該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

根據陸軍多域作戰（MDO）條令，從戰術平臺生成及時、準確和可利用的地理空間產品是應對威脅的關鍵能力。美國陸軍工程兵部隊、工程師研究與發展中心、地理空間研究實驗室（ERDC-GRL）正在進行6.2研究，以促進從戰術傳感器創建三維（3D）產品，包括全動態視頻、取景相機和集成在小型無人機系統（sUAS）上的傳感器。本報告描述了ERDCGRL的處理管道，包括定制代碼、開源軟件和商業現成的（COTS）工具，對戰術圖像進行地理空間校正，以獲得權威的基礎來源。根據美國國家地理空間情報局提供的地基數據，處理了來自不同傳感器和地點的四個數據集。結果顯示，戰術無人機數據與參考地基的核心登記從0.34米到0.75米不等，超過了提交給陸軍未來司令部（AFC）和陸軍采購、后勤和技術助理安全局（ASA（ALT））的簡報中描述的1米的精度目標。討論總結了結果，描述了解決處理差距的步驟，并考慮了未來優化管道的工作，以便為特定的終端用戶設備和戰術應用生成地理空間數據。

圖3. ERDC-GRL的自動GCP處理管道。輸入數據為JPEG格式的FMV/Drone圖像、參考/地基圖像和參考/地基高程。藍色方框代表地理空間數據，而綠色方框是處理和分析步驟。

長期目標

在決策或推理網絡中進行適當的推理，需要指揮官（融合中心）對每個下屬的輸入賦予相對權重。最近的工作解決了在復雜網絡中估計智能體行為的問題，其中社會網絡是一個突出的例子。這些工作在各種指揮和控制領域具有相當大的實際意義。然而，這些工作可能受限于理想化假設：指揮官（融合中心）擁有所有下屬歷史全部信息，并且可以假設這些歷史信息之間具有條件統計獨立性。在擬議的項目中，我們打算探索更普遍的情況：依賴性傳感器、（可能的）依賴性的未知結構、缺失的數據和下屬身份被掩蓋/摻雜/完全缺失。對于這樣的動態融合推理問題，我們建議在一些方向上擴展成果：探索數據源之間的依賴性（物理接近或 "群體思維"），在推理任務和量化不一定匹配的情況下，采用有用的通信策略，甚至在每個測量源的身份未知的情況下，采用無標簽的方式--這是數據關聯問題的一種形式。

我們還認識到，對動態情況的推斷是關鍵目標所在。考慮到一個涉及測量和物理 "目標 "的傳統框架，這是一個熟悉的跟蹤問題。但是，來自目標跟蹤和多傳感器數據關聯的技術能否應用于提取非物理狀態（物理狀態如雷達觀察到的飛機）？一個例子可能是恐怖主義威脅或作戰計劃--這些都是通過情報報告和遙測等測量手段從多個來源觀察到的，甚至可能被認為包含了新聞或金融交易等民用來源。這些都不是標準數據，這里所關注的動態系統也不是通常的運動學系統。盡管如此，我們注意到與傳統的目標追蹤有很多共同點（因此也有機會應用成熟的和新興的工具）：可能有多個 "目標"，有雜波，有可以通過統計學建模的行為。對于這種動態系統的融合推理，我們的目標是提取不尋常的動態模式，這些模式正在演變，值得密切關注。我們特別建議通過將雜波建模為類似活動的豐富集合，并將現代多傳感器數據關聯技術應用于這項任務，來提取特征（身份）信息。

目標

研究的重點是在具有融合觀測的動態系統中進行可靠推理。

方法

1.決策人身份不明。在作戰情況下，融合中心（指揮官）很可能從下屬那里收到無序的傳感器報告：他們的身份可能是混合的，甚至完全沒有。這種情況在 "大數據 "應用中可能是一個問題，在這種情況下，數據血統可能會丟失或由于存儲的原因被丟棄。前一種情況對任務1提出了一個有趣的轉折：身份信息有很強的先驗性，但必須推斷出身份錯誤的位置；建議使用EM算法。然而，這可能會使所有的身份信息都丟。在這種情況下，提出了類型的方法來完成對局部（無標簽）信念水平和正在進行的最佳決策的聯合推斷。

