準確和強大的自主水下導航（AUV）需要在各種條件下進行位置估計的基本任務。此外，美國海軍更希望擁有不依賴外部信標系統的系統，如全球定位系統（GPS），因為它們會受到干擾和欺騙，并會降低操作效率。目前的方法，如地形輔助導航（TAN），使用外部感知成像傳感器來建立一個本地參考位置估計，當這些傳感器超出范圍時，就沒有用了。現在需要的是多個導航過濾器，每個過濾器都能根據任務條件發揮更大的作用。本論文研究了如何結合多個導航過濾器來提供一個更穩健的AUV位置估計。提出的解決方案是利用基于信息論框架的交互式多模型（IMM）估計方法，混合兩種不同的過濾方法。第一個過濾器是基于模型的擴展卡爾曼過濾器（EKF），在航位推算（DR）條件下有效。第二個是用于主動地形輔助導航（ATAN）的粒子濾波方法，在傳感器范圍內適用。利用在華盛頓州新月湖收集的數據，我們開發了每個導航過濾器的結果，然后我們演示了如何使用IMM信息理論方法來混合方法，以改善位置和方向的估計。

近年來，美國防部已指示加速采用人工智能（AI），并建立一支技術先進、能夠確保美國安全的部隊。未來自主海上行動的一個重要組成部分是無人自主車輛能夠在不使用全球定位系統（GPS）或其他外部信標系統的情況下運行。

在一個快速發展的技術世界中，在拒絕使用GPS的環境中或不使用聲學轉發器等系統，甚至是深海導航定位系統（POSYDON）系統的情況下進行操作從未如此關鍵。領先的解決方案是地形輔助導航（TAN），它利用機載地圖和傳感器系統的組合，以便在已知的地圖內進行相關的測量。這種方法的最大缺點是需要不同的濾波估計方法，而這些方法在設計上可能無法協同工作。

這項研究將分幾個部分介紹。首先是實施一個新的擴展卡爾曼濾波器（EKF），作為海軍研究生院的遠程環境監測單元100（REMUS）車輛上的航位推算（DR）模型，以改善其在速度估計不準確時的估計。其次，這項研究試圖在信息理論的基礎上建立一個用于主動地形輔助導航（ATAN）的粒子過濾器（PF）。最后，也許是最重要的，本研究試圖在PF和EKF之間實現一個新的信息理論聯合過程，以改善所有狀態的估計。

圖 1.1 定位、導航和授時替代層次結構。

圖1.2 可能需要不同過濾技術的情況。狀況1，AUV在水面附近作業，可以利用GPS數據。由于深度原因，AUV無法利用任何其他傳感器，必須使用DR模型。狀態2，太深了，無法快速獲取GPS數據，而且還沒有深到可以使用面向海底的傳感器。制度3可以利用DVL/ADCP和慣性導航系統（INS），可以提供更準確的運動估計。制度4可以利用成像傳感器來進一步提高導航的準確性。

圖5.1 機載水深和成像傳感器提供的測量值與粒子分布相關。該分布的香農熵顯示了粒子分布中的不確定性，高值表明該分布對位置不確定。由于從AUV經歷地形到計算香農熵有一個時間延遲，標量值不會完全一致。然而，它將很好地表明分布具有低水平的不確定性。

論文組織

本論文的組織結構如下。第2章是文獻回顧，包括設備說明、貝葉斯濾波（BF）和信息論的必要背景，以及現場實驗的概述。第3章將介紹位置估計濾波技術和交互式多模型（IMM）的概述。第4章將討論基于模型的擴展卡爾曼濾波器（EKF）的發展。第5章將討論粒子濾波器（PF）的開發和仿真結果。第6章將討論信息理論互動多模型（IT-IMM）的開發和仿真結果。論文將在第7章中總結和討論未來的工作。

論文貢獻

• 介紹一種新的IT-IMM估算方法，通過綜合使用后驗概率分布中的香農熵和預測PF性能的地形適宜性措施，將基于模型的EKF和PF聯合起來。

• 在沒有ADCP/DVL的情況下，基于模型的EKF用于估計前進和側滑速度。

• 一種PF算法，實現了粒子再分配的信息理論框架。

數字孿生有可能支持設計、建造、運營和維護美海軍部（DON）賴以開展海軍行動的平臺的決策者。然而，由于數字孿生的應用范圍和與之相關的風險仍不清楚，因此關于數字孿生的知識體系很薄弱，這給美海軍部帶來了挑戰。本論文進行了定性的技術評估，以確定采用數字孿生對DON的企業架構的影響。對企業范圍內采用的分析確定了數字孿生在DON的戰略、流程、人員、技術、網絡安全和風險管理方面的機會和風險。數字孿生提供的商業價值主要取決于物理平臺的總風險值和數字孿生同步的度和頻率。

海軍服務是基于平臺的（美海軍部，2020c）。在戰術層面上，海軍行動是由艦艇、飛機和潛艇等平臺進行的（海軍部，2020c）。這些海軍行動是為了履行海軍的持久職能。

海軍對復雜系統的依賴，如艦艇和潛艇，來進行海軍行動，這就要求有效地管理和開發這些產品及其相關的信息。這些產品的開發采用了設計、開發、運行和處置四個階段的過程。這個過程被稱為產品生命周期管理（PLM）。DON開發和維持有效的PLM是至關重要的。沒有足夠的PLM，國防部不可能開發、部署和維持滿足不斷變化的海洋環境需求的平臺。海軍作戰部長（CNO）2021年的NAVPLAN進一步強調了PLM對海軍的重要性。在他對美國海軍的指導中，CNO解釋說，"專業地照顧我們的平臺是我們的DNA"，"維持我們的船舶和飛機對滿足未來的需求絕對是至關重要的"（海軍作戰部長[CNO]，2021，第7頁）。

為了維持所需的PLM，DON必須發現和利用減少不確定性的手段。不確定性限制了決策者在他們管理的產品中避免風險和利用機會的能力。不確定性表現為知識不足的結果（Kramer，1999）。因此，不確定性可以通過決策支持工具來減少，這些工具可以為決策者提供及時和相關的信息，以做出更明智的決策（Kramer, 1999）。數字孿生是一種新興技術，能夠在PLM過程中支持DON決策者。數字孿生是現實世界系統的數字表示（Gartner，n.d.-a）與數字建模等類似概念不同，數字孿生是完全集成的，數據在物理產品和虛擬產品之間雙向常規流動（Grieves & Vickers，2017）。對產品數據的常規捕獲和分析可以支持對物理產品的決策。然而，在DON背景下，采用的好處和風險并沒有明確界定。本論文旨在探討數字孿生如何以及為什么可以在產品生命周期管理（PLM）的背景下被DON采用。

