1 引言

確保信息和武器系統免受網絡威脅是美國國防部及其盟國合作伙伴的一個重要目標。了解這些系統在現實操作條件下的端到端性能，包括網絡干擾，對于實現任務目標至關重要。在不利的操作條件下，識別和減輕操作性能的不足，可以為我們的防御能力提供重要價值，并直接拯救生命。

作為一個說明性的例子，我們考慮聯合全域指揮與控制（JADC2）系統。JADC2從根本上依靠通信和網絡來包含、提取和傳播時間敏感的、與任務相關的信息，以決定性地戰勝對方的部隊。未來的沖突很可能涉及到試圖破壞對JADC2通信和高度復雜的武器系統的可靠運行至關重要的信息系統。破壞已經是潛在對手部隊的一種能力，并將蔓延到與他們結盟的次要威脅。JADC2綜合網絡和動能戰場的復雜性要求訓練、分析、測試和評估部門充分考慮到網絡操作退化和/或利用網絡漏洞對整體任務結果的潛在影響。這促使人們對工具、技術和方法進行大量的持續研究和開發，以評估一般軍事系統，特別是作戰系統的網絡彈性（復原力）。

戰斗系統之間的復雜性和相互依賴性以及它們之間的聯系使目前的彈性分析方法變得復雜。例如，假設故障是隨機的硬件故障，那么與網絡中的單點故障相關的風險可以通過冗余的組件來緩解。然而，一個未被緩解的網絡漏洞也可能導致冗余組件出現相同的故障。即使組件本身沒有漏洞，成功干擾數據交換時間的攻擊，例如通過加載數據總線，也可能導致作戰系統性能下降。同樣，通過延遲的、間歇性連接的、低帶寬的環境建立通信聯系，可能需要使用多跳來轉發信息，這增加了對中間人攻擊的敏感性。

還有一種情況是，武器系統的網絡漏洞不一定是任務漏洞，因為利用該漏洞可能會也可能不會影響實現任務目標所需的整體系統能力。為了保證任務免受網絡威脅，武器系統的網絡彈性必須在現實的戰術環境中進行評估，以便。

• 預測潛在的網絡攻擊對具體任務的影響。
• 分析任務背景下的替代緩解策略。
• 訓練作戰人員有效應對對手為破壞動能任務而動態部署的網絡工具、戰術和程序（TTPs）。

使用虛擬機（VM）的傳統網絡靶場是網絡系統的最高保真表現，因為它們不僅虛擬了通信協議，還虛擬了操作系統和應用程序，因此在這些模塊中發現了漏洞。因此，網絡范圍經常被用于網絡攻擊和防御評估和培訓。然而，虛擬機往往需要大量的硬件足跡來模擬大型網絡，并需要大量的時間和人力來配置特定實驗的范圍。這種類型的網絡范圍受到以下額外的限制：

• 表現戰術、5G、衛星和其他無線網絡以及適當的網絡和電子戰（EW）攻擊載體的能力有限。
• 在產品生命周期的設計階段，支持分析的能力有限。
• 難以表現替代性作戰環境以及與動能戰領域的整合。

在本文的其余部分，我們從以任務為中心的角度研究了使用網絡數字孿生來提高軍事（戰斗）系統的網絡彈性。網絡數字孿生依靠高保真模擬和仿真來對物理系統進行建模，并在可移植性、可擴展性、對無線網絡和通信進行建模的能力以及支持整個產品開發周期的網絡分析方面提供好處。我們還提出了一組用例，說明數字孿生在不同系統的網絡彈性評估中發揮的作用。

將基于虛擬機的網絡范圍與網絡數字孿生體相結合的網絡框架，可以為調查各種戰術系統的網絡彈性和脆弱性提供一個理想的平臺。

2 網絡數字孿生

"數字孿生"利用系統的高保真軟件模型，以高效和全面的方式支持復雜系統和系統中系統的分析、測試和生命周期管理。數字孿生體從多個來源不斷學習和更新自己，以代表物理系統的近實時狀態和運行條件。這些來源包括傳達其運行狀況各個方面的傳感器數據；人類專家，如具有深刻和相關領域知識的工程師；數字孿生體可能是其中一部分的更大的物理系統和環境；以及連接的人工智能和機器學習（ML）系統。數字孿生還可以整合來自過去操作的歷史數據，將其納入數字模型。

網絡數字孿生體是一個通信網絡的數字孿生體，它使用實時數據來實現整個生命周期的理解、學習和推理。網絡數字孿生體使用網絡模擬和仿真，但與之不同的是，它通過傳感器輸入和上下文信息保持當前的網絡狀態，并能在其生命周期內不斷學習和更新模型。

通過相應的物理系統從設計到部署的演變，數字孿生體還可以作為一個權威的真相來源（ASOT）。通過在系統設計的早期階段構建網絡數字孿生，也許通過利用基于模型的系統工程（MBSE）工具和方法，系統設計者和開發者可以保持從最初的系統規范到最終部署的系統的需求流的跟蹤，并保持在整個產品生命周期中如何修改或增強需求的文件跟蹤。特別是，數字孿生可以直接連接產品生命周期的系統設計和系統測試階段。具體來說，網絡漏洞和緩解策略可以被評估和跟蹤，從系統設計階段開始，經過各個階段的完善和發展。這種方法可以極大地提高已部署系統對網絡威脅的整體復原力。

我們注意到，即使在相應的系統被部署后，數字孿生體仍然是有用的。特別是，通過構建多個替代系統配置，并選擇能夠提高運行性能的配置，以滿足包括網絡彈性在內的關鍵性能措施（MOPs），孿生體可用于監測和持續改善運行系統的性能。

以下是網絡數字孿生的一些關鍵屬性，以支持其用于評估軍事系統的網絡彈性：

保真度。網絡數字孿生體必須以足夠的保真度捕捉系統通信基礎設施的具體配置、拓撲結構、流量負載和動態，以便該模型能夠準確地再現物理網絡的行為。系統行為的例子包括具有不同服務質量要求的流量之間對鏈路帶寬和緩沖空間的競爭，拒絕服務攻擊包對系統控制器的影響，或農村或城市地形對信息接收的影響。對任何設備的配置文件的改變必須導致數字孿生的行為與物理網絡的行為有相同的可觀察的變化。

可擴展性。網絡數字孿生體必須有能力擴展到大量的網絡和基礎設施設備，并有能力模擬真實世界場景中典型的端到端流量。

執行速度。為了能夠評估一些現實的 "what-if "場景，網絡數字孿生體應采用先進的仿真技術，提供比實時更快的執行速度。為了提供一個與現場設備相結合的測試平臺，網絡數字孿生體應該能夠實時運行，以便現場和模擬的組件能夠同步運行。

與現場軟件、硬件和人類操作員的整合。與實時軟件（如網絡管理器或物理組件控制器）和/或流量跟蹤集成的能力將使網絡數字孿生體能夠評估現實的操作場景，并從相應的物理網絡中創建或更新模型狀態。同樣，包括物理系統中使用的實時網絡和網絡物理防御組件的子集的能力將大大改善保真度，并促進模型的驗證和確認。

統計數據的收集和分析。與相應的物理系統相比，數字孿生通常可以在數據收集方面有更多的工具。詳細的統計資料，特別是在跨越一系列操作參數的多次運行中收集的資料，有助于確定復雜網絡系統性能下降或故障背后的根本原因。

易用性。用于構建網絡數字孿生體的平臺必須提供一套豐富的預構建設備模型，從而可以快速配置系統模型，最好使用自動或半自動工具來配置設備、網絡拓撲結構和流量分布。仿真器還必須支持建立模型和發起各種適應性和/或協調性網絡攻擊的能力，以評估系統中的系統在各種操作條件下的彈性。

圖1說明了實時-虛擬-結構性網絡數字孿生的概念，它將軟件網絡模型與實時組件和其他適合相關用例的模擬器結合起來。

圖1. 網絡數字孿生。

網絡數字孿生也可以很容易地與人工智能或機器學習系統對接，以測試AI/ML系統預測的準確性，或使用其結果來優化相應網絡的運行。

3. 網絡數字孿生平臺實例：EXata

考慮網絡數字孿生平臺的一個具體例子--EXata，它滿足了上一節中提出的許多要求。

• 逼真度。EXata在通信協議棧和網絡設備的所有層中使用高保真模擬/仿真模型，以高保真的方式表示端到端的系統。

• 可擴展性。EXata仿真內核使用一套并行離散事件仿真算法（PDES）9和適當的分區算法，以有效地細分計算，在服務器或云平臺的多個處理器中模擬大規模網絡。因此，使用EXata模擬的網絡規模沒有固有的限制。

• 執行速度：EXata已被移植到當代共享內存和分布式內存并行架構上，并有一個原生的云實現。這些實現已被用于支持實時和比實時速度更快的具有成千上萬個無線電臺的網絡模擬。

• 與實時組件的互操作。EXata支持一種 "仿真 "執行模式，其中內核使用低偏移同步模塊與物理時鐘同步運行。這種模式可以用來與實時應用程序連接，這些應用程序在網絡數字孿生體上運行，就像它們在真實網絡上運行一樣。網絡模擬還可以在一個或多個協議層與網絡管理和監控工具、實時中間件、實時路由器、防火墻和其他網絡設備進行互操作。

• 可擴展的網絡模型庫。EXata支持一個可擴展的庫，包括商業（如Wi-Fi、蜂窩、企業、多媒體網絡）、軍事（如多域戰場網絡）和兩用（如5G、衛星通信）網絡。具體而言，它支持聯合網絡仿真器（JNE），這是一個美國軍用波形和網絡模型庫，涵蓋了從水下通信到海上網絡、戰術空中鏈接、衛星通信網絡和地面網絡，包括當前和新興的波形。EXata還支持物理環境的高保真模擬模型，包括城市和農村的地形、干擾和流動性。

• 網絡模型。EXata支持一套模擬網絡空間的攻擊和防御，與模擬網絡的每一層互動。這些包括網絡安全協議、防火墻模型、端口和網絡掃描、拒絕服務、刺激入侵檢測系統、數據包修改、漏洞利用、病毒/蠕蟲傳播和防御、后門、rootkits、僵尸網絡以及其他。主機模型可以配置內存、CPU周期、漏洞、進程和可以被感染的共享文件。自適應攻擊腳本可用于修改攻擊載體，這取決于先前嘗試的攻擊的成功率。模擬網絡攻擊影響網絡模擬中的虛擬節點，而不影響任何物理設備。模擬攻擊對虛擬節點的影響反映了物理設備上信息的保密性、完整性和可用性的影響，如果它們是模擬攻擊模型的真實攻擊目標。

• 場景導入器：EXata支持一些工具，以自動將網絡拓撲結構、流量和設備配置從物理網絡導入其EXata模型。圖2總結了在EXata中支持自動創建網絡數字孿生的能力。

圖2. 使用EXata自動創建網絡數字孿生。

4. 選定的使用案例

網絡數字孿生可用于各種兵棋推演、分析、培訓、測試和評估背景下。我們考慮以下三個具體的用例：

• 戰術模擬和作戰分析。該用例說明了使用網絡數字孿生體將高保真網絡、通信和網絡模擬能力納入兵棋推演和概念開發活動。
• 網絡分析和測試。該用例說明了網絡數字孿生體如何被用來確定現有通信資產的詳細性能特征，以根據現實世界的條件來優化配置和部署。
• 網絡物理系統（CPSs）的網絡彈性。該用例展示了如何使用網絡數字孿生體來確定網絡物理系統（如潛艇、電網或無人自主車輛）的操作漏洞，以應對對物理系統的通信和控制網絡的攻擊。

4.1. 兵棋推演和行動分析

雖然許多兵棋推演軟件在表現平臺的機動性和行為方面很出色，但大多數都假定通信接近完美，沒有充分考慮到對通信系統的威脅以及隨之而來的影響網絡性能的退化。在現代戰爭中，幾乎每一種情況都依賴于及時的通信，而當這些情況沒有被準確地模擬出來時，就會導致不正確的兵棋推演結果。這就要求兵棋推演平臺能夠模擬真實的網絡和通信效果以及網絡攻擊，以支持有效戰術、技術和程序（TTP）的發展。這種能力將確保在確定兵棋推演的結果時，可以適當考慮到網絡漏洞或多領域戰場上的不良網絡性能的任何影響。

