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美國政府問責辦公室（GAO）6月17日發布報告指出：盡管美國陸軍將防空反導系統升級置于快速開發軌道并投入數十億美元，但實際成效甚微。

報告《陸軍現代化：防空反導建設可借現代實踐獲益》稱：“美陸軍選擇加速采辦路徑和彈性協議類型來開發部署系統以滿足能力需求——并通過預算流程增列資金申請予以支持——但當前多數防空反導現代化項目尚未形成實戰能力。”

“陸軍正斥資數十億美元進行系統現代化改造以解決已識別的能力缺口，”報告強調，“然而，即使采用加速采辦路徑并增加資金投入，除‘反小型無人機系統’外，陸軍實際部署的能力仍極為有限。”

報告指出，近年來陸軍為應對潛在對手，重新聚焦防空反導系統升級。雖然相關行動始于俄烏沖突前，但這場戰爭突顯了無人機作為飛行彈藥的創新戰術與規模應用。

2021年陸軍為2021-2025財年防空反導系統申請約88億美元預算。至2025年，相關預算申請已增至118億美元——凈增30億美元。報告解釋該增幅源于“新增未出現在2021財年預算的系統，以及資金需求變化”。

報告顯示，自啟動防空反導現代化進程以來，美陸軍“已確立七項核心能力建設項目，并在總統預算提案中持續追加撥款”。這七大系統包括：

• “一體化作戰指揮系統”：防空反導體系核心，實時分發傳感器數據
• “機動近程防空系統”：防護地面部隊抵御無人機等空中威脅
• “定向能機動近程防空系統”：研發車載激光武器
• “間接火力防護能力二期”：保護補給站等固定設施
• “間接火力防護能力高能激光/高功率微波系統”：定點防御空中威脅
• “低層防空反導傳感器”：新一代雷達系統
• “反小型無人機系統”

報告指出，在能力建設過程中，陸軍“未充分應用數字化工程（含數字孿生技術）等先進產品開發實踐”。領軍企業普遍采用“迭代式產品開發法”：通過“設計建模、仿真驗證與生產的閉環流程，快速交付用戶核心需求”。

七大項目中，“一體化作戰指揮系統”及“間接火力防護能力高能激光/高功率微波系統”應用了該模式，其余五項未采用。但報告強調：“無論開發模式如何，所有防空反導項目均未充分運用可加速進程的現代設計工具。”

其中六項采用了仿真與三維建模技術（基于預設數據的靜態模擬工具）。報告指出其固有局限：三維模型更新需人工介入，數字仿真受預設參數制約。報告建議采用工業界的“數字孿生”（具備實時更新能力的數字化身）與“數字線程”（全生命周期數據互聯）工具鏈。“應用數字孿生技術的企業，其設計迭代與產品交付效率顯著提升。”

調研發現七大項目中多數無應用數字孿生或數字線程的計劃。鑒此，問責辦公室提出六項建議：

1. 開發“機動近程防空系統”4/5期及“間接火力防護能力”新型導彈時采用迭代開發法
2. 評估四大項目應用軟硬件融合數字孿生技術的“可行性、效益與成本效益”：
   • 一體化作戰指揮系統
   • 機動近程防空系統1/2/3期
   • 間接火力防護能力系統
   • 低層防空反導傳感器

報告警示：“若不評估現代設計工具的可行性、效益及成本效益并在防空反導現代化中推廣，陸軍或將錯失快速形成戰力的機遇。”

報告建議

生成高質量標注合成圖像數據的能力，是構建和維護機器學習數據集的關鍵工具。然而，確保計算機生成數據質量達標極具挑戰性。本報告旨在評估并改進"虛擬自主導航環境系統與環境傳感器引擎"（VANE::ESE）生成的合成圖像數據，同時記錄為處理、分析VANE::ESE圖像數據集并基于其訓練模型所開發的全套工具集。研究還呈現多項實驗結果，涵蓋對可解釋AI技術應用的探索，以及在不同合成數據集訓練的多模型性能對比分析。