A. 問題陳述

美國防部的運作需要協作、復雜和昂貴的系統。國防部產品生命周期管理（PLM）中的挑戰導致操作能力下降以及財政需求增加。數字孿生有可能幫助國防部克服這些挑戰，保持國防部系統狀態的最新數據，并進行自動數據分析以幫助決策。然而，關于數字孿生的知識體系對國防部來說是一個挑戰，因為整個應用范圍和與數字孿生相關的風險仍不清楚。隨著國防部繼續尋找能夠延長其系統使用壽命的方法，由計算機支持的收集和響應通過數字孿生提供的數據變得越來越可取。因此，需要研究如何在DON企業內采用數字孿生，以及與這種潛在采用相關的商業價值。

B. 目的聲明

本研究的目的是探索如何在國防部內采用數字孿生。這項研究的重點是確定（a）數字孿生對國防部企業架構的影響，（b）采用數字孿生對美國防部PLM的好處和風險，以及（c）數字孿生能夠為國防部提供的商業價值。這項研究的目標很重要，因為美國防部PLM的不足對國防部的運營能力有直接的負面影響。這項研究的結果可以幫助國防部更好地了解如何采用數字孿生，最終目的是改善PLM，從而提供商業價值。

C. 研究問題

• 1.采用數字孿生如何影響海軍部的企業架構？

  • 1.1.業務流程是如何改變的？

  • 1.2.對海軍部的網絡安全有什么積極和消極影響？

• 2.如何采用數字孿生來支持海軍部的產品生命周期管理？

  • 2.1.數字孿生給組織帶來什么好處？

  • 2.2.數字孿生給組織帶來什么風險？

• 3.數字孿生能給海軍部帶來什么商業價值？

  • 3.1.所提供的價值是否值得采用？

D. 論文的組織

本論文又分為四章。第2章是文獻回顧，調查了數字孿生的背景、組成部分和應用。第3章解釋了分析的方法。第4章是基于研究問題的數字孿生的分析。第5章是結論，提供關鍵的見解、建議和未來研究的機會。

本專著的目的是從防空歷史和空中力量穿透這些防御的工作中提煉出教訓。它從第一次世界大戰、第二次世界大戰、越南、"沙漠風暴 "以及俄羅斯和中國的現代發展中確定了六條經驗。這六條經驗為空軍和地面部隊在未來進行壓制敵方防空（SEAD）和滲透行動的努力提供參考。本專著探討了聯合部隊應如何對待SEAD任務的問題，以及來自陸地領域的部隊是否應在穿透地基防空系統方面發揮更重要的作用。

T.R. Fehrenbach提醒我們注意戰爭的一個持久特征。無論我們的技術變得多么復雜和先進，武裝沖突仍然需要士兵參與。空中力量理論家認為，在未來的戰爭中，人類可能不再需要近距離的暴力對抗，僅靠空中手段就能達到目的。雖然純粹的空戰仍然是一個遙遠的想象，但地面部隊將繼續奮勇向前，與泥濘中的人們一起奪取目標。本專論并不是說空中力量是不必要的；相反，它是至關重要的。空軍的覆蓋面和影響力已經與地面機動密不可分，在最近的戰爭中，空軍已經成為軍隊進攻的必要先導。然而，空中優勢作為地面進展的先決條件的模式可能不再成立了。移動式和便攜式防空系統的擴散，加上危害地面部隊的遠程打擊能力，無論其位置如何，都可能迫使地面作戰先于其空中補充。

本專著討論了聯合部隊在未來應如何進行壓制敵方防空（SEAD）。它考慮了攻擊性空軍和地面防御者之間的斗爭。具體來說，它討論了防空系統的進步已經發展到了美國空軍無法繼續承擔壓制和穿透它們的主要份額的程度。在未來，美國陸軍可能不得不對綜合防空系統（IADS）進行第一輪打擊，為美國空軍開始空中優勢的戰斗打開大門。

海上防空對于地面部隊的機動自由至關重要。在減少對手的防空資產之前，敵人的空軍可以隨意攻擊機動編隊。自從20世紀初早期的飛行者從飛機上投下第一件武器以來，空中力量對現代機動作戰一直是至關重要的。空中和地面防御系統已經發展到這樣的程度，即一支軍隊如果不首先擊敗其競爭對手的空軍就進行攻擊是不可想象的。迅速而徹底地擊敗伊拉克的防空系統并隨后摧毀其空軍，對于聯軍在 "沙漠風暴 "行動中的快速機動和壓倒性勝利至關重要。 以美國空軍為先導，然后是地面機動的SEAD模式是如此強大，以至于美國和北約的競爭對手注意到并進行了調整。今天的綜合防空系統（IADS）是高度網絡化的，相互支持的，并且是分層深入的。 這些防御網絡，再加上遠程彈藥的出現，造成了一個多層面的問題。國際防空系統迷惑了敵方空軍為其地面部隊建立機動空間的能力，同時遠程火力也使這些攻擊部隊受到威脅。先進的IADS與遠程彈藥的雙重困境，要求我們考慮我們目前的SEAD方法是否足夠。

所提出的假設是，聯合部隊應該作為一個密切協調的地面和空中團隊進行未來的SEAD。美國陸軍應該為反應靈敏、強大和機動的防空和導彈防御系統、遠程精確火力、地面發射的反輻射制導導彈（ARGM）和游動彈藥提供資源。

所采用的方法是對SEAD的歷史、理論和學說的研究。它考慮了SEAD從第一次世界大戰到現在的歷史。反擊空中和導彈威脅（聯合出版物3-01）將SEAD歸類為主要的進攻性反空（OCA）任務。其目的是 "通過破壞性或擾亂性的手段使敵方的地表防空系統失效、摧毀或暫時退化。" 美國部隊發展SEAD是為了應對日益復雜和有效的地基防空系統，它與防空的進步有效地共同發展。本專著中的防空歷史有五個主要部分。第一部分討論了第一次世界大戰中的空中力量發展，以及早期空軍能力的提高如何為地面機動提供了機會。一戰中對空襲的反應導致了二戰期間為防止滲透而對空中武裝進行牽制的武器的產生。二戰的戰斗人員完善了一戰中創造的技術，為進攻的空軍和地面的防御者開發了更致命的瞄準系統和改進的彈藥。在越南戰爭期間，越南人民軍（PAVN）采用了密集的防空武器組合，這需要美國裝備和訓練專門的飛機來壓制北越的防御；這是SEAD能力的第一個例子。接下來，該專著回顧了美國在 "沙漠風暴 "行動中對空地戰的運用，以顯示SEAD的有效性，以及它如何為其他世界大國進一步調整以對抗FM100-5中的理論提供了基礎。 第五章考慮了俄羅斯新一代戰爭（RNGW）、中國遠程導彈以及防空武器的擴散以防止滲透。作者將SEAD理論和學說的演變與歷史實例結合起來，說明空軍與IADS之間的競爭是如何發展到今天的高精尖系統的。最后，該專著提出了一個地面部分未來在對抗現代IADS的戰斗中的貢獻模式。

