在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。

根據Janes Market Forecast的分析，2022年至2031年期間，全球直升機市場總價值近330億歐元。運輸直升機幾乎占了這一市場份額的一半（約1610億歐元），其次是多功能電子和政府提供的設備（GFE）。后兩者各占約430億歐元的份額。就單個平臺而言，西科斯基H-60 BLACKHAWK在采購排名中遙遙領先，超過了西科斯基CH-53、波音AH-64 APACHE和波音H-47 CHINOOK。這主要是由于許多國家目前正在對其老化的機隊進行現代化改造，新一代的輕型和中型運輸直升機即將進入客戶手中。但俄羅斯對烏克蘭的攻擊也可能使許多歐洲國家重新對真正的戰斗直升機和反坦克直升機產生興趣。

旋翼機的關鍵考慮因素

目前，重點是平臺性能，即更高的有效載荷、航程和速度。以美國海軍陸戰隊（USMC）和以色列為例，這些要求由西科斯基CH-53K未來40年的供應來滿足。從德國空降兵的角度來看，純粹從數字上看是這樣的：WIESEL的后繼者——空中移動履帶式武器運輸車（LuWa）應該能夠以兩輛車作為內部載荷進行運輸。該驗證機連同彈藥和乘員重約5噸。

接下來在中型運輸直升機（MTH）領域，對更高速度的部隊運輸的需求--而不是更重的負載--將成為焦點。貝爾/波音V-22 OSPREY是第一個用傾轉翼飛機實現更高的飛行速度的方面。只要看看美國的未來垂直升降計劃（FVL）和像OSPREY這樣的機型的進一步發展。來自美國芝加哥的Skyworks航空公司也打算以其VERTIJET進入這一領域。這是一種垂直起飛和降落（VTOL）的高速和遠距離陀螺儀。這種飛機由一名飛行員駕駛，據該公司稱，可搭載六名乘客，以644公里/小時的速度飛行，并可飛行1609公里。巴西航空工業公司和BAE公司也在致力于EVTOL項目的軍事化，這是一個全電動的對應項目。

德國陸軍的一份概念文件要求陸軍航空兵擁有 "敏捷性和靈活性，以便在陸地行動中迅速轉移焦點"。作為一種核心能力，陸軍航空兵應該能夠在白天、夜間和能見度低的情況下，在長距離、不受地形影響和受到威脅的情況下，迅速部署他們的武器系統，在整個責任區提供效果和支持。在速度、航程和有效載荷的性能三角框架內，要求飛行速度超過220節，在不增加油箱或空對空加油的情況下，任務時間至少為3小時。另一個核心要求是有人-無人機編隊協同（MUM-T）。

未來旋翼機的要求

在歐洲，將出現這樣的問題：NH-90和現有戰斗直升機的后繼者將是什么樣子。換句話說，是否會有一個歐洲未來垂直升降機計劃？歐洲防務局（EDA）已經在考慮初步的方法。美國陸軍的FVL計劃由四個項目組成：

• 未來遠程突擊機（FLRAA）計劃
• 未來攻擊偵察機（FARA）的原型機競賽
• 未來的無人機系統
• 模塊化開放系統架構

FLRAA打算從2030年開始取代美軍（陸軍和美國海軍陸戰隊）的BLACKHAWK直升機隊。FARA旨在填補之前由貝爾OH-58D "KIOWA WARRIOR "直升機填補的輕型攻擊和偵察能力的關鍵空白，該直升機已于2014年退役。在最初的五個競爭者中，在2020年夏天進行了降級選擇，現在有兩個設計，即貝爾360 INVICTUS和西科斯基RAIDER X，正在進一步開發中。這兩種飛機將在2023年秋季進行評估測試，最遲在2028年開始生產。

對于FLRAA，有兩個申請團隊，德事隆的貝爾公司（擁有V-280 VALOR）和西科斯基-波音公司的DEFIANT X，將在2022年底進行預選，在2025年中期或后期交付原型機。關于DEFIANT X，洛克希德-馬丁公司表示。"為了遏制未來的沖突，必須對旋翼機系統能力進行變革性的改進。X2技術所提供的速度、范圍和機動性，增加了飛機在未來威脅環境中的生存能力。X2技術的可擴展性是為適應多種任務而開發的--側重于多域作戰的連接性、互操作性、多任務適用性和可擴展性及生存能力"。

從德國的角度來看，德國聯邦警察的中型運輸直升機計劃也很有趣。在這里，將采購44架機器。最近，H215 SUPER PUMA機隊的可用性在那里也是一個問題。該項目自2021年開始招標，目前正處于投標階段。萊茵金屬/西科斯基可能將與S92競爭，而空客將與當前版本的H225 SUPER PUMA競爭。

當被問及旋翼機最重要的技術和創新時，波音公司在德國的國防、空間和安全副總裁Michael Hostetter說。"未來的旋翼機將需要智能化、模塊化和可適應性，以提高它們的能力、可用性、經濟性和互操作性，而這些都是需要它們的非凡應用范圍和用戶范圍。

充分了解機載配置和狀況的智能旋翼機可以與所有操作人員合作，減少工作量，最大限度地提高安全和性能，同時提高可用性，減少維護負擔。模塊化和互操作性能夠為預期的用途實時快速地裝備系統，用首選的和可用的批準部件優化配置。這比開放的任務系統和車輛管理更廣泛，也適用于結構和系統以及推進器和動力裝置。模塊化也降低了初始和持續的采購成本，并促進了升級和改進以及新的配置"。

新訂單、新增和替換

許多用戶正在接收新一代的飛機，包括：

• 菲律賓訂購了32架新的BLACKHAWKs
• 沙特阿拉伯收到了其第一架UH-60M
• 美國陸軍已收到其第一架UH-60V（VICTOR）。
• 波蘭特種部隊已經收到了更多的S-70i飛機
• 據瑞典媒體報道，瑞典也在考慮用SEAHAWKs替換其NH90s，并擴大其BLACKHAWK機隊。
• 澳大利亞也可能在早期用BLACKHAWKs替換其47架NH90s（TAIPAN）。

這凸顯了為什么BLACKHAWK在全球范圍內是同類產品的領導者。挪威也在考慮通過租賃的方式用另一種型號來補充其NH-90艦隊。這些將由海岸警衛隊使用，并填補NH-90的能力空白。空中客車公司從法國獲得了新型H160的訂單，從西班牙獲得了36架H143的訂單，并向卡塔爾交付了第一架NH90。奧地利訂購了18架萊昂納多AW169M（從2023年開始），以取代ALOUETTE 3，哥倫比亞海軍已經收到了AW139。巴林已經訂購了12架AH-1Z VIPER，而以色列是繼美國海軍陸戰隊之后CH-53K的第一個出口客戶。另一方面，印度正在接收其第一架CH-47 CHINOOK。至于戰斗搜救行動，意大利已經收到了萊昂納多的HH-139B。

2021年12月，西班牙發布了12億歐元用于進一步開發空客TIGER Mk III。時間框架是2029年至2037年。法國也已經承諾進行Mk III的開發。德國的承諾仍然開放，根據波音公司的說法，對AH-64E APACHE GUARDIAN有一個平行的要求。澳大利亞也將使 "老虎"提前退役，并以APACHE取代它。特別是德國陸軍仍在與TIGER的災難性清晰度作斗爭。很快，最老的機器將不得不再次被淘汰。Mk III計劃中的關鍵系統改進包括對以下方面的增強：

• 桅桿上安裝的電子光學系統
• 頭盔上的視覺系統
• 增強的視覺系統
• 對講機
• MUM-T數據鏈
• 新的空對地和空對空武器
• 新的航空電子設備套件
• 改進的保護和對抗措施
• 新的導航系統（包括GPS和伽利略系統的同步）。
• 一個新的戰術數據管理和戰場管理系統。

德國加入美國的FVL計劃，然后從2030/35年開始接收第一批飛機也是可以想象的。然而，在此之前，"老虎 "將不得不保持活力。特別是考慮到烏克蘭的戰爭，對快速市場化的解決方案的需求可能會變得更大。英國已經與美國簽訂了一項合作協議，以獲得來自FVL計劃的信息。這旨在進一步發展其自身的技術，并確保兩國所有平臺的互操作性。

武裝直升機

在武裝直升機領域，荷蘭和英國正在升級其AH-64D。此外，韓國在2021年ADEX上展示了KAI海洋攻擊直升機（MAH），這是一種用于海上作戰的戰斗直升機。這里，明確提到了MUM-T能力。澳大利亞也要求 "老虎 "的后續機型具備海上作戰能力。貝爾公司已經為巴林完成了12架AH-1Z "蝮蛇 "中的第一架。土耳其在2018年首次公布了自己的輕型戰斗和運輸直升機，即TAI T625 G?KBEY。土耳其還擁有第二架戰斗直升機，即土耳其航空航天公司的T129 ATAK。這是與萊昂納多合作開發的，以AW129為基礎。

德國為陸軍、海軍和空軍計劃了一個輕型多用途直升機（LUH SK）項目。這是一種訓練直升機，在陸軍中也將作為輕型武器化平臺，在 "老虎 "下面運行。BMVg（德國國防部）現在已經決定放棄這個方案。這意味著該直升機將繼續是一個純粹的訓練平臺。空中客車公司的H145M正在被考慮之中。因此，陸軍現在將不得不開始一個新的項目來填補TIGER下面的空白。最初，計劃為陸軍的一部分H145M裝備H-Force，以便以后可以選擇傳感器和效應器。特別是在作戰平臺上，對自信的要求是最重要的。MUM-T以及僚機和空中發射效應（ALE）概念將在這方面發揮非常重要的作用。

無人駕駛平臺

許多武裝部隊都存在征兵問題，人員的培訓既昂貴又漫長。為了減少人員數量和保護士兵，未來的許多任務可能會越來越多地依賴無人駕駛系統。這對VTOL平臺來說也將不例外。美國海軍陸戰隊指揮官大衛-伯杰將軍最近呼吁加快無人駕駛航空器（UAV）的進展。除了無人機之外，他還想到了用于后勤任務的VTOLs。

他說，美國海軍陸戰隊在未來必須擁有一支平衡的有人駕駛和無人駕駛飛機的機隊。自1999年以來，已經用卡曼航空系統公司的K-MAX進行了能力測試，洛克希德-馬丁公司對該機進行了改造。K-MAX提供了2,041公斤的有效載荷，據說其有效載荷成本為1,200美元/飛行小時。它已經被部署在阿富汗，以及從船上部署。2021年12月，美國海軍首次從船上部署諾斯羅普-格魯曼公司的MQ-8C FIRE SCOUT。

韓國航空航天工業公司（KAI）在2021年ADEX上展示了無人駕駛的輕型武裝直升機（LAH）。它基于空客H155平臺，鼻尖下有一門20毫米GATLING炮。它還有一個光電/紅外（EO/IR）傳感器，并可在其短小的機翼上攜帶導彈吊艙。韓國軍隊有一個214架LAH的計劃，將從2022/23年開始引進，空中客車公司也預計國際上需要300到400架。2022年2月宣布了UH-60A BLACKHAWK的30分鐘無人駕駛飛行。該飛機可以由人駕駛或無人駕駛。該系統的核心是西科斯基的MATRIX自主技術。

西科斯基公司創新部主任伊戈爾-切雷平斯基說。"像西科斯基的MATRIX技術一樣，支持自主和選擇性駕駛操作的進步，將改變飛行員和機組人員執行任務的方式，在機組人員減少或能見度有限的情況下飛行時提供幫助。MATRIX就像一個虛擬的第二飛行員，將幫助操作員在危險和復雜的任務中安全和自信地飛行。它可以利用全權限飛行控制輸入進行自主飛行--包括起飛、路線規劃、避障、選址和降落"。