4.1.1. 網絡數字孿生和兵棋推演

網絡數字孿生為兵棋推演提供了一個真實的平臺，以模擬任務的所有通信方面。兵棋推演平臺處理平臺的流動性和動能任務，而網絡數字孿生體處理底層的通信、網絡和網絡效應。圖3顯示了一個簡單的架構，將兵棋推演模擬器（如ONESAF、NGTS、AFSIM）或商業工具（如Command PE、VR Forces）與網絡數字孿生平臺（如EXata）相連接，以模擬用于連接相應平臺的通信網絡。

圖3. 兵棋模擬器與網絡數字孿生的接口。

最初的平臺位置和隨后的位置更新是由兵棋推演模擬器傳播到網絡數字孿生體。平臺之間的任何通信都被路由到網絡數字孿生體，它根據當前的位置、發射器和接收器的特性、網絡協議、環境因素等計算出信息的端到端可達性和延遲，并將結果返回給兵棋推演模擬器。我們注意到，這樣的孿生體可以用來準確描繪紅方和藍方部隊的通信，以及一方發動的網絡攻擊（如干擾）對另一方的網絡和通信的影響。

這些網絡效果有助于分析人員在現實的網絡競爭環境中用不同的行動方案（CoAs）測試他們的兵棋推演計劃。例如，紅方部隊可以使用干擾攻擊來破壞藍方部隊的情報、監視和偵察（IRS）行動，以掩蓋其戰術行動，并在特定的行動區域獲得力量優勢。隨后，作戰者可以在藍方的射頻通信系統中加入抗干擾能力作為反制措施。然后，分析員可以根據紅方的干擾能力和藍方的反制措施，檢查兵棋推演計劃中的不同CoA，并評估這些能力在任務中的部署是否有效和及時。

4.2. 網絡分析和測試

這個用例說明了使用網絡數字孿生體來支持多域戰場網絡的任務規劃和分析模式。在這個大國競爭重新開始和復雜的網絡威脅的時代，我們必須根據網絡支持的任務來評估網絡的彈性和生存能力。這種評估應基于以下幾點：

1.任務目標。

2.武器系統的屬性和弱點。

3.網絡防御能力。

4.對手在多域任務行動中使用網絡威脅，包括TTPs。

我們以聯合全域指揮與控制（JADC2）為例，說明網絡數字孿生體如何被用來識別性能特征，并根據實際情況優化配置和部署。

4.2.1. 聯合全域指揮與控制（JADC2）

JADC2依靠一個地理上分散的、由傳感器、平臺和武器系統組成的連接網絡，在嚴酷和有爭議的環境中運行，以實現任務的成功。JADC2可以使用原地環境數據和實時平臺位置。實際情報和/或聯網的傳感器可以自動提供目標軌跡、部隊位置、情報和環境因素，然后用頻譜管理和網絡威脅來完善這些因素。

4.2.2. 用于JADC2的網絡規劃和分析的網絡數字孿生

如前所述，由于通信協議、設備配置、網絡拓撲結構、應用流量、物理環境和網絡攻擊之間的相互作用，JADC2的數字孿生必須有足夠的保真度，以準確反映網絡動態。例如，對手發起的干擾或拒絕服務攻擊的位置、強度和持續時間將決定對任務至關重要的通信的影響。數字孿生體必須有足夠的保真度來捕捉網絡動態，從而適當區分那些僅僅是煩人的網絡攻擊和那些有可能破壞任務時間表的攻擊。例如，強度足以破壞流媒體視頻但不會破壞位置信息（PLI）的干擾傳輸可以被忽略。

JADC2的網絡數字孿生體的執行速度比實時快，可以根據OPFOR的位置、發射范圍和EW/cyber能力，承受真實的或與任務相關的潛在網絡空間行動。它提供可視化和詳細的指標，如連接、延遲、丟包等，以及它們對任務的影響。如圖4所示，網絡數字孿生體可用于根據不斷變化的METOC、頻譜管理、網絡性能、連接性和對網絡攻擊的敏感性，比較和評估具有不同路線和搜索區域的多種行動方案（COA），以協助優化網絡配置，并幫助評估任務中的網絡威脅緩解策略。

圖4. 使用網絡數字孿生進行網絡分析。

使用網絡數字評估JADC2系統的網絡彈性也可以增加網絡彈性測試的范圍：許多網絡攻擊，如漏洞利用、病毒/蠕蟲傳播或分布式拒絕服務（DDoS）不能在JADC2本身上進行，但可以使用數字孿生進行演練，而沒有損害JADC2系統的風險。

4.3. CPS的網絡復原力

CPS是網絡犯罪分子的新的軟目標。CPS可能包括諸如電網、自主車輛系統、醫療監測系統、過程控制系統和飛機自動駕駛儀等系統。一個典型的CPS包括一個連接到遠程操作中心的傳感器、執行器和控制器的網絡。許多這樣的CPS迅速利用互聯網連接性來提高運營效率，并為客戶提供新的服務。不幸的是，這些改進帶來了一個嚴重的缺點--對網絡攻擊的敏感性增加。如果成功的話，對CPS的攻擊會對商業和日常生活造成廣泛的破壞。因此，保護關鍵基礎設施，如電網或運輸網絡，對國家安全至關重要。對關鍵基礎設施的網絡攻擊已被視為地緣政治沖突或軍事行動劇本中的一個選項，如當前的烏克蘭戰爭。因此，對CPS的網絡復原力的評估與任何防御系統一樣重要。

CPS（以及工業控制系統或SCADA系統）的運作通常需要傳感器和監測或控制單元之間的定期通信和反饋；這些互動有嚴格的時間限制。例如，IEC61850標準是電力變電站的全球標準，它要求某些控制信息在3毫秒內傳遞，以保護電網。即使是對這些信息的時間或內容的輕微擾動也會造成嚴重的影響。位于發電機的傳感器和控制中心之間的信息通信可能被 "黑"，導致服務中斷或設備故障。如果信息的內容被破壞，它可能導致CPS控制器低估了正在產生的電力數量。在另一種網絡攻擊情況下，"中間人 "或拒絕服務攻擊可能會導致從控制器到執行器的 "關閉 "信息丟失或只是延遲接收，可能會導致電網部分設備的連帶故障。

4.3.1. 在電網中集成數字孿生和網絡彈性

2015年12月，世界目睹了一個令人不安的新事件--第一次由網絡攻擊引起的電網中斷。該地區是烏克蘭西部，惡意的行為者使大約30個變電站和兩個配電中心斷電。對電網中發現的工業控制系統的網絡攻擊威脅的擔憂繼續出現。2019年3月5日，能源部報告了美國電網有記錄以來的第一個破壞性網絡事件。

那么，CPS的運營商如何評估其網絡漏洞，并評估潛在緩解策略的有效性？集成數字孿生（IDTs）通過創建通信網絡和物理系統的綜合模型提供了一個創新的解決方案。作為一個具體的例子，我們考慮使用EXata和HYPERSIM的整合來模擬烏克蘭的攻擊，EXata用來模擬通信網絡，HYPERSIM用來模擬電網組件、控制系統和輸電線路（圖5）。在這種情況下，這兩個組件被集成在同一個計算平臺上，以確保許多基于SCADA網絡的控制系統回路所需的高性能和低延遲。

圖5. 集成EXata-HYPERSIM數字孿生。

諸如此類的IDT有助于促進對組件和技術之間相互作用的廣泛理解，以防止、減輕并最終從系統中斷中恢復。雖然網絡和受控物理系統的獨立模擬可以提供有用的見解，但在IDT中，模型之間相互作用，提供共享的時間和元數據來描述整個系統狀態。這使分析人員能夠測試局部事件在整個系統中傳播的影響，提高系統的整體保真度。

EXata-HYPERSIM IDT被用來復制烏克蘭的三個區域電力控制系統是如何被網絡攻擊破壞的，導致大范圍的停電長達6小時。這種對電話系統的拒絕服務攻擊阻礙了運營商的通信，使情況進一步復雜化。只有當技術人員被派往子站手動控制電力系統時，電力才最終得到恢復。

對停電和攻擊的分析確定，子站的串行到以太網轉換器的固件被破壞。機房和電話系統的不間斷電源（UPS）被遠程關閉，許多電腦的硬盤被破壞。對電力系統的攻擊是分階段進行的，16其中后期的攻擊依賴于早期的成功入侵。攻擊者首先利用魚叉式網絡釣魚郵件滲入IT網絡，安裝惡意軟件，對公司網絡進行全面偵察和列舉，發現和訪問活動目錄服務器，并竊取證書。然后，攻擊者利用企業網絡和OT網絡之間不恰當的防火墻配置，訪問HMI服務器，在被攻擊的工作站上安裝后門，從HMI操作員那里獲得控制權，并打開斷路器，破壞電力分配。

對這一鏈條進行建模是確定適當的緩解措施的關鍵。圖6顯示了流經電網網絡的控制數據包的可視化，重點是電力系統網絡的大規模拓撲結構、各組件之間的相互連接以及流經每個環節的流量。網絡中斷和電力系統性能之間的關系在IDT中被高保真地模擬出來。發起的攻擊類型及其對協議和設備的影響被準確建模。此外，用于跟蹤電力系統運行的指標中的瞬態，在中斷之前和之后，都被高保真地建模。這些指標包括中斷對中間系統電壓和公用事業輸出頻率的影響，以及由于斷開命令導致的電力輸出變化。因此，IDT促進了對電網組件和互連網絡的完整的端到端表示。

圖6. 電網網絡中控制包的可視化。

5. 總結

在多域戰場上，作戰人員依靠地理上分散的、由傳感器、平臺和武器系統組成的連接網絡，在嚴酷和有爭議的環境中執行任務。連接傳感器、C2和武器系統的網絡構成了任務的關鍵組成部分，因為人類的決策從根本上依賴于它來包含、提取和傳播時間敏感的、與任務相關的信息，以決定性地戰勝對方的力量。

盡管網絡性能、安全性和完整性對系統的正確運行至關重要，但網絡本身也暴露了攻擊面，并受到破壞和網絡攻擊。由于需要快速部署和重新配置任務網絡以應對現代戰斗空間中快速變化的條件，這個問題變得更加嚴重。

這些問題不僅僅是軍事領域所特有的，而是滲透到今天的許多互聯系統中，包括關鍵基礎設施、智能運輸、物聯網、網絡物理系統和企業網絡。敵人可以對這些網絡系統中的任何一個發起網絡攻擊，并對日常生活的許多領域造成嚴重破壞。

本文考慮了網絡數字孿生的適用性，它有可能使用現場、虛擬和構造模型的組合，來評估任務的網絡彈性。我們通過一組使用案例，展示了網絡數字孿生如何在整體生存能力的背景下，基于對對手在多領域任務操作中如何部署網絡威脅的理解，促進這種分析。總之，網絡數字孿生提供了以下主要好處。

• 網絡和動能領域的整合，不需要對任何一個領域進行修改。
• 獲取無線和戰術波形及其特定的脆弱性。
• 一個高度可控的平臺，允許在比實戰系統更精細的層次上收集數據。
• 針對網絡和連接的武器和C2子系統的可擴展的攻擊庫。
• 整合實時軟件、硬件和其他仿真器，包括基于虛擬機的網絡范圍。
• 一個持久的模型，可以作為一個權威的真相來源，并提供對系統要求的可追溯性。
• 支持從設計、開發、測試和系統部署的整個產品生命周期。

我們相信，將網絡數字孿生體與基于虛擬機的網絡范圍相整合，為進一步進行此類分析提供了一個強大的平臺。這種整合可以提供一個兩全其美的測試平臺能力：網絡范圍可以用來測試真實的攻擊，以利用基于虛擬機的主機上的真實漏洞，而像EXata這樣的網絡數字孿生平臺可以準確和更容易地模擬主機之間的（無線）網絡。因此，在網絡范圍內不容易建模的各種網絡和操作條件都可以被建模，特別是包括衛星和其他無線設備的網絡。

（圖：作家兼戰略家彼得辛格（左）于 2018 年 11 月 1 日在一個未命名的空軍設施與一名軍官和一名國防部文職人員討論新技術。人工智能和腦機接口等進步將改變陸軍作戰的方式。）