聯合部隊如何進行未來的海空防務行動，對于各軍種在面對未來的國際防空系統時如何整合和合作至關重要。現代國際防空系統對未來的空中行動，以及暗示的地面行動構成了一個重大障礙。國家和非國家行為者對地對空武器的使用加劇了國際防空系統的瓦解問題。它極大地提高了進行海空導彈和滲透敵占區所需的戰斗力水平。阿富汗圣戰者組織在蘇聯-阿富汗戰爭中使用 "毒刺 "導彈，以及最近在烏克蘭上空擊落馬來西亞航空公司MH17航班，都是這些系統的擴散已經超出既定軍隊嚴格使用的例子。在未來的戰爭中，雙方都可能面臨一個連續的國際防空系統和非正規部隊采用的未聯網的防空。聯合部隊必須開發多種方案來擊敗這些系統，并擴大他們的方法，以最大限度地提高靈活性，使空中和地面部隊能夠對由國際防空系統和獨立的地對空武器防御的對手構成眾多威脅。

摘要

本文為美國太空司令部的未來行動提出了一個新的太空威懾概念。美國航天司令部目前的空間沖突威懾戰略過于依賴整合各聯合軍種的空間能力。本文顛覆了這一觀點，研究美國太空司令部如何重新利用現有的聯合武器平臺來威懾太空競爭對手。美海軍水面行動小組是這個威懾概念的焦點。對水面行動小組的反太空武器進行了分析，以確定它們是否對中國的太空通信線路提供了可靠的威脅。研究的武器包括戰斧對地攻擊導彈E型，AN/SLQ(V)5，以及標準導彈-3 Block IB和IIA。本文最后提出建議，將威懾概念轉化為美國太空司令部的一個可行的選擇。

引言

根據美國太空司令部(USSPACECOM)的戰略愿景，USSPACECOM認為其主要任務是威懾 "通過提供太空作戰選擇來維護美國和盟國的競爭優勢"，USSPACECOM尋求通過實現太空優勢和整合聯合部隊的太空能力來威懾太空侵略行動。雖然爭取這一水平的太空優勢是一項重要工作，但戰略愿景相關陳述對美國海軍陸戰隊司令部打算如何實現其威懾任務提供了較少內容。美國海軍陸戰隊司令部沒有準確地闡述太空威懾問題。聯合部隊已經使用太空能力來進行其各種行動。僅僅在聯合平臺上整合額外的空間服務，并沒有提供一個基礎戰略來威懾與近鄰競爭者的空間沖突。

美國海軍陸戰隊司令部必須審查新的太空控制概念，并確定聯合部隊如何能夠提供其有機的反空間能力，以阻止來自近鄰對手的先發制人的太空打擊。威懾強大的太空競爭對手需要美國海軍陸戰隊司令部發展他們的太空控制概念，利用聯合平臺來威脅對手的太空通信線路（CLOC）。問題是，美國海軍陸戰隊司令部可以立即利用哪些聯合平臺來威脅競爭對手的CLOC？美國海軍陸戰隊司令部應該重新利用和組織美國海軍水面行動小組（SAG），通過在關鍵位置部署這些小組來威脅競爭對手的太空通信線路，從而阻止與近鄰對手的太空沖突。

很少有武器系統能在單一平臺上提供比阿利-伯克導彈驅逐艦（DDG）和提康德羅加級導彈巡洋艦（CG）更多的反空間能力。因此，本威懾分析將側重于在SAG中部署DDG和CG，被認為是反空間SAG，并將其部署在關鍵區域，用其反空間武器威脅對手的CLOC。在CLOC概念中，地面段和空間段將構成物理領域。鏈接段將表示非物理領域，包括進出空間的電磁傳輸。這三個部分共同構成了本分析中使用的CLOC的定義，并且是分析使用反空間SAG來威懾侵略性空間行為者的框架。中國已發展成為一個具有突出能力的航天國家，并且已經展示了具有威脅性的反太空能力。中國可以說是美國最強大的太空競爭者，并將成為這個威懾概念的主題。

目前的戰略評估和威懾概念

中國正在投入巨大的資源來發展太空事業。中國力爭在2030年成為全球太空大國，并打算在軍事和經濟上與美國進行太空競爭。2010年，中國開始測試共軌反空間技術，當時它使用兩顆衛星進行近距離操作。到2019年，中國通過其TJS-3衛星展示了共軌物體放置。在組織上，中國在2015年成立了中國人民解放軍戰略支援部隊（PLASSF），以監督其DA-ASAT武器和其他反空間能力的使用、訓練和戰術發展。

中國的空間優勢概念反映了美國的太空戰條令。PLASSF的理論將太空領域描述為軍事行動的新重心，并指出，"太空戰和太空行動的目標是實現太空優勢。"鑒于這些理論的考慮，PLASSF準備進行快速的先發制人的太空攻擊，以蒙蔽其對手并在大規模沖突中獲得主動。這種錯綜復雜的地面系統構成了中國CLOC的大部分，而成功的先發制人的太空打擊將要求這一系統保持完整。

反太空SAG將為美國海軍陸戰隊司令部提供一種靈活和機動的威懾，以防止中國先發制人的太空打擊。在這個威懾概念中，反空間SAG可以在中國的CLOC附近的國際水域巡邏，通過動能和非動能的結合，將其CLOC的三個部分置于威脅之下。由反空間SAG構成的持續的CLOC威脅將抑制中國先發制人的打擊的有效性，對重要的太空基礎設施和太空資產發起攻擊。這種威懾概念將確定反太空SAG的最佳位置，以對中國的CLOC造成最大的損害。如果反太空SAG對其CLOC造成足夠的損害，中國會放棄其先發制人的攻擊戰略。中國將認為對美國進行先發制人的打擊成本過高，從而達到預期的威懾效果。中國的地面部分是其CLOC的基礎要素。因此，威懾概念分析必須從審查反太空SAG對中國地面部分元素的動力性能開始。

地面段

中國的地面部分控制著他們的太空事業，并提供操作其反太空武器所需的通信，使地面部分的元素成為反太空SAG的理想目標。地面部分的基礎設施提供必要的太空態勢感知，以跟蹤他們的太空資產并記錄美國衛星的軌道模式，為他們的DA-ASATs和共同軌道威脅提供預測模型。PLASSF還通過北京航天指揮與控制中心（BSCCC）融合并向中國人民解放軍火箭部隊分發跟蹤信息。XSCC通過中國境內的幾個下屬跟蹤站發送和接收遙測、跟蹤和控制（TT&C）更新。每個下屬站都監測和控制中國航天事業的一個指定部分。這些跟蹤站中有許多位于中國的海岸線附近，處于沿中國大陸海域巡邏的反空間SAG的動力范圍之內。

Arleigh Burke DDGs和Ticonderoga CGs上攜帶的戰斧陸上攻擊導彈（TLAM）Block IV對中國的地面部分構成了可信的威脅。TLAM Block IV是攻擊XSCC、BSCCC和下屬TT&C站的理想動能系統。TLAM Block IV彈藥具有強大的全球定位系統（GPS）抗干擾能力，以幫助它在中國的GPS降級環境中生存。如果GPS抗干擾能力失效，TLAM Block IV仍然可以使用其數字場景匹配區域關聯系統（DSMAC）進行終端制導。TLAM Block IV-E（TLAM-E）是目前唯一正在生產的TLAM，其有效射程為1,400英里。這種遠距離將使反空間SAG能夠從國際水域的許多地方打擊中國的地面部分的要素。下圖1顯示了如果在東海巡邏的反太空SAG在200海里的經濟禁區（EEZ）邊界發射導彈，哪些中國的跟蹤站和控制中心會在TLAM-E的1400英里有效射程內。

