布在雷場各處的節點陣列組成，這些節點可被動探測威脅 UUV，并向 UUV 的 DVL 發送虛假導航信號，增加其導航和水雷位置誤差澳門威尼斯人官網作。仿真結果表明，DSS 概念影響了目標 MOP，但與基線威脅 UUV 導航性能相比，影響幅度不大。

第二種 cUUV 系統概念展示了使用 cUUV 分類中的干擾傳感器方法破壞威脅 UUV 的一般區域防御 (GAD) 使用概念。氣泡帷幕系統（BCS）概念包括一個由加壓氣管組成的網格，該氣管沿其長度方向發射氣泡，以衰減受威脅 UUV 的 SSS 信號，增加其未命中水雷的 MOP。BCS 模擬結果表明，該系統的有效性在很大程度上取決于雷場內氣泡管道的布局。對 SSS 產生廣泛聲學影響的 BCS 幾何結構對水雷未命中 MOP 的影響最大。這對 BCS 的部署提出了挑戰，因為受威脅的 UUV 的搜索模式是未知的。

無人潛航器探測跟蹤殺傷（UDTK）系統是一個系統的概念，包括一個探測和跟蹤威脅無人潛航器的聲學收發器陣列，以及一個攔截和摧毀威脅無人潛航器的武器化無人潛航器。該概念展示了一種有針對性的攻擊使用概念，即使用 cUUV 分類中的 "破壞 "方法摧毀受威脅的 UUV。在 83% 的反彈道導彈模擬實驗設計點上，UDTK 系統能夠攔截威脅 UUV。ABM 建模方法是分析系統內不同元素之間、cUUV 系統與威脅 UUV 之間相互作用的關鍵，也是了解復雜系統的突發行為以確定它們如何影響 UDTK 攔截率的關鍵。

本研究對新興的反 UUV 系統領域進行了研究，重點關注 MCM 任務空間，總體目標是為開發 cUUV 能力提供有組織、有系統的方法。已提出的 cUUV 任務結構分類法將任務分解為代表 cUUV 解決方案的操作和技術考慮因素的使用概念、功能和方法。基于智能體的模型提供了一個靈活而強大的工具，用于探索威脅多用途機動UUV、cUUV系統和環境之間復雜的系統相互作用。仿真結果不僅對所提出的 cUUV 系統概念的有效性，而且對更廣泛的反 UUV 任務提供了重要見解。雖然本文介紹的三個 cUUV 系統評估了可進一步開發的可行系統概念，但本研究并不打算針對反潛監測 UUV 問題提出具體的技術解決方案。我們鼓勵讀者考慮結構化 cUUV 能力開發方法的更廣泛影響。

美國海軍陸戰隊正在全面采用無人自動化和半自動化資產。這些平臺將影響指揮鏈中的每一個人--從山頂上的班長、巡邏的排長，到監督所有戰場要素的營級作戰軍官。由于戰爭本質上仍然是人類的努力，因此在戰場上引入機器需要各級人員的團隊合作，以確保在未來的殺戮戰場上取得成功。要將這些資產整合到海軍陸戰隊的作戰行動中，就需要強有力的人機團隊合作（HMT），以保持海軍陸戰隊的競爭優勢。隨著越來越多的無人機和地面資產投入實戰，海軍陸戰隊的每項行動都需要不同程度的人機協作。雖然海軍陸戰隊的所有作戰功能都將受到這些資產的影響，但指揮與控制（C2）功能需要立即引起重視。本論文作者介紹了一個 C2 框架，它將幫助甲板上和作戰單元中的海軍陸戰隊員在 HMT 決策空間中做出正確的決策。該框架以 C2 理論、認知負荷理論以及最重要的相互依存關系為基礎。此外，作者還進行了知識增值（KVA）分析，以展示革命性技術在重新設計海軍陸戰隊熟悉的流程時所帶來的增值。

