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近來，物聯網（IoT）技術為農業、工業和醫學等許多學科提供了后勤服務。因此，它已成為最重要的科研領域之一。將物聯網應用于軍事領域有許多挑戰，如容錯和 QoS。本文將物聯網技術應用于軍事領域，創建軍事物聯網（IoMT）系統。本文提出了上述 IoMT 系統的架構。該架構由四個主要層組成： 通信層、信息層、應用層和決策支持層。這些層為 IoMT 物聯網提供了容錯覆蓋通信系統。此外，它還采用了過濾、壓縮、抽象和數據優先級隊列系統等數據縮減方法，以保證傳輸數據的 QoS。此外，它還采用了決策支持技術和物聯網應用統一思想。最后，為了評估 IoMT 系統，使用網絡仿真軟件包 NS3 構建了一個密集的仿真環境。仿真結果證明，所提出的 IoMT 系統在性能指標、丟包率、端到端延遲、吞吐量、能耗比和數據減少率等方面均優于傳統的軍事系統。

提議的IoMT系統架構

IoMT 系統由一組在戰場上應組織良好的軍事設備組成。無人機、作戰基地、艦艇、坦克、士兵和飛機等這些物品應在一個有凝聚力的網絡中進行通信。在 IoMT 網絡中，態勢感知、響應時間和風險評估都會得到提高。此外，IoMT 環境應涉及對普適計算、普適管理、普適傳感和普適通信的全面認識。此外，IoMT 可能會導致傳感器等網絡事物產生超大規模的數據。此外，這類網絡所需的計算量非常大，而這些計算的結果應能實時準確地實現。因此，IoMT 系統架構應考慮上述注意事項。

因此，建議的體系結構由四層組成： 通信層、信息層、應用層和決策支持層（見圖 1）。通信層關注的是事物如何在一個大網絡中相互通信。信息層涉及軍事數據的收集、管理和分析。應用層包括控制不同通信軍事系統的應用程序。最后，決策支持層負責決策支持系統，幫助戰爭管理者做出準確、實時的決策。下文將對每一層進行深入討論。

3.1 通信層

IoMT 系統可視為物聯網的一個特殊例子。因此，IoMT 環境與物聯網環境有些相似，只是在事物類型、通信方式等方面略有不同。根據這一理念，IoMT 環境可定義為一組使用互聯網相互通信的不同網絡。這些網絡應包括軍事任務中的主動和被動事物。IoMT 系統中應構建的主要網絡包括無線傳感器（WSN）、射頻識別（RFID）、移動特設（MANET）、衛星和高空平臺（HAP）網絡。由于 WSN 在許多軍事問題中的重要性，它被納入了 IoMT 系統。WSN 通過快速收集和提供危險數據來協助戰爭行動。然后，將這些數據發送給最合適的人員，以便實時做出正確決策。因此，除了協調自身的軍事活動外，WSN 的主要目標是監測和跟蹤敵方士兵和其他敵方事物的動向。傳感器可以遠距離分布，覆蓋大片區域。這些傳感器通過控制其行為的基站進行通信。由于 RFID 網絡在軍事領域的重要性，它在 IoMT 環境中得到了體現。軍隊中最重要的問題之一就是大部分物品都要貼上標簽。在戰場上使用 RFID 可以為士兵、貨物、小型武器、飛機、射彈、導彈等提供一個具有監控功能的跟蹤系統。例如，定期掃描每個人的醫療情況和效率是戰爭中一個非常重要的問題。城域網在 IoMT 系統中的表現也是一個重要問題，因為它可以用來促進士兵、武器、車輛等的通信。城域網在軍事上有許多特別的應用，如安裝在飛機和地面站之間的網絡或船舶之間的網絡。每種特設網絡的要求都取決于軍事任務的類型。此外，在軍事應用中使用的特設設備都配備了路由場景，可以利用最佳路由路徑自動轉發數據。物聯網依賴互聯網技術來促進通信，這是一個普遍的邏輯。遺憾的是，某些作戰地點可能沒有互聯網技術。因此，尋找替代通信技術非常重要。這就是在覆蓋目標中使用 HAP 網絡的原因。軍用物資分布面積大，因此必須以可靠的方式進行覆蓋，以保證通信效率。HAP 網絡可作為互聯網之外的第二種通信策略選擇。HAP 網絡的高度有限，因此容易成為敵方的攻擊目標，其故障概率可能很高。如果 HAP 網絡出現故障，通信系統將面臨很大問題，可能會影響軍事任務的執行。因此，應構建一個衛星網絡來覆蓋故障的 HAP 網絡，并覆蓋 HAP 網絡或互聯網可能無法覆蓋的軍事事物（見圖 2）。不同網絡之間的通信難題只需使用報頭恢復技術即可解決。在這種技術中，每個網絡之間都應添加一個翻譯器，用目的節點的報頭封裝每個數據包。新的報頭使數據包可以被理解；這可以通過系統路由器來實現（見圖 3）。