圖1：TLAM-E的有效交戰范圍（距東海1,400英里）。

根據圖1，TLAM-E的交戰范圍包括XSCC、BSCCC以及許多固定的下屬跟蹤站。如圖所示，佳木斯和長春跟蹤站不在交戰扇形范圍內，以避免在朝鮮領空開火。然而，TLAM-E是可轉向的，可以引導其繞過朝鮮邊境以防止報警。在進行這一操作后，佳木斯和長春站將完全處于TLAME的交戰范圍內。勐海站在東海的反空間SAG面前是安全的，但如果從陵水站以外的南海巡邏的第二個反空間SAG發射，TLAM-E就可以摧毀該站。這種規模的協調動能反應將削弱中國的太空事業，并降低中國追蹤美衛星以進一步進行反太空打擊的能力。

僅僅摧毀XSCC就能有效地隔離固定和移動跟蹤站，消除新衛星任務指令的集中傳播。即使TLAM-E打擊稍有成功，只摧毀了沿海地區的跟蹤站，中國的太空企業仍將遭受退化。廈門下屬的跟蹤站支持北斗星座的部分，即中國版的GPS，它的破壞將對中國的精確制導武器系統產生廣泛的影響。陵水跟蹤站監測和控制中國的實驗性航天器，消除它可能會影響其同軌反空間衛星原型的指揮和控制（C2）。兩個反空間SAG分別專門用于在東海和南海巡邏，為中國的空間C2中心和跟蹤站提供足夠的動能武器覆蓋。SAG的持續存在將對地面部分構成可信的威脅，并足以阻止中國先發制人的太空打擊。然而，地面部分只是中國CLOC的一個部分。中國有基于海洋的C2節點，通過鏈接段為其不斷增長的空間影響力做出貢獻，并且反空間SAG必須威脅到這一CLOC層，以確保充分的威懾力。

鏈接段

反空間SAG可以通過使用非動能能力威脅或控制中國的鏈接段來阻止中國的先發制人的打擊。即使他們的地面部分處于危險之中，中國的空間企業仍然可以通過鏈接部分進行控制。中國的鏈接部分由民用跟蹤和遙測船組成，統稱為遠望艦隊。中國地面部分的地理限制要求遠望號部署以支持衛星發射和導彈試驗。遠望號被安置在太平洋的不同地點，一旦運載火箭離開跟蹤站的視線，就接受TT&C移交。對這些船只的動能打擊可能會帶來不良的法律后果，但非動能武器提供了一個非破壞性和可逆轉的選擇。反空間SAG可以利用其電子戰系統暫時干擾遠望艦隊，從而破壞中國的鏈接部分。

在反空間SAG中，Arleigh Burke DDG和Ticonderoga CG的AN/SLQ-32電子戰系統可以干擾遠望艦隊的傳輸。AN/SLQ-32(V)5電子對抗(ECM)套件可以探測到地平線以外的水面雷達，并采用Sidekick多波束主動干擾器。AN/SLQ-32(V)5系統正在通過水面電子戰改進計劃（SEWIP）Block II進行全軍升級，實現全電磁波譜防御和進攻措施。一般來說，由于維護成本高，中國將單個遠望號分配給單一任務。大規模先發制人的太空打擊將需要許多DA-ASAT的發射，這可能需要幾艘遠望號的支持。在這種情況下，多個遠望號的部署可能表明即將發生的敵對行動。在中國大陸巡邏的反空間SAG可以跟蹤離開母港的遠望號，并使用SEWIP Block II系統干擾其TT&C傳輸。

或者，如果反空間SAG成功地摧毀了中國的地面部分，中國將不得不嚴重依賴遠望艦隊來承擔太空企業的C2工作。在這種情況下，遠望號艦隊將不得不留在中國大陸附近，以協助進一步的DA-ASAT發射并提供缺失的覆蓋。遠望號的靜態姿態將允許反空間SAG使用其ECM，同時保持在與剩余的地面部分元素交戰的位置。反空間SAG將通過擾亂遠望號艦隊來消除中國的鏈接部分。通過摧毀地面部分和壓制鏈接部分，反空間SAGs將控制中國三個CLOC層中的兩個，并切斷其控制中國上空空間資產的能力，包括共軌反衛星。然而，中國的空間段仍將是完整的，允許PLASSF繼續根據美國以前的衛星軌跡進行DA-ASAT攻擊。為了實現最大的威懾力，反空間SAG必須威脅或控制中國的空間部分。

空間段

反空間SAG可以阻止中國使用TLAM-E和標準導彈-3（SM-3）威脅其空間部分的先發制人的空間打擊。中國的空間部分包括其國內發射基礎設施、空間運載火箭和所有在軌的空間資產。中國的空間部分還必須包括DA-ASAT導彈，因為它們的主要功能是在亞軌道空間飛行以摧毀敵對的低地球軌道衛星。中國已經在SC-19和DN-3攔截器上測試了10枚DA-ASAT動能殺傷飛行器（KKV）。幾次DA-ASAT測試實現了亞軌道軌道，這足以部署其KKV有效載荷并摧毀低地球軌道衛星。在一次先發制人的太空打擊中，分析家們預計PLASSF將需要發射至少20顆DA-ASAT來摧毀美國的低地軌道情報衛星隊伍。所有四個中國的發射場可能都需要支持這種規模的太空打擊。在中國東海的國際水域巡邏的反空間SAG將是對中國發射基礎設施的可信威脅，并擁有在核實的太空打擊的早期階段摧毀或降低發射場的動能。使用TLAM-Es，反空間SAGs可以同時攻擊幾個發射場，同時消除中國的地面部分元素。下圖2顯示了哪些中國的發射場將在TLAM-E的1,400英里交戰范圍內。

圖2：TLAM-E有效交戰范圍內的中國發射中心（1,400英里）。

根據該圖，在200海里專屬經濟區外巡邏的反空間SAG將能夠打擊四個中國發射場中的三個。摧毀天元和西昌的發射場將對中國的航天事業產生連帶影響。因此，TLAM-E對這些發射場的打擊不僅會阻礙更多的DA-ASAT發射，而且會阻礙中國在美國的報復性太空打擊后重建其衛星群的能力。然而，并不是所有的DA-ASAT都從固定地點發射，情報分析人員懷疑，許多正在運行的DA-ASAT都在移動發射器上。SC-19攔截器由DF-21改裝而成，DF-21是一種公路移動式中程彈道導彈（MRBM）。在2013年的一次SC-19 DA-ASAT測試中，DigitalGlobe圖像衛星觀察到該攔截器安裝在一個運輸機-架設器-發射器（TEL）上。如果中國在TEL上部署大量DA-ASAT，反空間SAG可能沒有目標信息或能力用TLAM-E來對付移動威脅。然而，一旦中國的DAASAT開始運行，反空間SAG可以使用SM-3 Block IB來摧毀飛行中的KKVs。宙斯盾彈道導彈防御（BMD）DDGs和CGs必須包括在反空間SAG概念中，以完成其在空間段層的威懾力量。