2.動態系統融合推理的操作點。在以前的支持下，我們已經探索了動態事件的提取：我們已經開發了一個合理的隱馬爾科夫模型，學會了提取（身份）特征，有一個多伯努利過濾器啟發的提取方法 - 甚至提供了一些理論分析。作為擬議工作的一部分，將以兩種方式進行擴展。首先，打算將測量結果作為一個融合的數據流，這些數據來自必須被估計的未知可信度的來源。第二，每個這樣的信息源必須被假定為雜亂無章的 "環境 "事件（如一個家庭去度假的財務和旅行足跡），這些事件雖然是良性的，可能也不復雜，但卻是動態的，在某種意義上與所尋求的威脅類似。這些必須被建模（從數據中）和抑制（由多目標追蹤器）。

3.數據融合中的身份不確定性。當數據要從多個來源融合時，當這些數據指的是多個真相對象時，一個關鍵的問題是要確定一個傳感器的哪些數據與另一個傳感器的哪些數據相匹配："數據關聯 "問題。實際上，這種融合的手段--甚至關聯過程的好方法--都是相當知名的。缺少的是對所做關聯的質量的理解。我們試圖提供這一點，并且我們打算探索傳感器偏差和定位的影響。

4.具有極端通信約束的傳感器網絡。考慮由位置未知、位置受漂移和擴散影響的傳感器網絡進行推理--一個泊松場。此外，假設在這樣的網絡中，傳感器雖然知道自己的身份和其他相關的數據，但為了保護帶寬，選擇不向融合中心傳輸這些數據。可以做什么？又會失去什么？我們研究這些問題，以及評估身份與觀察的作用（在信息論意義上）。也就是說，假設對兩個帶寬相等的網絡進行比較；一個有n個傳感器，只傳輸觀察；另一個有n/2個傳感器，同時傳輸數據和身份。哪一個更合適，什么時候更合適？

5.追蹤COVID-19的流行病狀況。誠然，流行病學并不在擬議研究的直接范圍內，但考慮到所代表的技能以及在目前的健康緊急情況下對這些技能的迫切需要，投機取巧似乎是合理的。通過美國和意大利研究人員組成的聯合小組，我們已經證明，我們可以從當局提供的每日--可能是不確定的--公開信息中可靠地估計和預測感染的演變，例如，每日感染者和康復者的數量。當應用于意大利倫巴第地區和美國的真實數據時，所提出的方法能夠估計感染和恢復參數，并能很準確地跟蹤和預測流行病學曲線。我們目前正在將我們的方法擴展到數據分割、變化檢測（如感染人數的增加/減少）和區域聚類。

美國空軍研究實驗室（AFRL）在技術開發方面的主要目標之一是將技術轉移給 "客戶"，以滿足能力需求。這種轉換可以是在AFRL內部，也可以是向工業界，向系統項目辦公室（SPO），或直接向作戰人員。每個 "客戶 "類別都描述了一個潛在的 "過渡伙伴"。技術開發可以發生在支持客戶要求的成熟期（"技術拉動"），即客戶提出他們的需求（"要求"），AFRL用為滿足該需求而定制的技術發展來回應。當AFRL開發新技術或根據其作為關鍵技術領域的科學和技術（S&T）領導者的角色為舊技術找到新用途時，技術發展也可以在沒有具體要求的情況下發生。這被稱為 "技術推動"，當AFRL科學家進行的基礎和/或應用科學研究發現了以前未知的軍事能力的潛力時，就會發生這種情況。技術拉動 "和 "技術推動 "項目都可以改變AFRL其他項目、工業、SPO或作戰人員的可能性，創造出潛在的破壞性能力，如果沒有相應的科技研究活動，對手是很難對付的。任何轉型所面臨的挑戰是，技術的價值可能沒有被更廣泛的社會所理解，在新技術的情況下，也沒有被進行研究的科學家所理解。