正如美國《國防戰略》（NDS）和《國家安全戰略》（NSS）所闡明的，潛在對手一直在發展尖端技術能力。反介入/區域拒止（A2/AD）等能力對美國國防部（DOD）贏得快速、決定性交戰的能力構成了威脅。國防部高級領導層已確定，要在未來作戰環境中開展多域作戰，隨時獲取數據和信息至關重要。此外，目前正在服役的國防部 C2 計劃沒有經過優化，無法滿足未來沖突的速度和復雜性。鑒于已發現的能力差距和潛在弱點，國防部已啟動聯合全域指揮與控制（JADC2）計劃，作為一項跨軍種的倡議。作為 JADC2 概念的一部分，美國海軍啟動了海軍戰術網格項目。本論文中描述的研究探討了美國海軍的通信路徑如何承載知識，以及 JADC2 概念如何改善知識流，并解決海軍和聯合資產之間預期的不連續、延遲或間歇通信問題。

問題陳述

指揮官理解戰斗空間中流動的知識和信息的能力對于有效指揮和控制至關重要。JADC2 的目的之一就是確保為通信和數據提供有效渠道。然而，對海洋領域顯性和隱性信息流效率的評估研究還很少。目前仍需開展研究，通過不同程度的通信可用性來分析這種知識流。

目的陳述

本研究的目的是利用差距和知識流分析以及觀察同步沖突，對海上環境中 C2 知識流的現狀與 JADC2 的既定目標、目的和要求進行比較分析。本研究旨在解決現有 C2 結構中的信息和知識流問題，并將其與 JADC2 的預期能力進行比較，以深入了解未來兵力所面臨的 C2 挑戰，為 JADC2 的開發和進一步的 C2 研究提供信息。

技術進步所帶來的進攻技術為對手提供了威脅聯合部隊和盟軍作戰優勢的機會。要與這些新方法作斗爭，就必須不斷快速發展自己的 "改變游戲規則 "的技術。通過重點發展無人系統和自主性，空軍可以努力保持其技術優勢。此外，創建一個強大的框架，能夠測試和評估定義自主性的原則，從而探索未來的能力。本研究介紹了反應/慎思混合架構的發展情況，該架構將允許對任務、認知和同伴靈活性原則進行測試。具體來說，這項研究探索了多機器人系統中的同伴靈活性，以多機器人混合架構（HAMR）作為框架基礎，解決定位問題。為完成這一任務，結合車輛感知和導航工具對運行環境進行推斷。然后，這些推論被用于構建因子圖，而定位的核心算法就是在因子圖的基礎上實施 iSAM2，這是一種高性能的增量矩陣因式分解方法。統一行為框架（UBF）是該框架中單個車輛控制的一個關鍵組件，它是一種基于行為的控制架構，使用模塊化仲裁技術生成動作，從而實現執行器控制。此外，還通過使用容器對世界模型進行分隔，以盡量減少通信開銷并簡化狀態信息。該平臺的設計采用了多態方法，以實現模塊化和魯棒性，從而促進未來的發展。

海軍水面作戰中心胡內姆港分部發現，為了滿足未來的數據需求，需要改進艦岸數據傳輸能力。近年來，對更好的艦岸數據傳輸系統的需求日益增長，這主要是由于作戰系統元素日益復雜。這些數據需求，加上通信技術的進步，將有助于提供一個有效和高效的數據傳輸系統，超越目前帶寬的限制。增強數據傳輸能力和補充現有艦艇數據傳輸方法的一種方法是使用無人系統作為主要或輔助通信手段。本畢業設計提供了一個概念系統的作戰概念、系統架構以及建模和仿真分析，旨在滿足美國海軍提高艦對岸數據傳輸能力的需求。與目前的數據傳輸方法相比，這種方法的概念應用所顯示的結果可顯著縮短操作時間。在仿真和數據分析的支持下，操作時間的減少為使用無人飛行器的可行性和提高海軍艦艇上的艦岸數據傳輸能力帶來了積極的結果。

