隨著美海軍部向分布式海上作戰過渡，有必要開發新的系統、技術和程序，以限制作戰人員暴露在敵人面前的時間。最普遍的暴露形式之一是使用指揮與控制（C2）設備時產生的射頻（RF）足跡。本研究分析了在遠征先進基地作戰（EABO）中操作無人系統（UxS）所產生的作戰人員暴露風險。為了分析 UxS 操作的射頻足跡，研究將確定 UxS 與操作員之間如何進行 C2，以及如何通過安全協議和方法保護傳輸的數據免受網絡攻擊。利用這項研究制定了行動概念（CONOPS）和場景，以研究射頻足跡如何隨著無人潛航器自主水平的變化而變化。在建模和仿真環境中實施 CONOPS 和場景，以檢查 UxS 自主水平和用于保護 C2 鏈路的安全協議的影響。然后對模擬結果進行分析，以確定在 EABO 中操作 UxS 時作戰人員的暴露程度和網絡攻擊風險，并確定建議的自主性和態勢感知之間的平衡。
圖 DMO / EABO 環境中 UxS 的 CONOPS C2。前方單元部署到敵方 WEZ 并操作 UxS 完成任務。前沿單元向指揮中心轉發狀態更新，為指揮中心提供敵方 WEZ 的 SA。敵方對 UxS 和前沿單元進行網絡攻擊。
海軍認識到，無人系統（UxS）將在執行分布式海上作戰和遠征先進基地作戰中發揮關鍵作用，"提供額外的作戰能力和能量，以增強傳統的作戰部隊，允許選擇承擔更大的作戰風險，同時保持戰術和戰略優勢"（海軍部 2021 年）。多個分散在不同地理位置的平臺、武器和傳感器將被整合在一起，以提高對作戰空間的感知能力，使部隊能夠在自己選擇的時間和地點集結戰斗力。整合所有這些系統需要大量的指揮與控制（C2），以通過在 C2 系統間傳輸和接收數據來保持對態勢的感知，從而產生射頻（RF）足跡，敵方可利用該足跡對友軍進行地理定位和攻擊。敵方還可以進行拒絕服務（DoS）和假冒攻擊。在 UxS 行動中利用自主性可降低地理定位的風險，但會限制 C2 能力。
本項目的范圍是比較導致在有爭議環境中使用 UxS C2 的網絡安全和射頻足跡風險的不同因素，并提供降低風險的建議解決方案。具體來說，目標是在優化和/或維護安全性的同時，增強作戰期間的互操作性。具體做法是交叉比較各種 C2 安全協議，并使用預定的時間間隔或觸發事件從操作員完全 C2 過渡到完全自主，如圖 1 所示。
圖 1. 使用指揮和自主之間的百分比分配進行 UxS 操作的運行場景。任務開始時，首先在操作員和 UxS 之間建立連接。起初，操作員會持續向 UxS 傳輸 C2 數據，UxS 也會在預定的藍色時間間隔內向操作員傳輸實時視頻。時間間隔結束后，操作員與 UxS 之間的連接也隨之結束，UxS 在錄制視頻的同時自主運行，并持續一段預定的綠色時間。自主操作時間間隔結束后，UxS 與操作員重新建立連接，操作員恢復 UxS 的 C2 功能，恢復實時視頻傳輸，同時下載錄制的視頻。這一過程在整個任務期間不斷重復。
建模和仿真用于確定每種自主場景與每種安全協議的射頻足跡風險。該模型將情景類型、文件大小和安全協議作為主要變量輸入，以確定由此產生的射頻足跡，近似為數據傳輸時間。傳輸數據的文件大小（尤其是錄制的視頻）取決于系統在自主模式下的運行時間。系統自主運行的時間越長，下載到前方單元 C2 站的錄制視頻的文件大小就越大。本研究將傳輸層安全（TLS）、消息層安全（MLS）和預共享密鑰（PSK）安全協議和方法作為跨空間的樣本。
該模型還注入了 DoS 攻擊，以確定每種安全協議和方法的 DoS 攻擊對射頻足跡的影響。結果表明，隨著自主級別的提高，射頻足跡會減少。C2 協議也會影響射頻足跡，其中 TLS 的射頻足跡最大，而 MLS 的射頻足跡最小。