科學家和潛在的過渡伙伴之間的討論往往不能準確地確定一項技術的成熟度、潛在的軍事用途，以及一項技術的合理和可靠的使用時間表。在 "技術拉動 "和 "技術推動 "的情況下，對技術成熟度的準確描述是必要的，以告知科技領導層和潛在過渡伙伴開發的進展。成熟度，通常被稱為技術準備水平（TRL），是一個時間快照，它描述了演示或測試環境的特點，在該環境下，一項特定的技術被成功地測試。美國國防部（DoD）對TRL有一個標準的定義，從1到9，范圍從基本原理到實際任務操作中證明的實際系統。 從歷史上看，官方的TRL評估只在正式的采購過程中被系統地分配，然而，在AFRL項目開發的各個層面，通常都會要求進行技術成熟度評估。

目前缺乏一種系統的方法來評估AFRL技術，也缺乏對任何評估的文件驗證。雖然這并不是轉型失敗的原因，但有條不紊、準確和可驗證的TRL評估過程有助于為其他多個過程奠定基礎；支持與其他科技專業人士、管理機構和潛在的轉型伙伴進行有意義的合作；并支持提高AFRL技術轉型的概率。這些其他過程包括技術成熟計劃（TMP）、推進難度（AD2）、制造準備水平（MRL）、集成準備水平（IRL）、系統準備評估和水平（SRA和SRL）、空軍未來（HAF/A57，正式的空軍作戰人員集成能力（AFWIC））。技術、任務、資源、組織（TMRO）方法，AFRL過渡指標（ATM）和項目管理審查（PMR）。

TRL可以通過各種方式得出，但通常是通過技術準備評估（TRA）來確定。技術準備評估是在對技術的形式、與系統其他部分的集成程度以及操作環境等方面的保真度逐步提高的基礎上確定TRL的。TRA是一個系統的、以證據為基礎的過程，評估關鍵技術要素（CTE）的成熟度，這些要素可以是硬件、軟件、過程或它們的組合。一個技術要素是 "關鍵 "的，如果被收購的系統依賴于這個技術要素來滿足操作要求（在可接受的成本和進度限制內），如果該技術要素或其應用是一項新技術，以一種新的方式使用舊的/更新的技術，或者該技術要素或其應用在詳細設計或演示期間被用于構成重大技術風險的領域。正式的TRA最常被用來支持一個采購項目的確定階段，如美國法典第10章第2366b條詳細規定的要求，即在里程碑B批準之前，一個項目必須在相關環境中進行演示；然而，非正式的，或 "知識建設TRA"，也可以用來評估技術成熟度，為開發人員、項目經理、管理機構和潛在的過渡伙伴提供有用的信息，以更有效地成熟關鍵技術，確定一個技術的準備程度，管理和解決當前和未來的發展風險。

今天，國防戰略和空軍參謀長和空間業務主管要求加速技術發展，并使能力更快地進入作戰人員手中。 一個可靠的、可重復的技術成熟度評估是后續和同步進程和方法的關鍵，如TMPs、AD2、MRLs、IRLs、SRAs和SRLs、TMRO、ATM和PMRs，并為支持AFRL內部、工業、SPO或在技術被證明達到適當水平后直接向作戰人員的快速過渡活動建立了基礎。本研究提出了進行這些TRA的建議程序和工具。

研究目標

本研究的主要目的是確定和推薦一個嚴格的、標準化的、可重復的程序和支持工具，以進行TRA，從伙伴的角度增加現有技術解決方案的可信度，并支持增加成功技術的過渡概率。因此，本研究將：