有人-無人編隊協同（MUM-T）

MUM-T為有人駕駛的飛機提供了許多優勢。它們還能增加航程、耐力、靈活性、生存能力和整體作戰價值。例如，有人駕駛直升機的機組人員可以控制一個無人駕駛飛機系統（UAS），并將其送到其飛行路線的前方，以識別或壓制敵人的傳感器和效應器。這樣，當直升機改變行動區域時，UAS的傳感器--已經在最終目的地運行--已經可以在直升機接近時使用，以便更好地了解情況。這使直升機在到達任務目標后能立即開始執行任務。

如果無人機系統有自己的效應器，這也增加了攻擊直升機的穿透能力和射程，或者由于效應器的數量，大大提高了對目標的致命效果。通過這種方式，陸軍航空兵在未來將能更好地將其效果深入到敵方空間，以支持陸軍行動，甚至在敵方防空系統的威脅下。

無人機的使用將實現（部分）自動化，并得到人工智能（AI）的支持。這也將允許在不增加機組人員工作量的情況下使用群組。任務的風險越大，就越有可能被接管或由無人系統支持。除了使用無人機或僚機外，還使用了所謂的空中發射效應。這些都是從有人駕駛的飛機上發射的，或者由僚機的無人機系統攜帶。 德國波音防務公司的邁克爾-霍斯泰特說。"[APACHE]已經與GRAY EAGLE和Shadow以及SCAN EAGLE組隊，并且能夠與其他飛機組隊。然而，我們要強調的是，APACHE是唯一具有MUM-T能力的攻擊或偵察直升機。MUM-T完全集成到APACHE的顯示器和控制裝置中，使機組人員具有更強的態勢感知能力和以網絡為中心的互操作性--通過允許早期探測和識別戰場上的威脅來提高生存能力"。

韓國航空航天工業公司（KAI）正在開發一個MUM-T系統，用于大韓民國軍隊服役的直升機上。開發工作應在2022年底前完成。貝爾公司剛剛將ESG的任務管理系統集成到貝爾429中，以支持MUM-T。此外，荷蘭正在使用L3Harris遠程操作視頻增強接收器（ROVER）6i收發器技術來支持他們的AH-64E，其固有的4級MUMT能力。通用原子航空系統公司在其新的MOJAVE-UAS中集成了MUM-T能力。在德國，量子系統有限公司使用空客H145M和他們的VECTOR's UAS進行了MUM-T演示。該無人機系統提供了120分鐘的飛行時間，甚至可以在惡劣的條件下運行。

武器裝備和傳感器

直升機實際上不過是一個空中移動平臺，沒有附加價值。只有通過其貨物，如特種部隊（SF）或戰斗車輛，或其傳感器和效應器，它才能在偵察或戰斗（空中和地面支持）中獲得真正的附加值。例如，阿聯酋特種部隊已經開發出一套裝備，可以在UH-60上攜帶（靜音、電動）兩輪車。這增加了SF的地面機動性，而不必求助于更大的飛機。

一段時間以來，UH-60上一直使用SPIKE NLOS制導導彈。現在，SPIKE ER2也被集成在H145M上。巴西海軍為其H225M配備了MBDA EXOCET AM39 Block 2 Mod 2反艦導彈用于反水面作戰。英國海軍在2021年6月首次從WILDCAT HMA2上發射了MARLET。MBDA BRIMSTONE也越來越被考慮作為直升機和無人機的武器裝備。一個新的補充可能是MBDA ENFORCER Air。

由于對適合在輕型直升機或戰術無人機上使用的小型、輕型和經濟型精確導彈系統的強烈需求，MBDA德國有限公司正在改進其ENFORCER以滿足未來的要求。基準的 "ENFORCER "是一種90毫米口徑、發射前鎖定（LOBL）、"發射并忘記"、一次性、日/夜、輕型精確制導肩射武器系統。ENFORCER系統的模塊化設計實現了一系列的發展選擇，包括未來用于陸地、空中和海上的ENFORCER "家族"。就像BRIMSTONE的一個更小和更具成本效益的兄弟。

新的傳感器意味著增加射程或更好的保護。亨索特公司為德國NH90 TTH配備了新的AMPS自我保護系統，美國空軍正在為其HH-60W JOLLY GREEN II戰斗搜救（CSAR）直升機尋求一種新的導彈保護系統作為改進。意大利正在越來越多的直升機上使用萊昂納多的MAIR導彈預警系統。在研究傳感器這一主題時，未來還必須考慮針對小型非軍用無人機的探測和保護系統。這些現在構成了一個不斷增長的威脅。

為了面對軍事防御的挑戰，軍隊及其戰術工具的現代化是一個持續的過程。在不久的將來，各種任務將由軍事機器人執行，以實現100%的影響和0%的生命風險。國防機器人工程師和公司有興趣將各種戰略自動化，以獲得更高的效率和更大的影響，因為陸地防御機器人的需求正在穩步增長。在這項研究中，軍事防御系統中使用的陸地機器人是重點，并介紹了各種類型的陸地機器人，重點是技術規格、控制策略、戰斗參與和使用目的。本研究還介紹了陸地機器人技術在世界軍事力量中的最新整合，其必要性，以及各國際防務公司對世界經濟的貢獻，表明其在軍事自動化和經濟穩定中的優勢。本報告還討論了近期發展的局限性和挑戰、機器人倫理和道德影響，以及與機器人安全有關的一些重要觀點和克服近期挑戰的一些建議，以促進未來的發展。

引言

為了加強軍事防御系統，必須大力發展和提高智能自主戰略能力。在大多數第一世界國家，研究國防技術改進是實現軍事防御現代化的優先事項。未來戰爭的特點可以根據不同領域的沖突進行分析，如：海洋、陸地、空中、網絡、太空、電磁和信息。隨著現代智能和機器人技術的改進，跨域（X域）和多域戰略也需要被關注。無人自主X域（多域）系統，簡稱UAxS，現在是研究和發展的重點，以使軍事力量更加強大、有力和智能。圖1展示了多域和X域的戰爭模式。

圖 1：多域和 X 域戰爭模型

現代防御機制可以在四個相互關聯的領域進行研究：先進的戰艦、良好的通信、人工智能和自主武器。這基本上意味著在軍事防御系統中實施機器人技術。在戰場上，一支裝備精良的機械化部隊是指揮官非常重要的資產。在戰爭中，指揮官必須專注于火力、機動性、人機合作、決策、支持裝甲和指揮步兵。在未來，機器人和自動化系統將通過提供支持和減少負擔來幫助解決這些問題，因為這些系統將更加智能、可靠和合作。在最近的軍事活動中，機器人和自主技術被用于偵察、設備供應、監視、掃雷、災難恢復、受傷士兵的檢索等（Dufourda, & Dalgalarrondo, 2006；Akhtaruzzaman, et al., 2020）。

為了確保可靠的使用和獲得最高的技術影響，機器人必須在半自動化、自動化和人機交互工程方面進行良好的設計。無人地面車輛（UGV）很有前途，在國防應用中具有很大的潛力，在這些應用中高度需要更快和可靠的通信鏈接（鏈接預算）和快速獲取信息（RAtI）（Akhtaruzzaman, et al., 2020）。機器人的價值比人的生命還要低。機器人在感知、檢測、測量和分析方面速度更快。機器人沒有任何激情或情感，不會像人類那樣感到疲勞或疲倦，而是在極端和關鍵條件下保持運作。在不久的將來，機器人將成為作戰計劃和參與的核心技術（Abiodun, & Taofeek, 2020）。它們將能夠通過智能傳感器技術與環境溝通，通過建模理解環境，理解人類的行動，定義威脅，服從命令，以更高的處理能力獲取信息，通過信息交換和共享與其他機器人互動，通過先進的控制技術自主適應敵對環境，并通過強大的計算能力與自動生成的程序應用智能進行自我學習（Akhtaruzzaman, & Shafie, 2010a, 2010b; Karabegovi?, & Karabegovi?, 2019）。

在不久的將來，UGV系統將成為軍事行動的關鍵技術，因為它們將確保幾乎零人力風險，不需要將人力直接安置到戰斗中。UGV系統還將能夠開放各種設施，如負載、自動監視、邊境巡邏、風險降低、障礙物清除、力量倍增器、遠程操縱、信號中繼等（Sathiyanarayanan等人，2014）。陸地防衛機器人必須能夠適應各種崎嶇的地形、惡劣的環境和非結構化的區域，同時發揮指定的作用并保持指揮層次。作為軍事部隊的一種程度，陸地機器人不能給團隊帶來任何額外的工作負擔。因此，必須實施有效的人工智能（AI）工程，以實現UGV或陸地機器人與行動部隊之間可靠的人機合作。

今天的智能機器人或自主武器仍然處于狹義人工智能（ANI）的水平（Horowitz，2019年），或者以某種方式處于ANI和通用人工智能（AGI）之間。這反映出它們還沒有準備好在災難或戰爭等敵對情況下完全自主并做出可靠的決定。人類擁有在很大程度上應用感知經驗的智慧，能夠適應環境，并能在關鍵情況下做出適當的決定。如果這些能力能夠被植入機器人的大腦，該系統就可以說是AGI系統。盡管與人類相比，機器人可以抵御枯燥、骯臟和危險的工作，但它們包括一些有限的功能，如航點或目標導向的導航、障礙物檢測、障礙物規避、威脅檢測、人類檢測和識別、定位、地圖構建、通過圖像和聲音處理提取信息，以及與其他機器人的某種合作。因此，如果能確保機器人和人類之間的良好合作，機器人將在人類的監督下自主工作，那么軍用地面機器人將是最有效的。

本研究對軍用陸地機器人系統、最近的技術進步、應用和道德影響進行了回顧。一些發達國家和不發達國家的現狀，以及通過推進和發展軍事武器、自動化武器和智能技術對世界經濟的工業影響，都反映在審查研究中。本文還闡述了參與戰爭的機器人倫理以及該技術對道德國家的影響。該研究主要試圖通過確定最近的差距、局限性和技術進步的倫理影響，來確定地面機器人技術的最新應用和實施情況。

在聯合全域指揮與控制（C2）傳感器網絡和美海軍的 "超配項目"中，無人系統（UxS）是一種共享能力，它擴展了軍事力量的范圍和能力，以加強在有爭議空間的戰術。這增加了對可互操作的網絡框架的研究，以安全和有效地控制分布式無人系統部隊。迄今為止，陳舊的技術、分離和專有的商業慣例限制或掩蓋了對新興產業技術的追求，這些技術提供了當今現代化部隊所需的安全功能，留下了更多的問題而不是事實。此外，UxS的功率和處理限制以及受限的操作環境禁止使用現有的現代通信協議。然而，消息層安全（MLS）的發展，一種安全和高效的團體通信協議，可能是UxS團隊的理想選擇。這篇論文記錄了從一項定性研究中收集到的結果，發現MLS是UxS小組安全和效率的最佳選擇。它還記錄了MLS與ScanEagle無人機（UAV）和海軍信息戰太平洋CASSMIR無人水面艇（USV）的整合。該實施方案提供了一個作戰概念，以證明使用MLS在多域特設網絡配置中為無人機和USV之間提供安全和高效的C2和數據交換。所進行的實驗是在一個虛擬環境和物理UxS中進行的。