利用建模和仿真結果進行了風險分析，以確定地理定位、DoS 和冒充風險的程度。為每個安全協議或方法確定風險和態勢感知的權衡空間。根據任務需要，可以犧牲態勢感知來提高自主性，從而降低風險。圖 2 將這一權衡空間歸納為一棵決策樹，可作為軍事領導人的指導方針，以確定哪種 UxS 設置最能滿足任務需求。
圖 2. 決策樹。如果可接受的風險水平適中，則MLS可以使用 40% 的自主度來提供最大程度的態勢感知，同時保持適中的風險。
這項研究的重點是有助于保護傳輸數據的安全協議，但也有必要保護 UxS 本身。未來的研究應側重于戰場上可能面臨的反 UxS 措施以及現有的 UxS 保護方法。這將有助于在設計半自動 UxS 系統時采取緩解措施。與在 DMO/EABO 環境中使用系統后再嘗試添加保護措施相比，在設計 UxS 系統時納入 UxS 保護措施的成本更低，效果更好。
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軍事決策過程（MDMP）包括分析地形以確保任務成功的關鍵任務。然而，傳統的地形分析方法，如二維（2D）模擬地圖、PowerPoint 演示文稿和任務式指揮系統，資源密集、耗時長，而且會使決策者無所適從。因此，本研究側重于使用移動頭戴式增強現實（AR）顯示技術進行三維（3D）地形可視化，以應對這些挑戰。AR 技術可讓用戶觀察到疊加在物理環境上的虛擬物體，從而增強身臨其境的體驗。該工具允許用戶查看和操作三維地形，添加軍事資源的表示，檢查由此產生的配置，并參與 MDMP。可用性研究評估了界面的有效性、效率和用戶滿意度，重點是三維可視化任務、衍生地形信息提取以及在有爭議的潮濕空隙穿越場景中的部隊部署。結果表明，AR 地形可視化原型為決策者提供了更全面、更準確的信息，使任務規劃和執行取得了成功。這項研究凸顯了三維地形可視化和 AR 技術在改進 MDMP、讓決策者更好地了解環境并做出更明智決策方面的潛力。
A. 研究領域
本研究側重于利用增強現實（AR）技術來支持軍事決策過程（MDMP），這是任務規劃的一個重要方面。該工具可使用戶與描述地形的本地三維（3D）數據集進行交互，并允許使用一套 3D工具。因此，該工具具有增強決策過程和提高 MDMP 會議效率的潛力。
傳統上，美國陸軍在規劃任務時依賴于二維（2D）圖形信息。然而，獲取更詳細的地形信息需要大量的時間和資源，例如創建額外的二維圖形表示法。相比之下，如果地形已被捕獲并表示為三維數據集，工作人員就能獲得所有必要信息，從而參與 MDMP 并做出更明智的決策。
論文研究包括設計和開發一種增強現實（AR）可視化工具，該工具可與三維虛擬地形一起操作，并支持 MDMP，尤其強調濕間隙穿越（WGC）的任務規劃。本論文旨在通過提供虛擬地形的精確數據、允許使用三維工具和更好地做出決策，改善 MDMP 期間的人員協作。此外，這項研究還有助于理解在 MDMP 中促進小團隊合作所需的技術前提條件。
B. 問題與動機
技術進步往往會超越其采用和融入現有系統和流程的速度，這是一種常見現象。例如，在軍事任務中使用 AR 和虛擬現實（VR）技術進行信息共享，可以顯著改善復雜多變行動的規劃和執行。然而，將這些技術納入現有的任務式指揮系統和程序可能具有挑戰性且耗時較長，這主要是由于軍事行動對安全性和可靠性的要求。此外，用戶可能會抵制引入他們不熟悉的新解決方案和技術。因此，盡管信息共享技術進展迅速，但其融入軍事部門的速度卻慢得多。因此，復雜多變的軍事行動仍在使用過時的協議進行規劃和執行，任務式指揮系統長期以來也只是略有改進。