將宙斯盾BMD艦艇納入反空間SAG將確保對中國空間段的DA-ASAT元素進行足夠的動能反擊。如果威懾失敗，宙斯盾BMD艦可以使用SM-3 Block IB來摧毀固定和移動發射平臺上的DA-ASAT。SM-3 Block IB被設計用來攔截MRBM，如SC-19 DA-ASAT，在它們的中途飛行軌道上。Block IB變體有先進的目標尋的器和姿態控制系統，用于調整其飛行路線，使其在43次飛行測試中的34次摧毀外大氣層的KKV目標。

SM-3 Block IIA目前正在取代SM-3 Block IB模型。與Block IB相比，Block IIA擁有更好的射程、傳感器處理器和KKV，Block IIA被設計用來對付MRBM和洲際彈道導彈（ICBM）。Block IIA已經進行了六次成功的攔截測試，包括2020年11月從宙斯盾BMD艦上進行的SM-3首次ICBM攔截。SM3 Block IIA的卓越射程和改進的KKV可以成功地對付中國的低地球軌道DA-ASAT。在SM-3 IB和IIA型號之間，宙斯盾BMD艦可以對中國的實用DAASATs進行強有力的動能威脅。包含宙斯盾BMD艦的反空間SAG將提供足夠的反制措施來阻止中國的先發制人的太空打擊，如果威懾失敗，同樣的武器可以摧毀中國的實用DA-ASATs。

反空間SAG的挑戰

在中國東海和南海作業的反空間SAG在與中國的空間沖突開始時將面臨困難的挑戰。通過在中國沿海水域巡邏，反空間SAG將處于中國的反介入和區域封鎖（A2/AD）范圍內，其中包括一系列的陸基和海基導彈威脅。中國從其大陸運營一系列精確制導的反艦導彈。這些導彈可以從中國境內幾乎任何地方打擊巡邏的反空間SAG。此外，中國人民解放軍-海軍（PLAN）將其海軍部隊劃分為與中國接壤的部分海域。19艘DDG級驅逐艦和28艘導彈護衛艦分布在解放軍東海艦隊（ESF）和南海艦隊（SSF）。在先發制人的打擊中，東海艦隊和南海艦隊將擁有必要的力量和武器來對付在中國南海和東海活動的反空間SAG。通過將解放軍艦隊和陸基導彈與眾多陸基飛機相結合，中國可以為其CLOC提供強大的防御，并阻止反空間SAG的行動。在這種情況下，缺乏海上控制可能排除成功的空間控制。

盡管被部署在一個有爭議的環境中，反空間SAG在空間沖突期間將有一個很短的交戰時間，限制了他們遭受報復性打擊的機會。空間戰將不是一個持久的事件；中國將只需要幾個小時來啟動和完成一個先發制人的空間打擊。因此，反空間SAG將只需要在這個短暫的時間框架內戰斗和生存。在這個交戰窗口內，反空間SAG不會是靜止的，它們將成為中國軍隊的移動目標，因為它們會進行機動以對中國的CLOC造成最大傷害。為了實現這一目標，反空間SAG將只需要臨時的和局部的海上控制，以便對地面和空間部分發射其動能武器，并對遠望號船只進行ECM，以破壞其TT&C傳輸。此外，反空間SAG內的艦艇將提供大量的空中和導彈反制措施。由幾艘DDG、CG和宙斯盾BMD變種組成的反空間SAG將擁有足夠的防空導彈和ECM，以提供所需的縱深防御，在它們在各陣地之間轉移以繼續其反空間攻擊時，加強其生存能力。在完成其空間控制任務后，反空間SAG將立即從中國危險的沿海A2/AD環境中撤出，放棄其反空間功能，并與更大的海軍部隊重新組合，準備進行水面戰交戰。

建議

美國海軍陸戰隊司令部可以通過依靠其下屬的聯合部隊空間組件司令部（CFSCC）將反空間SAG威懾概念轉化為現實。CFSCC計劃、評估和整合與聯盟伙伴和聯合部隊的空間行動。以中國為例，CFSCC可以與美國印太司令部和海軍部合作，確定戰區內可以快速建立反空間SAG的DDGs、CG和其宙斯盾BMD變體。這些水面部隊可以在應急計劃中被指定為預先確定的反空間SAG，在與中國的緊張局勢出現時進行組建和部署。反空間SAG并不意味著是一個永久性的單位結構，只應該被用來處理特定的空間威脅。如果威脅消散，反空間SAG將解散，個別艦艇將返回其本單位進行整修，并為傳統的水面行動做準備。暫時將現有的水面艦艇重新利用為反空間SAG也避免了新艦艇的采購。

關于任務所有權，反空間SAG行動應屬于聯合特遣部隊-空間防御（JTF-SD）。JTF-SD將負責規劃反空間SAG的部署和針對中國的行動。聯合特遣部隊還可以進行演習，發展反太空SAG技術、戰術和程序，以進一步完善威懾概念。最重要的是，聯合特遣部隊可以為反空間SAG制定常設的交戰規則和任務授權，授權其指揮官在核實的空間攻擊正在進行時采取預先確定的行動。除了中國的情況之外，聯合特遣部隊可以計劃在所有戰區對任何空間競爭者的CLOC采取行動，為美國海軍陸戰隊司令部提供阻止全世界先發制人的空間打擊的手段。

結論

美國海軍陸戰隊司令部目前的太空戰威懾戰略過于狹隘地專注于整合各聯合軍種的太空能力，不足以阻止先發制人的太空打擊。美國海軍陸戰隊司令部可以通過利用現有的海軍水面部隊并將其重組為反空間SAG來改善其對像中國這樣的空間競爭對手的威懾態勢。這些反空間SAG可以通過使用動能和非動能武器系統危害中國的CLOC來阻止中國的侵略性空間行動。關于動能武器，TLAM-Es有足夠的射程來危及，并在必要時摧毀中國的大部分地面部分和發射基礎設施。SM-3 Block IBs可以在中途飛行時摧毀DA-ASATs，完成反空間SAG對中國空間部分的威脅。配備AN/SLQ(V)5ECM的反空間SAG將擁有破壞遠望艦隊的非動能手段，從而危及中國的鏈接部分。反空間SAGs在中國沿海水域作戰時將面臨復雜的挑戰，但它們的機動性、短暫的任務時間和強大的導彈防御對策將使它們的生存能力最大化。美國海軍陸戰隊司令部可以通過利用CFSCC和JTF-SD將反空間SAG變成現實，在所有作戰司令部中指定水面艦艇，并制定必要的計劃和授權，以威懾中國的先發制人的太空打擊和全球其他太空競爭對手。