圖2: 通信網絡(該圖部分摘自[23])

圖3: 報頭轉換過程

3.2 信息層

這一層非常重要，因為它代表著 IoMT 系統架構的核心。射頻識別（RFID）、傳感器等軍用設備收集的信息應以安全、珍貴、實時的方式進行傳輸、存儲和分析。這一層的首要功能是在信息處理后對收集到的信息進行組織和存儲。IoMT 系統數據的處理被認為是一個具有挑戰性的問題，因為在短時間內可以收集到 TB 級的數據。因此，應在不影響質量的前提下盡量減少這些數據。此外，IoMT 的特殊要求（如實時決策）也不容忽視。在 IoMT 系統架構中，數據處理包括四個步驟： 優先化、過濾、壓縮和抽象。下面將對優先級排序過程進行說明。數據過濾、數據壓縮和數據抽象技術在第 4.1 小節中說明。

確定優先級的步驟包括處理不同優先級的數據。對于戰爭管理者（即軍隊將領）來說，收集到的每項數據都有一定的重要程度。因此，應將數據分為若干優先級，以便在 IoMT 系統饑餓的情況下優先處理和發送高優先級的數據。隊列系統就是用來實現這一優先級劃分步驟的。由于 IoMT 系統數據分類數量龐大，因此采用了六隊列系統。因此，IoMT 系統數據將被分為六個不同的類別。第一類代表最重要的 IoMT 系統數據；第二類代表不太重要的數據，依此類推。分類過程將動態完成，因此每個類別中的數據可能會根據戰爭任務的性質發生變化。為切實實現這一步，下一代路由器應具備對 IoMT 系統數據進行分類的能力。圖 4 說明了優先級排序過程。

圖4: 數據分類過程的簡單視圖

3.3 應用層

IoMT 系統架構中的應用層包括管理、監視等戰爭任務中使用的異構應用。該層應使用一個通用應用程序管理這些應用程序的功能，同時不影響其效率。這些應用程序的統一過程應基于通信數據（信息交換）來實現。在數據通信中，一個應用系統的輸出數據可能是另一個應用系統的輸入數據。因此，確定戰爭應用程序的輸入數據和輸出數據被認為是這一層最重要的目標之一。例如，飛機或發射器的火箭發射應用的輸入需要衛星監控應用的輸出數據，而衛星監控應用可能需要 WSN 應用的數據。信息層和應用層之間的通信非常重要，因為作為輸入和輸出的數據應首先在信息層處理。因此，在設計用于管理軍事應用程序的通用應用程序時，應首先確定每個應用程序的輸入和輸出數據。然后，應確定數據處理的時間（硬、實或軟）。例如，在戰斗停止期間，某個目標的坐標突然發生變化，三個應用程序應實時交互，以完成任務并擊中新位置上的目標。這些相互作用的應用程序構成了 WSN、戰爭管理以及執行任務的飛機機艙。還應確定應用特殊應用程序的優先順序。例如，在敵方多次攻擊特定目標的情況下，防御應用程序將優先啟動。

根據上述討論，一般管理應用程序應有一個專門的數據庫。該數據庫存儲有關單個軍事應用程序的動態變化數據。這些數據與以下主題有關： 輸入和輸出、單個應用程序之間的數據流方向、硬時間軍事情況、實時軍事情況、軟時間軍事情況以及每個應用程序的優先級。這些優先級應根據戰爭形勢來確定。根據綜合管理 IoMT 應用程序的性質，IoMT 系統數據庫的設計可以是分布式的，也可以是集中式的。在分布式數據庫中，應注意數據庫服務器之間交互的復雜性，特別是在需要硬時間或實時交互的事件中（見圖 6）。 、