虛擬自主導航環境（VANE）是由軟件工具與虛擬場景構成的自動駕駛建模與仿真系統集合。其環境傳感器引擎組件（VANE::ESE）專用于在虛擬環境中高精度模擬車輛傳感器物理特性（涵蓋攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等）（Carrillo et al. 2020）。本報告聚焦評估、優化VANE::ESE仿真引擎在生成合成圖像數據方面的性能——該類數據用于訓練機器學習（ML）計算機視覺模型，以執行目標檢測與圖像分類任務。合成數據生成能力的核心價值體現在兩方面：首先，因數據基于預設場景生成，可為每個圖像樣本實現自動標注，能零成本構建超大規模數據集；其次，可構建特定虛擬場景生成數據，有效覆蓋現實采集難以企及的高危邊界場景（例如戰損建筑或車輛的圖像數據）。快速生成特定場景的標注數據集對機器人與自主系統等廣泛領域具有重要價值。

然而，利用合成數據訓練ML模型仍面臨雙重挑戰：其一，海量合成數據集存在標注準確性保障及多格式標簽轉換等通用問題；其二，彌合真實數據與合成數據之間的差異尤為困難。現有研究提出多種解決方案——包括通過全域自適應技術改進模型（Wang and Deng 2018）、采用生成對抗網絡轉換圖像（Pfeiffer et al. 2019），以及直接提升仿真圖像的視覺真實感。真實圖像數據存在巨大差異（即便同類物體樣本間亦如此），要在保留準確標注的前提下復現這種差異性與真實度極具挑戰。本研究采用務實性操作路徑優化VANE::ESE圖像數據：接收生成數據集→運用本報告記錄的多重方法與工具分析→向開發團隊反饋優化建議→迭代提升后續數據集質量。

本工作的核心目標是提升VANE::ESE合成圖像數據在目標檢測與分類神經網絡訓練中的泛化能力，次要目標是開發并完整記錄用于處理分析VANE::ESE數據集的軟件工具集。

聯合火力自動化（JFA）項目旨在將聯合火力指揮與控制（C2）數字化，以支持聯合目標定位周期。聯合目標定位周期中的一個重要步驟是為目標分配武器，以最大限度地提高總體效果。在科學文獻中，這一問題被稱為武器目標分配（WTA）問題。雖然有一些算法可以解決這個問題，但它們并沒有考慮移動武器。近年來，隨著無人駕駛航空系統（UAS）的發展，移動武器的使用變得更加便利，從一個目標移動到另一個目標的時間不再可以忽略不計。本科學報告介紹了一種算法，該算法在為武器分配目標時考慮到了武器的移動。對新問題進行了正式定義，并開發了一種啟發式方法。還開發了一個數據生成器，用于生成與現實生活類似的實例。結果表明，所開發的算法可以在可接受的時間內解決生成的實例。

本科學報告介紹了一種為目標分配武器的算法的開發情況。所解決的問題適用于陸地目標定位周期。它符合聯合火力現代化（JFM）資本項目，該項目旨在開發傳感器到射擊的概念和原型。簡而言之，所提出的算法利用從傳感器獲得的信息，以集中的方式有效地將目標分配給武器。報告的主要成果之一是介紹了為在分配質量和執行計算所需時間之間找到適當平衡而進行的戰略探索。這些成果將指導今后在這一主題上的發展。盡管主要是探索性的，但本報告強調了在設計這些算法時必須做出的一些權衡。在使用決策支持工具時，這些取舍會產生重大影響，用戶應予以理解。

報告概述如下：第2節回顧了科學文獻中的類似問題。第 3 節對問題進行了正式描述。第 4 節介紹了一些解決策略和數據生成器。第 5 節介紹并評論了所獲得的結果。第 6 節為結束語。在整個報告中，使用了標準符號。讀者可參閱表 9 了解所用符號的說明。

據美國防部稱，潛在對手正在擴大和增強其攻擊美國的導彈能力，而美國現有攔截器的計劃使用壽命即將結束。為應對這一挑戰，美國防部表示需要在 2028 年之前開始部署 NGI。為協助這項工作，MDA 計劃使用虛擬工具和軟件來提高計劃的效率。

美國會在法規中規定，MDA 每年報告 NGI 的開發目標、成本和利益相關者審查情況，并由 GAO 評估 NGI 的采購進度。本報告討論了 MDA (1) 在開發 NGI 方面取得進展的程度，(2) 應對 NGI 重大技術風險的程度，以及 (3) 實施虛擬環境以促進 NGI 開發的程度。

GAO 審查了美國防部文件和獨立的風險、成本和測試評估，并采訪了國防部官員。GAO 進行了實地考察，以觀察 NGI 發射設施和關鍵支持雷達的建設情況。

美國政府問責局向國防部提出了五項建議，包括定期與利益相關方就 MDA 的威脅要求進行協調，確保性能模擬充分反映 NGI 預計運行的環境，以及定期評估實施虛擬環境的努力。國防部同意一項建議，但不同意其他四項建議。正如本報告所討論的，美國政府問責局認為所有建議都是有效的。