海軍水面作戰中心胡內姆港分部（NSWC PHD）需要改進艦岸數據傳輸能力，以支持美國海軍（USN）的測試活動，本項目正是針對這一需求而開發的。具體來說，需要一種更快的數據傳輸方法來增強現有的艦岸通信網絡，以支持美國海軍的測試活動。測試活動分析和遠程支持工作需要與岸基活動之間傳輸大量數據。現有通信系統對數據傳輸的限制會阻礙及時進行測試活動數據分析和遠程支持工作。測試活動通常在艦艇交付后或實施重大系統升級的可用期后進行。由于目前的目標是建立一支擁有 355 艘艦艇的艦隊（2020 年為 O'Rourke），而且艦艇系統的復雜性也在不斷增加，因此在可預見的未來，對改進數據傳輸能力以支持測試活動的需求將是持續而迫切的。為此，頂點團隊收集了相關信息，以制定頂點問題陳述： 近年來，對更好的艦岸（雙向）數據傳輸系統的需求一直是人們最關心的問題，這主要是由于作戰系統元素對數據的需求不斷增加。這些數據需求加上通信技術的進步，將有助于提供更好的決策支持和作戰能力，超越當前艦載系統的局限性。

頂點團隊發現了一個技術機會，即利用現有無人機（UAV）平臺的能力來填補這一能力差距，從而促進能夠滿足利益相關者要求的輔助通信線路。此外，該系統還必須在與美國海軍測試活動相關的環境條件下運行，與艦艇和地面站的操作人員連接，根據需要在艦艇和地面站之間建立并保持雙向數據連接，并具備連接和將數據寫入經批準的可移動媒體的能力。我們創建了一個概念性系統設計，命名為可部署空中數據鏈路（DAD），旨在表明利用無人機平臺可以實現利益相關者的目標。該系統旨在提高從船上到岸上的數據可用性。DAD 系統的操作概念包括使用艦艇部隊提供的可拆卸介質上傳至外部系統，然后與部署在無人機上的螺栓子系統通信，進行數據上傳或中繼。在圖 1 中，配備有 DAD 模塊化計算機子系統的美國海軍艦艇利用 DAD 系統通信線路，通過配備有 DAD 栓式子系統的無人機接收或傳輸來自 DAD 模塊化計算機子系統的數據。

圖 1 - DAD 作戰視圖

頂點團隊在系統概念化過程中使用了量身定制的系統工程 Vee 模型，該模型改編自國際系統工程理事會（INCOSE）和 Wiley（2015 年）。該研究提出了操作概念、技術方法、一套可行的候選解決方案、系統架構、系統模型和仿真以及可行性結果。得出的概念系統是對現有通信方法和相關系統的分析與運行目標的綜合。進行了替代方案分析（AoA），并確定了四種潛在解決方案供分析：(1) 繼續使用現有衛星技術，(2) 使用無人機作為中繼器，(3) 使用無人機進行接收和傳輸，以及 (4) 使用無人機進行數據上傳和硬盤移除。

根據得出的系統要求，通過應用分區標準將要求轉化為系統功能，開發了一個物理架構。然后進一步分解系統和子系統功能，并應用可行性標準來開發物理系統架構。功能、接口和系統組成在系統架構中得到進一步定義和捕捉，為此，頂點團隊使用基于模型的系統工程（MBSE）工具 Innoslate 創建了概念系統。圖 2 提供了一個高級 DAD 系統塊定義圖 (BDD)。

在確定了系統要求和系統架構后，確定了建模方法，以得出預期的系統性能。建模和仿真工具 ExtendSim 被用來分析特定場景條件下運行時間和數據傳輸率之間的關系。分析支持使用無人機作為數據傳輸平臺，并揭示了可取的系統配置和系統使用方法。初步研究結果表明，與現有通信系統相比，利用無人機的概念系統有可能以較低的運行成本為美國海軍提供更高的數據傳輸能力。

近年來，各國軍隊加強了整合無人駕駛技術的努力，以提高有人-無人駕駛編隊（MUM-T）的能力。由于一些國家的戰斗年齡人口正在減少，軍隊正在轉向容易獲得的、具有成本效益的和復雜的無人駕駛技術。MUM-T擁有巨大的潛力，不僅可以緩解軍隊的人力短缺，還可以提高作戰能力。這篇論文研究了MUM-T在前線的有效性，直至步兵小組支持城市地形的進攻行動。一個基于智能體的模擬被用來模擬有無無人駕駛地面車輛（UGV）支持一個步兵連的MUM-T作戰行動。對超過76,800次的模擬戰斗進行了分析。據觀察，MUM-T概念可以極大地提高戰斗力，通過增加敵人的傷亡來評估。還觀察到UGV的重裝時間、武器精度和自身的力量結構對步兵的殺傷力和生存能力有很大影響。這項分析的結論是，在小單位戰術層面實施MUM-T對提高整體作戰性能有很大潛力。未來，作戰模型可以被整合到未來的軍事演習中，這樣就可以對模擬的結果進行驗證和確認。