引言

對聯合全域指揮與控制（JADC2）架構至關重要的是多樣化的無人系統（UxS）和傳感器。這些不同的設備將使以人機協作為中心的未來海上力量相互連接。

例如，考慮一個聯合全域用例，即無人系統提供針對近距離對手的能力。UxS的指揮和控制（C2）依賴于通信鏈路--其安全性和設計決定了在對手攻擊的情況下的速度、互操作性和傷害能力。相反，在相同的C2通信鏈路中的不足或使用傳統的架構會轉化為戰術和戰略上的劣勢，有可能將傳統的作戰部隊置于危險境地。我們的研究旨在確定和實施一個可行的C2鏈路安全方案，該方案有可能為分布式多域環境中的UxS提供一個安全、可擴展和可互操作的解決方案。

目前，美國防部（DOD）和美海軍部（DON）正在取得重大進展，以利用整個企業的獨特任務和機會[1]。這些新的可能性包括增加對無人系統和傳感器的使用，使之超越目前的使用案例平臺。在實現無人平臺和系統的數據共享時，網絡安全必須被視為眾多核心技術中的重中之重。這些努力必須考慮確保關鍵的推動因素，如網絡、基礎設施和C2，以及強大的安全協議和認證方法。這些考慮將變得至關重要，因為JADC2企業試圖從分離轉向更統一的數據環境，在對手已經開發出高度復雜的反介入和區域拒止（A2/AD）能力的情況下，所有的人都可以訪問[2] 。

在今天的現代戰爭中，作為分布式力量倍增器的UxS將取決于安全和高效的C2。隨著UxS發展的成熟，對互操作性的需求將增加。這項研究分析了當前和新興的安全協議，并將其與JADC2和 "超配項目"的要求相匹配，以評估和確定支持這些要求的最佳屬性和協議。然后，這項工作根據所需的安全排列選擇消息層安全（MLS）協議，以便在UxS平臺上實現可行性，特別是記錄程序ScanEagle無人駕駛飛行器（UAV）。

近鄰的對手繼續追求A2/AD能力，以擊敗傳統的美國軍事力量。假設UxS的網絡和物理安全屬性沒有得到解決或設計得不好。那么其他的核心技術，如定位、導航和定時、可靠性、互操作性、通信以及平臺的感知和決定能力都會退化或受到損害。從目前孤立和陳舊的認證過程遷移到一個有效的集成開發、安全和操作環境，對于成功地將用戶體驗平臺和傳感器納入JADC2環境是至關重要的。這種遷移也受到了挑戰，因為需要從傳統的技術和開發框架迅速發展到快速出現的技術，這些技術更有能力在近距離威脅的進展中保持相關性[3]。解決這一挑戰將需要將技術障礙與文化、財政、程序和政治上的孤島融合起來[4]。一旦美國防部解決了這一挑戰，它將有能力實現無縫整合、同步和安全，這對無人機成為多領域作戰的力量倍增器是必要的。

1.1 問題陳述

在一個技術競爭迅速的時代，JADC2基礎設施依賴于20世紀90年代構思的技術（如IPSec[互聯網協議安全]和TLS[傳輸層安全]），同時被限制在美國家安全局（NSA）制定的通用協議和標準下進行安全通信[5]。這些網絡安全協議是點對點的，每增加一個新的網絡設備，都需要與每一個現有的網絡設備建立單獨的信道，這就是指令概述。盡管在成立之初是最前沿的，但值得注意的是，幾十年后的今天，我們仍然依賴這種點對點的安全連接，在動態自治設備網狀網絡之上強行建立一個高延遲和過時的安全覆蓋層。整合改進不僅需要評估適當的現代替代方案，還需要一個能夠及時有效地用新興的行業解決方案解決UXS安全挑戰的操作授權（ATO）程序。

為了解決這些問題，我們提出了以下研究問題：

• JADC2和Overmatch項目的C2協議安全要求是什么？

• 根據在JADC2相關領域工作的國防部主題專家，現代C2安全協議需要哪些功能來滿足JADC2環境的需要？

• 哪種安全協議能最好地滿足所有這些需求，以及UxS C2鏈接的使用可行性是什么？

1.2 范圍

這項研究支持整個美國防部和美海軍部關于當前規范的討論，不充分的網絡安全做法和認證程序決不能阻礙無人駕駛系統的通信安全的未來狀態。這些方法必須不斷發展，以充分解決我們的傳感器和無人駕駛資產在高度技術性的同行競爭威脅中對速度和安全的日益增長的需求。

這項研究支持整個美國防部和美海軍部關于當前規范的討論，不充分的網絡安全做法和認證程序不得阻礙未來的無人機通信安全狀態。這些方法必須不斷發展，以充分解決我們的傳感器和無人駕駛資產在高度技術性的同行對手威脅中對速度和安全的日益增長的需求。

基于研究結果，一個選定的協議在受控的實驗室環境中被實施、測試并進行虛擬基準測試。在成功完成受控的虛擬測試后，虛擬實施過渡到在NPS自主飛行器研究中心（CAVR）ScanEagle無人駕駛飛行器（UAV）和海軍信息戰中心-太平洋（NIWC-PAC）合作自主系統對峙海上檢查和響應（CASSMIR）無人地面飛行器（USV）上的實際應用。

在本論文中，無人系統和無人車之間沒有任何區別，不分領域，即空中和水面；都被稱為UxS。

然而，在實驗過程中，測試將發生在無人機和USV上。這項研究的目的是解決對不依賴平臺的C2鏈路安全協議解決方案的需求。

通過混合方法（定性和定量）的研究工作，實現以下主要目標是本論文的貢獻：

• 進行定性研究，確定JADC2和Overmatch項目的UxS安全協議需求。

• 將定性研究結果與對當前軍事和工業安全協議選項的評估結合起來。

• 為多域作戰（MDO）UxS用例選擇一個可行的安全協議選項。

• 在最佳網絡條件下實施和評估選定的安全協議，用于UxS模擬。

• 在ScanEagle和CASSMIR上實施和評估所選擇的安全協議。

1.3 相關研究

UxS的研究空間是巨大和不斷發展的。正如本節所討論的，UxS安全的主題已經在各個研究領域得到了研究和記錄。然而，將不同的協議與軍事要求進行比較，以制定C2協議標準，提高安全性、效率和互操作性的研究有限。盡管如此，選定的先前研究提供了與我們的研究有關或支持我們研究的見解。

來自俄勒岡大學、南佛羅里達大學、海軍研究生院和凱斯西儲大學的研究人員，專注于建立基于性能和安全之間平衡的最有效的密碼文本算法或密碼框架[6]-[8]。這些論文解釋說，我們目前最常用的密碼套件對于小型UxS來說，計算量和功率都太大，例如Craziefile 2.0，它使用ARM Cortex M-4架構，工作頻率為168 MHz。其他研究則是研究用于開發UxS的軟件的安全基元，如機器人操作系統（ROS），并解釋了安全漏洞和緩解措施，以實現無人系統的安全、可靠部署[9]。最后一項研究揭示了這些基礎技術的脆弱性和保護它們的必要性。

從相關的研究來看，重點是尋找最佳的拓撲結構、路由協議或數據信息傳遞，以支持越來越多的無人駕駛系統和傳感器一起工作和運行[10], [11]。這些工作大多旨在通過將傳輸的開銷成本降到最低，找到維持C2的最有效方法[10], [11]。其他的UxS研究課題側重于網絡安全的最佳實踐，強調在無人系統中發現的漏洞到可能的新攻擊載體和可能的緩解技術之間的范圍[12]。

有過多的指導和研究概述了要求和解決方案；然而，沒有一個真正量化了國防部和海軍內部無人系統平臺和傳感器的C2鏈接安全的重要性。更少的指導和研究將協議和算法與這種需求相匹配。相關研究表明，這些觀點并沒有直接涵蓋選擇和使用標準化協議的整體性，以提高UxS C2鏈路安全、效率和互操作性。這些方法考慮了密碼器的內部性能、ROS軟件的安全服務和能力、UxS的脆弱性和整體網絡性能。本論文旨在研究一個標準化安全協議的實施，該協議可以作為應用層的安全軟件，與設備和互聯網協議網絡無關。

有大量的指導和研究概述了UxS的安全需求；然而，沒有一個真正量化了這些軍事用途的安全需求。從美國防部和海軍部的UxS平臺和傳感器的C2鏈路安全的重要性的現實世界經驗。

1.4 論文組織

本論文的其余部分組織如下。

第2章概述了JADC2和Project Overmatch倡議，以了解這些倡議的安全協議要求。本章還討論了美國國家標準與技術研究所（NIST）和美國國家安全局在加密協議的標準化和選擇方面發揮的作用。它回顧了安全通信協議的工業和軍事安全方法、相關性能以及通過使用專有和基于標準的安全協議解決的安全問題。

第3章提供了一個定性研究，包括面向網絡安全的訪談問題。研究的對象是在安全、自主設備和傳感器網絡、獲取或重疊方面有經驗的軍事、民事和承包商人員。從訪談中收集到的數據為國防部和國防部深入了解UxS的通信安全現狀以及相關的網絡安全和認證程序提供了更深的理解。

第4章根據第3章和第2章的結果進行交叉分析，提供了協議的比較和選擇。它討論了專有的和標準化的安全協議，這些協議是第2章中討論的網絡和倡議的關鍵網絡安全組成部分。它還將美國防部和美海軍部的UxS安全要求與定性研究的結果以及所討論的當前和新興的安全協議相匹配，以選擇UxS平臺的C2所需的最有能力的安全協議。

第5章概述了MLS在MDO UxS情況下的方法和實施。它描述了MLS和ROS的結構。它概述了協議功能概述，代碼開發階段，以及為支持實施而創建的核心功能。它還涵蓋了用于創建MLS指揮和控制（C2）應用程序（MLS C2）與ROS接口的分步方法概述。

第6章討論了在5中開發的各種MLS應用程序的實驗，并分析了其對研究用例的影響。這一章包括對測試過程的描述和對結果的描述。

第7章提供了一個結論，涵蓋了本論文研究的意義，對研究進行了總結，并推薦了繼續工作和替代方法的選項。

未來的 MDO 概念：

• 需要機動以滲透并在復雜和有爭議的地區開展行動。
• 嚴重依賴RAS。

正在探索的RAS是為了：

• 在所有陸軍相關環境中運行。
• 提供更好的態勢感知。
• 增加作戰人員的距離。
• 增加對敵方的覆蓋和困境。
• 實現更快的決策。
• 以尚未想象到的方式擴展機動性。

RAS將被要求：

• 評估場景并創建和分享本地和共同世界模型。
• 以戰斗的規模和速度協調各梯隊、團隊、分隊和單個系統（包括人類）的行動、決策和機動。
• 適應環境和敵方行動中的巨大干擾和變化，并具有復原力。

摘要

為了支持加拿大皇家空軍（RCAF）領導的遙控飛機系統（RPAS）項目，加拿大國防研究與發展部（DRDC）-多倫多研究中心（TRC）在2016年開發了一個綜合地面控制站實驗和演練的試驗平臺，以研究中隊級無人機系統（UAS）作戰單元的關鍵作戰概念。測量操作員的決策性能是分析、設計和評估人機交互（HMI）和智能自適應系統（IAS）概念的一個特別重點。在這份參考文件中，我們對直接和間接的性能測量（MoPs）進行了全面的審查，在無人機系統和人機協作的概念開發和實驗（CD&E）方面。

對國防和安全的意義

本參考文件提供了適合于無人機系統模擬器實驗和人類與自主系統互動的MoPs總結和描述。它為其使用提供了科學證據，并為其應用提供了指導，以可靠地評估和評價軍事環境中涉及無人機系統和廣義上的人類自主協作的作戰概念。