美國政府問責局的發現

美導彈防御局（MDA）正在開發一種新系統--下一代攔截器（NGI）--以抵御復雜的導彈攻擊（見圖）。國防部 (DOD) 責成 MDA 加快該系統的開發，并從 2028 年開始部署攔截器。

NGI 計劃將于 2024 年開始產品開發，但該計劃正計劃將設計和生產活動重疊，以加速飛行測試。任何重大的設計問題都可能擾亂這一戰略。此外，與類似武器系統的開發時間表相比，NGI的時間表已經很樂觀了，而且MDA歷史上也有未實現測試目標的情況，正如美國政府問責局在2023年5月報告的那樣（GAO-23-106011）。NGI 的成本也增加了數億美元，但該計劃仍在計劃資金范圍內。由于供應鏈問題和材料成本上升，MDA 官員預計成本還會進一步增加。

2022 年，美國防部的獨立審查確定了多個高風險項目，以及 MDA 為降低技術風險可采取的行動。MDA 不同意風險評估的關鍵方面，迄今為止，已采取有限措施來降低這些風險。例如

• MDA 尚未完全執行國防部官員關于更新 NGI 威脅相關性能要求、監控和報告威脅變化以及與利益相關方合作的指示。
• MDA 打算根據 NGI 性能模擬做出關鍵的采購決策，而這些模擬并不完全代表作戰人員打算如何使用該系統--這是驗證 NGI 設計是否足夠成熟并將滿足性能要求的必要步驟。

如果不及時處理這些風險，MDA 將增加日后發現性能不足的可能性，從而延誤項目。

MDA 在建立虛擬環境以實現 NGI 開發協作方面取得了一些初步進展。然而，MDA 遇到了挑戰，沒有按計劃定期評估實施進度。這樣做可以幫助 MDA 確定潛在的效率，以便在最后期限前實現實地部署。

本報告向國會提供了海軍正在開發的用于水面艦艇自衛的艦載固體激光器（SSL）的背景信息和問題。海軍 2025 財年擬議預算要求繼續為其中一些工作提供研發資金。

美海軍于2014年在一艘海軍艦艇上安裝了第一臺能夠對抗水面艦艇和無人機（UAV）的固態激光器原型機。從那時起，海軍一直在開發和安裝更多的 SSL 原型，以提高反水面飛行器和無人機的能力。海軍正在開發的更大功率 SSL 可能具有反艦巡航導彈 (ASCM) 的能力。目前海軍開發 SSL 的工作包括：

• 固態激光技術成熟（SSL-TM）工作；

• 海軍光學眩暈攔截器（ODIN）；

• 海軍水面激光武器系統（SNLWS）增量 1，又稱集成光學眩光和監視功能的高能激光器（HELIOS）；以及

• 高能激光反反艦導彈計劃（HELCAP）。

美國國會面臨的問題是是否修改、否決或批準海軍的艦載激光器開發項目的采購戰略和資金申請。國會就此問題做出的決定可能會影響海軍的能力和資金需求，以及國防技術和工業基礎。

本科學報告探討了地基防御系統（DS）攔截以地面為目標的巡航導彈（CM）的有效性。該分析開發了一些公式和算法，用于描述地基防御系統針對來襲威脅的交戰機會大小，以促進兵棋推演中的巡航導彈防御分析。根據交戰機會的大小以及所采用的射擊和瞄準策略，計算和分析擊毀一枚或多枚來襲 CM 的概率。然后制定交戰機會數量及其位置的公式，用于分析威脅和 DS 的屬性如何影響成功殺死來襲威脅的可能性。最后，本文將前面的分析擴展到 DS 與 CM 最終目標不在同一地點的情況。總之，本文提供了一系列方便的公式和算法，可為涉及集束彈藥防御的兵棋推演編制參考資料。

雖然威懾是抵御導彈攻擊的第一道防線，但當威懾失效時，就必須建立各種機制，確保人民的安全，使其免受對其領土的實際攻擊。任務式指揮是進行航空航天預警、航空航天控制和海上預警，因此確定如何最好地防御是司令部特別關心的問題。本分析報告旨在支持防空司令部開展的兵棋推演活動。本報告提供了一些方程式和算法，使兵棋推演者能夠快速方便地評估游戲中與巡航導彈防御有關某些行動的成敗，作為了解當前和未來防御戰略的更大工作的一部分。