長期以來，決策一直是戰爭的核心。最近，戰爭的節奏、規模、不透明性、非線性和連通性的增加對當代決策過程提出了越來越多的挑戰。在未來，這種變化將同時增加及時和有效決策的重要性，同時進一步加劇許多指揮官的認知和決策挑戰。指揮官將尋找結構不良、高度復雜的問題的解決方案，這些問題延伸到空中、陸地、海上、信息、網絡和空間這六個領域。隨著新技術和新應用的實現，未來的事態對復雜性構成了潛在的增長，并將以指數級的速度增加。人類的學習，甚至是最老練的指揮官的直覺能力都無法跟上不斷變化的戰爭特征。要想把贏得戰斗的洞察力帶到未來，必須對人類的認知、決策過程進行改進，或對其進行增強。

決策能力和現有支持的割裂造成了分析性決策過程、指揮官的直覺和有效決策之間日益擴大的能力差距。當前和未來的環境表明，有必要開發更加靈活的決策支持工具，以阻止這種差距，并為指揮官重新獲得決策優勢。在一個不透明和復雜的環境中有效地預測未來幾場戰斗的能力將是成功的關鍵。同時，在一個能夠迅速使以前的計劃失效的動態環境中，理解并首先做出反應的能力對于奪取和保持主動權至關重要。

復雜性科學和混沌研究已經與類似的問題進行了斗爭，并為軍事指揮官的突發挑戰提供了相關的見解。計算機建模和人工智能（AI）方面的工作已經取得了巨大的進展。在許多游戲中，計算機已經超越了人類的決策能力。

從人工智能的主導地位中適應和發展，國際象棋中的人機團隊已經達到了決策的新巔峰，將提前數個回合評估未來動作的算法的卓越戰術與人類的戰略能力相結合。目前美國與人工智能和決策有關的國防努力似乎集中在大數據和數據分析上。然而，如果沒有一個改進的軍事決策框架，就不能利用預測性分析。否則，增加的數據和分析只會加劇理解日益復雜和動態的作戰環境的挑戰。

軍事決策過程（MDMP）雖然在分析上是合理的，但其結構并沒有跟上未來環境的步伐。沖突的速度將超過工作人員處理分析貢獻的能力。

用人工智能對MDMP進行修改和增強，將創造一個過程，以更快的速度產生對環境的理解，并以物理信息的框架為基礎。行動方案的制定將不會像現在這樣，從一個理想的最終狀態向后發展，在理論上運用方法和手段來創造一個想象的未來。由人工智能支持的MDMP將從當前狀態向前工作。它將通過友軍和敵軍決策樹的可能分支向前探索，走向各種環境和敵軍的行動路線，通過最小化風格的決策樹，將其作為適應性代理來實現。替代行動的未來將通過可行性的出現來建立，并通過優化作戰功能的貢獻來完成，固有的區別，然后由人機團隊的人類部分來判斷是否合適和可接受。重新設想的人-機MDMP將與未來的操作環境保持同步，通過以接近機器的速度操作來保持相關性，使人能夠在日益濃厚的戰爭迷霧中獲得卓越的視野。

指揮官雖然得到參謀部的支持，但最終還是利用自己的能力進行決策。當指揮官在進行問題解決以制定對其工作人員或下屬的指導時，他們基本上是在進行 "手段-目的分析，這是一個尋找手段或步驟的過程，以減少當前情況與預期目標之間的差異"。即使是直覺，即對一個事件或數據的突然有洞察力的解釋，也以類似的方法發揮作用。"盡管表面上突然閃現的洞察力似乎產生了問題的解決方案，但研究表明，人們在解決洞察力問題時使用的思維過程最好被描述為一種漸進的、手段-目的的分析。" 領導者認識到相似性，并將其與個人和所研究的歷史聯系起來，從而獲得洞察力。心理學家、經濟學家和諾貝爾獎獲得者丹尼爾-卡尼曼（Daniel Kahneman）用這樣的描述來解釋內部的、經常是半意識的過程："產生印象、直覺和許多決定的心理工作在我們的頭腦中默默地進行"。數學物理學家、科學哲學家和諾貝爾獎獲得者羅杰-彭羅斯描述了一種無意識的思想發展和對這些思想的有意識判斷。

MDMP有一個類似的、不亞于人類的動態。參謀部通過行動方案（COA）的制定產生備選方案，并由指揮官決定。然而，在行動方案的制定過程中，正如在手段-目的推理中一樣，用于簡化計算的啟發式方法以及一些神經心理學上的缺陷，限制了選擇并注入主觀性。歸根結底，目前MDMP內部的COA開發過程仍然需要大量的頭腦風暴來解決。

與主觀開發選項形成對比的是基于衡量和計算的選項開發，而這一過程將由人工智能支持的程序執行。通過一些基于現有信息和過去沖突的數據的計算，可以對比出AI賦能的MDMP會提供的建議。

對2008年俄格戰爭期間的決策和計劃進行評估，在與歷史上的決策、行動和結果進行對比時，可以深入了解人工智能驅動的MDMP的好處。以下是人工智能驅動的MDMP背后的邏輯和過程。

俗話說，如果情報是用來推動機動的，那么對戰場的情報準備的產出必須作為COA發展的起點，使友軍COA的創建能夠實現對對手的不對稱，并執行對對手行動最有利的行動。

從對敵方力量的評估中，可以根據具體的任務變量來確定所需的友軍力量。要做到這一點，需要一種衡量對手戰斗力的方法。有許多復雜程度不同的方法來確定一個代表戰斗力的數值。

人工智能程序可以使最繁瑣的系統變得可行，所以它不像參謀部那樣受到復雜性的限制，特別是在時間有限的時候。雖然這個例子使用了戰區分析模型（TAM），但TAM并不是重點。指揮官、參謀部或學說推薦的任何東西都可以使用。

在2008年俄格戰爭爆發前，俄羅斯部隊在北奧塞梯駐扎。這些部隊可以按地點轉化為戰斗力值。例如，在馬米森山口附近的俄羅斯部隊可以按其組成部件進行統計，如人員、T-72主戰坦克、2S3自行火炮和BM-21多管火箭炮系統。

圖 1. 俄羅斯軍隊戰斗力計算

圖1中顯示的戰斗力范圍可以告知所需的戰斗力，這些戰斗力來自于格魯吉亞部隊的位置，用藍色矩形標注，以便在各種可能的情況下擊敗這支俄羅斯部隊。圖1中描述的兩種情況是俄羅斯使用西面的馬米森山口或東面的羅基隧道（帶箭頭的紅線）。

與戰斗力計算一樣，從計算機建模中得出的計算結果可以用來預測基于部隊和手段的相應相關性的傷亡。在這里使用的算法中，戰斗力是根據地形和任務類型對每種能力或系統進行調整。一旦對戰斗力進行了調整，該模型描述了在部隊比例為1:1時的傷亡分布情況，有一條非線性曲線，在戰斗力比例大約為4.4:1時趨于平緩，顯示了一個粗略的收益遞減點。這種計算方法不能提供 "任務成功 "的百分比機會，但可以提供預期戰損和傷亡的迭代，顯示雙方的戰斗力如何隨著時間的推移而受到影響。必須對將導致失敗或撤退的戰斗力損失做出假設，但這是一個很好的例子，說明人類的洞察力可以被迫提供具體的情況。從這些計算中出現的洞察力的開端是，1:1的比例仍然是消耗性的，而2:1的比例有可能在兩次反復中增長到2.4:1然后是4.5:1。這就形成了一種機制，在時間上尋求有利的戰斗比例，可以決定性地改變平衡。這不是一個水晶球，而是現有的最佳估計，能夠由工作人員有條不紊地進行，或由程序以機器速度進行。由于戰爭是一種明顯的人類努力，因此可以將士氣或本例中未包括的其他因素納入到額外的修改因素中。這種對戰斗力隨時間推移的理解提供了一個關鍵的洞察力，并可以為部隊分配的決策提供參考。在這一點上，可以產生一個對應于特定地點的友軍的有利戰斗力要求。圖2強調了格魯吉亞部隊如果在俄羅斯入侵路線上的起伏地形中進行防守時的理想戰斗力。

隨著南奧塞梯局勢的升級，格魯吉亞總統米哈伊爾-薩卡什維利于2008年8月7日為軍隊確定了三個目標。他指示他們 "第一，阻止所有軍車從俄羅斯通過羅基隧道進入格魯吉亞；第二，鎮壓所有攻擊格魯吉亞維和人員和內政部崗位或格魯吉亞村莊的陣地；第三，在執行這些命令的同時保護平民的利益和安全"。正如格魯吉亞國家安全委員會秘書亞歷山大-洛馬亞后來所證實的，"我們行動的邏輯是解除茨欣瓦利郊區的射擊陣地，并試圖通過繞過茨欣瓦利，盡快向羅基隧道靠近"。這一指令和支撐格魯吉亞軍事反應的邏輯為本文中繼續發展人工智能的COA提供了一個有益的對比。

圖2. 兵力比的正反饋循環

前面分析的圖1中的俄羅斯部隊是后來試圖通過羅基隧道進入格魯吉亞的第一梯隊部隊。被描述為向格魯吉亞部隊和村莊開火的部隊在茨欣瓦利附近活動，由奧塞梯人組成，由俄羅斯和奧塞梯 "維和 "營協助，人數增加到830人，大約300名雇傭兵，以及更多的大炮。由于他們有相當多的步兵，不同的任務，以及從茨欣瓦利城市中心倉促防守的地形，通過以前使用的相同方法，他們的戰斗潛力被計算為60。

談到格魯吉亞部隊和繼續發展他們最有利的行動路線，格魯吉亞第二、第三、第四和第五步兵旅以及戈里的一個單獨的坦克營的戰斗力和位置，作為計算的起點。他們與俄軍的距離和旅行時間，或關鍵地形，都可以計算出來。將這些信息與之前概述的俄羅斯部隊和之前討論的兵力比例知識結合起來，就可以利用目標編程，從數學上優化從每個格魯吉亞地點到羅基隧道或茨欣瓦利的戰斗力，以滿足有利的兵力比例，同時最大限度地減少總的旅行距離，從而最大限度地減少時間和后勤要求。

圖3. 戰斗潛力優化Python計劃的結果和建議的第4旅的分步任務組織結果

圖3左上角的優化程序結果顯示，格魯吉亞的戰斗力分配足以達到2:1的兵力比，以對抗進攻的俄羅斯部隊。對于第4步兵旅，建議在各目標之間分配戰斗力，后續的優化程序是按作戰功能確定各目標的不同作戰系統的數量，如圖3右上方所示。其結果是以理論為基礎的理性選擇解決方案，并通過在后期MDMP的COA分析步驟中為裁決戰爭游戲而保留的計算類型形成。人工智能支持的MDMP所實現的是使用詳細的分析來告知行動方案的最初發展，防止未來對次優COA的路徑依賴。

這種輸出就像分析數據以創造信息。合并這些信息的組成部分可以創造出知識，指揮官或參謀部可以對其運用智慧。這種方法不是像直覺所注入的那樣擁有不可解釋的因素，而是可以解釋的，并且可以在指揮官的具體規劃指導下進行修改。在這種情況下，裝甲、步兵和炮兵在進攻和防守中的有效性，以及丘陵和城市地形，都被納入優化的考慮范圍，輸出結果將炮兵優先送到羅基隧道。這一建議，雖然源于算法，但遵守人類的軍事判斷，認識到在城市中使用火炮的相對困難，以及步兵的相對優勢。毫不奇怪，行動后的審查指出，格魯吉亞的炮兵在丘陵地帶對付前進中的俄羅斯縱隊是有效的。

同樣，在這種修改中，通常為COA分析的后期步驟保留的計算類型被應用于COA的最初發展。正如加里-卡斯帕羅夫所描述的與計算機合作的好處一樣，人類也可以將作戰藝術應用于已經納入科學的概念。

許多計算可以被整合到程序中，以減少認知負擔，讓工作人員進步到更高層次的人工分析，其中一個例子就是時間。對于建議的每條路線，可以進行計算，根據車輛數量和其他變量確定更準確的時間。