美國陸軍在 MDMP 期間使用各種方法提取信息和分析地形。主要是陸軍的每個作戰職能部門使用二維地圖提取地形信息；參謀部門通過情報地形科請求獲得更詳細的信息。然后，參謀部門將從二維地圖上收集的信息和情報科提供的信息制作成 PowerPoint 演示文稿。指揮官利用這套演示文稿做出最終決定。然而，由于二維地圖的固有局限性及其表現形式（在 PowerPoint 幻燈片中展示靜態二維地圖），參謀部無法始終從地形中提取衍生信息，從而做出明智的決策。如果能以本地三維數據格式顯示地形，并使用一系列合適的三維工具，工作人員就能從地形中提取衍生信息，加強協作，并更好地理解共同行動圖（COP）。
增強現實技術在軍事領域并不新鮮，但在 MDMP 期間尚未得到廣泛應用。通過在 MDMP 期間使用 AR 可視化工具，工作人員可以獲得以前無法用于工作和協作的系統功能。通過 AR 顯示三維虛擬地形并與之互動，每個 WWF 都可以使用簡單的手勢在地形周圍導航，操作這些數據集，操縱和放大縮小地形，并提取決策所需的衍生信息。因此，WWF 可以通過對地形具體情況的透徹了解來證實他們的決策，并更好地闡明他們向指揮官推薦特定行動方案的原因。此外，因誤解二維數據集而可能產生的錯誤也會減少，甚至消除。
關注 WGC 是部署 AR 技術和使用 3D 數據表示的沃土，這是有充分理由的。對于美國陸軍人員來說，WGC 是最具挑戰性的聯合武器任務之一；由于需要投入大量資源和人力資本，這類任務的規劃非常復雜（美國陸軍聯合武器中心，2019 年）。美國陸軍中的六個 WFF 必須緊密配合，以確保 WGC 的安全進行。在 MDMP 開始時，美國陸軍的每個 WFF 都要聽取情報部門關于地形分析的簡報；這一階段稱為戰場情報準備（IPB）。IPB 代表了對部隊行動區（AO）內地形的高層次審視，并提供了有關地形預期的歷史數據（陸軍部總部，2019 年）；他們的大部分決策都是基于二維地圖做出的。進行 IPB 后，WFF 根據情報科提供的信息制定行動方案 (COA)。然而，依賴二維地圖有許多固有的局限性。例如，無法從任何給定點查看地形（數據集沒有三維記錄），因此缺少富有成效的 MDMP 所需的豐富地形信息。因此，使用卓越的數據表示，最大限度地減少出錯的可能性，并投入時間有效地研究替代方案和決策，有可能為此類復雜的軍事行動帶來急需的改進和戰略優勢。
C. 研究問題
本論文探討以下研究問題：
1.有可能為聯合武器 MDMP 提供最有效支持的技術框架是什么？
2.AR 支持的 MDMP 工具能否通過提供有關地形分析的衍生信息來增強作戰職能部門對地形的理解？
3.AR 支持的 MDMP 工具能否有效協助資源管理？
4.AR 支持的 MDMP 工具能否有效協助軍事參謀人員在聯合作戰場景中開展協作？
D. 研究范圍
本論文僅限于開發一種 AR 可視化工具和虛擬環境，以支持 "濕間隙穿越 "和提取 MDMP 期間每個 WWF 所需的地形衍生信息。此外，同一工具還可實現軍事參謀部門之間的人員協作和信息交流。
E. 研究方法
用于解決所有研究問題的方法包括以下步驟：
1.文獻綜述：進行文獻綜述，提供論文中使用的基本構造的背景信息。
2.任務分析：對當前開展 MDMP 的實踐進行分析，以跨越濕間隙。這包括但不限于詳細分析行動方案制定過程中不同作戰功能之間的報告和互動、當前地形可視化實踐以及團隊協作。
3.設計 AR 可視化工具： 為工具和用戶界面設計支持系統架構。此外，選擇一套支持用戶任務所需的三維對象和地形。
4.可用性研究：開展可用性研究，重點關注支持 AR 的 MDMP 工具的功能和性能。
5.數據分析：分析在可用性研究中收集的綜合數據集。
6.得出結論并提出未來工作建議。
F. 論文結構
第一章：導言。本章介紹研究空間的最關鍵要素：領域、問題、研究問題、范圍以及用于解決所有研究問題的方法。