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。

由于成本、能力、政策和法規等因素，美國海軍（USN）和美國海岸警衛隊（USCG）艦艇上無人機系統（UAS）的使用目前受到限制。本分析報告的主要目的是研究 1-3 類 UAS 在執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及后勤任務時對水面艦艇性能的影響，并考慮小型 UAS 系統的哪些性能參數可能對執行這些任務最有意義。本研究使用的數據包括公開的無人機系統規格、艦船規格和指標，以及以前進行的成本/預算分析。這些信息被用來為潛在任務的各種模型提供信息，這一工具有助于根據用戶需求和成本分析選擇無人機系統。這些分析結果表明，無人機系統有利于其可能執行的任務--即相對于其他機載資產而言，能夠支持其較短的作戰時間和航程的任務。對于 ISR/SAR 場景，分析表明，與沒有航空資產的艦船相比，無人機系統可增加識別目標的數量，并縮短完全搜索作戰區域的總體時間。在后勤運送場景中，無人機系統被用于從港口取回貨物，與完全轉向港口的船只相比，無人機系統減少了運送貨物所需的成本和時間。

盡管目前美國海岸警衛隊（USCG）和美國海軍（USN）艦隊在較小的水面艦艇上使用的有機（即從艦艇上發射和回收）無人機系統（UAS）有限，但海軍作戰部長（CNO）的 2021 NAVPLAN [1] 包括了到 2045 年實現混合艦隊的目標。許多無人機系統資產能夠執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及輕型補給任務。在合適的行動中利用這些系統替代有人駕駛系統，可以節省實現任務目標所需的關鍵時間和精力。本研究旨在確定可提高美國海軍和美國海岸警衛隊艦艇執行關鍵任務性能的無人機系統參數，建立無人機系統行為和影響模型，與目前采用的替代方案進行對比，并提出一種方法，用于對考慮集成到水面艦隊的無人機系統替代方案進行早期評估。

本研究總結了無人機系統在一般情況下和海上環境中使用的相關文獻。研究還總結了所收集的有關無人機系統和船只類型的信息，以及它們的相關參數、規格和能力。然后，將收集到的信息綜合成 "無人機選擇工具"，分析無人機系統要求與船舶制約因素之間的相互作用。這個基于 Excel 的工具考慮了

• 哪些通用無人機系統參數在作戰場景中最有價值。
• 特定的無人機系統在這些參數上能達到什么能力。
• 哪些艦艇可以支持特定的無人機系統。

然后，該工具會計算出每種艦船類型可運行的無人機系統，以及每種無人機系統的相對價值。該工具可根據無人機系統、艦船類型和利益相關者偏好的實際數據輕松更新。利益相關者可利用該工具指導對特定無人機系統解決方案的進一步研究。

無人機選擇工具開發完成后，將考慮無人機系統對作戰方案的影響。這是通過場景開發和建模來實現的。首先，為 ISR、SAR 和后勤任務制定了名義上的作戰方案。然后，描述每種情景的相關指標（例如，搜索一個區域的平均時間）。最后，介紹包絡計算以及通過 ExtendSim [2] 進行的高保真模擬建模。ExtendSim 由 Imagine That Incorporated 公司開發，是一套功能強大的仿真軟件，可以進行連續、離散事件和其他形式的仿真建模[2]。然后使用這些模型來考慮各種艦船和無人機系統參數（例如無人機系統速度）的變化如何影響通過相關指標評估的任務性能。

對于所考慮的 ISR 場景，分析表明，加入無人機系統能力可顯著縮短搜索區域的平均時間。由于無人機系統的航拍時間是有限的，而搜索時間會隨著搜索范圍的擴大而增加，因此對較小區域的影響更大。隨著場景中目標數量的增加，無人機系統對縮短時間的影響也會增加。關于執行 ISR 任務的無人機系統參數，無人機系統的速度是關鍵--如果無人機系統的速度接近艦船的速度，無人機系統的影響就會減小。

在搜索和救援分析中，當使用無人機系統增加傳感器寬度時，無人機系統的能力可顯著縮短搜索箱的時間。在此，分析表明，無人機系統的總飛行時間是一個關鍵因素，無論是通過增加無人機系統還是延長續航時間來實現。無人機系統的傳感器寬度也是一個關鍵因素，傳感器范圍越寬，搜索箱所需的時間就越少。不過，雖然無人機系統可用來縮短搜索時間，但無人機系統的假定探測概率也很重要。如果探測概率較低，這種使用模式可能會導致總體探測次數減少。