將上述初級人機開發的COA的輸出與格魯吉亞國家安全委員會對其一般行動方案的闡述相比較，突出了人工智能支持的MDMP可以提供的優勢。人工智能的建議將一支更強大的格魯吉亞部隊引向羅基隧道，同時向茨欣瓦利投入部隊。很可能更早和更多地將部隊投入到羅基隧道附近的防御中，會極大地擾亂已經被渠化的入侵俄羅斯部隊，并阻止他們將火箭系統移到茨欣瓦利的射程內，并通過隧道將彈道導彈炮組進一步嵌入格魯吉亞，這對俄羅斯人來說是決定性的。

到目前為止，修改后的方法已經建立了一種發展 "下一步行動 "的方法，其基礎是對友軍和敵軍戰斗力的理解，這種戰斗力如何受到任務類型和地形的影響，以及部隊在移動和機動接觸中的時間關系。地面部隊的這些例子必須自然延伸到所有領域的戰斗力和效果的應用。這種技術能夠同時分析各個領域，并為跨領域效果的整合提供一個機制。近距離空中支援的架次可以被整合到地面領域，以便在地面戰斗的關鍵地點和時間提供更好的戰斗力比率。此外，在進行空對空作戰計算時，可以將地面防空資產納入空對空計算的因素。圖4顯示了通過羅基隧道進攻的俄羅斯地面部隊和推薦的格魯吉亞地面部隊的戰斗力，另外還強調了如何將俄羅斯的蘇-25戰斗機或格魯吉亞的SA-11系統納入其中。這為在領域內和跨領域進行的作戰行動創建了一個多維框架，并提供了一種同步匯合的方法。當一個領域的條件發生變化時，對其他領域和行動的影響可以在開始大大超過工作人員計算的復雜程度上進行。

隨著核心COA的制定，每個作戰功能的最佳整合可以通過算法來確定。例如，有了通往目標的路線和距離，以及燃燒率和其他規劃因素，可以計算出支持概念的要素。

這個例子表明，有能力在多個領域整合所有作戰功能的規劃。有了充分的細節說明COA的完成和廣度，現在可以把解釋轉向深度。為了在作戰層面創建一個在時間和空間上都有深度的COA，它必須提前預測幾個交戰，以實現相對優勢的位置，并尋求實現轉化為成功的失敗機制。而之前的過程主要是將現有的軍事理論或學術研究進行算法連接的創造，它們很難實現超越即時決策的飛躍，并創造出作戰藝術。對于這一點，現有的人工智能提供了適用的例子。

國際象棋人工智能中使用的基本微分法對所有棋盤上的處置方式提前兩步進行打分，包括行動和反應，然后根據程序對分數進行比較，分數最差的那個選項被修剪掉。在排除了未來兩步棋中最差的選項后，剩下的最佳選項被選中。修剪和消除的過程可以防止出現這樣的情況：人們可以在最近的一步棋中拿下一個低價值的棋子，但在下一步棋中又會失去一個高價值的棋子。該算法基于每一步后續棋重復這一過程。在許多程序中，該算法會分析更多的未來棋步，以指數形式增加棋盤的處置，以評估和排列潛在的棋步。為了簡化計算機的計算，一個被稱為阿爾法-貝塔修剪的過程可以在明確它們不會是最佳選擇時刪除分支，并停止評估它們。根據已經證明的根據力量和手段的相關性來評估軍事編隊的能力，可以看到即使是簡單的國際象棋人工智能方法也可以成為發展作戰藝術的基礎。

圖4. 多域COFM框架

當使用決策樹和國際象棋人工智能的最小算法時，程序會對棋盤上的大多數或所有的替代性未來進行評估，并產生一個可比較的值。俄羅斯軍隊最初從西邊的馬米森山口進攻，而不是從東邊的羅基隧道進攻，就是一個選項的例子。這將產生一個不同的動作，格魯吉亞部隊需要對此作出反應。除了國際象棋人工智能中棋子的總價值外，還經常使用位置的修改器。對每一方的剩余棋子進行估值的方法在概念上類似于之前用于分析俄羅斯和格魯吉亞部隊的戰斗力的TAM計算方法。而不是單個棋子的價值，將考慮軍事編隊的戰斗力。這種機制設計起初似乎是以消耗為重點，保留友軍的戰斗力，消除對手的戰斗力，并根據價值來確定優先次序。從一開始看起來非常機械的東西中出現的顯著特征是在時間和空間上創造和連接有利的力量比例，實現不對稱性，以大量消耗對手并保存友軍的戰斗力。簡而言之，它創造了作戰藝術。

當以這種方式對格魯吉亞的多個行動方案進行比較時，就會出現與圖3中描述的不同的行動方案。由于通往羅基隧道的旅行時間的變化，以及對交戰的預測是如何沿著各自的決策樹展開的，因此確定了對通往羅基隧道的部隊的改變，如圖5所示。

當人工智能支持的COA開發過程繼續向前搜索時，在Troitskye的俄羅斯第503摩托步槍團（MRR）和在Khankala的第42摩托步槍師和第50自行火炮團被確定為需要考慮的俄羅斯作戰力量。以最小的方式，在最初決定在羅基隧道和茨欣瓦利之間分配部隊之前，沿著決策樹進一步考慮這一事件。一旦理解了時間上的力量以及二階和三階效應，就會發現一個非直覺性的決定，即與戈里的坦克營和第比利斯的第4旅一起向羅基隧道進攻，這是由于預測到俄羅斯第二梯隊部隊在未來的行動。

圖 5. 俄羅斯-格魯吉亞聯合決策樹和進化

如圖3所示，如果俄軍同時開始行動，格魯吉亞部隊的原始部署無法及時趕到羅基隧道進行防御。然而，當動用哥里的坦克營或第4步兵旅時，一支有利的部隊能夠在迪迪古普塔或爪哇附近進行防御，使俄軍在山丘上保持渠化，有足夠的戰斗力來預測俄軍的進攻會被擊敗。這種防御可以抵御俄軍第二梯隊的第503摩托化步兵師，但不能抵御緊隨其后的第42摩托化步兵師，圖5右上方描繪的是第503步兵師。正因為如此，格魯吉亞的防御部隊如果要完成他們的任務，就需要在503摩托化步兵師到來之前向隧道進行反擊，以在嚴重的渠化隧道處進行防御。有了這些從復雜中出現的聯系，格魯吉亞的領導層可以及時思考并產生贏得戰斗的洞察力。

建立可用COA的算法過程在很大程度上緩解了因時間不足而產生的差距，同時為MDMP引入了一定程度的學術嚴謹性，否則可能只是主觀評估，而這種評估中隱含著所有未知的危險。

在目前的作戰環境中，往往沒有時間來制定多個作戰行動方案，對所有制定的作戰行動方案進行戰爭演習，應用作戰行動方案評估標準，然后確定一個推薦的作戰行動方案。有了人工智能支持的MDMP，COA分析和比較就被烘托出來，并最大限度地利用現有的技術，所有這些都是在傳統的工作人員可以收集到的工具。

通過COA分析和COA比較步驟合并和修改COA開發步驟，以利用當前人工智能能力的速度、力量和洞察力，將提高預測多種替代性未來和選擇的能力，使指揮官不僅能夠在三維空間中思考，而且能夠在時間中思考。鑒于時間越來越稀少，了解時間，并擁有在多個領域與之合作并通過它的工具，可能是人工智能提供的最大優勢。

其他領域的人工智能工具已經展示了它們在提供快速、一致和準確計算的任務方面的能力。為了具有價值，人工智能不需要自主運作或復制有生命的人。人工智能只需要彌合當前規劃和決策工具的適用性與人類認知在復雜適應性系統中的有效性之間不斷擴大的差距。處理復雜性的適度改進，即使只是減少導致錯誤的認知負擔，也會確保比無助的指揮官有決策優勢。

在人工智能支持的MDMP的意義上更進一步，人工智能可以在第一次迭代后半自動地完成MDMP，幾乎連續地進行完整的MDMP過程，沒有疲勞感，納入每一個新發展。一個持續的人工智能運行的MDMP將提供關于部隊當前位置和行動的反饋。近乎實時的反饋將使我們能夠跟蹤下屬單位的當前行動、控制措施的遵守情況和進展。

其次，近乎連續的MDMP可以通過評估根據當前條件應該執行什么COA來預測分支，甚至預測隨著條件的變化，未來決定性交戰的設置。持續的人工智能支持的MDMP將與敵人而不是計劃作戰。一個人工智能支持的過程將有額外的好處，即為任何新出現的COA整合資源，同步和優化所有領域的效果，并使過渡到一個新的分支計劃更加可行。這種能力將在使部隊迅速適應在未來動蕩環境中的混亂邊緣茁壯成長方面取得不可思議的進展。

（2021年11月10日，在荷蘭弗里皮爾舉行的北約反無人機系統技術互操作性演習中，無人機在無人機群演示前處于起飛位置。）

美國防部（DOD）和美國政府在敵方使用小型無人駕駛飛機系統（sUAS）方面面臨著重大國家安全挑戰。創建集群能力的現有技術導致了多層次和無法管理的威脅。本文討論了如何準備和應對這一迫在眉睫的挑戰，俗稱“無人機蜂群”。傳統思維和實踐的基本挑戰推動了對無人機蜂群的關注。一些未解決的問題包括無人機蜂群對美國的潛在利益與威脅。迄今為止，沒有任何方法能充分解決美國對無人機蜂群的戰略風險。盡管美國防部戰略包括一些應對敵方無人機威脅的方法，但它并沒有完全面對挑戰，而要解決未來武裝無人機蜂群帶來的戰略問題，就必須面對這些挑戰。為了減輕這種新出現的風險，美國需要一個協調的方法來解決技術、法律和條令問題。

1 戰略環節

美國目前的戰略文件為確保和推進國家利益提供了總體要求。然而，新出現的威脅和潛在的無人機蜂群技術威脅著美國的安全態勢。例如，2017年美國國家安全戰略指出，“我們將保持一個能夠威懾并在必要時擊敗任何對手的前沿軍事存在”。隨著美國軍隊在全球范圍內的廣泛投入，對手可以利用無人機蜂群來挑戰美國在許多領域的利益；如果是這樣，美國軍隊就不能可靠地投射力量來威懾和擊敗這些同樣的對手。

此外，《美國國防戰略》認為戰爭的特點在不斷變化，行為者可以更迅速、更容易地獲得技術，包括人工智能（AI）、自主性和機器人技術。時任美國防部長詹姆斯-馬蒂斯在2018年說明了這種擔憂，他承認國土不再是一個避難所，必須預測針對“關鍵的國防、政府和經濟基礎設施”的攻擊。無人機蜂群構成了重大的國家安全戰略風險，應對這一新興威脅給美國帶來了三個關鍵領域的挑戰和機遇：技術、法律和理論。

2 奠定基礎:新興趨勢

關于作戰無人機系統使用的研究文獻揭示了以創新方式改變戰爭特征的潛力。技術革命使行為者能夠利用無人機來實現國家目標。最近發生在南高加索地區的納戈爾諾-卡拉巴赫爭議地區的戰爭說明了這一現實。阿塞拜疆對無人機系統的使用極大地幫助了它的勝利，支持了它對亞美尼亞的空中和地面作戰，而亞美尼亞擁有更多的常規空中和地面部隊，包括戰斗機和坦克。此外，這場戰爭說明了使用無人機系統來摧毀防空系統、地面部隊和裝甲車輛的優勢，包括空中能力成本相對低廉。這些系統可以憑借其相對較小的尺寸和較慢的速度避開敵人的防空系統，而且它們在常規沖突中為不太富裕的國家提供了潛在的軍事優勢。這種力量的再平衡表明，國家可能會在未來的沖突中更多地使用無人機系統來脅迫他們的敵人，促成外交上的讓步，并實現國家安全目標。遙控飛機是改變戰爭性質的工具，而小型無人機的創新使用說明了下一步的改進，其成本低，回報潛力大。

除了目前無人機系統的應用，這些航空器的未來發展趨向于更加復雜，在人工智能、自主性和機器學習方面將取得更多進展。這些術語可能會使一些人想到虛構的作品，如《天使降臨》（2019），這部電影中，小型螺旋槳驅動的無人機從地面的管道發射，攻擊美國總統和他的特勤人員。然而，在現實中主要軍事大國目前都在追求這種能力。

