美海軍的 "哥倫比亞"（SSBN-826）級彈道導彈潛艇（SSBN）計劃是一項設計和建造12艘新型SSBN的計劃，以取代海軍目前由14艘老舊的 "俄亥俄 "級SSBN組成的兵力。自2013年以來，海軍一直將 "哥倫比亞 "級項目作為海軍最優先的項目。海軍于 2021 財年采購了第一艘 "哥倫比亞 "級艦艇。

海軍 2024 財年擬議預算要求采購該級艦的第二艘艦艇。海軍提交的 2024 財年預算估計，第一艘和第二艘艇的采購成本分別為 151.791 億美元和 92.853 億美元（即約 152 億美元和 93 億美元）。首艇的采購成本遠高于該級后續艦艇的采購成本，因為首艇包括了該級艦艇的大部分詳細設計/非經常性工程（DD/NRE）費用。(海軍預算的長期做法是將新級艦艇的詳細設計/非經常性工程（DD/NRE）費用納入該級艦艇首艇的總采購費用中）。首艦的估計采購費用包括計劃費用 65.576 億美元，這意味著（基本上）該級艦的 DD/NRE 費用。除去計劃費用，首艦的估計實際建造費用為 86.215 億美元。

該級艦的第三艘、第四艘和第五艘計劃在 2026 財年、2027 財年和 2028 財年采購，每艘的采購成本估計約為 82 億美元或 83 億美元。海軍提交的 2024 財年預算估計，12 艘該級艦艇的總采購成本為 1 127 億美元（按當年美元計算），或平均每艘 93.876 億美元（按當年美元計算）。

該級艦的前兩艘艦艇由增量資金供資，這意味著每艘艦艇的采購費用被分為多個年度增量。第一艘艇的采購經費在 2021 財年至 2023 財年分三次遞增，第二艘艇的采購經費計劃在 2024 財年和 2025 財年分兩次遞增。

海軍 2024 財年擬議預算要求為第二艘艇提供 24.436 億美元（即約 24 億美元）的采購資金，并為 2026 財年及其后幾年采購的 "哥倫比亞 "級艇提供 33.907 億美元（即約 34 億美元）的預先采購 (AP) 資金。

國會在 "哥倫比亞 "級項目上面臨的問題包括以下幾點：

• 由于技術挑戰和/或與資金相關的問題，"哥倫比亞 "級首艇的設計和建造可能會出現延誤，這可能會危及海軍是否有能力在 2031 年為首次預定的威懾巡邏做好準備，屆時該艇將取代第一艘即將退役的 "俄亥俄 "級 SSBN 進行部署；

• 該計劃成本增長的風險；

• "哥倫比亞 "級項目對海軍其他項目（包括其他造船項目）可用資金的潛在影響；以及

• 同時建造 "哥倫比亞 "級潛艇和 "弗吉尼亞 "級攻擊型核潛艇（SSNs）對工業基礎的潛在挑戰。

陸基反艦導彈（GBASM）武器系統是美國海軍陸戰隊當前最優先的現代化項目，也是其最新作戰概念--"遠征先進作戰"（EABO）的基石。EABO 的目標是支持海軍的海上控制和海上封鎖任務，尤其是在太平洋地區；GBASM 為海軍陸戰隊提供了遠程火力能力，使其能夠控制重要的海上交通線。迄今為止，GBASM 的研究僅僅集中在武器的有效性以及射擊戰術、技術和程序（TTPs）的開發上，尚未對該系統的后勤考慮因素進行研究。本論文旨在通過對武器系統及其補給站進行建模來填補這一空白，從而深入了解考慮后勤因素時的戰斗動態。

在這項研究中，建立了三個模型：離散時間馬爾可夫鏈（DTMC）、蒙特卡羅模擬和分析模型。用于分析的主要模型是蒙特卡羅模擬。DTMC 用于驗證模擬結果，而分析模型則是對模擬結果的補充和加強。

模擬了 GBASM 發射器（"藍方"）在補給站支持下與對手海上目標（"紅方"）之間的炮火對決。決戰開始時，所有藍方射手向紅方目標開火，殺傷概率為 ??。如果 "紅方 "目標仍然活著，則向射手和倉庫還擊，射手的擊殺概率為 ??，倉庫的擊殺概率為 ??。對決一直持續到滿足三個勝利條件之一為止： 1) 藍方摧毀紅方；2) 紅方摧毀藍方所有射手；或 3) 紅方摧毀藍方倉庫。衡量模型有效性的標準是獲勝概率。