• 確定一個量身定做的、嚴格的、標準化的、可重復的TRA流程，以進行可靠的TRA，同時提供支持流程執行的工具。

• 將評估何時進行TRA的過程系統化，如何處理結果，以及如何確定下一步。

• 詳細說明識別CTE的系統方法

• 制作一個可定制的TRA模板，包括對可信度和客觀性至關重要的特征

• 確定支持技術成熟和TRL評估的RY能力

• 將技術要素納入建模、模擬和分析（MS&A）的方法。

• 確定數據工件和儲存庫，以證明所分配的TRL。

認知方法在幾乎所有方面可提高現有雷達的性能，這導致了近年來研究的激增，空軍雷達建模和仿真（M&S）工具的一個關鍵差距是缺乏針對分布式全適應雷達（FAR）系統的全面、動態分布式雷達情景生成能力。截至2015年初，所有的研究都是在理論上推進概念，并通過模擬檢驗其性能，或者最多使用預先錄制的數據。沒有關于實驗驗證概念的報告，主要是因為還沒有開發出測試它們的必要硬件。然而，為了確定應用認知處理方法的真正性能潛力，這一步驟是至關重要的。為了解決這個問題，俄亥俄州立大學（OSU）電子科學實驗室（ESL）的認知傳感實驗室（CSL）與Metron公司、空軍研究實驗室（AFRL）和空軍科學研究辦公室（AFOSR）一起，已經開始了一項研究計劃，從分析和實驗上開發和檢驗認知雷達處理概念。

CSL設計并建造了認知雷達工程工作區（CREW），這是世界上第一個專門用來測試完全自適應和認知算法的雷達測試平臺，Metron和OSU開發了一個認知FAR系統的理論框架，在單一傳感器和目標的目標探測和跟蹤范圍內確定了關鍵的系統組件并進行了數學建模。我們一直在開發建模、模擬、分析和實驗能力，以證明FAR系統比傳統的前饋雷達（FFR）系統取得的性能改進。我們從OSU的軟件定義雷達（SDR）系統的模擬場景和預先記錄的數據開始。我們現在有能力利用CREW演示認知雷達跟蹤系統的實時操作。

這個項目的目標是為分布式FAR雷達開發一個基于MATLAB的M&S架構，從而能夠在模擬的、以前收集的和實時的流式數據上進行算法開發和測試。在第一階段，我們開發了一個基線FAR M&S架構，該架構采用面向對象編程（OOP）方法在MATLAB中編碼。它包括一個控制感知-行動（PA）周期運行的FAR引擎和確定下一組傳感參數的軟件對象；從傳感器獲取數據；處理數據以跟蹤目標；存儲和顯示傳感和跟蹤過程的結果。我們開發的模塊實現了模擬和預先錄制的SDR數據實例，以及實時和模擬的CREW數據實例。

第一階段開發的FAR M&S架構允許在模擬和實驗CREW數據源之間，以及在驅動傳感的FAR算法之間進行透明切換。輕松交換傳感和處理對象的能力將允許快速開發和測試認知雷達算法，通過構建M&S功能來避免重復工作和 "單點 "解決方案。它將使工業界、學術界和空軍的研究人員之間的合作成為可能，因為不同研究人員開發的算法可以使用一致的模擬、收集的數據和實驗室條件進行測試和比較。

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

美國陸軍最近制定了一項關于未來陸軍如何作戰的戰略以及實現這些軍事能力的相關現代化和研究重點。以高超音速飛行為基礎的遠程精確射擊對于確保美國能夠對任何競爭對手實施其意志至關重要。要實現一個有效的未來美國軍隊，必須克服許多障礙。其中一些差距是對高超音速飛行器空氣熱力學的理解，從而促使對基礎研究的需求。本報告的目標是定義一個經典的、與陸軍相關的配置，適合于基礎研究，以允許與適當的主題專家的關鍵數量的集中合作。從這種開放的幾何構型研究中獲得的數據和知識可能會受到更多的限制性分配。

美國陸軍最近制定了一項關于未來陸軍如何作戰的戰略以及實現這些軍事能力的相關現代化和研究重點。以高超音速飛行為基礎的遠程精確射擊對于確保美國能夠對任何競爭對手實施其意志至關重要。

要實現一個有效的未來美國軍隊，必須克服許多障礙。其中一些差距是對高超音速飛行器空氣熱力學的理解，從而促使對基礎性研究的需求。缺乏對高超音速飛行器周圍發生的復雜物理和化學的預測性知識，抑制了及時的、優化的多部件設計。對邊界層過渡和沖擊-邊界層相互作用等具體現象了解不多。不能正確地對現象進行建模，會產生一些不確定的特征，如表面壓力分布和熱通量，這對飛行器技術，包括穩定性、控制和熱負荷管理，都有負面影響。