第二章：背景和文獻綜述。本章討論美國陸軍如何開展 ADM 和 MDMP 以規劃軍事行動。本章還討論了 VR 和 AR 過去和當前的使用情況，以及在 MDMP 過程中軍事人員合作時 AR 的潛在用途。
第三章：任務分析： 當前 MDMP 實踐。本章分析了當前陸軍參謀人員在 MDMP 期間分析地形時使用的方法和工具，以及如何向指揮官推薦 COA。此外，本章還討論了向指揮官提供 2D 信息時存在的知識差距。
第四章：原型系統設計與實施。本章討論了 AR 可視化工具、系統架構、用戶界面和模擬環境的設計與開發。文中還描述了 WGC 場景和為可用性研究所需的虛擬環境而構建的 3D 模型。
第五章： 可用性研究。本章討論了使用 AR 可視化工具進行可用性研究的方法，包括制定完整的機構審查委員會文件。此外，文中還討論了虛擬環境、技術要求以及在可用性研究中收集的客觀和主觀數據集。最后，本章分析了可用性研究的結果。
第六章：結論和未來工作。本章概述了研究的要點，并對今后的工作提出了建議。
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發射無線電波的電子設備激增導致射頻 (RF) 頻譜擁塞。這對美國防部（DOD）的環境構成了重大威脅，尤其是嚴重依賴衛星系統的海軍通信，因為衛星系統很容易受到電磁干擾。缺乏足夠的干擾識別和鑒定能力進一步加劇了海軍部隊面臨的作戰風險。本論文研究利用機器學習（ML）技術檢測射頻傳輸中的干擾。憑借先進的數據分析和模式識別能力，ML 算法可增強干擾檢測和緩解能力。研究人員評估了基本自動編碼器和長短期記憶（LSTM）自動編碼器這兩種架構識別數據集中異常射頻數據的能力。研究方法包括在基本傳輸路徑中生成具有不同加性白高斯噪聲（AWGN）水平的射頻數據。使用正常射頻數據訓練 ML 模型，并評估其檢測和分類有干擾和無干擾信號的能力。結果表明，基本自動編碼器和 LSTM 自動編碼器模型都能有效識別干擾。LSTM 自編碼器的成功率約為 99%，這表明它們有望成為解決干擾識別能力差距的解決方案。
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2.在戰術應用中，什么是足夠的預測準確度？
本論文只能使用 MOVES 研究所生成的數據。因此，存在一些限制。第一個限制是數據缺乏測量或傳感器誤差。在實際作戰環境中收集完美的數據是不現實的。第二個限制是，生成數據的大小足以適合我們的模型。在新的作戰場景中，數據可能稀少或不可用。
為了預測這些戰術部隊的未來目的地，我們使用了兩種機器學習的監督技術：隨機森林和神經網絡。為了客觀地比較這兩種模型，我們得出了兩個標準來判斷目的地預測的成功與否。每個模型都為行程中每分鐘間隔內的每個地點擬合了一個概率。第一個標準是一半以上的正確地點分配概率超過 80%。第二個標準是，在行程的最后三分鐘內，模型分配給正確目的地的概率是否超過 80%。一個模型必須同時滿足這兩個標準才算成功。在驗證集的所有行程中，隨機森林的成功率為 38.9%，而神經網絡的成功率為 43.2%。我們使用這兩個標準考慮了真實世界的場景。每個行程被縮減到只有最初的五分鐘。在真實情況下，決策者必須在敵人完成行動之前決定行動。在這種情況下，決策者在做出決定前有五分鐘的時間窗口。隨機森林的預測準確率為 19.1%，而神經網絡的預測準確率為 33.9%。這是時間受限情況下預測準確率的上限。隨著誤差和噪聲的引入，預測準確率可能會降低。