該模型有幾個基本假設和限制。假設藍方總是先開火，這與 GBASM 的使用概念一致，即強調在準備開火前隱藏武器。我們假定紅方擁有無限量的導彈供應；在基礎模型中，為了簡單起見，我們對藍方也做了同樣的假定，但在擴展模型中，這一假定被放寬了。我們假定所有藍方射手在每次發射時都會開火；單位戰術和火力控制不在模型中。該模型的一個主要限制是沒有考慮時間和距離，這意味著藍方無需前往補給站重新裝彈。我們認為這一假設并不影響主要結論，因為我們模擬了幾個波次的交戰，而且每波交戰后炮臺都會重新裝填彈藥。此外，該研究并未使用實際的武器殺傷概率，因為這會提高研究的等級。

我們運行上述基本模型，以了解藍方和紅方行為的趨勢。然后，我們運行了兩個擴展模型，一個是將藍方的彈藥限制在 GBASM 排實際擁有的導彈數量，另一個是考慮與紅方的兩個目標進行決斗。

研究得出了幾個重要發現。首先，"紅方 "的最優策略是一種閾值策略。在紅方面對的藍方射手數量的某個臨界值以下，紅方向射手開火更有利；在臨界值以上，紅方瞄準藍方倉庫更有利。這一現象在多次不同的迭代模擬中都能觀察到，分析模型也證實了這一點。這為 GBASM 部隊提供了兩個重要啟示：1）藍方射手的生存能力會隨著部署射手數量的增加而提高；2）補給站的特征管理至關重要，因為它很可能成為敵方的誘人機會目標。

研究的另一個關鍵發現與藍方補給站的規模有關。我們進行了多次模擬，同時改變藍方可用導彈的數量。我們發現，在某個臨界值之后，藍方獲勝的概率保持不變，這表明根據藍方射手的數量，補給站的規模是合適的。因此，對 GBASM 部隊的啟示是，后勤計劃人員應謹慎平衡部署到某一地點的藍方射手數量與增加可能不需要的彈藥的功效。

這項研究為 GBASM 操作人員和后勤人員提供了有關戰斗動態的重要見解，可用于武器 TTPs 的持續開發。值得注意的是，研究的具體數值結果在很大程度上取決于模型假設和參數值，不應被視為預測結果；相反，研究的關鍵產出是觀察到的總體趨勢和見解。

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。

執行摘要

• 與俄羅斯的軍事理論一致，俄羅斯軍隊在烏克蘭的情報、監視和偵察行動中廣泛使用無人駕駛飛行器（UAV）。這使得它們能夠在炮擊、反炮擊和精確打擊任務中發揮突出作用。

• 雖然ISR無人機在俄羅斯軍隊的大部分目標定位過程中發揮了核心作用，但似乎反應速度很慢，使其在打擊移動目標方面面臨挑戰。

• 探測和瞄準時間的滯后突出了俄羅斯武庫中缺乏軍事級別的無機組人員作戰飛行器（UCAVs）。這些系統將使探測到殺傷的時間更快。雖然俄羅斯軍方顯然正在對這些系統進行投資，這一點從戰前的軍事公告中可以看出，它們不可能很快出現在戰場上。

• 商業無人機在俄烏戰爭中嶄露頭角，以解決緊迫的ISR需求，并充當初級的閑置彈藥。俄羅斯軍方和領導層在接受無人機的作用方面進展緩慢，但現在正在鼓勵俄羅斯部隊使用這些無人機。

• 盡管承認這些無人機的重要性，但俄羅斯軍事工業綜合體在生產俄羅斯部隊所需的大量無人機方面一直進展緩慢。一些生產的缺乏可能來自于國內能力的缺乏，組織間的競爭和缺乏溝通，以及俄羅斯中央政府在這個問題上缺乏領導。

• 解決商用無人機短缺問題的一個新出現的辦法是，俄羅斯國內有一些團體正在為俄羅斯部隊提供無人機和無人機零部件，并在如何在軍事行動中整合和使用商用無人機方面充當思想領袖。

• 使用無人機的戰術、技術和程序（TTPs）已經通過戰場上的經驗得到發展。對俄羅斯和烏克蘭國內團體使用無人機的觀察，促使了為俄羅斯士兵提供無人機使用的標準化培訓和TTP的倡議。

• 在許多方面，裝有彈藥的廉價商用無人機在使用和損失率方面變得更像彈藥；許多無人機被視為對軍事地點和平臺造成損害的消耗性、一次性使用的平臺。這種使用的額外效果是使它們成為防空系統的昂貴目標，在保護軍事單位和關鍵基礎設施之間產生了潛在的烏克蘭防空就業妥協。