幸運的是，有一個先例，即通過定義政府基準飛行器來促進全社會的科學討論，這些飛行器包含功能相關的工件，但對具體的發展計劃不敏感（見陸軍-海軍基本芬納導彈、空軍改良基本芬納導彈、陸軍-海軍旋轉火箭、國家航空航天飛機和NASA研究）。本報告的目標是定義一個典型的、與軍隊相關的配置，適合于基礎研究，以便與足夠數量的適當的主題專家進行重點合作。從這個開放的幾何構型的研究中獲得的數據和知識可能會受到更多的限制性分配。

浮動航天器模擬器（FSS）是模仿衛星在空間運動的機器人載體。使用FSS可以在地球上對制導、導航和控制算法進行實驗驗證，然后再將其應用于空間，因為空間的錯誤是災難性的。此外，FSS是空間系統工程課程中大學生的一個重要研究和教育工具。然而，目前使用的所有FSS都是定制開發和昂貴的項目。本論文涵蓋了用于教學和研究目的的新型浮動航天器模擬器的開發、組裝和測試過程，該模擬器被命名為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。通過介紹MyDAS，一個小型的、簡單的和低成本的FSS，使FSS在大學和中學階段的研究和教育中得到更廣泛的利用。討論了MyDAS的不同推進配置及其相應的運動方程。對于一個特定的配置，選擇并測試了現成的氣動和電子組件。一個模塊化和標準化的3D打印框架將所有部件固定在一起，形成一個最終的剛性載體。最后，MyDAS在各種實驗中被測試，完成了全部的硬件功能。

1 引言

本論文進行小型化和簡化的浮動航天器模擬器（FSS）工作。本章簡要介紹了這項工作的動機和目標，以及本論文的結構。

1.1 動機

未來空間任務中的航天器需要靈活、自主的制導、導航和控制（GNC）算法，如對接、接近或清除碎片的操縱[1], [2], [3]。用硬件在回路中驗證GNC算法的一種方法是使用FSS，而無需將測試對象送入太空。盡管不向太空發射任何東西而大大降低了成本，但目前的FSS仍然需要大量的經濟和費時的工作來建造和操作，這只有專門的機構或公司才可能做到。除此之外，目前的FSS都是獨特的設計，沒有標準化。引入一種新的、負擔得起的、小而簡單的FSS可以使本科生甚至高中生以及業余用戶能夠使用FSS工作。提供這種機會可以增加為未來空間任務創造更好的GNC算法的成功機會。

1.2 目標

先前工作提出了一個更便宜、更小、更簡單的FSS的概念[4]，稱為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。提出了初步的計算機輔助設計（CAD）模型、材料清單、氣動圖、接線圖、兩種浮動配置和三種推進配置。本論文的目的是建立一個MyDAS的物理工作實例。為此，所有定制設計的部件應與購買的現成部件一起制造和組裝。所有的功能部件應先單獨測試，然后再組合。最終的裝置必須能夠使用壓縮空氣供應漂浮和推動自己。如果可能的話，在不使用推進系統的空氣的情況下，漂浮時間應超過5分鐘。此外，推進系統必須由機載計算機和機載電池控制。該裝置的硬件和軟件應是開源的，以使其可重復使用。作為其中的一部分，將提出一個成本估算。在未來的工作中，希望MyDAS能被積極用于驗證和改進GNC算法。

1.3 結構

如上所述，本論文是基于以前的工作，其中介紹了關于FSS的理論基礎和技術現狀[4]。理論基礎和技術現狀同樣適用于本論文，這就是為什么它們在本文件中沒有明確重復。在第2章運動方程中，以前工作中的簡化運動方程被指定用于其中一個推進配置。第3章氣動系統討論了MyDAS的氣動系統。第4章電子學中解釋了MyDAS的電路以及所有的電子元件。第5章框架設計的主要內容是構建和制造一個定制的、3D打印的框架，該框架將所有的部件固定在一起。第6章設置和測試描述了在組裝MyDAS的過程中對單個和組合部件的若干測試。在第7章實驗中，全功能的FSS被用在一個花崗巖試驗臺上，以證明其功能，以及描述某些推進方面的特征。最后一章的結論是對工作的總結以及對未來工作的建議。復制MyDAS的基本信息，如技術圖紙、材料清單和Python列表，可以在附錄中找到。此外，該代碼與CAD文件和更多不能打印在紙上的數據一起在網上提供。