本論文通過使用完美數據設定了目的地預測的上限。基于我們的論文，未來的研究領域如下：進一步研究預測建模、處理在不規則時間間隔內收集的帶有測量誤差的數據、使用真實世界數據建模以及多域建模。第一個領域是通過進一步的預測建模來提高預測精度。第二個領域是引入與現實生活中數據收集和匯總困難相似的誤差項。戰場傳感器并不完美，存在局限性。第三個方面是利用實戰部署和訓練中的真實數據建模。最后一個領域是將我們的研究推廣到其他作戰領域：海上、海面下和空中。運動輪廓和運動行為在這些領域中都同樣重要。戰術層面的模型可以為戰略層面的決策提供參考。
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軍事分析人員可利用公開數據庫深入了解相關國際事件的發展。然而，這些數據庫依賴于以英語為基礎、經過整理的資料來源。這可能會導致偏差，不利于分析質量，尤其是在關注英語不是主要語言的地區和行動者時更是如此。
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所展示的數據采購可自由擴展到不同地區、行為體或其組合。在應用程序接口（API）中配置所需的參數后，相關的 GDELT 事件將自動提取。
由于本論文的重點在于預測，因此建模技術的應用側重于時間序列和遞歸神經網絡（RNN）模型。在測試過的時間序列預測模型中，自回歸綜合移動平均（ARIMA）模型與其他候選模型和天真模型相比，顯示出良好的預測性能。應用時間序列模型預測一至三個月的中期趨勢取得了最佳結果。
為了補充時間序列模型并利用 GDELT 的短期更新間隔，我們建立了不同類型的 RNN，并測試了它們在事件數量短期預測方面的性能。簡單 RNN 與長短期記憶 (LSTM) RNN 進行了比較，結果發現，簡單 RNN 的性能不如 LSTM RNN 模型。由此得出的結論是，數據中確實存在影響模型預測能力的長期和短期效應。
除了最初的跨語言 GDELT 數據庫，RNN 模型還運行了僅基于英語來源的 GDELT 數據提取，以及來自武裝沖突地點和事件數據項目（ACLED）數據庫的數據提取。
總體而言，在幾乎所有測試的模型中，使用基于英語來源的數據集都能獲得更好的均方根誤差值。不過，這并不一定意味著模型在捕捉現實生活中的變化方面表現更好。一項補充性探索數據分析（EDA）得出結論，在以英語為基礎的報告中，一系列事件的代表性不足。這一點在烏克蘭戰爭前奏期間尤為明顯，因為西方公眾對該地區的興趣和英語報道的一致性有時會降溫。事件報道不足導致數據的可變性較低，一致性較高，從而提高了基于英語模式的績效指標。
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由于固有的設計復雜性、無限的測試空間和缺乏自主性的具體措施，自主和協作無人系統的實施和測試具有挑戰性。這些挑戰限制了美國空軍部署和利用這些系統所提供的戰術和戰略優勢能力。這項研究在廣域搜索（WAS）場景中實例化了一個自主系統參考架構（ASRA），作為自主和協作系統的快速原型設計和評估的測試平臺。該研究旨在提供一個框架，以評估系統實現任務和自主目標的能力，開發可重復使用的自主行為，并開發可重復使用的協作決策算法。對于這項研究和對WAS任務的應用，自主性的衡量標準來自于自主系統的要求：響應性、穩健性和感知的準確性。自主行為，包括結合簡單（原子）行為的更復雜行為被開發出來，各種協作決策規則被定義。隨后的評估在四個場景中實施了立體實驗設計。按照嚴格的測試計劃，測試是在仿真中進行的，實現了自動測試和快速分析。測試結果被用來創建一個響應模型來描述系統，并進行多重響應優化，以確定一個最佳配置，在給定的目標密度下，使搜索面積、檢測百分比和感知精度最大化。
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