隨著復雜技術和創新的使用，戰爭正在日益演變。在全球人力短缺的推動下，各國正在轉向無人駕駛技術以緩解這種短缺并提供作戰能力。因此，通過采用載人-無人小組（MUM-T），利用無人技術來支持前線步兵的潛力很大。

本論文旨在探索MUM-T在進攻性城市場景中的有效性。論文討論、分析和研究了在城市環境中連級無人駕駛地面車輛（UGV）的戰術運用效果。指導這項研究的研究問題包括以下幾個方面：

主要問題：

1.有UGV或UGV支持的步兵小隊的致命性和生存能力如何？

2.在模擬場景中，MUM-T部隊的不同部隊結構的戰斗結果和分析是什么？

次要問題：

• 未來對MUM-T在更廣泛的戰略層面的潛在實施方法的研究范圍是什么？

本論文使用基于智能體的模擬環境 "地圖感知非統一自動機"（MANA），通過建立一個模擬并對UGV的作戰方案進行分析，再加上影響城市地形中進攻性步兵部隊作戰效率的因素，來研究MUM-T。

該作戰模型包括兩組主要的作戰部隊，以美國陸軍的步兵作戰順序（ORBAT）為模型： (1)由裝備有UGV的友軍步兵連組成的藍方部隊；(2)由作為防御方的對手步兵排組成的紅方部隊。圖1顯示了模擬作戰行動的一個迭代的開始狀態。

圖1. MANA的一個模擬復制的初始狀態的截圖。

共創建了三個不同的實驗設計（DOE），以研究MUM-T能力和概念的關鍵戰斗特征和效果。衡量性能的重點是任務的有效性，重點是確定與殺傷力和生存能力相關的因素。作者對每個DOE采取了迭代的方法，將前一個DOE的一些發現和分析納入下一個DOE。第一個DOE著重于與基線步兵ORBAT相比，最初引入MUM-T的效果。第二個DOE重點關注不同的人力和部隊結構，以研究支持MUM-T的部隊規模的影響。最后一個DOE結合了前兩個DOE的各個方面，并創建了一個近乎正交和平衡的混合設計，以實現一個更全面和結論性的實驗來結束這篇論文。近80,000次模擬戰役，每次涵蓋超過8小時的戰斗，被運行和分析。

美海軍陸戰隊空地特遣部隊（MAGTF）作為海軍綜合部隊的一部分，將在交戰層、增援層和鈍化層的分布式海洋環境中感知、分享、欺騙和吸引同行的對手部隊，以實現競爭連續的國家軍事目標。為了實現這一目標，海軍陸戰隊空中指揮與控制系統（MACCS）必須部署小型、隱蔽、自主的無人空中和地面多光譜/模式傳感器，以增強大型空中監視雷達，采用網絡化的混合航空指揮與控制（AC2）節點，在行動中進行調整，并重振海軍陸戰隊集中指揮和分散控制的航空理念。其目的是用蜂群式的力量和火力來摧毀對手的物質和心理力量，并提高友軍的生存能力。

國防部（DoD）指令5100.01規定了海軍和海軍陸戰隊的職能，而未來的安全環境在《2015年海軍陸戰隊安全環境預測： 未來2030-2045》、《海軍陸戰隊作戰概念》（MCOC）以及《有爭議環境中的近海作戰》（LOCE）和海軍的分布式海上作戰概念對未來安全環境進行了描述。根據這些資料，目前的軍法署署長小組缺乏一個有彈性的MACCS，能夠同時進行匯總和操作，在對手咄咄逼人的瞄準行動中幸存下來，為海上態勢感知作出貢獻，并支持分布式交戰。空中和水面監視雷達傳感器極易被發現，部署的數量不足以吸收攻擊，探測到的低空威脅距離不夠，無法在水面或陸地上攔截它們，而且在海洋環境中的部署和機動性能仍然有限。此外，MACCS目前沒有組織、訓練或裝備，無法通過重新配置功能能力來適應不斷變化的情況并以最佳方式完成任務，從而對所使用的AC2節點進行適應性任務組織。歸根結底，問題在于如何在提高生存能力的同時，提高軍法署和海軍感知、共享、欺騙和參與敵方部隊的能力。