為了支持未來的多域作戰分析，美國DEVCOM分析中心（DAC）正在探索如何在陸軍的作戰模擬中體現天基情報、監視和偵察（ISR）資產的貢獻。DAC正在使用基于能力的戰術分析庫和模擬框架（FRACTALS）作為方法開發的試驗基礎。用于預測衛星軌道路徑簡化一般擾動的4種算法已經被納入FRACTALS。本報告的重點是來自商業衛星群的圖像產品，其分辨率為1米或更低。報告介紹了預測分辨率與傳感器特性、傾斜范圍（包括地球曲率）和觀察角度的關系的方法。還討論了在不同分辨率下可以感知的例子。

在2021年建模與仿真（M&S）論壇期間，空間情報、監視和偵察（ISR）建模被確定為當前/近期的建模差距。美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）分析中心（DAC）提交了一份陸軍M&S企業能力差距白皮書（Harclerode, 2021），描述了幫助填補這一差距的行動方案。陸軍建模和仿真辦公室已經資助DAC開發方法，以代表商業、國家和軍事空間和低地球軌道資產的性能及其對聯合作戰的影響，并在基于能力的戰術分析庫和模擬框架（FRACTALS）內進行測試實施。

FRACTALS是DAC開發的一個仿真框架，它提供了通用的結構 "構件"，用于模擬、仿真和評估ISR系統在戰術級任務和工作中的性能。FRACTALS作為DAC開發的各種ISR性能方法的測試平臺，將文件或數據被納入部隊的模擬中。FRACTALS還作為DAC的一個分析工具，在戰術環境中對ISR系統進行性能分析比較。

這項工作需要在一定程度上體現衛星飛行器（高度、軌跡和運動學）、傳感器有效載荷（光電[EO]、紅外、合成孔徑雷達和信號情報）、網絡、控制系統、地面站（時間線、通信、處理、利用和傳播）、終端用戶以及連接它們的過程和行為。本報告描述了DAC為支持這一工作所做的一些基礎工作，重點是可見光波段相機圖像。

隨著預算削減的增加和空軍機隊的老化，空軍正在尋找創新的方法來減少工具、零件和用品的采購、運輸和庫存成本。特別是，傳統的制造、庫存和運輸飛機零部件和用品可能是緩慢的、昂貴的、對人員有害的和對環境有害的。被稱為"3-D打印"的新制造技術，也被稱為 "增材制造"（AM）被推薦為可能的解決方案，以減少維修時間、采購成本、運輸和庫存成本，同時也比傳統的、制造的替換零件更安全、勞動強度更低、更環保。

本文研究AM能在多大程度上使空軍受益，及其目前的實施情況。本文概述了空軍目前供應鏈的成本、操作失敗和環境影響，以及軍事單位如何利用AM來幫助減少這些問題。雖然正在采取措施在基地和倉庫層面實施三維（3-D）打印，但空軍沒有為其實施提供明確的方向，也沒有充分地利用其好處。因此，本文建議空軍開發可部署的三維打印包，提供三維打印培訓，并對在什么情況下應該購買三維打印機提供更多指導。此外，還就哪些部件應該被打印出來提出了建議，并建立了認證3-D打印飛機部件的正式批準程序。

1 引言

1.1 問題描述

在承包商工廠和軍事后勤中心之間的空軍物資運輸占用了巨大的資源；2013年運輸成本超過了56億美元。

運輸物資的成本如此之高，是因為C-5 "銀河 "運輸物資的平均每飛行小時成本為100941美元，而這還沒有考慮到飛機的維修和保養。因此，隨著作戰節奏的加快，需要更多的零部件。 此外，沖突越遠，運輸成本就越高。