1 引言

1.1 概述

本參考文件對無人機系統（UAS）和人機協作的概念開發和實驗（CD&E）中使用的直接和間接性能測量標準（MoPs）進行了審查。直接性能測量標準，或基于結果的測量標準，包括決策準確性、決策效率、決策質量和操作者任務績效的決策一致性。間接的，或與過程相關的測量，指的是培訓效果、態勢感知、操作員的工作量、人機信任、可用性、團隊合作和操作員反饋。在加拿大國防研究與發展部（DRDC）--多倫多研究中心（TRC），這兩種類型的措施都已成功地適應于無人機系統地面控制站（GCS）模擬器的使用。

1.2 背景

為了支持加拿大皇家空軍（RCAF）領導的遙控飛機系統（原聯合無人機監視和目標獲取系統項目），DRDC多倫多研究中心在2015年開發了一個綜合地面控制站實驗和演練的試驗平臺，以研究中隊級無人機系統作戰單元的關鍵作戰概念。這些概念包括GCS功能要求、適航認證、人類系統集成（HSI）、機組配置和操作員培訓要求。

位于DRDC TRC的TIGER是一個GCS模擬器，用于遠程駕駛中高度長壽命（MALE）無人機（UAV）（Hou，2015）。該模擬器包括飛行器操作員（AVO）和有效載荷操作員（PO）工作站，以及另外四個可重新配置的工作站，用于圖像分析員和報告員（IMA-A和IMA-R），以及電子戰分析員和報告員（EW-A和EW-R）。駕駛和傳感器操作可由操作員進行，或根據編程腳本自主進行。該平臺允許在組件的位置（工作空間安排）、訓練或測試重點（團隊、部分團隊或個人）、環境視角（空中飛越、空中監視或地面觀察）以及用于信息處理、利用和傳播（PED）的指揮和控制（C2）單元方面有相當大的靈活性。TIGER可以是一個獨立的GCS和/或支持網絡中心戰的分布式演習。表1描述了每個操作員的角色和職責，相關的工作站布局在圖1中說明。

當前無人機系統任務的復雜性和無人機系統技術能力的不斷提高，對操作人員提出了重大的認知要求。Arrabito等人（2010年）提供了一份關于一系列認知風險的綜合報告，這些風險導致了許多與無人機系統有關的事件和事故，如操作人員的疲勞、工作量和情景意識（SA）的喪失。

表1：TIGER中無人機系統操作員的角色和責任

角色	工作職責
飛行器操作員 (AVO)	作為機組指揮官，駕駛無人機，并控制任何武器的釋放
有效載荷操作員 (PO)	控制無人機有效載荷，確保傳感器設置對當前任務是最佳的，并控制無人機的激光瞄準。
圖像分析員(IMA-A)	查看來自無人機傳感器的視頻資料，識別任何潛在的重要事件和實體，并將這些信息傳達給IMA-R
圖像報告員（IMA-R）	審查來自IMA-A的事件和實體，并為無人機任務分配機構和AVO編寫報告
電子戰分析員(EW-A)	專注于無人機的電子支持措施，確定任何潛在的重要事件和實體，并將這些信息傳達給EW-R
電子戰報告人（EW-R）	審查來自EW-A的事件和實體，并為無人機任務分配機構和AVO編寫報告

圖1：TIGER中的UAS地面控制站布局。

本參考文件概述了根據NATO STANREC 4685《無人機系統人類系統集成指南》（Hou & Geesman, 2022）和人因設計標準HF-STD-004（聯邦航空管理局，2009），使用無人機模擬器進行作戰概念開發和測試的實驗要求。這些研究強調了進行實驗、調查和演示（包括動態模擬和軟件原型）的重要性，以確定和解決人類工程問題，并評估操作員的認知負荷。測量操作員的決策表現是分析、設計和評估人機交互（HMI）和智能自適應系統（IAS）概念的一個特別重點（Hou, Banbury, & Burns, 2014）。這是一個不小的挑戰，因為 "正確 "決策的概念，特別是在不確定的條件下，是高度主觀和依賴環境的（Hou等人，2014；Banbury, Pelletier, Baker, Tremblay, & Proulx, R，2014b）。因此，一套定量和定性的MoPs被用來描述個人和集體的決策表現。本研究報告確定并總結了用于評估操作者決策過程的 MoPs，以及衡量其結果的 MoPs，并概述了在 DRDC TRC 的三項 TIGER 研究中所采用的措施。

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

總結

美國防部（DOD）正在對其指揮軍事力量的方法進行現代化改造。國防部高級領導人已經表示，現有的指揮和控制架構不足以滿足2018年國防戰略（NDS）要求。全域聯合指揮與控制（JADC2）是國防部的概念，將所有軍種--空軍、陸軍、海軍陸戰隊、海軍和太空部隊的傳感器連接到一個網絡中。

DOD指出，用Uber共享服務來比喻其對JADC2的期望最終狀態。Uber結合了兩個不同的應用程序--一個是乘客，另一個是司機。使用各自的位置，Uber算法根據距離、旅行時間和乘客（以及其他變量）來確定最佳匹配。在JADC2的情況下，這種邏輯將找到攻擊特定目標的最佳武器平臺，或應對新出現威脅的最佳單位。為了使JADC2有效工作，DOD正在追求三種新的或新興的技術：自動化和人工智能、云環境和新的通信方法。

DOD的一些機構和組織參與了與JADC2相關的工作。下面的清單突出了與JADC2開發有關的部分組織和項目：

• 國防部首席信息官：第五代（5G）信息通信技術。

• 國防部長辦公室（研究與工程）：全網絡化指揮、控制和通信（FNC3）。

• 國防高級研究計劃局：馬賽克戰爭。

• 空軍：高級戰斗管理系統（ABMS）。

• 陸軍：項目融合（Project Convergence）。

• 海軍：項目超配（Project Overmatch）

隨著國防部開發指揮和控制軍事力量的新方法，國會可能會考慮幾個潛在的問題：

• 國會如何在驗證需求或成本估算之前考慮JADC2的相關活動？

• 在沒有正式的計劃或預算申請的情況下，國防部為JADC2的預算是多少？

• JADC2的支出重點是什么，是否有國防部可能沒有投資的舉措？

• 國防部如何確保每個軍種和盟國的通信系統之間的互操作性？

• 國防部應如何優先考慮其未來網絡中相互競爭的通信需求？

• 人工智能將在未來的指揮和控制決策系統中發揮什么作用？

• 為了滿足JADC2的要求，有哪些潛在的部隊結構變化是必要的？

• 國防部應如何管理與JADC2相關的工作？

1 什么是JADC2

全域聯合指揮與控制（JADC2）是美國國防部（DOD）的概念，即把所有軍種--空軍、陸軍、海軍陸戰隊、海軍和太空部隊的傳感器連接成一個網絡。傳統上，每個軍種都開發了自己的戰術網絡，與其他軍種的網絡不兼容（例如，陸軍網絡無法與海軍或空軍網絡連接）。通過JADC2，國防部設想建立一個 "物聯網"網絡，將眾多傳感器與武器系統連接起來，利用人工智能算法幫助改善決策。

DOD官員認為，未來的沖突可能需要領導人在幾小時、幾分鐘或可能幾秒鐘內做出決定，而目前分析作戰環境和發布命令的過程需要數天時間。國防戰略（NDS）委員會報告的非保密概要指出，目前的C2系統與潛在的同行競爭對手相比已經"惡化"。國會可能對JADC2概念感興趣，因為它正被用來制定許多高調的采購計劃，以及確定美國軍隊對潛在對手的有效性和競爭力。

圖 1. JADC2 的概念愿景

JADC2設想為聯合部隊提供一個類似云的環境，以共享情報、監視和偵察數據，在許多通信網絡中傳輸，從而實現更快的決策（見圖1）。JADC2打算通過收集來自眾多傳感器的數據，利用人工智能算法處理數據以識別目標，然后推薦最佳武器--包括動能和非動能武器（如網絡或電子武器）--來打擊目標，從而幫助指揮官做出更好的決策。

DOD指出，用Uber共享服務作為類比來描述其對JADC2的期望最終狀態。使用各自的位置，Uber算法根據距離、旅行時間和乘客（以及其他變量）來確定最佳匹配。然后，該應用程序為司機提供指示，讓他們按照指示將乘客送到目的地。Uber依靠蜂窩和Wi-Fi網絡來傳輸數據，以匹配乘客并提供駕駛指示。

一些分析家對JADC2采取了更加懷疑的態度。他們對JADC2的技術成熟度和可負擔性提出了疑問，以及是否有可能在一個致命的、充滿電子戰的環境中部署一個能夠安全可靠地連接傳感器和射手并支持指揮和控制的網絡。分析人士還詢問誰將擁有跨領域的決策權，因為傳統上，指揮權是在每個領域內而不是從整體戰役的角度下放的。

什么是指揮與控制？C2的維度和人工智能的影響
人們可以通過五個問題來看待指揮和控制：誰、什么、何時、何地和如何。傳統上，國會通過兩個不同但相關的問題來關注指揮與控制：權力（"誰"）與技術（"如何"）。
國會傳統上關注的第一個問題反映了指揮官執行行動的權力。這一討論的重點是指揮系統，反映了負責組織、訓練和裝備美國部隊的軍種與有權在國外使用部隊的作戰司令部之間的差異。這個問題可以用一個問題來概括："誰指揮部隊？"
第二個問題是使指揮官能夠做出這些決定并將其傳遞給戰場的技術方面。指揮、控制、通信（C3）、C3加計算機（C4）以及情報、監視和偵察（ISR）等術語進入了討論。指揮和控制的這一技術問題著眼于指揮官用于決策的數據（和收集方法）（即ISR是促成決策的數據），將數據轉化為信息的處理能力，以及使指揮官將其決策傳達給地理上分布的部隊系統。這種指揮和控制的技術方法可以概括為："你如何指揮部隊？"
指揮和控制的其他動態回答了其他問題：哪些系統和單位被指揮（什么），時間方面（何時），以及地理方面（何處）。國會在歷史上對這些問題中的每一個都是在具體的，而不是一般的問題上表示了興趣。例如，國會沒有考慮一般用途的部隊，而是關注與核部隊和特種作戰相關的權力問題。與核和網絡戰的快速反應相關的指揮和控制問題，以及在有限的程度上與電磁頻譜戰相關的問題，這些都是及時性問題，引起國會關注的其他領域。
關于 "何時"，國會已表示對與核和網絡戰的快速反應有關的指揮和控制感興趣，并在有限的程度上對電磁頻譜戰感興趣。然而，對 "何時"的最大敏感度似乎更側重于戰術（例如，何時讓飛機進入目標，何時開始對建筑物進行攻擊）；這些決定往往被授權給指揮官。最后，地理因素對指揮美軍提出了獨特的挑戰；只要行政部門和國會繼續支持全球國家安全戰略，地理決策在很大程度上代表了戰術問題，往往被授權給各個指揮官。
圖2. 指揮與控制的維度和人工智能的影響
圖2描述了這些問題是如何通過引入人工智能（AI）來優化各方面的結果。隨著編隊復雜性的增加--特別是為全域聯合作戰設計的編隊，控制這些部隊有可能超越人類的認知能力，并使用算法來幫助管理這些部隊。美國軍方表示，它打算讓人類參與整個決策過程，但隨著美國軍隊將更多的人工智能技術引入其決策機構，各方面的區別開始變得模糊不清。例如，"誰"和 "如何"開始變得相似，特別是當計算機或算法向指揮官提出建議時，他們可能不了解信息或產生建議的過程。
人工智能還可以影響指揮和控制的其他方面，包括 "什么"、"什么時候 "和 "在哪里"。將 "什么 "和 "哪里 "這兩個要素結合起來，可以挑戰對手尋找和與美國部隊交戰的能力；這樣做也可以挑戰指揮官及其參謀部在沒有系統幫助管理復雜情況下保持對部隊的控制能力。從 "何時 "的角度來看，需要快速決策的行動，特別是電磁頻譜戰或網絡戰，可能超過人類的決策能力。這就提出了一個重要的問題，即指揮官能在多大程度上信任人工智能，以及人類作戰員需要理解人工智能系統為什么建議采取特定行動。