• 為了解決其軍事無人機的挑戰，俄羅斯人正在廣泛地使用伊朗生產的軍用無人機。這些無人機具有數百公里的射程和抗干擾系統，已被證明能有效瞄準烏克蘭軍事平臺和關鍵基礎設施。

圖1. 俄羅斯的偵察火力和偵察打擊概念

圖2. 俄羅斯偵察-射擊和偵察-打擊概念

可部署防空雷達（DADR）和固定防空雷達（FADR）系統提供空中和導彈威脅或入侵的早期預警。盡管這些系統的空中監視模式（AS）被優化以覆蓋主要與ABT（帶噴氣發動機的空中目標）有關的高度，但其波束中心設計和數字波束成形提供的靈活性使它們能夠納入其他次要的操作模式。例如，通過在空中監視波束序列中增加TBM（戰術彈道導彈）專用波束，可以實現更高的仰角覆蓋，從而可以同時探測和跟蹤TBM目標。

通過設計特殊波束和/或操作模式，實現更遠的范圍和更高的海拔覆蓋，可以考慮在低地球軌道（LEO）水平上的空間情況意識（SSA）/空間監視和跟蹤（SST）能力。使用基于調整波束序列的相同操作模式設計方法，這些功能只需通過軟件或輕微的硬件修改就可以獲得。

雷達切換到這種與低地軌道監視行動兼容的工作模式，可以由操作員內部觸發（使用先前加載的空間物體目錄），或通過接收先前定義的功能激活請求進行外部提示。獲得的SST能力，無論是在每個雷達上單獨運行還是在多雷達網絡中連接，都可以補充和加強現有SST專用雷達系統提供的SSA能力。

引言

DADR/FADR三維雷達系統的主要任務是提供預警監視，以行使大陸領土或部署部隊的空中主權。這些類型的雷達還有助于北約綜合防空和導彈防御（NATINAMDS），保障和保護聯盟領土、人口和部隊免受任何空中和導彈威脅和攻擊。

其基本的空中監視（AS）模式的波束模板進行了優化，以覆蓋一個具有較長儀器范圍的區域，方位角為360o，高度為100Kfeet。由自己的雷達搜索算法或外部提示觸發，所應用的雷達波束管理技術允許在正常的波束序列中增加波束，使得在同一方位角的各種類似TBM的目標的探測和跟蹤的仰角覆蓋范圍擴大，而在該方位角的ABT監視性能下降最小。

數字波束成形技術為操作者在能量、照明時間、波束轉向和波形管理方面對此類特殊專用模式的編程和配置帶來了極大的靈活性。因此，基于同樣的原則，具有更遠探測范圍和/或更高海拔覆蓋率的額外模式可以納入此類現有的DADR/FADR雷達系統，用于低地軌道水平的SSA/SST，而不需要或只需對硬件進行少量修改。SST能力可以由內部或外部操作。

• 負責低地軌道任務調度的雷達系統SW模塊，可以對其TLE參數先前已經加載的物體進行軌道傳播。然后，系統可以確定它們中的哪一個，在哪里以及什么時候會在雷達的覆蓋范圍內（考慮到低地軌道的延伸范圍和仰角覆蓋）。對于那些符合上述條件的軌跡，可以根據操作者的要求安排監視行動：系統將使用專用的低地軌道波束，試圖沿著編程的路徑照亮感興趣的目標。如果有編程的目標被照亮，根據回聲的探測和跟蹤啟動過程和標準，然后可以啟動一個低地軌道事件。

• 這一功能可以通過一個通信接口來加強，這樣就可以收到激活該功能的必要信息（外部CUE請求），包括搜索激活請求和系統確定要分析的物體的軌跡以及對監視嘗試進行編程所需的參數。

此外，可以建立一個特定的低地軌道運行模式，使其不強制要求在儀器覆蓋范圍內保持同時進行ABT監視活動。這顯然將提供更大的靈活性和性能，因為更多的系統資源可以專門用于低地軌道模式。

在傳感器層面獲得的能力（單獨運行的DADR/FADR傳感器）也可以通過整合從部署在不同國家的雷達系統收到的物體探測，產生一個傳感器網絡，來大大改善北約的SSA和共同認可的空間圖像。這種網絡可以補充和加強由現有雷達系統提供的SSA骨干能力，如已經在西班牙空軍莫隆空軍基地運行的S3TSR和/或其他類型的光學/光學/測距傳感器。