中國電子信息技術研究院在2020年9月測試了從地面和空中發射器發射和使用多個sUAS的蜂群編隊。此外，美國海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局近年來進行了廣泛的測試，使用大量的無人機相互協調進行偵察，編隊飛行，或可用于向目標投放彈藥。2020年9月的一次演習顯示，俄羅斯也在繼續追求用三種型號的無人機系統進行集成編隊，打擊地面目標。雖然這本身不是無人機蜂群，但一位俄羅斯專家指出：“在這一點上，俄羅斯有很多關于UAV蜂群使用的研究，并對這種概念進行了測試和評估。”

民用無人機蜂群的發展表明，這是一項雙重用途的技術。在過去的幾年里，對無人機能力的需求不斷增加，因為各公司為編排好的展示活動編排了數以百計，有時甚至數以千計的無人機系統。例如，英特爾在2018年創造了一次展示中無人機數量最多的世界紀錄，有2066架。英特爾特定型號的無人機在眾多活動中飛行，包括2018年冬季奧運會和2017年超級碗的半場表演。最近，無人機表演為當選總統喬-拜登的特拉華州勝利慶典展示了蜂群能力。可以想象，一個邪惡的行為者可能會控制大量無人機，對涉及國家元首或大量人群的活動進行破壞。伊朗在2019年9月對沙特阿拉伯最大的原油穩定廠之一進行了無人機攻擊，顯示出不同尋常的復雜性，并且還在試驗同時對50個目標使用大量無人機。無人機蜂群的軍事和民用趨勢預示著美國的力量可能會在未來受到挑戰。盡管各行為體尚未使用真正的小型無人機蜂群來對付對手，但該技術的攻擊應用并不遙遠。

3 戰略風險及影響

各國應在仔細考慮其風險和影響后，規劃使用無人機群。一些文獻承認無人機蜂群在某些戰略軍事背景下的概念性應用。例如，一位戰略專家認為，完全自主武裝型無人機蜂群（AFADS）是蜂群應用的一個子集，可以被視為大規模殺傷性武器（WMD）。美國陸軍應用兵棋推演方法證明了無人機蜂群武器如何在平行攻擊中提供作戰優勢。美國防部關于使用自主系統的發起人之一指出：部署完全自主的武器將是一個巨大的風險，但這可能是一個軍隊值得承擔的風險。這樣做將會進入未知的領域。敵對行動者正積極試圖破壞戰時的安全行動。而且在行動時，沒有人可以干預或糾正問題。

大國可能愿意承擔這種風險；正在開發能夠獨立于人類操作者做出決策的自主武器。前美國防部長馬克-埃斯佩爾指出了美國和其他大國在自主武器發展方面的這種區別。一些評論家斷言，自動防御系統提供了軍事優勢，包括自由打擊覆蓋戰略資產的傳統防空系統或對核和支撐能力進行監視。

各國必須考慮自主武器計劃的戰略影響。一個行為者向對手使用無人機蜂群可能導致意外升級，而一個意外的人工智能決策可能無意中導致敵人反擊或外交危機。國際上的討論還沒有涉及到使用完全自主武器在“危機穩定、升級控制和戰爭終止”方面的戰略考慮。許多專家同意，自主武器系統可能在危機或武裝沖突期間提供作戰優勢，特別是在灰色地帶或混合戰爭中，但戰略風險要求決策者現在就考慮這些危險，以避免以后出現災難性的結果。完全自主的武器系統增加了誤判和/或誤解的風險，這可能導致國家和非國家競爭者之間不受控制的風險升級。這包括使用大規模毀滅性武器的威脅增加。盡管采用自主無人機蜂群存在固有的風險和后果，但這些能力為行為者提供了實現國家目標的軍事和戰略選擇。有人類參與的半自主無人機蜂群武器也會給對手帶來風險，盡管程度較低。

4 重要術語

關鍵術語和分析的范圍將澄清誤解。歐文-拉肖在《原子科學家公報》中寫道，將蜂群無人機定義為“分布式協作系統......成群的小型無人駕駛飛行器，可以作為一個群體移動和行動，只需有限的人類干預”。蜂群的另一個定義規定了軍事應用，“大量分散的個體或小團體協調在一起，作為一個連貫的整體進行戰斗”。根據美國防部指令3000.09，自主武器系統，“一旦啟動，就可以選擇和攻擊目標，而無需人類操作員進一步干預”。美國國家科學、工程和醫學研究院規定，無人機蜂群是指40個或更多的無人機系統，該群體作為一個單位，有各自的行為，所有成員都不知道任務，成員之間相互通信，每個無人機系統“會相對于其他無人機系統進行定位”。這些創新包括人工智能、自主性和機器學習的應用，以及美國防部指定為1、2和3組的sUAS進步。sUAS作為一個整體執行任務，包括情報、監視和偵察以及進攻性攻擊。在本文的其余部分，這種威脅將被稱為無人機蜂群。

5 技術可行性

對抗（或稱反制）無人機蜂群提出了三個領域，這對五角大樓和負責保衛美國國土的國家機構來說既是挑戰也是機遇。第一個領域，即技術，美國防部的工作集中在硬件解決方案上。在2021財年，美國防部最初計劃“在反無人機系統（C-UAS）的研究和開發上至少花費4.04億美元，在C-UAS的采購上至少花費8300萬美元。”所有軍種都追求各種尖端技術解決方案來探測、跟蹤、識別和擊敗目標。用于探測的硬件解決方案包括雷達以及電子光學、紅外和聲學傳感器；所有這些都因小型無人機的表面特征和相對速度而限制了其有效性。另一種技術涉及操作員可能需要控制無人機無線電指令信號的探測。擊敗機制包括干擾、欺騙、槍支、網、定向能和標準防空系統等方法。然而，目前的能力給操作者帶來的結果是好壞參半的。目前的措施主要是針對數量較少的無人機，而這些無人機并沒有表現出蜂群行為能力。其他方法，包括美國空軍和國防部在作戰環境中測試的高功率微波（HPM），可能提供更有效的能力來對付無人機蜂群，但專利方面的挑戰可能會限制其有效性。誠然，美國防部可能正在追求更先進的HPM武器，其基礎設施足跡更小，如Leonidas系統，但目前的研究僅限于非保密來源。

美國防部的反無人機系統（C-sUAS）戰略承認了無人機蜂群帶來的戰爭特征變化，但并沒有提到具體的解決技術。考慮到對抗無人機蜂群的近期要求，當前技術的重大局限性給行業帶來了挑戰。此外，美國防部可能沒有關注無人機蜂群的新威脅。相反，開發和采購工作表明，重點是傳感器和武器，以擊敗目前的無人機系統。美國防部2021財年的C-UAS預算主要針對當前設備進行開發，沒有考慮滿足未來需求的技術創新。在COVID-19大流行期間和之后美國防部預算下降的環境下，這種方法可能被證明是低效的，并造成重大風險。各國開發無人機蜂群技術的速度表明，其成熟速度比應對此類威脅的設備成熟速度更快。

觀察家們注意到需要快速創新以減輕不斷上升的威脅，但目前的國防工業基礎面臨著變革的障礙，包括軍事文化和新的商業技術測試。快速創新的一個更常見的問題源于對商業產品的收購，其中知識產權成為系統部署使用的很大障礙。當公司的設備或軟件不一定能互操作時，這個問題就會變得很嚴重，使C-sUAS操作者無法獲得擊敗目標所需的融合、及時和有用信息。軍事文化不一定會獎勵創新的思想家，并且很可能成為快速變革的障礙。雖然美國防部目前的C-sUAS戰略確定了無人機蜂群的威脅，但它沒有充分解決國防部必須如何克服高成本和創新遲緩的技術風險。

（2022年8月14日，在密歇根州格雷靈營地，分配給美陸軍第37步兵旅戰斗隊總部的上士Noah Straman 在北方打擊行動期間發射了DroneDefender）

6 合法的可接受性

C-sUAS戰略的第二個風險來源是在法律限制，特別是在國土上。現行法律為國土上的美國公民提供保護，同時也抑制了美國防部在軍事設施上保護無人機威脅的能力。鑒于無人機的威脅能力和檢測限制的多重影響，無人機蜂群加劇了這種限制所帶來的風險。C-sUAS戰略宣稱，美國防部的主要利益相關者必須與合作伙伴合作才能取得成功。這一當務之急應推動立法解決方案，以擴大這種反無人機設備運行的國內環境權限。

C-sUAS戰略強調了在國土上操作反無人機能力的重大法律挑戰，并斷言：“許多現有的法律和聯邦法規在設計時并沒有將無人機系統作為威脅來處理，而技術變化的持續速度使得法律當局很難跟上步伐。”目前的法律不允許及時發現潛在的無人機威脅，這些威脅可能來自軍事設施之外。《美國法典》（USC）第10條第130i款授權國防部長和武裝部隊指定人員采取所有動能或非動能行動，以“禁用、損壞或摧毀”對“所涉設施或資產”構成威脅的無人駕駛飛機系統。這一法律限制使操作者無法在潛在的無人機威脅到達目標之前將其擊敗。

盡管《美國法典》第10章第130i條授權國防部“在未經事先同意的情況下......通過攔截或以其他方式獲取電訊或電子通訊，探測、識別、監測和跟蹤無人駕駛飛機”，但它并沒有明確說明這一權力是否延伸到基地的邊界之外；如果可在邊界之外，就會給國防部提供戰術優勢。新的授權也不清楚美國防部是否可以在不違反情報監督指令的情況下，在其管轄范圍之外收集所需的無人機信息。此外，針對潛在的無人機蜂群威脅收集此類信息可能會擴大責任。探測目標還需要區分敵方和友方的無人機，鑒于目前的權限，處理與合法民用飛機有關的具體信息可能會有問題。

根據C-sUAS戰略，美國防部必須采取多邊行動，并與執法機構分享威脅信息，如10 USC 130i所允許的。這可能的一種方式是在國家安全特殊事件（NSSEs）期間，聯邦調查局（FBI）可以有臨時的權力來反擊無人機，而無需首先獲得授權。2018年《預防新威脅法》授權國土安全部（DHS）和司法部（DOJ）“通過基于風險的評估，減輕無人駕駛飛機......對設施或資產的安全或安保構成的威脅”。在最近的案例中，聯邦調查局與聯邦航空管理局（FAA）合作，在2020財政年度期間，包括2020年超級碗、2019年世界大賽、2020年玫瑰碗比賽、華盛頓特區的“A Capitol Fourth”和紐約市的新年慶祝活動中，成功對抗了超過200架無人機。聯邦調查局還與國土安全部以及佐治亞州的州和地方執法部門合作，在2019年超級碗比賽期間對抗54起無人機入侵事件；在體育場周圍的臨時飛行限制期間，至少有6架無人機被沒收了。

2018年《預防新威脅法》的描述內容與《美國法典》第10篇第130i條的授權非常相似，但仍不清楚國土安全部、司法部和國防部如何進行實際合作。首先，NSSEs是臨時性的，如果沒有永久性的授權，通過機構間的協調對威脅進行早期預警的優勢幾乎可以忽略不計。對手很可能不會在NSSE期間對國防部資產發動無人機蜂群攻擊。其次，如果國防部發現了其管轄范圍之外的威脅并警告國土安全部或司法部，聯邦、州或地方執法部門不太可能有時間和能力來攔截無人機蜂群威脅。

地方執法部門和私人實體有更少的權力來對抗無人機。根據國土安全部、司法部、交通部和聯邦通信委員會最近的咨詢，采用反無人機技術的非聯邦公共機構和私人可能違反聯邦法律。法律將無人機定義為飛機，任何破壞或摧毀無人機的工具都可能引發涉及《飛機破壞法》和《飛機海盜法》的責任。那些使用無線電頻率探測的人可能會涉及《竊聽/陷阱法》和《竊聽法》的訴訟負責，這取決于該能力是否記錄或攔截無人機和控制器之間的電子通訊。

最后，附帶影響可能導致當地執法部門或私人實體重新考慮采用這些能力。杰森-奈特對城市地區警察機構的考慮進行了分析，并提到了反無人機技術干擾合法地面和空中活動的例子。目前的授權并沒有為國防部對抗無人機群所需的預警能力提供全面的法律基礎。盡管在某些情況下，與東道國或在應急地點的多邊協調可能為防御者提供優勢，但鑒于美國防部的法律限制，在可能試圖使用無人機蜂群來對付關鍵基礎設施時，國土為對手提供了優勢。