2 為什么要改變當前的 C2 結構？

DOD目前使用戰斗空間的不同部分來執行C2--主要是沿著確定的軍事領域：空中、陸地、海上、太空和網絡空間。這種結構的存在是因為傳統的威脅來自單一系統，如飛機和坦克編隊。作為回應，軍方開發了高度復雜（但昂貴）的傳感器來監視戰斗空間，向集中式指揮中心（如空中作戰中心或陸軍指揮所）提供信息。E-3高級預警和指揮系統（AWACS）和E-8聯合監視目標攻擊雷達系統（JSTARS）等系統經過優化，為這些中央前哨的指揮官提供態勢感知，然后他們可以在那里指揮軍事力量。

2018年國防戰略（NDS）、審查它的 NDS 委員會和其他來源闡述的未來作戰環境描述了潛在對手如何發展復雜的反介入/區域拒止 (A2/AD) 能力（見圖 3）。這些能力包括電子戰、網絡武器、遠程導彈和先進的防空系統。 美國競爭對手將 A2/AD 能力作為對抗美國傳統軍事優勢（例如投射力量的能力）的一種手段，并提高他們贏得快速、決定性交戰的能力。

圖 3. A2/AD 環境的可視化

美國防部高級領導人已經表示，在未來的作戰環境中，獲取信息將是至關重要的。此外，這些領導人還表示，為了挑戰潛在的同等對手，需要采取多領域的方法（美國部隊將使用地面、空中、海上、太空和網絡力量來挑戰對手的目標計算）。因此，全領域聯合作戰的概念為指揮官提供了獲取信息的機會，可以利用突襲進行同步和連續的行動，并在所有領域快速和持續地整合能力，從而獲得物質和心理優勢以及對作戰環境的影響和控制。

空中陸戰概念設想將空軍和陸軍的努力結合在一起，在20世紀80年代對抗蘇聯，自該概念提出以來，技術上的進步使美國防部能夠繼續發展全領域聯合作戰的概念。這些技術進步包括增加了攻擊目標的方法（包括電子和網絡手段），相對低成本的傳感器的擴散，以及將這些傳感器的數據轉化為信息的處理能力的提高。維持對所有領域行動的控制所面臨的挑戰是，美國的軍事C2機構并不是為做出這些類型的決定而組織的，26而且正在使用的技術的復雜性和速度可能超過人類的認知能力。

指揮與控制是如何演變的？
美軍傳統的指揮和控制概念源于德軍的 "任務型命令"（auftragstaktik）。認識到軍事行動中的混亂和 "戰爭迷霧 "是不可避免的，下級指揮官被委托半自主地行動以實現其指揮官的意圖（即任務的總體目標），而不是有預先規定的行動。情報來源和偵察的信息需要很長的時間，甚至可能需要幾天才能到達指揮官手中。為了保持對部隊的控制，指揮官們依靠無線電通訊和紙質信件。有限的信息量使得指揮官可以在兩個方面指揮部隊--使用單一的領域來應對對手的行動。
在冷戰的高峰期，蘇軍給軍事力量提出了一個新的問題：如何對抗一支數量上占優勢的坦克部隊。為了應對這一威脅，陸軍和空軍提出了一種新穎的方法，通過開發新技術來確定增援地點，將空中和陸地力量結合起來。這一概念被稱為 "空地戰"。這種三維方法試圖利用情報、監視和偵察方面的優勢，"深入觀察"，將火力集中打擊增援部隊（即 "深入打擊"）。為了支持這種利用深度打擊來防止增援部隊的設想，美軍需要改進指揮所，以提高指揮部隊的決策速度，同時仍然保持遵循指揮官意圖的傳統。這種需要導致了新系統的開發，如JSTARS和ATACMS。這些系統使指揮官能夠更快地了解戰斗空間，并提高對敵軍直接開火的反應時間。
在過去的20年里，中國和俄羅斯觀察了美國的戰爭方法，確定了挑戰美國優勢的不對稱方法。中國的軍事現代化尤其注重防止美國建立大量的戰斗力（限制后勤），增加高價值飛機（油輪、間諜飛機、指揮和控制飛機）的風險，并增加其海軍足跡（限制美國的海軍優勢）。為了應對這些新威脅，國防部最初提出了使用多域作戰的想法（后來過渡到全域作戰一詞）。國防部認為，使用一個或甚至兩個維度來攻擊對手是不夠的，因此挑戰對手的目標計算需要更復雜的編隊（額外維度）。國防部認為，不斷增加的復雜性，加上應對新興技術威脅的時間可能減少，需要新的方法來管理部隊。
圖4. 指揮和控制的復雜性的變化

3 JADC2-賦能技術

在國防部發展JADC2概念的過程中，有三類技術在這種指揮和控制軍事力量的方法中起著不可或缺的作用：自動化、云環境和通信。

3.1 自動化與人工智能

許多DOD高級領導人已經明確表示，JADC2是一個概念（或許是一個愿景），而不是任何具體的計劃。在2021年1月的一篇文章中，聯合人工智能中心主任Michael Groen中將說："JADC2不是一個IT（信息技術）系統，它是一個作戰系統。從歷史上看，你會有一個大型的國防項目，你會花數年時間來完善需求，你會收集大包大包的錢，然后你會去找國防承包商，花更多的時間來建造、測試，然后在多年后最終投入使用"。在這篇文章中，Groen中將描述了人工智能（AI）的作用，以及延伸到數據和數據結構的作用，使這些算法能夠為指揮官提供信息。根據Dennis Crall中將（聯合參謀部指揮、控制、通信和計算機/網絡首席信息官[JS J6]主任）的說法，人工智能和機器學習對于實現JADC2至關重要。Dennis Crall說道："JADC2是關于將所有這些自動化....。它是關于利用傳感器豐富的環境--查看數據標準等事情；確保我們可以將這些信息轉移到一個我們可以正確處理的區域； 帶來了云；帶來了人工智能、預測分析；然后用一個能夠處理這些的網絡來支撐所有領域和合作伙伴。"

3.2 云環境

DOD表示，擁有多分類的云環境對于實現JADC2是必要的。DOD設想，用戶能夠根據他們的需要和信息要求，在不同的分類下訪問信息。在2021年6月的新聞發布會上，克拉爾中將說，"戰術邊緣 "的云能力是用于數據存儲和處理，實現人工智能算法。作為一個例子，空軍討論了其高級戰斗管理系統（ABMS）項目對云環境的需求--空軍部對JADC2的貢獻，這將在下文討論。根據空軍的預算說明，ABSM將需要一套云系統、應用程序（即軟件）和網絡（包括商業和政府擁有的），這將 "了解環境并應用由人工智能和機器學習輔助的先進算法"。

3.3 通信

根據DOD的說法，開發JADC2將需要新的通信方法。DOD目前的通信網絡已經為中東地區的行動進行了優化。因此，DOD使用衛星作為與海外部隊通信的主要方法。這些系統面臨著延遲（時間延遲）問題，并且在設計上不能在有電子戰的情況下有效運行。這些舊的架構依賴于地球同步軌道上的衛星，這些衛星在地球上空大約22200英里（35800公里）處運行。新的應用，如人工智能，將有可能需要額外的數據速率，而目前的通信網絡可能無法支持--特別是當DOD增加傳感器的數量，以提供額外的數據來改進算法。自主系統的引入，如海軍的大型無人水面和海底航行器，以及陸軍對機器人飛行器越來越感興趣而產生的系統，可能需要安全的通信和短時延來維持對這些系統的控制。

4 目前開展的JADC2相關工作

聯合參謀部是負責制定全域聯合指揮與控制概念戰略的國防部組織。此外，還有一些正在進行的研究和努力與JADC2概念有關。每個軍事部門（陸軍、海軍、空軍）以及國防部機構，如國防高級研究計劃局（DARPA）和負責研究和工程的國防部副部長辦公室（OSD[R&E]），都在開發技術和概念。以下各節簡要介紹一些組織的工作。

4.1 聯合參謀部 J6：JADC2 戰略

國防部負責制定JADC2戰略的領導機構是聯合參謀部J6指揮、控制、通信和計算機/網絡局。JADC2戰略最初的設想是改善聯合部隊的互操作性（例如，確保無線電系統能夠相互通信），后來擴大了這一重點，制定了一種信息共享方法，通過為決策提供數據來實現聯合行動。除了制定戰略，J6還組織了一個JADC2跨職能小組，各軍種和國防部機構通過該小組協調他們的實驗和計劃。這與國防部數據戰略和國防部副部長創造數據優勢的努力相一致。該戰略確定了五條工作路線以實現JADC2框架：

1.數據組織

2.人力組織

3.技術組織

4.核指揮、控制和通信（NC3）

5.任務伙伴信息共享

在2021年6月4日的新聞發布會上，克拉爾中將表示國防部長奧斯汀已經批準了JADC2戰略。

4.2 OUSD研究與工程（R&E）：完全網絡化的指揮、控制和通信（FNC3）

根據R&E辦公室的說法，"FNC3確定、啟動和協調指揮、控制和通信關鍵使能技術的研究、開發和降低風險活動。這些活動將包括整個國防企業不同但相互關聯的努力，由FNC3在OUSD（R&E）的工作人員監督和同步進行。" FNC3的主要負責人邁克爾-扎特曼博士描述了FNC3的整體愿景，包括三個層次--物理層、網絡層和應用層--它們為開發指揮、控制和通信系統提供了一種量身定做的方法，與商業部門的最佳實踐相一致。物理層代表無線電和發射器本身，而網絡層則通過開發國防部優化的新興商業軟件定義網絡技術（如網絡切片）來管理應用對物理層的訪問。所有這三層都旨在提高互操作性和彈性（即防止網絡被干擾或中斷的能力），并為每個應用提供適當的服務質量。

根據扎特曼博士的說法，FNC3是JADC2的中長期技術愿景，而每個部門（在以下章節中概述）都有專注于發展近期采購戰略的引人注目的努力。例如，空軍部的先進戰斗管理計劃旨在通過關注成熟技術在未來三年內部署。OUSD R&E利用其投資組合中不太成熟的技術，包括由DARPA、國防創新部門、戰略能力辦公室、各部門和其他部門開發的技術，為實施JADC2提供長期的技術手段。

4.3 DoD CIO：5G技術

國防部提出，5G無線技術的商業進展提供了傳輸更多數據（通常稱為數據吞吐量）和更低延遲的能力。國防部認為，它需要這些能力來處理來自眾多傳感器（如衛星、飛機、船只、地面雷達）的更多數據，并在 "邊緣"（與無線電接收器在同一地點）處理這些信息。5G技術的另一個方面可以實現新的指揮和控制概念，即動態頻譜共享。隨著電磁頻譜變得更加擁擠，聯邦政府已經開始允許多個用戶在同一頻段上運行（稱為頻譜共享）。國防部首席信息官認為，頻譜共享技術允許通信系統在有干擾的情況下傳輸和接收數據。2020年9月，國防部CIO向工業界發出了一個信息請求，即如何對待動態頻譜共享。2021年1月21日，已經公布了67份對信息請求的回應。