為了發展這一概念，本文件的其余部分組織如下：在第2節中，簡要介紹了DADR/FADR系統的波束模板適應能力，以及如何利用它們來提供特定的跟蹤能力。在第3節中，介紹了SSA/SST功能的提供，主要集中在一臺雷達上。然后在第4節中描述了雷達網絡的操作概念。最后，主要結論將在第5節中總結。

美國導彈防御局（MDA）和空間發展局（SDA）目前正在開發高超音速導彈防御系統的要素，以防御高超音速武器和其他新興的導彈威脅。這些要素包括國防空間架構（NDSA）的跟蹤和運輸層以及各種攔截器項目。隨著MDA和SDA繼續開發這些系統，國會可能會考慮對監督和國防授權及撥款的影響。

背景介紹

高超音速武器，像彈道導彈一樣，飛行速度至少為5馬赫，或大約每秒1英里。與彈道導彈不同，高超音速武器不遵循彈道軌跡，可以在到達目標的途中進行機動。據報道，俄羅斯在2019年12月出動了其第一批高超音速武器，同時一些專家認為，中國早在2020年就出動了高超音速武器。預計美國在2023年之前不會裝備高超音速武器。(關于俄羅斯、中國和美國的高超音速武器項目的概述，見CRS報告R45811，高超音速武器：國會的背景和問題，作者是凱利-M-賽勒）。

高超音速武器的機動性和低飛行高度可以挑戰現有的探測和防御系統。例如，由于雷達探測的視線限制，大多數地面雷達在武器飛行后期才能探測到高超音速武器。這給防御者留下了極少的時間來發射攔截器，以抵消入境武器的影響。圖1描述了陸基雷達對彈道導彈和高超音速武器探測時間的差異。

圖1. 基于地面的彈道導彈探測與高超音速武器的探測

美國國防官員表示，現有的地面和天基傳感器架構都不足以探測和跟蹤高超音速武器；前國防部負責研究和工程的副部長邁克-格里芬指出，"高超音速目標比美國通常通過地球靜止軌道上的衛星跟蹤的目標要暗淡10到20倍。"

國防空間架構

SDA開發了國防空間架構，以 "統一和整合整個[國防部（DOD）]和行業的下一代能力"。NDSA的目標是成為一個 "單一的、連貫的、有七個層次的擴散空間架構"，其中包括圖2中描述的數據跟蹤和傳輸層，并在下面討論。其他層包括支持移動地面資產目標的監護層；提供基于空間的指揮和控制的戰斗管理層；提供 "潛在的GPS否認環境的替代定位、導航和授時"的導航層；探測深空潛在敵對行動的威懾層；以及為其他NDSA層促進衛星操作的支持層。一旦全面投入使用，NDSA將包括550顆衛星并提供全面的全球覆蓋。

跟蹤層

跟蹤層是為了 "提供全球指示、警告、追蹤和瞄準高級導彈威脅，包括高超音速導彈系統"。作為該層的一部分，SDA正在開發一個寬視場（WFOV）衛星的結構，最終將提供全球覆蓋。SDA要求在2023財政年度為第0階段跟蹤活動提供8130萬美元，為第1階段跟蹤活動提供4.998億美元（也稱為彈性導彈預警導彈跟蹤-低地球軌道）。

與SDA的跟蹤衛星協同工作的將是高超音速和彈道跟蹤空間傳感器（HBTSS），以前被稱為空間傳感器層，它是由MDA與SDA和美國空軍合作開發。與WFOV相比，HBTSS將提供更靈敏，但更有限的（或中視場[MFOV]）覆蓋范圍。出于這個原因，WFOV旨在為HBTSS提供提示數據，然后HBTSS可以為地面攔截器提供更具體的目標質量數據。到2023年，SDA計劃擴大跟蹤層，包括70顆WFOV和MFOV衛星，據SDA主任德里克-圖爾尼爾博士說，"這將使我們在低地球軌道上有足夠的覆蓋面，以便我們基本上可以有區域性的持久性"。MDA要求在2023財政年度為HBTSS提供8920萬美元。

2020財年NDAA（P.L. 116-92）第1682條要求導彈防御局局長 "開發一個高超音速和彈道導彈跟蹤空間傳感器有效載荷"。2021財年NDAA（P.L. 116-283）第1645條確認，MDA局長與SDA局長協調，負責開發和采購傳感器有效載荷，"至少到2022財年"。第1645節還要求最遲在2023年12月31日開始對傳感器有效載荷進行在軌測試，并在 "此后技術上可行的情況下 "盡快將傳感器有效載荷納入SDA更廣泛的天基傳感器架構。最后，2022財年NDA（P.L. 117-81）第1662條禁止MDA主任"[授權]或[承諾]為生產衛星或與此類衛星運行相關的地面系統的記錄計劃提供資金"。如果滿足某些條件，包括確定 "由于技術、成本或進度因素，這種限制會延遲交付可運行的[HBTSS]"，空軍負責空間采購和集成的助理部長可以放棄對HBTSS的這種限制。