美國軍方正在探索 "內部 "的不對稱能力，如可以在對手威脅圈內運作的蜂群概念，即反介入/區域拒止（A2AD）環境。集群是系統性地同時臨時集結分散和連接的部隊，并從各個方向對敵方開火。其目的是摧毀對手的物理和心理力量，提高友軍的生存能力。軍法署署長辦公室需要對空中和地面威脅提供多譜系/模式的監視，并協調聯合部隊對這些目標的反擊，這些目標延伸到具有反介入/區域拒止系統的爭議地區。它必須在高威脅的海洋環境和內陸地區提供補充性的感應，以實現遠程交戰（遠程交戰）。較小的移動式空中和水面監視多譜系/模式傳感器對對手在水面和陸地上的目標定位是一個重大挑戰。它們可以補充大型空中監視雷達，照亮大型雷達因地形或地球曲率而無法覆蓋的區域。這些較小的傳感器可以為較大的更有能力的雷達提供早期排隊，并通過由彈性混合AC2節點管理的網絡為共同的戰術圖景做出貢獻。大量的主動和被動傳感器和誘餌，在不同的時間打開和關閉，并不斷移動，再加上有選擇地激活大型空中監視雷達，將刺激對手的觀察，其速度將壓倒他們的目標能力，同時掩蓋友好能力。為低級別的地面指揮官獲得卓越的態勢感知，在縱深上創造更大的防空和制海選擇，并加快處理即時空中支援請求，將使蜂擁而至的部隊和火力能夠消滅敵軍。海軍陸戰隊有機會通過分散不斷移動的小型空中和地面主動和被動多光譜/模式傳感器、混合AC2機構和分布式武器系統，提高聯合部隊感知、分享、欺騙和參與友軍高價值大型雷達系統范圍之外的威脅的能力。在作戰層面上，在一個或兩個戰場上與對手進行橫向競爭可以增加對手的成本，迫使他們投入更多的資源并評估他們的利益。避免隧道式視野，將自己的行動限制在確切的物理競爭點上，并不能提供整個競爭連續體的全部選擇，而這將是迫使對手進行成本強加計算所需要的。

美國海軍陸戰隊繼續發展遠征先進基地作戰（EABO）作為未來在太平洋地區的作戰模式。EABO將使用廣泛分散的、高度有力的、緊密結合的海軍和海軍陸戰隊團隊。由于固有的資源限制、遠距離通信以及對手在電磁波譜中的探測、攔截和干擾能力，這種作戰模式對海軍陸戰隊的指揮和控制能力提出了挑戰。這項研究試圖評估突發信號網狀網絡（BSMN）技術作為解決這些問題的一個潛在方案。通過比較EABO中指揮和控制的特點（通過對最近EABO演習的定性案例分析確定）和BSMN技術的特點（通過定量建模分析確定）來評估該技術的適用性。最后，通過定量的財務分析，評估了獲得和使用該技術的可行性。盡管研究人員建議進一步研究，但他們得出結論，BSMN技術的遠程、隱身和低功率能力很適合團級及以下的通信。此外，研究人員得出結論，該技術的獲取和應用是可行的，其價格遠遠低于目前使用的其他遠程通信資產（即衛星通信）。