還考慮了一種情況，即使用無人機系統提高總體探測概率，而不是增加傳感器寬度。在這種情況下，無人機系統實際上對場景時間沒有影響。與之前的合成孔徑雷達方案一樣，探測概率非常重要，在考慮的無人機系統探測概率較低的情況下，無人機系統對方案未探測到的影響可以忽略不計或為負值。在所考慮的無人機系統探測概率的高端（與假定的艦船探測概率相似），無人機系統對情景下未探測到的平均次數產生積極影響（即減少未探測到的次數）。最后，在需要發現的目標總數較少的情況下，無人機系統對未探測到目標的影響可以忽略不計，但隨著目標的增加，其影響也會增加。

此外，在水面艦隊中增加無人機系統執行 ISR 和 SAR 任務的影響方面，出現了以下趨勢：

• 在 ISR 情況下，無人機系統的速度是關鍵參數。
• 一般來說，在探測概率高的情況下，搜索次數越多，未探測次數就越少，而在探測概率低的情況下，搜索次數越多，未探測次數就越多。這意味著在獲取新系統時必須仔細考慮無人機系統傳感器。
• 與直覺相反，在搜索較小區域時，擁有無人機系統能力對 ISR 和 SAR 任務指標的影響更大。這是因為更大范圍的搜索需要更長的時間，而無人機系統的飛行時間有一個硬性上限。

當 ISR 和 SAR 環境中有更多目標需要尋找或確認時，無人機系統就更有可能產生影響。此外，還考慮了在水面艦隊中增加無人機系統的成本影響。分析表明，即使將無人機系統的采購成本計算在內，較小的現成商用無人機系統（COTS）解決方案的每小時成本也可能大大低于傳統的載人資產。隨著商用現貨無人機系統解決方案成本的增加，其每小時成本將接近載人資產成本的低端。這一分析取決于無人機系統的飛行小時數，因為其中包括固定采購成本。無人機系統資產的飛行時數越多，其比較單位成本就越低。本研究還考慮了無人機系統成本收支平衡的飛行小時數，或者說單個無人機系統的采購投資已經通過降低支持地面機隊的邊際成本而收回。這項分析假定無人機系統的飛行時數取代了載人資產的飛行時數。在此，如果假定所有無人機系統的飛行時數都能替代有人值守資產的飛行時數，那么成本較低和較高的 COTS 無人機系統都能迅速達到運行時數的盈虧平衡點。然而，對于成本較高的系統而言，運行小時盈虧平衡點在很大程度上取決于假定的替代率。對于假設的高端 COTS 無人機系統，如果單個無人機系統的 50%飛行小時可替代載人資產飛行小時，則達到運營小時盈虧平衡點的飛行小時數將比 100%替代率情況下增加約 680%。

歸根結底，在其他條件相同的情況下，將無人機系統納入水面艦艇編隊很可能會提高孤艦在 ISR 和 SAR 任務中的性能。將無人機系統集成到較小的水面艦艇中還將為指揮官提供更大的靈活性，以適應作戰挑戰。然而，并非所有的無人機系統都具備適當的速度、任務續航時間和航空電子設備組合，以提供有意義的能力。那些能夠提供有意義能力的無人機系統可能更大、更昂貴。這表明，必須謹慎選擇要集成的無人機系統。

在這份科學報告中，研究了一個導彈防御的問題，其中有異質的來襲再入飛行器（RVs）。也就是說，這些再入飛行器由不同類型的導彈組成。防御系統利用也是導彈的攔截器來試圖攔截再入飛行器。我們建議，在有異質RV的簡單交戰場景中，防衛方可以使用最佳最后交戰機會（SLS-OLEO）的射擊戰術來優化其在最后交戰機會中的突襲否定概率（PRA）。為了優化這種方法，我們利用天體動力學、帶約束的微積分、微擾理論、動態規劃和生成函數以及PRA的凹特性來比較各種射擊戰術。這種方法使我們能夠確定針對RV的攔截器的最佳分配，使PRA最大化。此外，我們還考慮了PRA如何有助于綜合系統有效性的概率（PISE），這反過來又決定了彈道導彈防御系統（BMDS）的全球有效性。原則上，該方法一般適用于導彈。然而，我們確定交戰機會數量的方式是基于彈道導彈的。