圖2. NDSA的部分內容

傳輸層

美國防部表示，NDSA的傳輸層旨在將跟蹤層與地面的攔截器和其他武器系統連接起來，將 "加強包括導彈防御在內的若干任務領域"。據國防部稱，SDA已經為運輸層的第1階段授予了三個原型協議，"一個由126個光學相互連接的空間飛行器組成的網狀網絡"，將于2024年9月開始發射。運輸層最終將包括一個由大約300-500顆衛星組成的星座。SDA要求在2023財政年度為 "數據傳輸層、傳感器能力和備用位置、導航和計時能力 "提供8.164億美元。

攔截器

MDA已經探索了一些消除對手高超音速武器的方案，包括攔截導彈、超高速彈丸、定向能武器和電子攻擊系統。2020年1月，MDA發布了一份關于高超音速防御區域滑行階段武器系統攔截器的原型提案要求草案。該計劃旨在 "減少攔截器的關鍵技術和集成風險"；然而，據當時的MDA主任喬恩-希爾海軍中將稱，它在2030年代的某個時候才會準備好過渡到開發。MDA轉而將重點轉向較近的解決方案，并在2021年4月啟動了滑翔階段攔截器（GPI），它將與宙斯盾武器系統整合，并在2020年代中期至末期提供高超音速導彈防御能力。洛克希德-馬丁公司、諾斯羅普-格魯曼公司和雷神導彈與防御公司已經獲得了GPI的 "加速概念設計 "階段的合同。

此外，2022財年NDAA（P.L. 117-81）第1664條授予MDA主任 "預算、指導和管理適用于 "高超音速導彈防御的定向能源項目的權力。國防高級研究計劃局（DARPA）也正在進行一項名為 "滑翔破壞者 "的計劃，其目的是 "開發關鍵的組件技術，以支持一種輕型飛行器，用于在非常遠的距離上精確對付高超音速威脅。" DARPA要求在2023財年為 "滑翔破壞者 "提供1830萬美元。總體而言，MDA在2023財年為高超音速防御申請了2.255億美元，低于其2.479億美元的2022財年申請和2.878億美元的撥款。

國會的問題

一些分析家認為，天基傳感層--與跟蹤和瞄準系統相結合以引導高性能攔截器或定向能量武器--理論上可以提供防御高超音速武器的可行選擇。2019年導彈防御審查報告指出，"這種傳感器利用了從空間可看到的大面積，以改善跟蹤，并可能瞄準先進的威脅，包括高超音速[武器]。" 其他分析家對高超音速武器防御的可負擔性、技術可行性和/或效用提出質疑。此外，一些分析家認為，美國目前的指揮和控制架構將無法 "快速處理數據，以應對和消除即將到來的高超音速威脅"。

一些分析家還對目前SDA和MDA在高超音速導彈防御方面的分工提出質疑。SDA主任Tournear此前曾對這兩個機構之間可能存在冗余的批評作出回應，稱兩者都向負責研究和工程的國防部副部長報告。然而，從2022年10月1日起，SDA將改為向負責采購和整合的空軍助理部長報告。國會可以監督這種新的報告結構對效率和效能的影響。

國會的潛在問題

• 加快對高超音速導彈防御方案的研究是否必要且在技術上可行？高超音速導彈防御方案的技術成熟度是否值得目前的資金水平？

• SDA和MDA是如何在高超音速導彈防御的各種要素上進行合作的？它們目前的作用是增加還是減少了成本以及技術發展的速度和效率？

• 國防部是否具備執行高超音速導彈防御所需的能力，如適當的指揮和控制架構？

美國海軍陸戰隊正在探索使用人機協作來控制前線部署環境中的無人駕駛航空系統（UAS），其任務范圍廣泛，包括情報、監視和偵察（ISR）、電子戰（EW）、通信中繼和動能殺傷。美國海軍陸戰隊設想使用未來的垂直起降平臺（VTOL）來支持混合戰爭任務并實現軍事優勢。對于美國海軍陸戰隊的混合戰爭應用，以實現任務優勢和戰爭主導權，美國海軍陸戰隊需要了解VTOL機組和無人機系統之間錯綜復雜的人機互動和關系，以獲得戰斗空間態勢感知，并有效地計劃和執行針對常規和不對稱威脅的旋轉翼行動。這項研究的重點是美國海軍陸戰隊在海洋環境中的打擊協調和偵察（SCAR）任務，以促進遠征基地先進作戰（EABO）在沿岸地區。有多種復雜的功能必須加以考慮和評估，以支持人機協作互動，提高任務的有效性：任務規劃、移動和滲透、區域偵察、偵察戰斗交接和過渡。