（2022年3月30日，第3海軍陸戰隊第9工兵支援營沿海工兵偵察隊的戰斗工程師海軍陸戰隊下士Chance Bellas在菲律賓克拉韋里亞的Balikatan 22期間組裝了小型無人機系統VAPOR 55）

7 條令（理論）適用性

C-sUAS戰略的最后一個障礙是關于有效使用反無人機設備的一個重要但被忽視的方面。該戰略宣稱，隨著技術的成熟，需要制定條令，但僅僅承認企業的需求并沒有解決規劃誰可能操作這些設備的重大挑戰。現在確定條令上的需求將減輕未來的能力差距。美國陸軍必須在保衛空軍基地免受未來無人機蜂群威脅方面發揮更大作用。

采用反無人機能力的一個獨特方面是，它包括在所有領域的行動。具體來說，在空中瞄準和減輕對手的巨大挑戰，需要對三個主要任務領域的分工進行清晰的評估：防空、部隊保護和空域控制。從這些任務領域中提取部署原則對于規劃反無人機能力的戰略用途是有價值的。聯合條令是基于目前的部隊結構和幫助解決復雜問題的責任。規劃對抗無人機蜂群的方法需要對聯合條令中的角色和責任進行更深入的評估。

條令必須考慮到培訓未來在所有領域發揮作用的設備操作人員。在空中領域的操作需要對防空、部隊保護和空域控制有充分了解和精通的人員。設計一個與技術和設備同步發展的部隊結構并為其提供資源，將更有效地阻止和對付先進的威脅。這一發展推動了反無人機蜂群條令開發的權威指導，其也是C-sUAS聯合辦公室（JCO）作為國防部執行機構責任的一部分。此外，聯合辦公室將“協調C-UAS的聯合作戰概念和聯合條令的發展”。然而，這種責任描述沒有考慮到目前國防部各部門在空域控制、部隊保護和針對無人機蜂群威脅的防空方面的角色挑戰。專注于對抗地面威脅的部隊保護軍事人員并不具備對抗空中威脅同時避開友軍飛機的必要知識。對這些人員進行空域環境、電磁波譜、空間作業和天氣等相關培訓，將使他們更有效地運用能力來對付無人機蜂群。在防空方面重疊的責任，特別是美國陸軍和美國空軍之間的責任，可以解決此條令上的挑戰。然而，各軍種都依賴部隊保護專家，這給業務帶來了風險。

條令還包括對角色和任務的劃分，特別是在空軍基地的防空方面。越南戰爭和伊拉克戰爭迫使高級軍事指揮官和各軍種將能力分配給傳統任務，而犧牲了支持戰略和作戰目標的空軍基地防御。特別是陸軍和空軍，自二戰結束以來，一直在為地區和點狀防空任務的具體作用而爭斗。2020年蘭德公司的一項研究強調了目前的辯論：今天，美國陸軍負責為空軍基地和其他固定設施提供點式AMD（防空和導彈防御），但兩軍多年的忽視導致了能力上的不足......陸軍領導層將其機動部隊的移動式短程防空置于固定設施防御之上。

在美國陸軍對海外和國內主要作戰基地的防空資源進行優先排序之前，戰略和戰役目標很容易被無人機蜂群影響。此外，空軍可能會繼續倡導和獲得C-sUAS的能力，而沒有條令上的決議。空軍可能會實現其長期以來的愿望，即在戰術防空方面發揮更大的領導作用——這將與聯合司令部的任務相矛盾，即避免重復工作并獲得效率。同樣，其他軍種可能會繼續購買設備進行試驗，如果沒有跨領域和職能協調，這可能不是最佳或有效的。

蘭德公司的報告還詳細說明了陸軍和空軍在防空方面的角色錯位。2020年的一份國會研究報告提出了一個重要問題：“計劃中的SHORAD（短程防空）部隊結構和能力是否足以應對預測的未來挑戰？”該報告表明，陸軍計劃在現役和后備部隊之間增加18個營的防空能力，這可能不足以滿足支持歐洲威懾倡議和太平洋威懾倡議的陸軍部隊需要。這些能力包括應對無人機系統的威脅，但不包括保衛空軍關鍵資產和主要作戰基地的假定任務。盡管聯合出版物3-0《作戰》要求整合進攻和防御能力，以實現對敵方無人機的空中優勢和部隊保護，但它并沒有明確規定各軍種的角色和任務。這種理論上的模糊性增加了SHORAD資源不足的危險，以應對未來無人機蜂群的倍增效應。

新興技術的發展和使用無人機蜂群可能性的增加使得有必要對條令和軍種的作用進行重新評估。事實上，空軍參謀長已經敦促國防部長辦公室對各軍種的角色和任務進行審查，以確定聯合作戰概念的領導組織，如遠程精確射擊和攻擊下的后勤。這兩個概念都與保護戰略資產免受潛在的無人機蜂群攻擊有關。此外，美國防部缺乏條令指導可能也表明需要評估機構間的概念和方法，以便在民事管轄范圍內采用類似的能力。JCO及其國防部戰略將為持續的條令開發提供基本要素，但更多的工作必須集中在調整各部門的角色和資源上。

8 建議

美國防部對抗無人機蜂群的新方法必須解決技術快速發展的風險，對手可能利用民用和國防部保護關鍵基礎設施之間的法律縫隙，以及防空、空域控制和部隊保護方面固有的條令挑戰。正如2018年美國國防戰略所指出的，國土不再是一個避難所，而是敵人無人機蜂群的目標，這些蜂群可能具有洲際范圍的能力。

（2021年10月14日，夏威夷波哈庫洛亞訓練區，海軍陸戰隊準下士德米特里-謝潑德在布干維爾II期間進行步兵排戰斗課程時發射無人機）

敵對趨勢必須推動國防工業基地采用相對低成本、快速和人工智能的技術解決方案。最初尋求納入未來技術的“第三次抵消戰略”，為減輕這種風險提供了一個特別有用的方法。該戰略探討了蜂群式無人機、高超音速武器、人工智能和人機協作的最佳組合方式，以在戰斗中提供獨特的優勢，但它并不只關注材料和設備。相反，它考慮了如何最好地將人類的創造力與技術的精確性相結合。當應用于對抗無人機蜂群時，人機協作的概念可以為防空事業提供優勢。解決方案應該包括一系列與人工智能軟件完全整合的傳感器，以便更迅速地識別潛在目標，并提高信心水平。美國陸軍的TRADOC小冊子525-3-1《2028年多域作戰中的美國陸軍》指出，這些特征是人工智能和高速數據處理所希望的，以提高“人類決策的速度和準確性”。

值得投資的人機技術項目包括由人工智能驅動的自主蜂群無人機，以通過斗狗來減輕或摧毀敵人的蜂群。喬治亞理工大學在2017年與海軍研究生院合作進行了這種實驗。此外，美國防部的低成本開發能力包括非動能直接能量武器，如戰術高功率微波作戰響應器（THOR）和混合防御限制空域（HyDRA）計劃。THOR為對抗無人機蜂群提供了一種特別有效的能力，因為與HyDRA激光器相比，其影響范圍更大。然而，如果與綜合指揮和控制（C2）界面連接部署并協調，將人工智能與人類結合起來，該系統可比標準防空能力更有效，成本更低。

C2能力必須能夠更快地確定目標，將傳感器與擊敗機制連接起來，并允許人類操作員迅速選擇更有效的武器。最近的報告表明，聯合司令部正在追求這些能力，并可能要求各軍種開發自己的C2系統，以便最終整合到美國陸軍的前線防空指揮和控制系統。其他C2系統包括美國海軍的CORIAN（反遙控模型飛機綜合防空網絡）能力和美國空軍的多域無人系統應用指揮和控制。然而，這些具體的系統目前似乎并沒有與先進作戰管理系統（ABMS）或擬議的聯合全域指揮與控制（JADC2）架構聯系在一起。最近和剛開始的工作表明，在北大西洋公約組織中將使用JADC2概念將傳感器與射手聯系起來以對抗無人機群的倡議。未來的JADC2架構在概念上可以使人類操作員為自己的目的控制敵方的無人機蜂群網絡。無論哪種創新，“第三次抵消戰略”都為應對未來致命的自主無人機蜂群問題提供了一個潛在的寶貴方法。

在不考慮未來無人機蜂群威脅或人工智能發展活動的情況下，追求不同的和針對具體軍種的C2能力將浪費時間和納稅人的資金。相反，美國防部應更快地將2021財年開發的反無人機蜂群C2能力納入JADC2架構。國會責成國防部長評估綜合防空和導彈防御C2系統，其中包括C-UAS能力，并確定它們是否與新興的JADC2架構兼容。這個框架符合國會對自主或半自主能力的偏好，而且操作和維持成本低。盡管互操作性、知識產權、數據管理和信息保障仍然是挑戰，但將C-sUAS C2系統整合到JADC2架構中，將產生更快的殺傷鏈和潛在更低成本的項目。JCO主任肖恩-蓋尼少將最近承認，這種開放的架構方法可能會在日后帶來巨大的安全紅利。 第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

（2021年4月18日，太平洋，分配到第21直升機海戰中隊的海軍二級空勤人員（直升機）丹尼爾-艾爾斯在與兩棲攻擊艦埃塞克斯號的實彈演習中用MH-60S海鷹GAU-21.50口徑機槍向目標無人機開火）

第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

幸運的是，聯邦航空局正在推行幾項舉措來對抗敵方無人機。這些計劃包括將無人機納入國家空域系統，以區分友軍和敵軍的無人機。國防部應積極鼓勵聯邦航空局和美國國家航空航天局繼續各自的無人機行業倡議，包括無人機系統交通管理研究，以“確定服務、角色和責任、信息架構、數據交換協議、軟件功能、基礎設施和性能要求，以實現對低空無控制無人機操作的管理”。這些增加的權力，再加上增強的能力，可以縮小民事和軍事管轄權之間的法律差距，以保護國家基礎設施和國防部的關鍵資產。

最后，美國防部必須通過兵棋推演和演習積極磨練理論，以確定空軍基地防空中最合適的角色和職能。隨著無人機技術的成熟和向友軍提出更復雜的問題，盡早建立正確的部隊結構將更有效地應對挑戰。這將需要進行必要的培訓和適當的資源配置，以滿足國會對有效和低成本設備的需求。正如蘭德公司的研究報告所指出的那樣，沒有單一的行動方案，而是通過組合來提供解決方案。然而，角色和職能的重新調整對于成功至關重要。追求適當的聯合討論將為未來對抗無人機蜂群的強大和基于風險的模式提供基礎，并避免過去的戰略錯誤。

本報告介紹了在三個主要議題方面取得的成果：

• 對小型無人機系統（SUAS）的分布式團隊進行實驗驗證，以協調執行復雜的行為。

• 開發了一個現實的多架無人機模擬器，以應用強化學習技術來協調一組小型無人機系統以達到特定目的。

• 設計并驗證了安裝在無人機上的帶有主動多輸入多輸出（MIMO）毫米波雷達傳感器的融合光學相機。

與驗證SUAS團隊有關的工作提出并實驗測試了我們的態勢感知、分布式SUAS團隊所使用的框架，該團隊能夠以自主方式實時運行，并在受限的通信條件下運行。我們的框架依賴于三層方法：（1）操作層，在這里做出快速的時間和狹窄的空間決定；（2）戰術層，在這里為智能體團隊做出時間和空間決定；以及（3）戰略層，在這里為智能體團隊做出緩慢的時間和廣泛的空間決定。這三層由一個臨時的、軟件定義的通信網絡協調，即使在通信受限的情況下，也能確保各層的智能體小組和團隊之間的信息傳遞稀少而及時。實驗結果顯示，一個由10個小型無人機系統組成的團隊負責在一個開放區域搜索和監測一個人。在操作層，我們的用例介紹了一個智能體自主地進行搜索、探測、定位、分類、識別、跟蹤和跟蹤該人，同時避免惡意碰撞。在戰術層，我們的實驗用例介紹了一組多個智能體的合作互動，使其能夠在更廣泛的空間和時間區域內監測目標人物。在戰略層，我們的用例涉及復雜行為的檢測--即被跟蹤的人進入汽車并逃跑，或者被跟蹤的人離開汽車并逃跑--這需要戰略反應以成功完成任務。