戰爭規劃者試圖為軍隊后勤評估戰爭儲備和備件，然而，他們的評估往往與實際需求不相符合。例如，在2012年，空軍花費了4.861億美元用于交付16架C-27A "斯巴達 "貨運飛機，其中包括6050萬美元的備件給阿富汗空軍。在這16架飛機中，有6架必須被 "拆解 "以獲得備件，以便其他10架飛機能夠繼續運行。拆解是指從武器系統中拆下一個目前可以使用的零件，用于維修需要該零件的飛機，以使其具備任務能力。 C-27A "斯巴達 "計劃最終被認為是不可持續的，因為空軍確定需要額外的2億美元的備件來正常維護飛機。

為了解決與類似問題有關的巨大成本和短缺，陸軍、海軍、美國國家航空航天局、國防部（DOD）供應商和其他組織正越來越多地轉向一種名為 "3-D打印 "的新技術，也被稱為 "增材制造"。這項技術使他們能夠在內部創建零件和用品，從而減少他們的供應鏈和運輸成本。不幸的是，空軍現在才剛剛開始探索三維（3-D）打印的好處。因此，本文探討了以下問題：如果空軍在部署地點實施三維打印，會有什么好處？

空軍將3D打印機和相關原材料運輸到部署地點，允許快速定制飛機零件，減少危險廢物，并削減庫存持有和運輸成本。更重要的是，它可以通過允許部隊根據需要在現場制造工具、零件和用品來提高作戰能力。

增材制造（AM）是通過逐層添加（打印）一種材料（通常是塑料或金屬），直到創造出三維物體。相比之下，減材（傳統）制造則是將材料去除，直到留下所需的物體。AM允許零件的定制和現場生產，對培訓的要求最低。

3-D打印經常使用逆向工程來重新創建，并有可能在3-D掃描儀的幫助下改進現有零件。就像磁共振成像使用磁場和無線電波來創建人體內部器官和組織的詳細圖像一樣，3-D掃描儀創建了一個所需部件的數字副本。這種3-D模型數據可以被儲存起來，用于未來的制造，或使用軟件進行操作，以改進零件的設計。3D制造的零件可以打印出空心或蜂窩狀的屬性，這可以使它們更輕，更能夠承受熱應力。AM允許在制造開始前在虛擬環境中開發和快速測試設計。此外，這些3-D設計可以通過電子方式發送給部署地點的操作員。

在已部署軍事裝備的環境中，實施3-D打印將需要在初期運輸大型打印機、原材料和外圍支持設備。然而，它可以在幾個方面減少運輸和庫存成本。首先，原材料可以被包裝或托盤化，使每立方英寸的材料多于零件本身。因此，濃縮材料可以使飛機載荷的利用率更高，減少補給任務。其次，多余的粉末狀原材料可以被回收到AM工藝中至少14次。此外，原材料通常保留其貨幣價值或升值。因此，多余的原材料可以在私營部門出售，而且安全問題很小。

在部署地點制造零件和用品可以幫助減少運輸成本。空軍老化的機隊的許多備件沒有被提前制造出來，而且供應有限。3-D打印可以降低維護成本，并為空軍提供機會，通過內部制造這些零件來延長其機隊的使用壽命。尋找和運輸稀有零件的時間可以減少，從而提高出勤率（與任務和訓練有關的飛行時間）。

空軍最近為美國本土設施購置了3-D打印機，陸軍和海軍也在早期實施3-D打印，這可能表明AM提供了財務上的好處。AM允許在需要的基礎上生產零件，這可以減少物資儲存的占地面積，消除零件的持有成本，并以更少的停機時間提高操作能力。

這篇研究文獻將使用問題-解決方案的方法來研究空軍如何通過在前沿作戰基地部署3-D打印機來生產飛機零件、工具和用品而獲益。本文首先簡要介紹了3-D打印機和AM，并提供了它們的使用實例。此外，還將對空軍的供應鏈進行總結。在這個總結之后，將徹底描述空軍在部署飛機零部件和用品時面臨的問題和挑戰，以及環境問題和操作影響。下一節將概述如何將3-D打印機部署到戰斗環境中的可能手段。本文的每一節都將使用定量數據來支持所有關于支出、節約、庫存水平和制造產量的主張和建議。最后，將根據研究結果提出實施3-D打印機的建議，隨后是結論。