這份頂點報告探討了SCAR任務期間三個系統之間的人機協作：UAS、VTOL和地面控制站（GCS）。該研究從VTOL項目的文獻回顧開始，研究了美國海軍陸戰隊SCAR任務戰術和用于促進EABO的理論概念。此外，它還包括對自主性和自動化、人工智能和機器學習的研究。通過使用合作設計模型來探索這三個系統的人機協作互動和過程，文獻回顧探討了如何使用基于三個因素的相互依賴性分析（IA）框架來確定人類執行者和機器團隊成員之間的相互依賴性：可觀察性、可預測性和可指導性。

通過基于模型的系統工程（MBSE）工具，將SCAR任務的高級功能分解為分層次的任務和子任務，系統分析被用來支持聯合設計方法。根據Johnson（2014）的說法，合作設計方法研究了相互依賴的概念，并使用IA框架作為設計工具。IA框架捕捉了主要執行者和支持團隊成員之間的互動，以發展支持每個主要任務和分層子任務的所需能力，從而產生HMT要求。這份頂點報告分析了兩種選擇。第一個方案認為UAS是主要執行者，VTOL和GCS是輔助團隊成員。第二種方案認為VTOL是主要執行者，UAS和GCS是輔助團隊成員。基于這兩種選擇，IA框架評估了17個主要任務、33個分層子任務和85個執行SCAR任務的所需能力。

此外，研究發現需要一個強大的數字任務規劃系統，如升級后的海軍陸戰隊規劃和行動后系統（MPAAS），通過存儲以前的任務和經驗教訓的數據來促進機器學習。美國海軍陸戰隊將面臨無人機系統的處理能力和信息存儲方面的挑戰。應盡一切努力增加UAS的處理能力。必須實施一個有效的主要、備用、應急和緊急（PACE）通信計劃，以確保UAS、VTOL和GCS之間所有通信平臺的冗余。美國海軍陸戰隊必須實施支持信任、提供快速反饋和簡單操作的接口。

最后，為了準確評估VTOL、UAS和GCS之間的HMT要求，頂點報告促成了一個探索性實驗的發展，該實驗將在海軍研究生院（NPS）建模虛擬環境和模擬（MOVES）實驗室使用，以促進未來的研究。制定了操作要求和測量方法，以確定HMT要求的有效性。

這項頂點研究為在SCAR任務中執行VTOL/UAS混合行動的人機互動復雜性提供了明確的證據。該頂點研究確定了使用系統分析和協同設計作為一種有效的方法，通過IA框架促進人機協作需求的發展。此外，該研究確定了對復雜的自主性和技術準備程度的需求，這可能是目前還沒有的。頂點建議美國海軍陸戰隊繼續研究人機協作，并利用SCAR任務探索性實驗來進一步完善和研究VTOL/UAS的高級系統要求，以支持具有前沿部署的UAS的混合行動，重點是實現4級自主權。

現代綜合防空系統（IADS）所帶來的日益復雜的反介入區域拒止（A2AD）威脅，加上高端隱形平臺所提供的日益強大的優勢，促使美國空軍高級領導人投資于徹底改變2030年及以后的空中力量。這一新設想的一個突出因素是蜂群武器，其目的是通過用大量低成本、可損耗的航空資產來壓倒國際航空運輸系統，并通過自主能力來解決這一挑戰。這項研究提出了一個框架，按照三個獨立的維度對不同級別的自主能力進行分類，即單獨行動的能力、合作能力和適應能力。使用模擬、集成和建模高級框架（AFSIM）構建了一個虛擬作戰模型，模擬以有人駕駛的穿透式轟炸機和自主巡航導彈群為特征的友軍空襲包與以A2AD角色行動的敵軍IADS之間的交戰。通過使用自主性框架作為設計實驗的基礎，評估了不同水平的自主性對攻擊包性能的影響。對實驗結果的分析揭示了哪些方面和什么級別的自主性對促進這一模擬場景的生存能力和殺傷力最有影響。