目標搜索和檢測包括各種決策問題，如覆蓋、監視、搜索、觀察和追逐-逃避以及其他問題。我們開發了一種多智能體深度強化學習（MADRL）方法來協調一組飛行器（無人機），以定位未知區域內的一組靜態目標。為此，我們設計了一個現實的無人機模擬器，它復制了真實實驗的動態和擾動，包括從實驗數據中提取的統計推斷，用于其建模。我們的強化學習方法，利用這個模擬器進行訓練，能夠為無人機找到接近最優的政策。與其他最先進的MADRL方法相比，我們的方法在學習和執行過程中都是完全分布式的，可以處理高維和連續的觀察空間，并且不需要調整額外的超參數。

為了給在受限通信條件下運行的SUAS開發一個分布式的分類和協調框架，我們的第一個目標是在無人駕駛飛行器（UAV）上建立一個多傳感器系統，以獲得高探測性能。眾所周知，安裝在無人機上的光學和熱傳感器已被成功用于對難以進入的區域進行成像。然而，這些傳感器都不提供關于場景的范圍信息；因此，它們與高分辨率毫米波雷達的融合有可能改善成像系統的性能。我們提出了一個配備了無源光學攝像機和有源多輸入多輸出（MIMO）毫米波雷達傳感器的下視無人機系統的初步實驗結果。毫米波雷達的三維成像是通過收集通過運動線的數據來實現的，從而產生一個合成孔徑，并使用垂直于運動軌跡的結線MIMO陣列。我們的初步結果顯示，融合的光學和毫米波圖像提供了形狀和范圍信息，最終導致無人機系統的成像能力增強。

美陸軍統一網絡計劃正在推動網絡在2028年之前從一個被認為是看不見的資產變成一個支持多域作戰（MDO）方式的部隊武器系統。美陸軍的統一網絡將提供一種可生存的、安全的、端到端的能力，使陸軍在競爭、危機或沖突期間以及在所有作戰領域（海洋、陸地、太空、網絡、空中）作為聯合/聯盟部隊的一部分進行運作。

美陸軍參謀長的《陸軍向多領域作戰轉型白皮書》和到2028年擁有一支具備多域作戰能力部隊的目標，突出了對陸軍統一網絡的關鍵需求。決策主導權和超額配給能力是MDO的核心，而陸軍只有通過彈性、安全的全球網絡能力和容量才能實現這一目標。在此基礎上，美陸軍統一網絡計劃將多種復雜的網絡現代化工作調整為支持MDO所需的單一、一致的方法。

通過跨領域的努力，美陸軍統一網絡計劃為2028年的Way Point部隊提供了一個統一的網絡，然后隨著信息技術的持續快速發展而不斷進行現代化。

美陸軍統一網絡計劃與陸軍戰略的重點相一致，即建立戰備、現代化、改革陸軍以及加強聯盟和伙伴關系。現有的戰術網絡現代化戰略和實施計劃與陸軍統一網絡計劃相銜接，并保持一致。此外，陸軍統一網絡計劃在多個階段和時間范圍內與2019+陸軍戰役計劃并行，并使其得以實施。

第一階段：近期（目前-2024年）--建立統一的網絡

這一階段已經開始，同步進行綜合戰術網絡（ITN）和綜合企業網絡（IEN）的現代化。這一階段的主要工作包括：

• 對這一階段具有決定性意義的是建立一個基于標準的安全架構，該架構建立在零信任原則之上，最初的主要重點是SIPR網絡的現代化，然后是NIPR的關鍵能力，包括工資、后勤、合同等。

• 美陸軍開始實施一個整體的方法，隨著時間的推移發展統一網絡，使多種努力同步進行，并利用新興技術，如軟件定義和5G及以上的無線網絡，也符合零信任原則。

• 美陸軍正在追隨美國防部副部長辦公室，將無線蜂窩網絡作為戰術和企業網絡使用的一項關鍵技術。這將補充網絡整合，減少對非無線網絡的依賴。

• 這一階段開始時，能力加速進入云基礎設施，同時迅速剝離傳統能力和流程。關鍵是建立共同的數據標準，以實現人工智能（AI）和機器學習（ML）等新興能力。

• 任務伙伴環境（MPE）的持續發展將繼續進行，因為企業努力建立一個持久的能力，并消除浪費的偶發努力。

• 美陸軍將繼續調整部隊結構，以實施國防部信息網絡行動（DODIN Ops）的建設，在一個有爭議和擁擠的環境中運營、維護和捍衛統一網絡。

• 美陸軍必須完成整個企業的網絡融合，以調整單一的陸軍服務提供商，提高網絡的準備程度、標準化和互操作性；提高陸軍的網絡安全態勢；并使DCO快速響應。這種融合為統一網絡的建立創造了條件。

這一階段結束時，建立了一個標準化的綜合安全架構，為統一網絡奠定了基礎，并能在世界任何地方快速部署和立即開展行動。

第二階段：中期（2025-2027）--統一網絡的運作

這一階段從25財政年度開始，繼續融合ITN和IEN的能力。這一階段的主要工作包括：

• 完成DODIN行動的構建，支持部隊結構，使統一網絡在競爭和擁擠的環境中得到防御和運作。

• 這一階段完成了混合云能力的建立，包括加速Al/ML能力發展的戰術編隊。

• 美陸軍將建立一個持久的任務伙伴網絡（MPN），包括從企業到戰術邊緣的所有硬件、軟件、基礎設施和人員，包括在所有戰斗訓練中心（CTC）和任務訓練綜合體的就業。

這一階段在統一網絡完全支持2028年的MDO目標部隊時結束。

第三階段：遠期（2028年及以后）--持續實現統一網絡的現代化

這個階段從28財政年度開始，當陸軍統一網絡在操作上、技術上和組織上完全準備好支持2028年的MDO Way Point部隊。

• 這一階段的決定性因素是全面實施統一網絡現代化的整體方法，利用新興技術，同時剝離傳統的、不太安全的能力。
• 隨著陸軍繼續與聯合/聯盟部隊和任務伙伴進行整合，一些飛躍性的技術能力形成了這一階段。這些技術的最初重點領域包括： -動態和多樣化的運輸，強大的計算，以及邊緣傳感器 -從數據到決定性的行動 -機器人和自主操作 -相應的網絡安全和彈性能力

鑒于信息技術和網絡領域快速和持續的變化速度，這個階段是沒有盡頭的--現代化演變為統一網絡的成熟。這是一個持續的過程，統一網絡沒有固定的結束狀態。

美陸軍統一網絡計劃伴隨著陸軍統一網絡的實施，這是一個美國陸軍執行令（EXORD），它將框架分解為與追求框架內的努力方向（LOE）和支持目標有關的近期和中期的關鍵任務。作為網絡整合和管理的領導者，首席信息官（CIO）和副參謀長（DCS），G-6將使用陸軍統一網絡實施計劃來同步和評估整個部隊和所有任務領域的努力，以建立統一網絡，支持2028年具有MDO能力的軍隊。

本報告詳細介紹了萊斯大學與美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）陸軍研究實驗室（ARL）之間的合作協議的關于網絡軌道上進行的第二年研究工作。這個項目的驅動力是開發自主網絡，以支持分布式多域作戰，同時對近距離的對手具有強大的彈性。這些尖端的網絡必須具有能源和頻譜效率，能夠自適應不同的作戰條件，并且在設計上能夠安全地應對新一類基于學習的威脅。第二年的一個亮點是DEVCOM ARL和萊斯大學的研究人員在整體參與和出版物方面的重要合作。

圖 用于估計場景幾何的示例網絡拓撲。盟軍節點之間正在進行的數據傳輸被解碼并重新用于對坦克進行成像。

1 引言

本項目的最終目標是設計新一代的自主無線網絡，以支持分布式多域作戰（MDO），同時對近乎同行的對手具有強大的彈性。本報告總結了本項目第二年取得的進展，并為未來幾年制定了明確的研究方向。

自主網絡對于使軍隊能夠比對手更快地進行MDO演習至關重要。此外，這些也將促進整個戰斗空間（陸地、空中、海上、太空、網絡空間、頻譜、信息環境）和各種作戰功能（情報、任務指揮、火力、維持、保護、運動和機動）的融合和利用跨領域的協同作用。

為了開發新一代的網絡，該項目已被組織成三個相互關聯的研究方向：

• 從毫米波到太赫茲的安全網絡。材料的創新使人們能夠并且將繼續能夠獲得從低GHz到THz的廣泛頻譜。然而，新的能力帶來了新的挑戰，因為在更高的頻段，通信越來越具有方向性。在這個方向上，我們正在開發新的方法，以利用新興設備的特殊性能，這些設備可以在GHz到THz的頻段上進行傳輸，由萊斯大學的多個實驗室和部署的測試平臺支持。

• 人工智能（AI）驅動的自適應網絡管理。通信能力的最新進展為網絡管理和優化提供了一系列豐富的調整旋鈕。然而，網絡戰是依賴于場景的，并與信道和流量條件以及設備能力緊密相連。在這個主旨中，我們利用人工智能來了解作戰環境，并將網絡的作戰點引導到最佳狀態，甚至在惡劣的條件下。

• 保護網絡免受基于人工智能的威脅。基于學習的攻擊已經打開了一個新的威脅載體，被動的對手可以從聆聽正在進行的傳輸中學習，甚至從加密的網絡中潛在地提取關鍵信息。我們正在開發創新，使對手更難提取信息，創新范圍包括新的天線和新的高層方法。

2 第二年的主要成就

第5、6和7節詳細描述了在這三個方向上取得的進展。作為一個總結性的預演，我們在此提供一份第二年期間每個方向的主要成就清單。

從毫米波到太赫茲的安全網絡

• 實現了一種保護太赫茲鏈路的方法，該鏈路表現出角色散，表明可以同時實現大帶寬和安全。

• 實驗證明了來自 "中間元表面 "攻擊的威脅，其中一個強大的對手試圖截獲高度定向的通信而不被發現。

• 展示了基于多面漏波天線（LWA）架構的強大的移動高定向鏈路的基礎，該鏈路跨度為100GHz至1THz。

人工智能驅動的自適應網絡管理

• 結合圖神經網絡的表達能力和算法展開的靈活性，為多輸入多輸出（MIMO）系統和能量受限的場景設計了可學習的功率分配機制。

• 為聯合學習提出了一個可證明的接近最優的功率分配策略，其中包含了學習系統的特定約束。

• 開發了一種基于圖機器學習的可訓練和可擴展的鏈路調度方法，增強了現有的方法并達到了最先進的性能。

• 設計了一個訪問控制的學習方案，可以在現有協議之間進行切換和調整，以使預先指定的效用最大化。

保護網絡免受基于人工智能的威脅

• 開發了一個無監督的 "無線日記 "框架，無需事先訓練就能識別無線節點的數量。

• 開發了一個框架，在存在錯誤測量的情況下，從一個竊聽者那里估計鏈接率。

• 開發了一種方法，被動地利用空氣中的無線能量來估計場景的地理位置。

支撐的硬件框架

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。

1 引言

美國參謀長聯席會議主席（CJCS）最近就美軍新的聯合作戰概念（JWC）以及相關的新的全域聯合指揮與控制（JADC2）框架對其實現的重要性向國會作證。具體而言，他在2021年6月23日向美國眾議院表示：

• JWC是一項多年長久的工作，旨在針對未來威脅的聯合作戰制定一個全面的方法，并為未來的部隊設計和發展提供指導。JWC的輔助概念描述了關鍵的作戰功能，包括火力、后勤、C2和信息優勢。聯合全域指揮與控制（JADC2）框架使得JWC和輔助概念的整體發展和實現成為可能。

JWC的基礎是全域作戰概念。這是美軍在優化協同效應過程中的下一步發展，這種協同效應是通過在空中、太空、海上、陸地和電磁波譜等所有領域的綜合行動而產生的。這一過程始于1986年戈德華特-尼科爾斯法案的通過，該法案旨在提高美國武裝部隊進行聯合（軍種間）和集成（聯盟間）作戰的能力。如果發展和實施得當，JWC將產生比今天的 "聯合"作戰更決定性、更強大的戰斗結果，在許多情況下，"聯合"作戰只是涉及軍種之間的沖突和整合。為了實現這一目標，美國國防部（DOD）需要認真地將理論轉化為現實。這意味著要采取漸進但具體的步驟來實現JADC2的目標，而不是在實施之前等待一個完整的解決方案。JADC2將需要大量的時間來設計，因為它涉及到現有概念、能力和服務觀點的巨大轉換。然而，為了加速這些工作可以通過快速改進當前的指揮和控制模式來完成。具體來說，現在是時候超越大型的、集中的、靜態的C2設施，轉向移動的、分布式的C2，有能力處理與區域空天聯合行動中心（CAOC）相同的信息量和多樣性。