對國防和安全的意義

在導彈防御方面，至關重要的是，防務部門要消除來襲的RV，以保護其資產和人口。眾所周知，有一種基于RVs數量、攔截器數量及其特性（如單發殺傷概率（SSBK）和交戰機會數量）的發射策略，可以最大限度地提高突襲否定的概率，即PRA。然而，當來襲的RV由不同類型的導彈組成時，這樣的策略需要修改，因為現在的情況更復雜了。我們表明，用本報告所制定的策略仍有可能使PRA最大化。這一點很重要，因為最大化PRA意味著最大限度地挽救人口中的生命數量。

引言

對防空的作戰分析可以追溯到1930年代（Kirby和Capey[1]）。從那時起，防空研究有了很大進展，特別是在導彈防御領域。目前關于彈道導彈防御系統（BMDS）的文獻的特點是，分析集中在整個系統的孤立方面。具體來說，有關于理論發射理論（Soland [2]）、射-看-射戰術（Wilkening [3]）、命中評估（Weiner等人，[4]）、軌道力學（Cranford [5]）和綜合概率模型，如綜合系統有效性概率（PISE）（Boeing Co [6]）的研究。相比之下，本科學報告側重于突襲湮滅概率（PRA），它是PISE的一個核心組成部分，也是BMDS有效性的一個關鍵決定因素。

為了證明PRA的重要性，我們在涉及異質再入飛行器（RVs）的交戰場景中比較了三種發射戰術。在對結果進行嚴格的比較后，我們說明，雖然 "射擊-觀察-射擊與最佳最后交戰機會"（SLS-OLEO）沒有產生最大的PRA，但它在一個簡單的交戰場景中提出了最實際有效的PRA。也就是說，我們并不假定來襲的RV的數量是完全已知的。我們還探討了是什么使PISE成為BMDS框架的一個重要組成部分，并提出了兩個可以提高PISE的戰術。我們相信，作戰研究界的成員將能夠利用這些發現來評估BMDS的全球有效性。

為了幫助關注這個問題，我們定義了一個由五個異質再入飛行器（RVs）和二十個攔截器組成的例子情景，（Wilkening [3]）。這個場景當然不是一個飽和的場景，即RV的數量超過了攔截器的庫存，正如（Dou等人，[7]）所調查的。由于彈道導彈防御（BMD）的復雜性，有些特點和方法我們無法在本報告中涉及或深入分析。與其他研究相比，我們的視角是單面的（僅是防御），而不是雙面的（防御和進攻，Brown等人，[8]；兩階段博弈，Hausken和Zhuang[9]）。我們的研究也主要限于地基攔截器（GBI），而不是其他發射平臺，如閑逛的飛機（Burk等人，[10]）。我們不考慮誘餌（Washburn[11]）。我們注意到，BMD也可以使用基于代理的模擬（Garrett等人，[12]和Holland等人，[13]），或使用馬爾科夫鏈（Menq等人，[14]）進行建模。Park和Rothrock[15]研究了在導彈防御中框定人類主體的效果。實時威脅評估和武器分配（TEWA）的細節可以用3維穩定的婚姻算法來建模（Naseem等人，[16]）。針對一系列RV的防御性武器的最佳組合可以用線性編程來建模（Beare [17]）。盡管有這些假設和簡化，我們相信我們的方法為理解BMD提供了一個簡單的方法，同時也為評估BMDS的有效性提供了一個直接和統一的方法。

本文的組織結構如下： 第2節描述了交戰機會的數量；第3節介紹了三種已知的可用于對付相同（同質）RV的發射戰術；第4節擴展了一些用于異質RV的發射戰術，并提出了一種新的戰術；第5節描述了PRA的凹性；第6節利用凹性來確定全球最佳PRA；第7節說明了有效性的措施；第8節討論了PISE和改進它的方法；我們在第9節中得出結論。

本文是2014年發表的另一篇論文（Nguyen [18]）的完整和擴展技術版本，增加了一些新的內容，包括考慮新的射擊戰術（在第4節）、PRA的凹性（在第5節）和全局最優PRA（在第6節）。雖然第7節中的有效性措施在現有文獻中可以獲得，但我們根據第4、5和6節的新穎性來確定這些有效性措施。據我們所知，在文獻中還沒有任何論文將所有這些方面的內容匯集在一篇關于BMD的文章中。這篇文章的初步結果發表在一個會議記錄中（Nguyen和Miah[19]），它利用遺傳算法來優化有效性的措施。

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。