詞匯表

直接上升式反衛星導彈（DA-ASAT）--一種從任何地基平臺發射的空間武器，旨在攔截和摧毀一顆衛星。DA-ASATs以彈道導彈為基礎，但攜帶一個動能殺傷器作為有效載荷。該殺傷飛行器使用機載傳感器和姿態控制系統來跟蹤和摧毀亞軌道軌道上的目標。

同軌反衛星威脅（Co-orbital ASAT）--從與目標處于同一軌道的主衛星上釋放的天基武器。共軌反衛星威脅也可以是主衛星。共軌反衛星衛星使用會合機動來接近目標衛星，并使用機械臂或其他機載設備來摧毀該目標。

太空通信線路（CLOC）--通往和通過空間的通信線路，用于人員、空間飛行器、電磁傳輸和其他軍事效果的移動。CLOC由物理和非物理領域組成。物理領域包括任何支持或穿越空間的有形物體。非物理領域包括進入、通過和來自空間的電磁傳輸。

目標姿態估計和目標點選擇在直接能量武器系統中至關重要，因為它使系統能夠指向目標的特定和戰略區域。然而，這是一項具有挑戰性的任務，因為需要一個專門的姿態傳感器。在新出現的深度學習能力的激勵下，本工作提出了一個深度學習模型，以歐拉角的方式估計目標航天器的姿態。深度學習模型的數據是通過實驗從三維無人機模型中產生的，其中包括大氣背景和湍流等效應。目標姿態來自于二維關鍵點的訓練、驗證和預測。有了關鍵點檢測模型，就有可能檢測到圖像中的興趣點，這使我們能夠估計有關目標的姿勢、角度和尺寸。利用弱透視直接線性變換算法，可以從三維到二維的對應關系中確定三維物體相對于攝像機的姿勢。此外，從這種對應關系中，可以確定目標上的瞄準點，模仿激光跟蹤。這項工作評估了這些方法及其在模擬真實世界環境中實驗產生的數據的準確性。

現代戰術戰爭越來越復雜，需要更快和更有效的決策。為了支持這些快速決策，有人提出使用自動決策輔助工具作為解決方案（Johnson 2019, 63）。鑒于現代戰場的復雜性質，決策輔助工具需要大量的數據。為了支持決策輔助工具的發展，機器學習代表了一種支持有效決策輔助工具的潛在方法。這項研究的目標是進行實驗，探索應用機器學習來幫助作戰人員進行復雜的激光武器系統與無人機群的交戰決策。為了實現這一目標，研究了激光武器系統和無人機威脅，并選擇了一個仿真程序來生成可用于訓練機器學習算法的交戰數據。

這篇論文研究了威脅交戰方法，確定了有效操作激光武器系統必須考慮的決策因素，以及人工智能和機器學習在支持決策方面的應用。對無人駕駛飛行器或無人機的威脅進行了基礎研究，以確定風險并支持交戰方法的發展。該基礎研究支持選擇場景并將其編入兵棋和仿真軟件Swarm Commander Tactics，該軟件用于模擬戰斗。這項研究進行了一項實驗，通過建模和仿真交戰場景來開發機器學習算法的概念驗證，以收集訓練數據并使用這些數據來訓練機器學習算法。訓練算法的目的是為了確定使用模擬艦載激光武器時的生存能力和成功的交戰方法。在生成模擬交戰數據后，使用模擬交戰測試了多種機器學習技術，以確定機器學習預測是否能夠支持基于模擬數據的自動決策輔助。這項研究研究了機器學習的算法方法以及開發和訓練機器學習系統的過程。

總的來說，對多種機器學習技術進行了評估，以支持在模擬交戰中預測成功的無人機交戰方法，發現最適合的是樹狀分類技術。實驗證明了機器學習在這個問題領域的應用，通過建模和模擬，機器學習算法訓練是成功的。最終機器學習算法預測的結果，在預測基于敵人類型、數量和激光武器系統攻擊方法的交戰結果時，總體準確率為96%；假陽性預測，即算法預測的勝利是失敗的，為2.1%。這些結果表明，一個復雜的戰斗空間模擬軟件可以用來準確地訓練預測性機器學習算法。

這項研究表明，將兵棋模擬與機器學習算法相結合，為支持復雜的決策和交戰提供了一種機制，由激光武器系統來對付敵人的無人機群。通過實施訓練有素的機器學習算法，可以分析具有異質無人機群的復雜戰斗空間，從而選擇適當的交戰技術，從而優化目標交戰的生存能力和有效性。這篇論文的主要研究目標是探索機器學習方法在識別和支持模擬艦載激光武器系統的有效目標選擇和交戰方法方面的功效。這項研究是生成決策輔助工具的一個組成部分，以支持無人機群與激光武器系統的交戰。現代戰斗空間的復雜性質需要決策輔助工具來減少作戰人員的認知負擔。

保持技術優勢是美軍作戰方式的一個關鍵組成部分。向大國競爭（GPC）的轉變重新強調了保持技術領先。然而，絕大多數所謂的幫助美國保持領先優勢的技術戰略都將這一概念作為一份文件，簡單地回答 "軍隊應該開發或采用什么技術 "的問題。這種狹隘的技術戰略觀幾乎沒有將手段（技術獲取決策）與戰略目的聯系起來，而且往往將技術的發展本身視為目的--這種錯誤的概念可能導致不適應或停滯的戰略和資源的浪費。本論文試圖通過定義一個技術戰略的概念和框架來幫助提高技術決策的效率和重點，將技術的強調和獲取作為手段，將戰略效果作為目的。

這種方法對技術戰略是描述性的，而不是規定性的。其產出可作為認識、分析和構建技術戰略的基礎。

第一個關鍵發現是，當軍事技術決策導致從戰爭方式范式到作戰概念，然后到所需能力組合，最后到技術獲取（技術戰略）、組織結構和理論創新（"DOT三要素"）的選擇時，它們就是戰略性的。至少，技術戰略的內容通過確定作戰概念中所需要的技術能力、獲取方法和主要的技術重點來指導關于獲取、開發和/或改進武器、運載和信息技術的決策。

第二個關鍵發現是形成兵力開發戰略的分類法。了解每個層次是技術戰略制定和分析的關鍵。該分類法在圖1中顯示，并在后面進一步解釋。

圖1. 擬議的技術戰略分類法

實現層對技術和DOT三要素的追求按其設計的時間范圍進行分類，以滿足其戰略最終狀態。將技術戰略（和其他DOT組件）的實現時間與作戰概念的預期實現時間同步是這一層次的主要目的。

交戰概念層顯示了范式和概念之間的聯系，并按照大戰略中的戰略目的來組織技術追求（即技術如何在戰略環境中創造效果）。作戰概念是軍方對在特定情況下如何進行戰爭的設想，以及軍方將如何進行戰爭（例如，馬賽克戰爭或空地戰）。