由于它尋求所有領域的協同作用，包括來自不同領域的能力的互補性，而不僅僅是相加，JADC2的目標是尋求相互依賴，以提高有效性，并彌補每個領域的脆弱性。所期望的軍事效果將越來越多地由共享信息和相互授權的系統互動來產生。JADC2的愿景是通過數字連接的 "膠水"將資產結合起來，成為一個 "武器系統"，在整個作戰區域內進行分解、分布式作戰，而不是在每個領域中建立一套互不相干的、單一的作戰系統。這將需要把每個平臺作為傳感器和 "效應器 "來對待。它將需要一個新的戰斗指揮架構和指揮與控制范式，以實現自動連接，就像今天的移動電話技術一樣。它還將需要安全、可靠和無縫地傳輸數據，而不需要人的互動。

2 設想中的轉型

實現JADC2的總體目標，并將其與實現自我形成、自我修復的綜合體所需的整合程度結合起來，將需要做出巨大的努力，而且并不容易。每個軍種和每個作戰司令部都將參與其中。它將需要克服組織、文化、訓練、采購和政策方面的幾個主要障礙。它將需要連接、決策和快速響應，需要有彈性的網絡和尚未達到的軍種和盟國之間的共享能力。

這些是眾多的、多方面的挑戰，我們的軍隊、軍種和作戰指揮部都在解決這些問題。然而，由于其復雜性，要實現一體化、相互依存、自我形成、自我修復的全域聯合和集成作戰的最終愿景還需要很多年，甚至幾十年。然而，我們所面臨的威脅正在增長，并需要今天的解決方案。因此，現在是時候對JADC2中那些現在就可以改變的要素采取行動，以應對我們今天面臨的威脅和挑戰。

每個軍種和作戰指揮部都有成熟的指揮和控制概念、設施和程序，這些在過去的沖突中證明是可行的。然而，目前存在的各種C2架構都需要進行廣泛的修改，以便在出現的現代威脅面前生存，更不用說運行。

【越來越多的信息獲取需要對指揮和控制進行重組，以促進對易逝目標的快速采取行動，并利用我們的技術能力。信息綜合和執行權力必須轉移到盡可能低的級別，而高級指揮官和參謀人員必須約束自己，以保持適當的作戰層級。】

在所有領域的成功行動的一個核心前提是對航空航天環境的控制。一旦建立，它將促進所有其他聯合和集成部隊的行動和移動自由--沒有它，有效的聯合或集成作戰是不可能的。因此，對航空航天作戰的有效指揮和控制是必須優先考慮的關鍵部分。

我們指揮與控制（C2）空中和太空部隊的能力受到三個主要因素的影響：威脅、技術和信息速度。自美國空軍的空天作戰中心（AOC）--AN/USQ-163 "獵鷹 "的設計、建立和運行以來，這三個領域的變化是巨大的，并在繼續加速。因此，現在是時候確定我們是否可以通過發展目前的作戰概念、組織和采購流程來實現現代化，或者我們必須尋求對這些影響目前戰區空天控制系統的每個要素進行根本性的改變。在提供答案之前，讓我們簡單看一下影響我們有效指揮和控制航空航天作戰能力的每一個趨勢。

3 未來的威脅和作戰環境

3.1 威脅

今天，當試圖在A2/AD環境中作戰時，同行的威脅使目前的C2手段處于不可接受的風險之中。30多年來，我們基本上一直在享受C2優勢，在航空航天領域不受競爭的影響。這些日子已經過去了。軍事競爭對手已經以前所未有的規模完成了現代化。他們已經迅速縮小了與美國、盟國和友好國家軍隊在包括飛機、航天器、導彈、武器、網絡、指揮和控制、干擾器、電子戰、數據鏈接和其他廣泛能力方面的差距。潛在的對手也研究了美國的戰爭方式，與其面對我們（美國）的戰斗力，不如讓我們（美國）遠離他們。他們已經采用并正在擴散反介入和區域拒止（A2/AD）能力，旨在拒絕美國及其盟友的行動自由。減輕這些A2/AD能力帶來了巨大的挑戰，促使我們在更大的風險和遠離潛在沖突地區的情況下行動。

A2/AD能力以三種方式威脅著我們指揮和控制空天作戰的能力。近距離的對手可以使用動能和非動能武器，從我們的天基資產中拒絕我們（美國）的通信和情報、監視和偵察（ISR），從而孤立我們（美國）的部隊并蒙蔽我們（美國）的視野。網絡攻擊正變得越來越復雜，可以破壞我們完善的空中和太空聯合作戰中心的運作。精確的遠程巡航導彈和彈道導彈現在威脅著這些大型、固定和脆弱的設施。作為產生戰略、計劃和空天資產任務指令的工廠，建設空天聯合作戰中心已經成為一個極其有利可圖的目標。

3.2 技術

新技術正在促成新的能力，以優化C2機制，達到預期效果。我們需要超越傳統文化對新技術的限制來思考。例如，下一代飛機在傳統術語中可能仍被標記為戰斗機、轟炸機、空運機等，但由于傳感器、處理能力、武器、能源生產和其他能力的微型化，在技術上它們有能力執行多種任務。它們實際上是飛行的 "傳感器效應器"，可以形成由冗余節點和多殺傷路徑組成的高度彈性網絡的基礎，以盡量減少目前高度集中和有限的C2節點（如CAOC）的關鍵系統價值，這些節點敵人可以輕易地將其作為目標。

【JADC2將需要很多時間來設計，因為它涉及到對現有概念、能力和服務觀點的巨大轉變。然而，加速這些工作可以通過快速改進當前的指揮和控制模式來完成。】

這將需要領先的網絡能力、有保障的通信，以及解決我們的數據帶寬挑戰的不同方法。例如，為了解決來自先進傳感器的爆炸性數據增長，與其建造更大的管道來傳輸收集的數據，不如現在提高處理能力，使得機載數據的處理成為可能，并且只對用戶感興趣的內容進行分發。這種方法顛覆了我們今天處理情報、監視和偵察的方式。

快速的信息交流在戰斗的前沿尤其重要，因為實際數據的價值往往是短暫的，并隨著時間和環境的推移而減少。開發一種技術方法，在不同的用戶之間、在多個分類和盟國及伙伴國之間自動和快速地分享信息，將是創建未來部隊的一個關鍵。

古老的格言，"速度就是生命"，不再僅僅是指飛行--它也是指快速發展的軟件工具，用于戰斗和勝利。我們必須跳出歷史上刻在我們集體心靈中的組織結構的思維。以網絡為中心的、相互依賴的、功能整合的作戰是未來軍事成功的關鍵。

3.3 信息傳遞速度

電信、傳感器、數據存儲和處理能力方面的重大進步每天都在出現。因此，瞄準周期已經從幾周到幾天發展到幾分鐘，從多架、專門和獨立的飛機發展到一架飛機在幾分鐘內 "發現、修復和完成 "的能力。越來越多的信息獲取需要對指揮和控制層次進行重組，以促進對易逝目標的快速介入，并利用我們的技術能力。信息綜合和執行權力必須轉移到盡可能低的級別，而高級指揮官和參謀人員必須約束自己，以保持適當的戰爭水平。

要超越大型的、集中的、靜態的指揮和控制設施，轉向移動的、分布式的C2，并有能力處理與今天的區域性聯合空天作戰中心相同的信息量和多樣性，將需要重新評估該部門如何處理信息流。這種未來能力的兩個最重要的方面將是通過它所提供的同步 "控制 "實現 "指揮 "的蛻變。

"指揮的藝術"將實現梅特卡夫定律的網絡價值（梅特卡夫定律指出，電信網絡的價值與系統連接用戶數量的平方成正比），而控制的科學將繼續應用摩爾定律的擴展技術來擴展人類能力。

4 空天C2的新架構

我們現在正處在一個威脅、技術和信息速度要求改變指揮和控制空天部隊的既定架構的關口。所有軍種都已認識到這一點，并已開始行動，為各自的領域制定新的作戰概念。面臨的挑戰是如何確保每個軍種的作戰概念都被整合到一個統一的聯合全域指揮和控制架構中。

該作戰云的開發理念是建立一個情報、監視和偵察、打擊、機動和維持綜合體，利用信息時代的技術進行高度互聯的分布式作戰，它將迎來一個完全不同的戰爭架構。JADC2的根本基礎是將準確的、高質量的信息下放到最低的信息節點，以達到預期的效果，而不考慮服務、領域或平臺。

美國空軍實現這一目標的方法是努力設計和開發一個先進的戰斗管理系統（ABMS）。ABMS的要素已經被定義，但它們還沒有發展成一個可執行的指揮和控制架構。要達到JADC2和ABMS所期望的最終狀態，即以安全、可靠和強大的方式在整個戰斗空間進行無處不在的無縫信息共享，將需要多年時間。鑒于重大威脅的快速演變和當前C2設施的脆弱性，軍方必須現在就修改當前的空天部隊的指揮和控制結構。

需要一個新的架構來支持一個作戰概念，以實現最近被納入美國空軍理論的集中式指揮、分布式控制和分布式執行的C2范式。建立一個新的作戰指揮架構不需要技術上的突破，因為已經存在的技術可以應對分布式指揮和控制功能的直接挑戰，使其不能通過對幾個關鍵的C2節點的打擊而被消除。

美國空軍一直在開發一個支持其新理論的作戰概念，即敏捷作戰部署（ACE）。敏捷作戰行動是一個概念，它在短時間內將部隊和資產分散到多個分離的地點，以使對手的計劃變得復雜。有了適當的C2系統，ACE可以從許多可防御、可持續和可轉移的地點將對手的目標置于危險之中。應用這一概念的細節取決于使用的戰場，但從根本上說，想法是一樣的，指揮和控制是這一概念成功的根本。

空天聯合作戰中心將仍然是在不太嚴重的地區沖突期間進行C2操作的可行手段。然而，為了實現JADC2的目標，該部門將必須向戰斗空間邊緣的作戰人員提供信息，而不依賴于傳統的聯合空天作戰中心模式，即數百人圍繞著獨立的任務區組織起來的小部門。

因此，該部門必須迅速超越我們今天所依賴的大型集中式聯合空天作戰中心結構，發展為一套更加靈活和分布式的流程和指揮與控制結構。同時，這個新架構必須能夠適應空戰管理系統和JADC2的發展。但鑒于這些項目的緩慢發展，我們不能等待開始改變空天部隊的C2架構。

這個新架構有許多選擇：建立加固的空天聯合作戰中心，并將功能遠程分配給指定的單位；將目前納入空天聯合作戰中心的規劃功能分配到多個地點，并在它們之間共享所產生的規劃；通過轉移與連接水平相對應的執行權力，建立基于作戰單位和其各自指揮要素之間連接程度退化的執行過程和程序。

無論選擇什么樣的發展方式，有一點是肯定的，美國空軍必須做出堅定的努力來分配必要的指揮和控制功能，以確保在有爭議的環境中有效使用空天部隊，而且這種努力必須現在就開始。

JADC2的根本基礎是將準確的、具有決策質量的信息下推到最低的信息節點，以達到預期的效果，而不考慮服務、領域或平臺。

作者：

David A. Deptula，美國空軍中將（退役），是弗吉尼亞州阿靈頓的米切爾航空航天研究院院長，也是美國空軍學院的高級軍事學者。他是1991年 "沙漠風暴 "行動空襲的主要策劃者；1990年代末伊拉克上空禁飛區行動的指揮官；2001年阿富汗上空空襲行動的指揮官；兩次擔任聯合特遣部隊指揮官；并擔任2005年南亞海嘯救援行動的空中指揮官。他是一名戰斗機飛行員，擁有超過3000個飛行小時--400個戰斗小時--包括F-15戰斗機的多個指揮任務。他曾擔任空軍第一個情報、監視和偵察（ISR）三星級主管，在那里他改造了美國的軍事ISR和無人機事務。