自二戰以來，美國利用體型龐大、能力卓越的航空母艦和兩棲艦從海上投射軍事力量的能力基本上沒有受到質疑（海軍水面部隊指揮官[COMNAVSURFOR]，2017；杰克遜等人，2020）。然而，近年來，遠程精確反艦導彈的發展和擴散，在海軍艦艇進入其目標范圍之前就已經危及到它們，這對美國海軍部隊的運作方式提出了挑戰（Office of the Secretary of Defense [SecDef], 2017, p. 57）。為了應對遠程反艦導彈的威脅，海軍部制定了一個新的分布式海上作戰（DMO）戰略，在這個戰略中，廣泛分散的海軍部隊以更大的個體殺傷力實現海上控制，而不是以前海軍作戰模式中相對密集和脆弱的編隊（COMNAVSURFOR, 2017）。遠征先進基地作戰（EABO）（海軍陸戰隊總部[HQMC]，2021年）是海軍陸戰隊的作戰概念，它通過以高度整合、廣泛分散、物理和電磁隱蔽的方式部署部隊來實現DMO的原則（COMNAVSURFOR，2017；海軍作戰部長辦公室[CNO]，2018；HQMC，2021）。

需要完善的幾個作戰功能之一是指揮和控制（C2），以充分支持DMO：在第38屆司令部的規劃指南中，海軍陸戰隊司令伯杰將軍明確提出需要靈活和有彈性的C2系統，以支持高節奏和分散的決策（海軍陸戰隊司令[CMC]，2019，第9頁）。研究人員對新興的突發性信號網（BSMN）技術的初步了解是由Bordetsky、Benson和Hughes的《信號雜志》文章 "Hiding Comms in Plain Sight"（2016）中展出的研究提供的：這篇文章使人相信BSMN技術可以為DMO C2提供所需的靈活性和彈性的假設。突發信號被簡單地定義為在相對較短的輻射突發中傳輸大量數據的方法（劍橋，n.d.），這使其本身具有被對手探測、攔截或干擾的較低概率（Walkenhorst，2020）。網狀網絡是一種通信網絡方案，其中節點能夠充當動態路由器，將傳輸信息傳遞給其他節點，在用戶本身之外沒有任何基礎設施的情況下創建動態和靈活的網絡（Law, 2009）。在這些屬性之間，研究人員假設BSMN技術是一個合適的技術解決方案，為EABO中的C2提供靈活和彈性的通信。研究人員進一步假設，鑒于目前BSMN的商業使用，它也是EABO中C2的一個經濟上可行的解決方案。

為了確定BSMN技術對DMO的適用性，研究人員首先對海軍陸戰隊以EABO為模型的演習進行了案例研究。這些案例研究試圖描述EABO演習中C2的定量和定性方面，以確定BSMN必須支持什么樣的通信方式才能成為一個合適的技術解決方案。研究人員研究了三個獨立的案例，時間跨度超過兩年，涉及海軍陸戰隊的幾個單位，包括第一和第三海軍遠征軍（MEFs），以及美國第三艦隊和陸軍特種作戰部隊（SOF），范圍從營級到MEF級（海軍陸戰隊第三師[3dMARDIV]，2019；第九通信營[9Com]，2019；第六海軍團第一營[1/6]，2020）。

在過去的十年中，空軍和空中機動性司令部（AMC）進行了大量的研究、活動計劃、愿景和范圍文件、作戰概念和路線圖，指出需要改進機動性空軍（MAF）的態勢感知（SA）能力和全球安全指揮與控制（C2）通信。最近，聯合作戰部門正在開發聯合全域指揮和控制，而空軍已經發布了描述敏捷戰斗力（ACE）和相關任務類型指令（MTO）的條令。空軍和聯合作戰部門都在努力解決的基本問題是任務保證。這項研究采用了AMC全球安全指揮與控制-空對地通信能力評估中的機載信息交換要求（IER）綜合清單，并試圖在任務保障方面對其進行描述和優先排序。一個IER框架被提出來，以幫助告知通信差距，并描述在MTO執行期間需要什么類型的決定。任務規劃人員可以根據預期的環境，根據潛在的通信退化情況，建立分支和序列來執行指揮官的意圖。這特別有助于根據飛機指揮官可能需要執行的決定類型進行風險指導。SA數據 "類別中的通信要求是最關鍵的，因為MAF飛機必須與其他飛機協同執行ACE行動。因此，任務保證，如任務基本功能的執行，與SA信息交流最密切相關。

在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。