能力組合是所有DOT三要素及其DOTMLPF-P對應物的組合，以實現作戰概念中的能力（例如，自主飛機或蜂群無人機以支持馬賽克戰爭概念中的JADC2能力）。以這種方式看待技術及其伴隨的DOT戰略的主要好處是，它使DOT決策與特定的概念相聯系，從而與它的預期戰略效果相聯系。

戰略形式層面（圖2）描述了戰略家滿足能力的技術要求方式。技術戰略形式作為一種模式或模板，描述了戰略家用來實現所需能力的方法。這些是技術戰略的模板，與人們可能認為的戰略類型（如費邊延遲戰略）的方式有相似之處。下面顯示的三種原型，對技術戰略的形式進行了分類。風險與效率，平價驅動，以及基于進攻和防守的形式。

圖2. 觀察到的和推導出的技術戰略形式

購置方式層面確定了該戰略將指導用于滿足能力組合要求的技術購置方式。這些選擇對戰略形式有很大影響。有四種類型的方法被確認。模仿性獲取方式側重于復制其他國家已經在使用的技術。發展性獲取方法側重于新技術的發明，對新興技術的利用，和/或對已有的（但不強調的）技術進行重新構想。創新性方法涉及到購買技術，并將其與軍隊自己的或其他購買的技術相結合，以創造新的東西。監測方式假定軍隊至少有一些手段和理由來追求技術變革，但選擇繼續沿著目前的路線進行典型升級。戰略形式和方法層面是技術戰略家的主要關注領域。

最后的關鍵發現是，對技術戰略的明確描述和結構化突出了一系列的陷阱：比較陷阱（鏡像）；冰山（暗示高度的隱蔽能力）；交叉點（挪用技術發展）；機會成本（每一個是也是對其他東西的否定）；戰爭和技術關系（技術發展可以改變戰爭和沖突的特征）；重點發展（試圖為所有任務建立一種技術），以及果斷的投資者行為（戰略上錯位的技術追求）。這一小部分的經驗教訓可能只是從不斷研究和完善技術戰略概念中獲得的豐富知識的開始。在一個競爭激烈的時代，我們必須在技術追求上集中精力，深思熟慮，并具有戰略性。本研究提供的意見和建議可能有助于這種努力。

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。

報告概述了反無人機技術及方法，介紹了美國國防部面臨的無人機威脅及反無人機投資計劃，以及美海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰隊及國防部其它機構的反無人機武器研究進展情況，并指出了國會在監管方面可能面臨的問題。

1、報告發布背景

無人機系統技術迅速擴散，易被國家、非國家行為者和個人使用，這些系統可為美國對手提供一種低成本的手段，執行針對或攻擊美軍的情報、監視和偵察任務。大多數小型無人機尺寸小、使用特殊結構材料且飛行高度較低，無法被傳統的防空系統探測到。在2023財年，美國國防部計劃至少花費6.68億美元用于反無人機(C-UAS)技術研發，至少花費7800萬美元用于反無人機武器采購。隨著國防部繼續開發、采購和部署這些系統，美國會對其使用的監督可能會增加，也必須就未來的授權、撥款和其他立法行動做出決定。

2、反無人機技術概述

2.1 無人機探測技術

反無人機技術可以采用多種方法探測敵對或未經授權的無人機目標。一是使用光電、紅外或聲學傳感器分別通過目標的視覺、熱量或聲音特征探測目標；二是使用雷達系統探測，但由于小型無人機信號特征不明顯，該方法探測效果不佳；三是識別用于控制無人機的無線信號，通常使用射頻傳感器探測。這些方法通常被組合使用，以提供更有效的分層探測能力。

2.2 反無人機技術方法

各類系統探測到無人機后，電子戰“干擾”裝置即可干擾無人機與其操作人員的通信鏈路。干擾裝置通常可分為便攜式、固定式或可移動式，根據其類型的不同，重量可從幾公斤至數百公斤。除電子戰干擾裝置外，也可以使用槍支、網絡、定向能、傳統防空系統，甚至訓練有素的動物（如鷹）擊敗或摧毀無人機系統。目前，美國防部正在研發多種反無人機技術，以確保其具備強大的反無人機防御能力。

3、美國反無人機武器的研發進展情況

3.1 空軍

美空軍正在進行高功率微波和高能激光武器反無人機測試工作。2019年10月，空軍接收了一套車載高能激光反無人機武器系統 (HELWS)樣機。HELWS旨在在幾秒鐘內識別并壓制敵對或未經授權的無人機，幾乎可無限次射擊。此外，空軍還在尋求機載反無人機武器，目前工作狀態尚不明確。

圖1 便攜式反UAS技術

3.2 海軍

2014年，美海軍在“龐塞”號(LPD-15)上部署了第一款可作戰的激光武器系統(LaWS)，LaWS是30千瓦激光武器樣機，能夠執行反無人機任務。自那時起，美海軍就一直在開發和安裝更多的低、慢、小（LSS）無人機激光武器原型，以提高對抗水面艦艇和無人機的能力。

海軍正在研發部署的干擾無人機傳感器的光學致盲器“奧丁”（ODIN）及60千瓦“太陽神”（HELIOS）激光器，均旨在保護美海軍裝備和系統免受無人機襲擊。此外，在2019年3月28日的一份備忘錄中，海軍部宣布將與國防數字服務局合作，快速開發新的網絡賦能反無人機武器，以應對不斷演變的無人機威脅。

3.3 海軍陸戰隊

海軍陸戰隊通過其地基防空(GBAD)計劃辦公室資助了多個反無人機系統。2019年，海軍陸戰隊完成了海上防空綜合系統(MADIS)的海外測試，該系統采用電子干擾與炮彈相結合技術，可安裝在MRZR全地形車輛、聯合輕型戰術車輛和其他平臺上。2019年7月，拳師號USS BOXER LHD-4兩棲攻擊艦上的海軍陸戰隊員使用海上防空綜合系統壓制了一艘被認為在該艦“威脅范圍”內的伊朗無人機。作為地基防空計劃的一部分，海軍陸戰隊也在采購緊湊型激光武器系統(CLaWS)，該是美國防部批準的首個陸基激光武器，具有2千瓦、5千瓦和10千瓦三種型號，目前陸軍也在使用。盡管海軍陸戰隊已試驗了單兵攜帶反無人機技術，但海軍陸戰隊司令大衛·伯杰（DavidBerger）在2019年向國會作證時認為，由于重量和功率的要求，單兵攜帶反無人機技術沒有取得成功。

圖2 海上防空綜合系統

3.4 陸軍

2016年7月，陸軍發布了反無人機戰略，以指導其反無人機能力的發展。2017年4月，陸軍技術出版物3-01.81《反無人駕駛飛機系統技術》概述了作戰期間防御低、慢、小無人機威脅的規劃考慮，以及如何規劃并將反無人機士兵任務納入陸軍訓練活動。

反無人機是美陸軍作戰能力發展司令部的六層防空和導彈防御概念的一部分，六層概念包括：彈道導、低空無人機交戰(BLADE)、多任務高能激光(MMHEL)、下一代火控雷達、機動防空技術(MADT)、高能激光戰術車輛驗證機(HEL-TVD)、低成本增程防空(LOWER AD)。目前，上述系統仍在開發中，美陸軍已部署了一些便攜式、車載和機載反無人機系統。此外，美陸軍與國防數字服務局還在合作開發計算機支持的反無人機產品。