4.4 DARPA：馬賽克戰

馬賽克戰爭代表了一系列由DARPA贊助的項目，旨在利用人工智能將傳統上不被設計為互操作的系統和網絡相結合。從概念上講（見圖5），這些項目將能夠利用從衛星上收集的原始情報，并將這些數據轉化為傳遞給 "射手 "的目標信息--在這種情況下，網絡武器、電子干擾器、導彈、飛機或任何其他可能影響預期目標的武器。正如哈德遜研究所的分析家布萊恩-克拉克和丹-帕特所解釋的那樣，"馬賽克戰爭 "試圖將多種重疊的困境強加給敵軍，擾亂他們的行動，從而阻止他們及時到達目標。

圖5：DARPA的馬賽克戰愿景

DARPA的馬賽克計劃之一，稱為異質電子系統的技術集成工具鏈（STITCHES），已被用于空軍和陸軍的實驗。據DARPA稱，STITCHES是一種軟件，旨在通過自主創建允許低延遲和高吞吐量的軟件，快速整合任何領域的通信系統，而無需升級硬件或修改現有的系統軟件。根據空軍的一份新聞稿，該部門已在幾個高級戰斗管理系統的 "上線 "中測試了該技術，并已開始將該計劃從DARPA過渡到空軍部。

4.5 空軍部：高級戰斗管理系統（ABMS）

高級戰斗管理系統最初的設想是取代E-8聯合監視和目標攻擊雷達系統（JSTARS）。空軍在2019年將ABMS項目從開發飛機或雷達之類的東西過渡到 "數字網絡環境，連接所有領域和每個梯隊的作戰能力，以實現全球決策優勢。" 換句話說，空軍從建立一個支持指揮和決策的平臺（如E-8 JSTARS）轉向建立一個安全的、"類似云"的環境，利用人工智能和預測分析為指揮官提供近實時數據。根據空軍的說法，ABMS項目將沿著六條產品線開發能力：傳感器集成、數據、安全處理、連接、應用和效果集成。

空軍已經舉行了三次 "on-ramps"（空軍用來描述演示的術語），以展示其ABMS的方法。2019年12月舉行的第一次on-ramps，展示了該部門從F-22戰斗機使用的安全通信向陸軍和海軍系統傳輸數據的能力。第二次上線使陸軍榴彈炮能夠擊落一枚代用巡航導彈。此外，空軍向美國北方司令部提供了這種 "類似云 "的零信任平板電腦--一種不在設備上存儲敏感數據的安全功能，以協助其在2020年春季應對COVID大流行。

2020年11月，空軍部確定了首席架構師辦公室，負責評估架構上線和整合企業數字架構。同時，空軍確定空軍部快速能力辦公室為ABMS整合項目執行辦公室。快速能力辦公室的工作重點是快速向現場交付項目，它的參與可以被看作是將ABMS從實驗轉向系統開發。

4.6 陸軍部：項目融合（Project Convergence）

根據陸軍的說法，"項目融合是陸軍圍繞一系列連續的、結構化的演示和實驗而組織的新的學習活動"，旨在應對JADC2所帶來的挑戰。

1.確保陸軍擁有合適的人員和人才；

2.將當前的陸軍現代化工作與陸軍未來司令部的跨職能團隊聯系起來，并與陸軍現代化的六個優先事項保持一致；

3.擁有合適的指揮和控制，以應對節奏越來越快的威脅；

4.利用人工智能分析和分類信息，并在陸軍網絡中傳輸；

5.在 "最嚴峻的地形 "中測試能力。

項目融合2020在三個軍事設施中使用了大約750名士兵、平民和承包商，最終在亞利桑那州的尤馬試驗場進行了兩次現場頂點演習。在這次演習中，陸軍展示了幾種技術，包括人工智能、自主性和機器人技術，以測試新的方法來指揮和控制地理上分散的部隊。陸軍計劃將空軍和海軍的系統作為2021年項目融合的一部分，并打算在2022年項目融合中納入外國軍隊。這其中有3370萬美元用于運營和維護，以及7310萬美元用于研究、開發、測試和評估，由陸軍撥款。

4.7 海軍部：項目超配（Project Overmatch）

項目超配是海軍為建立一個 "海軍作戰架構"，將艦艇與陸軍和空軍資產聯系起來而做出的努力。2020年10月1日，海軍作戰部部長吉爾德伊上將責成一名二星上將領導海軍的"項目超配"工作。在他的備忘錄中，吉爾德伊上將指示 "項目超配"采取類似于海軍發展核動力和AEGIS系統的工程和開發方法。其主要目標是 "使海軍能夠在海上形成集群，從近處和遠處、每個軸線和每個領域提供同步的致命和非致命效果。具體來說，你[斯莫爾海軍司令]要開發網絡、基礎設施、數據架構工具和分析。" 在一個平行的努力中，吉爾德伊上將責成基爾比副上將（負責作戰要求和能力的海軍作戰部副部長）制定一項計劃，將無人系統，包括艦艇和飛機，納入海軍作戰架構。根據新聞聲明，海軍打算在2023年達到初始作戰能力（即有能力部署初始系統）。海軍在2022財政年度為 "項目超配 "申請了三個分類項目元素的資金。

在2021年6月舉行的2021年AFCEA西部會議上，吉爾德伊上將討論了項目超配目前的工作。在這次活動中，吉爾德伊表示，自2020年10月項目啟動以來，項目超配已經完成了三個螺旋式發展周期。吉爾德伊進一步解釋說："我們實際上正在試驗一種方式，使我們基本上可以將任何網絡上的任何數據傳遞給作戰人員。這是一個軟件定義的通信系統，使我們能夠以一種前所未有的方式拆開我們所有的網絡"。根據新聞報道，吉爾德表示，他預計在2022年底或2023年初將 "項目超配"的測試規模擴大到一個航母打擊群。

5 國會面臨的潛在問題

以下各節討論了國會的潛在問題，包括需求和成本估算、互操作性挑戰、平衡通信能力、人工智能在決策中的角色，以及實施JADC2所需的潛在部隊結構變化。

5.1 需求和成本估算

美國防部已經為JADC2的相關工作申請了幾個財政年度的資金，特別是在概念的早期發展階段。國防部正在積極制定JADC2戰略，預計將在2021年春季發布。國會中的一些人對國防部沒有像傳統采購項目那樣提供成本估算或驗證需求表示關切。因此，各軍種委員會和撥款委員會已經減少了對這些工作，特別是ABMS和5G研究和開發的要求資金。2021財年國防授權法案（NDAA）要求國防部在2021年4月前為JADC2提出要求。

5.2 國防部對JADC2的潛在資助水平

國防部還沒有正式公布關于JADC2的支出預算數據，該項目在各軍種和國防機構的一些項目中都有資金。根據聯合參謀部J6（JS J6）的說法，JADC2不是一個記錄項目，JS J6也不打算過渡到一個記錄項目。因此，除非國會要求國防部提供JADC2資金的詳細概述，否則國防部可能不太可能這樣做。

一些分析家推測了與JADC2有關的所有項目的年度成本。一位分析家估計，國防部在2022財政年度為與JADC2直接相關的項目編列了大約12億美元的預算。Govini估計，自2017財政年度以來，國防部在JADC2上花費了大約225億美元；這平均每年大約為45億美元。Govini的估計包括其他聯邦機構的資金--如國家航空和航天局（NASA）--以及國防部可能認為與JADC2無關的技術，因此可能高估了JADC2獲得的資金總額。

5.3 JADC2支出優先級

根據JS J6，有五條與JADC2相關的工作線：

• 1.數據組織

• 2.人力組織

• 3.技術組織

• 4.核指揮、控制和通信（NC3）

• 5.任務伙伴信息共享

以數據為中心的方法側重于國防部系統傳輸所需的數據類型和結構，創建一個共同的數據框架，為數據的發送和接收提供一個商定的標準。換句話說，數據的格式化、組織化和結構化的方式影響著數據從傳感器到決策者再到武器的高效和無縫傳輸。另一方面，網絡中心化和互操作性側重于通信標準，如無線電頻率、波形、通信加密等，以確保一個無線電能與另一個無線電通話。通過采用這種方法，JS J6專注于開發軟件應用，以改善指揮和控制。然而，該戰略可能缺少幾個方面，包括：

• 通信系統的硬件和軟件的功能，

• 網絡需要傳輸的數據量，

• 對手的行動對網絡的影響，

• 以及指揮和控制部隊的模塊化。

隨著國防部繼續改革其JADC2概念和要求，其他觀察家也注意到，在JADC2戰略中存在一些沒有被認定的領域，國防部應將其支出主要集中在研究和開發方面。一位觀察家認為，國防部應將其研發支出集中在改善網絡互操作性上。這種方法支持優先升級軍事通信系統，以便在整個聯合部隊中傳輸數據。它建議國防部在軟件和硬件方面投入更多資金，以提高所有類型的數據鏈路和網絡（例如，Link 16、多功能高級數據鏈路、態勢感知數據鏈路以及綜合海上網絡和事業服務）的互操作性。網絡互操作性方法的重點是，創建網絡是困難的；但是，利用軟件定義的網絡和通用電子設備（如類似的芯片架構）可以使每個軍種無縫共享信息。換句話說，這種方法更注重通信網絡的構建方式，而不是在這些網絡內發送數據的組織方式。軟件定義的無線電和網絡使無線電可以很容易地被編程，并因此更容易地相互通信。微電子（即物理硬件）最終定義了無線電的物理和軟件能力。

其他分析家認為，JADC2的支出應更多地集中在改變決策方式上。這一論點強調了通過利用人工智能（AI）實現決策過程自動化的必要性，正如國防高級研究計劃局（DARPA）的馬賽克戰爭概念所設想的。在這種方法中，優先利用人工智能系統的支出（如空軍的STiTCHES計劃），可以建立主要集中在需要傳輸的數據和數據結構的特設網絡。這一論點假設人工智能也可以分析情報、監視和偵察（ISR）數據，以確定人類可能錯過的趨勢，從而向軍事指揮官提出潛在的更好的建議。

其他觀察家認為，優先考慮如何使用和管理電磁波譜的決策對于支持JADC2至關重要。這些觀察家認為，像國防信息系統局的電磁戰管理計劃--旨在利用情報方法評估電磁波譜環境，然后自動決定如何使用頻譜來減輕對手的電子戰影響--對于實現全域指揮和控制是必要的。這些觀察家還認為，對手的電子戰效應將需要近乎即時地被緩解，因此需要一個強大的電磁環境部分（以及自動化），以便在對網絡的潛在攻擊中管理國防部網絡。

5.4 互操作性挑戰

由于國防部設想使用JADC2來同時指揮多個領域的部隊，因此連接不同類型部隊的需求也在增加。國防部擁有并運營著許多通信系統，每個系統都使用不同的無線電頻率、標準和數據鏈，這些系統往往不能相互 "交談"，因此需要一個網關將一種無線電協議 "翻譯 "成另一種協議。盟友和合作伙伴的加入增加了互操作性的挑戰。前國防部副部長邁克爾-格里芬在2020年3月向眾議院軍事委員會情報、新興威脅和能力小組委員會作證時，指出這個問題是繼續為FNC3進行OSD R&E努力的理由。

使國防部能夠共享來自不同部門和單位的信息的挑戰可以通過三種互操作性的方法來解決:

• 網關。通信網關（也許稱為 "翻譯器 "更為恰當）可以接收多種協議、安全級別等，并將這些信息轉播給部隊的其他部門。ABMS計劃已經開發了這種網關（見圖6），以實現通信。這種方法允許信息共享，有可能降低開發成本，因為網關可以是飛機/艦艇/地面系統的一個子系統，有可能能夠相對快速地投入使用。這種方法的挑戰是，這種網關可能沒有使用最先進的，因此也是受保護的波形來轉播給部隊。

圖 6：E-11 戰場機載通信節點 (BACN)

• 新的通信設備。這種方法采用 "自上而下 "的方式（即由OSD或聯合參謀部確定解決方案，然后要求各軍種采用該方案）。使用與聯合戰術無線電系統（JTRS）開發類似的模式，這種方案將購買一個新的通信架構，重點是互操作性。例如，FNC3的努力似乎就是采用這種方法。盡管這種方法可以確保聯合部隊開發的通信系統可以無縫共享信息，而且可能是安全的，但它可能需要大量的投資，并可能遇到時間表的延誤。這種方法的另一個可能的缺點是，隨著系統的投入使用，它們可能對對手的技術不那么有效。

• 開發軟件來創建網絡。第三種方法是使用軟件，使用戶能夠創建自定義網絡。DARPA的 "馬賽克戰爭 "和ABMS計劃的某些方面就是這種方法的例子。與其他互操作性解決方案相比，這種方法更加模塊化，使為特定行動定制的單位和系統能夠相互通信。這種方法的一個主要風險是技術上的不成熟，特別是用于創建這些網絡的軟件。另一個風險涉及到與不同系統共享的信息量和分類，這些系統經過認證，具有不同的保密級別（例如，可釋放的秘密、不可釋放的秘密、最高機密）。

國防部和國會可以選擇這些方法中的一種或多種。一種特定的方法可能提供短期的好處，而國防部則追求一種長期的方法來解決互操作性的挑戰。

5.5 平衡退化環境下的通信能力

國防部為滿足JADC2的要求而開發通信網絡的方法包括三種相互競爭的能力:

• 數據吞吐量（即數據傳輸的速度）

• 延遲（即接收信息/數據的時間延遲）

• 彈性（在自然或故意中斷的情況下保持通信信號的能力）

軍事作戰新技術的興起，如人工智能、戰術數據鏈（如Link 16和多功能先進數據鏈[MADL]）和對手的電子戰能力，為5G和FNC3等未來通信系統平衡這些能力帶來了明顯的挑戰。人工智能和信息戰可能需要大量的數據來實現預測分析，并讓指揮官對戰斗空間有一個準確的了解。與所有可用用戶共享數據的數據鏈并不一定需要高數據速率；然而，數據鏈確實需要低延遲，以確保傳感器能夠證明 "目標級數據"，特別是對于像巡航導彈和飛機這樣快速移動的系統。最后，電子干擾器的擴散需要彈性（或抗干擾性能），以便在被主動干擾時保持通信。圖7說明了在開發新的波形時必須平衡這三個相互競爭的要求（無論該波形是為民用還是軍用而設計）。無線電信號能夠提供每一種能力；然而，優先考慮一種要求意味著其他兩種要求可能會受到影響，這可能會給決策者帶來兩難選擇，即在采購中優先考慮哪些能力。

圖7：平衡通信要求

隨著國防部對其通信系統的現代化改造，它可能會考慮技術特點和限制，以選擇在保護其網絡安全的同時推進任務目標的要求。例如，像5G這樣的技術可以提供高數據容量和低延遲，但目前還不清楚這些信號可能受到對手干擾的影響。另一方面，FNC3的設計似乎是為了提供具有高數據率的彈性；但是，由于它依賴于衛星，延遲將增加。

5.6 人工智能在決策中的角色

人工智能是實現JADC2的一個潛在的關鍵組成部分。隨著人工智能被引入軍事決策中，出現了幾個潛在的問題。首先，人工智能在決策中的作用應該達到什么程度？在使用致命武器時，人類的判斷力需要達到什么適當的水平？

第二，國防部如何確保用于人工智能算法協助決策的數據的安全性？盡管國防部把重點放在了數據結構上，但它沒有討論它計劃如何具體確保JADC2的數據有效性和安全性。錯誤的數據可能導致指揮官選擇損害任務目標的選項（如算法推薦可能浪費高價值彈藥的目標）。與此相關的是，國防部打算如何保護云環境中的這些數據，以防止對手操縱它們？這些安全計劃是否足以防止對手的操縱？

5.7 潛在的部隊結構調整

由于JADC2可能需要不同類型的部隊和武器系統，每個軍種都可能尋求改變其訓練、組織和裝備部隊的方式。例如，海軍陸戰隊在其部隊重新設計中宣布，它將取消它認為不符合國防戰略指導的部隊，并將資金重新投入到其他更適合未來作戰環境的項目中。

現役和預備役部隊的能力平衡是部隊結構調整的另一個方面。例如，陸軍在歷史上決定將后勤能力從現役部門轉移到預備役部門。因此，如果美國要開戰，陸軍大概需要啟動預備役部隊來實現行動。當國防部和各軍種準備迎接JADC2帶來的挑戰時，這些組織將如何選擇平衡現役和預備役部隊的能力和部隊結構？

5.8 對JADC2工作的管理

聯合參謀部J6是國防部JADC2工作的主要協調者，每個軍種和一些國防部機構都在進行各種活動。國會中的一些人過去曾表示有興趣建立國防部范圍內的項目辦公室（如F-35聯合項目辦公室）來集中管理大規模的工作。國防部的研究和開發工作將隨著時間的推移而增加，因此，管理這些工作可能會變得更具挑戰性。國會在未來可能會尋求確定或建立一個負責項目管理、網絡架構開發和財務管理的組織。

附錄-聯合互操作性的歷史實例：聯合戰術無線電系統

聯合戰術無線電系統（JTRS）是一個通信項目，旨在通過在所有軍種中部署無線電設備來提高通信的互操作性。該計劃于20世紀90年代中期開始，最終于2011年被前國防部負責采購、技術和后勤的副部長弗蘭克-肯德爾取消。在他的理由中，肯德爾副部長指出，"由于當時技術不成熟，移動特設網絡和可擴展性的技術挑戰沒有得到很好的理解......從JTRS GMR[地面移動無線電]開發計劃中產生的產品不太可能在經濟上滿足各軍種的要求。" 在15年的開發工作中，國防部花費了大約150億美元，在終止時還需要130億美元。

JTRS計劃旨在用可在大部分無線電頻譜上運行的基于軟件的無線電取代軍隊使用的25至30個系列的無線電系統--其中許多系統不能相互通信。根據設想，JTRS將使各軍種與選定的盟國一起，通過各級指揮部的無線語音、視頻和數據通信，包括直接獲取來自機載和戰場傳感器的近實時信息，以 "無縫 "方式運作。被描述為 "軟件定義的無線電"，JTRS的功能更像一臺計算機，而不是傳統的無線電；例如，它可以通過添加軟件而不是重新設計硬件來升級和修改，以便與其他通信系統一起運行--這是一個更昂貴和費時的過程。國防部聲稱，"在許多情況下，一個具有多種波形的JTRS無線電臺可以取代許多單獨的無線電臺，簡化了維護工作"，而且由于JTRS是 "軟件可編程的，它們也將提供更長的功能壽命"，這兩個特點都提供了潛在的長期成本節約。JTRS計劃最初被分成五個 "集群"，每個集群都有一個特定的服務 "領導"（見表A-1），并由一個聯合項目辦公室管理整個架構。

注：外形尺寸無線電臺基本上是士兵攜帶的小型化無線電臺，以及重量和功率受限的無線電臺。

正如下文所討論的，JTRS在開發過程中遇到了一些困難。這些問題可能與未來的JADC2開發有關。

尺寸和重量的限制和有限的范圍

根據政府問責局(GAO) 2005年的一份報告: 為了實現寬帶網絡波形的全部功能，包括傳輸范圍，Cluster One無線電需要大量的內存和處理能力，這增加了無線電的尺寸、重量和功耗。增加的尺寸和重量是努力確保無線電中的電子部件不會因額外的內存和處理所需的電力而過熱的結果。到目前為止，該計劃還未能開發出符合尺寸、重量和功率要求的無線電，而且目前預計的傳輸范圍只有三公里--遠遠低于寬帶網絡波形所要求的10公里范圍....。Cluster One無線電的尺寸、重量和峰值功率消耗超過直升機平臺要求的80%之多。

由于無法滿足這些基本的設計和性能標準，人們擔心Cluster One可能無法按計劃容納更多的波形（計劃中Cluster One有4到8個存儲波形），而且它可能過于笨重，無法裝入重量和尺寸都受到嚴格限制的未來戰斗系統（FCS）載人地面車輛（MGVs）以及陸軍的直升機機群。一些觀察家擔心，為了滿足這些物理要求，陸軍將大大 "削弱 "第一組的性能規格。然而，根據陸軍的說法，它在減少Cluster One的重量和尺寸以及增加其傳輸范圍方面取得了進展；然而，將所有需要的波形納入Cluster One證明是困難的。據報道，Cluster Five無線電臺也遇到了類似的尺寸、重量和功率方面的困難；這些困難更加明顯，因為有些Cluster Five版本的重量不超過1磅。

安全

JTRS的安全問題成為發展中的一個重要困難。據一位專家說，該計劃最大的問題之一是安全，"即加密，因為JTRS的加密是基于軟件的，因此容易受到黑客攻擊"。 計算機安全專家普遍認為，用于任何目的的軟件都是脆弱的，因為目前沒有一種計算機安全形式能提供絕對的安全或信息保證。據美國政府問責局稱，JTRS要求應用程序在多個安全級別上運行；為了滿足這一要求，開發人員不僅要考慮傳統的無線電安全措施，還要考慮計算機和網絡安全措施。此外，國家安全局（NSA）對JTRS與美國盟友的無線電系統接口的安全擔憂也帶來了發展上的挑戰。

與傳統無線電系統的互操作性

一些分析家表示擔心，使JTRS與傳統無線電 "向后兼容 "的目標在技術上可能是不可行的。據報道，早期的計劃試圖通過交叉頻段來同步不兼容的傳統無線電信號，這被證明過于復雜。目前陸軍的努力集中在使用寬帶網絡波形來連接傳統的無線電頻率。一份報告指出，雖然寬帶網絡波形可以接收來自傳統無線電的信號，但傳統無線電不能接收來自JTRS的信號。為了糾正這種情況，陸軍考慮使用19種不同的波形來促進JTRS向遺留系統的傳輸。在JTRS無線電中加入如此多的不同波形會大大增加內存和處理能力的要求，這反過來又會增加JTRS的尺寸、重量和功率要求。

作者：John R. Hoehn，軍事能力和計劃分析師

引言

世界各地專注于對等或接近對等軍事競爭的空軍，越來越意識到采用分布式任務指揮和控制 (C2) 架構的必要性。然而，要實現這一目標，需要克服文化和政治阻力。分布式C2將需要重新引入傳統的任務指揮概念，將決策權力和許可逐步下放給戰術層面上相對較低層的戰斗領導人。盡管如此，大多數正在開發中的C2架構在一定程度上是去中心化的，以便使敵方更難發現、攻擊和削弱關鍵的機載和地基指揮節點。目前空軍強國正在探索分布式軌道衛星和無人機 (UAV) 的組合，以取代傳統的處理、開發和傳播 (PED) 平臺和 C2 平臺。