1. 引言

1.1 動機和背景

戰爭的技術性質正在迅速發展，人們越來越重視對大量數據的收集、處理和決策。隨著指揮與控制（C2）決策空間的復雜性增加，指揮系統根據現有信息采取行動的速度越來越成為一個限制性因素。具有不同程度的人與系統互動的自主系統為緩解這一不足提供了機會。美國2018年國防戰略（NDS）[18]明確要求國防部（DoD）"廣泛投資于自主性的軍事應用"，作為促進大國競爭優勢的一項關鍵能力。

參與大國競爭的一個自然后果是反介入區域拒止（A2AD）環境在聯合沖突的所有方面擴散。從美國空軍（USAF）的角度來看，現代綜合防空系統（IADS）構成了卓越的A2AD威脅，這嚴重抑制了通過常規手段建立空中優勢的前景[2, 20]。這一挑戰促使部隊結構的優先事項發生了變化，因為將能力集中在相對較少的高端系統中的感知風險越來越大。美國空軍科學和技術戰略[26]設想，數量龐大的低成本、易受攻擊的航空資產將很快發揮曾經由數量有限的高價值資產完成的作用。這種大規模的蜂群的任務規劃和空戰管理（ABM）工作的規模可能很快超過人類的認知能力，這使得它成為非常適合自主性研究和開發的應用領域。

1.2 問題陳述

本研究試圖評估幾種自主巡航導彈群的行為對A2AD環境中藍方（友方）空中性能的影響。具體來說，所研究的A2AD場景考慮了紅方（對手）的IADS被藍方聯網的自主巡航導彈群吸引，以促進穿透式轟炸機的后續打擊。在任務規劃時沒有考慮到的突然出現的威脅，可能會進入該場景以增加紅色IADS的力量。蜂群必須在沒有外部反彈道導彈的幫助下，檢測并應對這些突發威脅以及任何其他對抗性任務參數的變化。A2AD場景的建模是使用模擬、集成和建模高級框架（AFSIM）完成的。

1.3 研究問題

為了解決問題陳述，本研究將對以下問題提供答案：

1.具有自主反彈道導彈能力的巡航導彈蜂群能在多大程度上提高藍方空襲包在A2AD環境下的生存能力（即避免被紅方IADS發現和摧毀的能力）？

2.具有自主反彈道導彈能力的巡航導彈群能在多大程度上提高A2AD環境下藍方空襲包的殺傷力（即探測和摧毀紅方IADS元素的能力）？

1.4 論文的組織

本論文的其余部分包含四章，組織如下：第二章對包括自主性、A2AD環境、基于代理的建模和仿真（ABMS）以及實驗設計（DOE）等主題的參考材料進行了回顧。第三章建立了A2AD場景、AFSIM模型實現和實驗設計的結構，作為本研究的框架。第四章介紹了實驗模擬運行的結果和附帶的分析。最后，第五章討論了從這項研究中得出的結論，以及對未來研究方向的建議。

由美國導彈防御局（MDA）和海軍實施的宙斯盾彈道導彈防御（BMD）計劃，使海軍宙斯盾巡洋艦和驅逐艦有能力進行BMD行動。具備BMD能力的宙斯盾艦在歐洲水域作戰，保衛歐洲免受來自伊朗等國家的潛在彈道導彈攻擊，并在西太平洋和波斯灣提供區域防御，防止來自朝鮮和伊朗等國家的潛在彈道導彈攻擊。隨著時間的推移，具有BMD能力的宙斯盾艦的數量一直在增加。MDA提交的2023財政年度預算報告指出，"到2023財政年度末，將有50艘具有BMDS[BMD系統]能力的[宙斯盾]艦需要維護支持"。

宙斯盾BMD項目的資金主要來自MDA的預算。海軍的預算為BMD相關工作提供了額外的資金。MDA的2023財年擬議預算要求為宙斯盾BMD工作提供總計16.591億美元（即約17億美元）的采購和研發資金，包括為波蘭和羅馬尼亞的兩個宙斯盾岸上基地提供資金。MDA的預算還包括宙斯盾BMD項目的運營和維護（O&M）以及軍事建設（MilCon）資金。