3.5 美國防部其他機構

美國防部正在研究和開發多種反無人機技術。聯合參謀部和其他國防部機構參與了反無人機研究工作，如“黑鏢”（Black Dart）演習，該演習旨在“評估和驗證現有和新興的防空和導彈防御能力及反無人機任務集特有的概念”和“倡導士兵所需的反無人機能力”。國防高級研究計劃局積極開展“反蜂群人工智能”等研究，為反無人機技術研發提供資金。2019年12月，國防部精簡了各種反小型無人機項目，指定陸軍為執行機構，負責監督美國防部所有反小型無人機的開發工作。

2019年12月，美國防部成立由陸軍領導的聯合反小型無人機系統辦公室(JCO)，負責監督美軍所有反無人機研發工作。通過與作戰司令部和負責采辦和保障的國防部副部長辦公室協商，該辦公室已評估了超過40種反小型無人機系統，并確定未來美軍反無人機項目的研發方向和標準，該辦公室還選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮控制系統，以進行后續研發工作。聯合反小型無人機系統辦公室還制定了一份聯合能力發展文件，概述了未來系統的作戰需求，并于2021年1月發布了《國防部反小型無人機系統戰略》。該辦公室還將制定另外一份國防部關于反小型無人機指揮和反小型無人機能力評估的文件。

根據計劃，美國防部將于2024財年在俄克拉荷馬州的福特希爾建立一個聯合反小型無人機學院，以在各軍種同步開展反無人機戰術訓練。

此外，美國會《2021財年國防授權法案》第1074節要求國防部向國會提交一系列報告，包括聯合反小型無人機系統辦公室開展的反小型無人機活動報告和獨立評估情況，以及無人機帶來威脅的報告等。

4、美國會面臨的潛在問題

伴隨美國防部開發、使用及部署反無人機系統武器，美國會需對其進行更多監管，并可能面臨如下潛在問題：

• 美國防部對反無人機系統的投資是否在研發和采購項目之間達到了適當的平衡；
• 為反無人機指定一個國防部執行機構在多大程度上減少了反無人機系統的冗余并提高了反無人機采購的效率；
• 在反無人機的開發和采購方面，國防部與其他部門和組織(如國土安全部、司法部和能源部)的協調程度；
• 為優化反無人機系統的使用并消除與其他美國軍事行動的沖突，是否需要對空域管理、作戰概念、交戰規則或戰術進行某些改變；
• 國防部在多大程度上開展了與聯邦航空管理局和國際民用航空局的協調，以識別和減輕民用飛機的反無人機操作風險。

參考來源：//mp.weixin.qq.com/s/XYS19BM8KakPEprF6fMLaw

摘要

研究了一種新型的射頻（RF）輔助算法，用于在具有小尺寸麥克風陣列傳感器的情況下對無人駕駛飛行器（UAV）進行聲學識別和定位，其中聲學信號的多通道處理得到了射頻功率模式分析的幫助。不明身份的無人機的螺旋槳產生的噪聲可以用來獲得關于它的一些線索，因為具有不同尺寸、重量或機械特性的無人機產生不同的聲學信號。具體來說，在這項工作中，由多通道麥克風陣列檢測到的聲學信號的光譜特征被用來識別無人機。此外，射頻信號由Wi-Fi天線發射，并測量接收信號強度（RSS）以協助聲學定位。到達方向（DOA）和與聲源的距離都可以被預測。提出了一個解決方案，其中一個四階段卷積神經網絡（CNN）通過其聲譜特征進行無人機識別，并通過內在特征提取、射頻和聲學特征的融合以及回歸產生射頻輔助聲學定位。應用是反無人機監測策略，從飛行的無人機反對非法使用無人機和外部無人機攻擊。提出了一個集中式架構，用于從多個空中節點獲取數據和流。一個名為Zylia的19通道球形麥克風陣列被采用。為了分析這項研究的現狀，提出了實驗與結果描述。

引言

我們解決的問題是檢測作為聲源的不明無人機的存在，通過處理螺旋槳噪聲產生的聲學信號在不同的無人機中識別它，并通過估計聲學信號的到達方向（DOA）和與無人機的距離對無人機進行定位。我們提出了一個解決方案，其中聲學處理得到了射頻（RF）傳輸模式分析的幫助。這樣，當聲學定位前端檢測到來自射頻天線組件估計方向的聲學活動時，聲源定位可以得到完善，并通過波束成形增強記錄信號。這是因為，當使用安裝在多旋翼無人機（UAV）上的小尺寸麥克風陣列進行聲學記錄時，如[1,2,3]，由于對麥克風陣列尺寸的限制，可能導致信號-噪聲增強不佳、空間分辨率低和空間信息不完整等問題，對感興趣的聲源的處理和信號增強變得特別具有挑戰性。為了解決這些限制，最近在[4,5]中介紹了一種新的基于射頻的聲源定位處理方法，該方法也能進行距離估計，但沒有引入識別能力。因此，我們現在研究射頻輔助算法的性能，該算法也能識別未識別的空中聲源。我們的算法可以應用于針對非法使用無人機和外部無人機攻擊的反無人機監測策略[6,7]，即使是在敵對環境中。

最近，深度學習（DL）和深度神經網絡（DNN）研究領域的發展所帶來的計算和性能上的進步，促進了文獻中無人機識別算法的增加，如[8,9,10]。特別是，已經證明主要由螺旋槳、馬達和機體的機械振動產生的綜合聲學信號具有足夠獨特的特征，可以用來在現實的開放世界條件下在一些無人機類別中識別無人機類型。DL和DNN也被研究用于涉及多通道聲學處理的各種應用，如[11,12]和[13]中，多通道頻譜相位信息被用作卷積神經網絡（CNN）的輸入，用于DOA估計。在我們的研究中，一個基于CNN的四級網絡的算法的性能被引入到識別和定位任務中。兩個平行階段處理射頻數據和聲學數據的內在特征。第三階段進行聲源識別，第四階段進行回歸。這種算法既能產生無人機識別，又能對DOA和與聲源的距離進行聯合預測。本文對這一研究的現狀進行了討論。

為了研究我們的方法，我們用兩個不同的無人機產生的實驗聲學數據和來自分布式天線陣列的合成射頻數據創建了一個半模擬的場景。麥克風陣列是一個19通道的球形陣列，能夠進行三維聲學場景分析。還提出了一個實驗性的傳感器數據流架構，其中只有小尺寸和低成本的硬件用于采集系統和機載處理單元，稱為單板計算機（SBC），將數據流向地面站（GS），在那里可以用高計算能力進行基于CNN的定位處理。

圖1. 基于CNN的四級網絡結構，用于通過射頻和聲學數據處理識別和定位不明的無人機。該結構由一個射頻CNN、一個聲學CNN、一個回歸網絡和一個二進制識別網絡組成。