軌道域資產設施作為分布式 C2 和情報、監視、目標捕獲和偵察 (ISTAR)架構一部分，其未來形態仍然不確定，因為天基傳感器能力、通信帶寬和通信魯棒性的快速發展表明它的作用急劇增加，然而，未來對這些資產設施的使用也可能備受爭議，甚至被否認。無人機具有長續航的潛力，而而不像在軌衛星那樣具有可預測和潛在易受攻擊的軌跡。第五代平臺，如F-35和極低可觀測無人機，作為下一代分布式C2和ISTAR架構的構建模塊，不僅需要安全和難于探測的數據鏈和傳感器，而且要求動態邊緣處理能力以降低帶寬，并自動識別發送相關數據給其他設施資產。因此，在可預見的未來，空軍很可能仍然依賴集中式 C2（基于即將過時的寬體舊系統）。

未來空戰環境

未來空戰環境的特點是遠程地空導彈(SAM)系統(Bronk, 2020a)、遠程空對空導彈(VLRAAMs)和超低可觀測戰斗機和攔截機(Bronk, 2020b)的日益普遍發展。這種新一代威脅系統正在穩步提高傳統空戰的風險水平，傳統作戰嚴重依賴于 E-3 預警機等集中指揮和控制設施。遠程 SAM 系統、VLRAAM 和 VLO 戰斗機威脅將越來越多地迫使傳統指揮和控制 (C2) 以及情報、監視、目標捕獲和偵察 (ISTAR) 飛機在遠離敵方領土的地方運行，以至于其機載傳感器和通信中心能力將大大降低作戰效用。與此同時，遠程精確打擊系統和進攻性網絡工具的可用性繼續增加了現代國家對彼此的集中式地面指揮和控制設施產生威脅效應，如聯合空中作戰中心(CAOCs)(Kaushal, Macy和Stickings, 2019年)。因此，21世紀初西方空軍的兩大核心力量面臨著潛在的生存挑戰。

自1980年代后期以來，西方空軍嚴重依賴空中力量，為使聯合部隊的行動能夠用較少的陸軍與海軍進行。這種模式在 1990 年代和 2000 年代的多次沖突中取得了驚人的成功，導致陸軍和海軍的部隊設計都假設了空中支援和空中 C2 和 ISTAR 的可用性。因此，從空中提供按需 ISTAR 和火力支援的能力，是許多西方國家使用軍事力量的必要先決條件。

聯合作戰對空中力量的依賴，已經創造了一個以聯合空戰中心(CAOC)為焦點的極度集中式的C2模式。

C2 和 CAOCs 的傳統模式

在聯合空戰中心 CAOC 內，72 小時空中任務指令 (ATO) 是根據各種聯合部隊任務、ISTAR設施、多國特遣隊許可流程和加油機等因素生成的。這一過程需要數百名專業人士、大型固定設施和出色的通信鏈路——這使得 CAOCs 在任何重大戰爭中都成為敵對國家重點關注和明顯??的目標。 CAOC 離作戰區域越近，它就越容易受到敵對遠程精確打擊能力的攻擊。然而，距離越遠，對潛在易受攻擊的隱蔽、視距、超視距和軌道通信鏈路的作戰依賴就越大。

未來作戰概念將以較小的規模、較分散的空戰中心(AOCs)為特征，以避免聯合部隊對其C2的斬首式攻擊。然而，依賴較分散的 AOCs 而不是大型 COACs 可能會造成任務重復，從而增加已經不堪重負的情報和指揮人員負荷。 C2 分配還可能增加對可靠通信鏈路的依賴，因為即使必要流程的高度自動化，每個 AOC 也只能執行全規模 COAC 的某些功能。因此，如果動能或非動能武器切斷或嚴重影響這些聯系，那么集中式COACs 或較小的分布式 AOCs 都可能失去戰區內在戰術上協調 ISTAR、打擊和使能設施的能力。

此外，在幾十年基本上沒有競爭的空中行動中，高級指揮官對戰術行動施加直接控制和監督的習慣已被允許出現。這是由于實時全動態視頻傳輸技術成熟，使得 CAOC 指揮官能夠感知戰術態勢。面對經常被視為任意和不得人心的沖突，政治層面對風險的容忍度顯著降低，這也助長了這一趨勢。這將更加阻礙將控制權委托給戰術層面。這種現有的指揮形式進一步提高了集中化程度，降低了作戰節奏，并為空中作戰引入了一系列潛在的帶寬瓶頸和電磁漏洞。許多國家的高級政治家和軍事領導人可能會將同級沖突中涉及的更高地緣政治風險視為繼續集中管理戰術決策的理由。然而，這種方法在實踐中幾乎必失敗，因為它需要緩慢的作戰節奏，以及它需要超視距連接和帶寬。為了適應未來國與國沖突，戰術空中指揮官文化氛圍必須改變以避免行動癱瘓，因為對 CAOC 結構及其支持通信鏈路的動能、電磁和網絡攻擊會切斷了指揮官與前線設施的聯系。

分布式 C2 的未來架構

許多空軍很清楚，源自 E-3預警機和 E-8 J-STARS 等寬體客機的傳統機載 C2 和 ISTAR 節點不再是未來沖突場景的最佳選擇。這些資產設施的自衛能力非常有限，必須發射大量易于檢測的電磁信號才能有效發揮作用，這使得它們容易被定位和跟蹤。此類平臺也是潛在傷亡的重要來源，因為它們攜帶大量訓練有素的任務系統工作人員來執行處理、開發和傳播 (PED) 的關鍵任務，以及空戰管理功能。今天，寬體 ISTAR 和 C2 飛機必須遠離敵方的地空導彈系統和遠程空對空導彈系統，使得在與技術先進的競爭對手發生沖突的早期階段，它們的主要傳感器圖像在很大程度上是無效的。

第五代 F-35 對此類 C2 和 ISTAR 使能器的依賴顯著減少，因為它自身有能力為其飛行員提供多光譜廣域態勢感知。這種在敵對空域內有機地建立態勢感知的能力，使得許多人計劃將 F-35 作為下一代分布式 C2 和 ISTAR 網絡的主要組成部分（Bronk，2020c）。然而，由于帶寬、軟件架構和排放控制限制，F-35 目前的形式無法把為飛行員創建的完整傳感器圖像傳輸到其他軍事設施。此外，作為戰術打擊戰斗機，與傳統的 ISTAR 和 C2 節點相比，F-35 的續航能力有限，而且數量有限的 F-35 也已經致力于打擊、SEAD/DEAD 和攔截任務。因此，諸如 F35 之類的平臺只能為傳統 C2 和 ISTAR 使能資產和網絡日益過時提供部分解決方案。

正在開發的分布式機載 C2 和 ISTAR 架構需要對設備進行更改，以使空軍能夠部署更多的小型平臺。除了 F-35 等支持網絡的戰斗資產設施外，一系列較小的載人 C2 和 ISTAR 平臺仍可能成為攜帶小型任務系統人員的選項，以實現機載 PED 和空戰管理。

然而，幾個主要的空軍強國已經在探索分布式軌道設施和無人機 (UAV) 的組合，這將取代 PED 和 C2到遠程地面站的功能。

由于存在一系列競爭趨勢，作為分布式 C2 和 ISTAR 架構一部分的軌道域的未來形態目前尚不清楚。一方面,飛速發展傳感器功能、對空間/重量/電力有要求的設備、通信帶寬和通信魯棒性，MIMO-type數組和軌道設施發射成本下降，都將大幅增加軌道資產在未來分布式ISTAR和C2網絡的角色。然而軟殺傷反衛星能力的激增，能夠進行交會的軌道設施，進攻性近距離作戰和越來越有爭議的電磁波譜，使得軌道資產和利用它們所需的上行/下行鏈路能力越來越有可能被拒絕，或至少在未來的任何戰爭中受到高度競爭。

提供按需的ISTAR和空中火力支援能力是一個必要的先決條件

與依賴人類飛行和任務系統工作人員的資產設施相比，無人機在空間站上提供了更長的續航時間，不像在軌衛星那樣具有可預測和潛在易受攻擊的軌跡。美國空軍 RQ-4 全球鷹和中國神鷹等大型無人機已經展示了一次在非常大的高度飛行超過 24 小時的能力——對于任何分布式的機載 C2 或 ISTAR 節點來說，這是一個非常理想的屬性。為了使它們在面對同行威脅時能夠更好地堅持下去，具有極低可觀測 (VLO) 形狀和材料的高空長航時 (HALE) 型無人機提供了新的潛力。 VLO UAV 在分散系統內執行 C2 和 ISTAR 任務的適用性將取決于尖端數據鏈、傳感器和 SATCOM 的發展，這些數據鏈、傳感器和 SATCOM 可以在不將機身暴露給敵方無源傳感器的情況下執行其任務功能。為了完成這些任務，出現了一些很有前途的技術，這些技術以不同程度的成熟度存在，但仍然很昂貴，并且部署這些技術的國家保持高機密性和安全敏感性。這意味著大規模部署將具有挑戰性，尤其是在靠近敵方領土的無人平臺上。

僅連接資產設施是不夠的

與當前這一代客機衍生解決方案相比，盡管無人 VLO、HALE 機身可以部署并更接近敵方部隊，但它們取代傳統機載 C2 和 ISTAR 節點的能力取決于自動化數據共享和邊緣處理技術。現代 ISTAR 資產設施，尤其是那些在 F-35 上配備多光譜傳感器套件的設施，在構建周圍戰場的廣域圖像時會產生大量數據。在此過程中，他們將收集可能對其他廣泛資產設施具有較高價值甚至關鍵價值的信息。然而，基于物理的帶寬限制了卸載或共享所有收集的數據，即使在非競爭性電磁環境中也是如此（Watling，2020 年）。在國與國之間的沖突場景中，ISTAR和 C2平臺將競爭有限頻譜資源，并可能在排放控制條件下運行以減少其對檢測和攻擊的脆弱性，應用邊緣處理技術來減少需要共享的數據量將至關重要。

任務工作人員（根據心智能力和工作量）可以對哪些信息可能值得或不值得傳遞給其他資產設施做出必要的主觀和視情況而定的優先級和相關性判斷。然而，至關重要的是，自動化系統目前無法做到這一點，除非在特定的、嚴格定義的情況下。

空戰管理經常是被動反應，依賴判斷的任務也是如此。如果沒有合適的解決方案，用安裝在 HALE 型無人機和作戰資產設施上的數據鏈和分散網絡節點架構，取代空中集中式 C2 和 ISTAR 節點是不可能的。

高度自動化、分布式去中心化的機載 C2 和數據共享網絡的組件（例如美國聯合全域指揮與控制 (JADC2) 計劃所追求的組件），都在機身設計人員的能力范圍內（美國會研究處，2021 年）。

然而，這一雄心超出了目前可行的人工智能和自主技術能力。對這樣一個系統的要求是明確的，因為至少在 2030 年代中期之前，世界各地空軍的大部分戰斗仍將依賴先進的第四代戰斗機和彈藥。

如果沒有來自整個戰場空間的實時態勢感知、目標和武器提示，這些武器系統將無法在高強度沖突中發揮它們所需的作用。然而，如果沒有主觀判斷和優先級排序能力，使得自動化邊緣處理真正取代空戰管理和ISTAR PED任務中的工作人員，空軍很可能仍然依賴于基于過時的寬體遺留系統的集中式機載架構。

作者介紹

Justin Bronk 是英國皇家國防安全聯合軍種研究所（RUSI）軍事科學團隊技術研究員。他還是 RUSI Defense Systems 在線期刊的編輯。他的專業領域包括現代作戰空中環境、無人作戰飛行器和新型武器技術。他為 RUSI 和各種外部出版物撰寫了大量文章。