國會關于宙斯盾BMD計劃的問題包括以下內容：

• 是否批準、拒絕或修改MDA為該項目提出的年度采購和研究與開發資金申請。

• MDA的成本估算和成本報告是否充分。

• 宙斯盾BMD計劃在保衛美國本土免受洲際彈道導彈攻擊方面應發揮什么作用。

• 具備BMD能力的宙斯盾艦的所需數量與可用數量。

• BMD行動可能給海軍的宙斯盾艦隊帶來的負擔，以及是否有其他方法來執行現在由美國海軍宙斯盾艦執行的BMD任務，如建立更多的宙斯盾岸上基地。

• 盟國負擔的分擔--盟國對區域BMD能力和行動的貢獻與美國海軍對海外區域BMD能力和行動的貢獻相比。

• 宙斯盾BMD項目在關島新的導彈防御系統架構中的作用。

• 是否將夏威夷的 "宙斯盾 "試驗設施轉換為陸基 "宙斯盾 "BMD作戰地點。

• 艦載激光器在未來幾年內對海軍終端階段BMD行動的貢獻，以及這最終可能對所需的艦載BMD攔截導彈數量產生的影響。

• 宙斯盾BMD計劃中的技術風險和測試與評估問題。

美國海軍希望開發和采購三種類型的大型無人航行器（UV），稱為大型無人水面航行器（LUSV）、中型無人水面航行器（MUSV）和超大型無人水下航行器（XLUUVs）。海軍2023財年擬議預算要求為這些大型UV和LUSV/MUSV啟用技術提供5.493億美元的研究和開發資金，并為XLUUV和其他海軍UUV的核心技術提供6070萬美元的額外資金。

海軍希望獲得這些大型UVs，作為將海軍轉移到一個更加分布式艦隊架構的一部分工作，這意味著一種艦艇組合，將海軍的能力分散到更多的平臺上，并避免將艦隊整體能力的很大一部分集中到相對較少的高價值艦艇上（即一種避免 "把太多雞蛋放在一個籃子里 "的艦艇組合）。海軍和國防部（DOD）自2019年以來一直在努力制定一個新的海軍部隊目標，以反映這種新的艦隊組合。2022年4月20日發布的海軍2023財年開始30年（2023財年-2052財年）的造艦計劃，總結了對新的兵力目標進行的研究結果。這些研究概述了潛在的未來艦隊擁有27至153艘大型USV和18至51艘大型UUV。

海軍設想LUSV的長度為200英尺到300英尺，滿載排水量為1,000噸到2,000噸，這將使它們達到輕巡洋艦的大小(即比巡邏艇大，比護衛艦小的艦艇)。海軍希望LUSV是低成本、高端耐力、可重新配置的艦艇，有足夠的能力攜帶各種模塊化有效載荷--特別是反水面戰（ASuW）和打擊有效載荷，主要是指反艦導彈和對陸攻擊導彈。每艘LUSV可以配備一個垂直發射系統（VLS），有16到32個導彈發射管。盡管被稱為UV，LUSV可能被更準確地描述為選擇性或輕度載人的艦艇，因為它們有時可能有一些船員，特別是在近期內，當海軍制定LUSV的啟用技術和作戰概念時。根據海軍2023財政年度的五年（2023-2027財政年度）造艦計劃，海軍采購LUSV的計劃將在2025財政年度開始。

海軍將MUSV定義為45英尺到190英尺長，排水量大約為500噸，這將使它們與巡邏艇的尺寸相當。海軍希望MUSV和LUSV一樣，是低成本、高端耐力、可重新配置的船只，可以容納各種有效載荷。MUSV的初始有效載荷將是情報、監視和偵察（ISR）有效載荷和電子戰（EW）系統。海軍2023財年開始的五年（2023-2027財年）造艦計劃不涵蓋2023-2027財年期間采購MUSV的計劃。

XLUUV的大小大致與地鐵車廂相當。首批5艘XLUUV在2019財政年度獲得資助，正在由波音公司建造。海軍希望使用XLUUV秘密部署Hammerhead水雷，這種水雷將被拴在海底，并配備反潛魚雷，大致類似于海軍冷戰時期的CAPTOR（封裝式魚雷）。根據海軍2023財年開始的五年（2023-2027財年）造艦計劃，通過其他采購，海軍（OPN）計劃在2024財年開始采購額外的XLUUV。

在對海軍2020-2022財年的擬議預算進行標記時，國會國防委員會對海軍的采購戰略是否提供足夠的時間來充分開發這些大型UV，特別是LUSV的作戰概念和關鍵技術表示關注，并包括旨在解決這些問題的立法規定。作為對這些標記的回應，海軍已經重組了LUSV項目的采購戰略，以便遵守這些立法規定，并在進入可部署單位的批量生產之前提供更多的時間來開發作戰概念和關鍵技術。

圖1. 支持LUSV和MUSV計劃的原型機