3.4 決策支持層

戰爭中最重要的問題之一是決策過程。在技術戰爭中，決策應具備準確性、實時性、清晰性、安全性和快速分發等諸多規格。所有這些指標都應與信息層收集的數據相關。雖然信息與軍事決策之間關系密切，但所提出的 IoMT 系統架構在信息層和決策支持層之間還有一個中間層，即應用層。短時間內收集到的大量 TB 信息需要進行分析、過濾、優先排序和壓縮。這些過程已經在信息層中完成。但是，信息層沒有能力確定信息在應用層之間的移動方向（即信息的正常順序）。這種信息順序意味著，每個數據段都應指向一個合適的應用程序，以便實現互補和平衡。這些信息將用于決策過程。例如，假設戰爭管理者有一個目標，要求以特定的安排和特定的順序處理信息，直到軍事偵察之旅取得一定的結果。該目標的完成將通過步兵和防空來實現。因此，應用層和決策支持層之間的聯系將對高精度規格的決策產生良好的影響，這將在關鍵的戰爭事件中發揮作用。

簡單地說，本文概述的決策支持流程包括五個步驟： 事件權重、解決方案識別、選擇一種解決方案、行動和輸出評估（見圖 7）。戰爭管理者可根據自身經驗水平提取事件權重。一旦對事件有了充分了解，就該確定解決方案了。在準備決策時，有許多不同的備選方案。因此，確定可用行動的范圍非常重要。接下來，應選擇備選方案，并確定每個備選方案的風險。然后，就該采取行動了。應確定實施計劃，并提供實施所選解決方案所需的資源。應預先確定執行時間，然后開始執行。最后，應對選定解決方案的執行結果進行評估。請注意，有許多決策支持系統在經過實際測試（如 [24,25]）后，可在 IoMT 中實施。

決策支持層可能面臨三大挑戰。第一個挑戰是數據過多或不足。這意味著決策支持層的輸出會延遲或不準確，這可能會造成災難，因為在大多數戰爭時期都需要實時決策。第二個挑戰是問題識別錯誤。在大多數戰爭任務中，圍繞一項決策會有許多問題。然而，有時卻無法確認這些問題的真實性。第三個挑戰是對結果過于自信。即使決策過程得到了準確執行，實際產出也可能與預期產出不完全一致。應用層將通過確定決策構建所需的準確信息、對問題的準確定義以及輸出調整來應對這些挑戰。因此，決策支持層將使用應用層的輸出。因此，在擬議的 IoMT 架構中，這些層之間的分離是一個需要考慮的重要問題。

仿真

首先，應構建一個軍事模擬環境，以測試所提議的 IoMT 架構的性能。網絡模擬器 3（NS3）是最廣泛使用的網絡模擬軟件包之一，將用于實現這一目標。軍事模擬環境由五種不同類型的網絡組成，其中包括分布在大片區域的大量節點。這五種網絡分別是 WSN、RFID、MANET、HAP 和衛星網絡。這些網絡是根據戰場需求確定的。文獻[26]中的仿真用于評估所提出的 IoMT 架構。在 WSN 仿真中，成千上萬的傳感器分布并部署在戰爭環境中。一個或多個基站將這些傳感器相互連接起來，并從中收集信息。在突發事件中，傳感器能夠向基站發送陷阱信息。然后，如果情況緊急，需要迅速做出決定，基站將直接把信息發送給執行者，如戰士、管理人員等。不過，在正常情況下，基站會將收集到的信息（詳細信息或摘要）重新發送給負責決策的管理人員。基站應該是智能的，并通過編程來實現這一目標。為了在 IoMT 中準確呈現 WSN，傳感器應具有不同的傳輸范圍。對于 RFID，美國軍方在第二次海灣戰爭中使用了最佳方案[27]。每個士兵身上都應貼有一個 RFID 標簽，以便在戰場上進行追蹤。此外，商業貨運和航空托盤等戰爭工具也應貼上 RFID 標簽，以便了解坦克和計劃等關鍵工具的最新狀態。此外，為了挽救士兵的生命，建議的模擬系統考慮了專門用于戰爭的移動醫院，并應配備 RFID 技術。此外，還利用 RFID 技術觀察軍隊的小型庫存物品，以實現更嚴格的庫存控制。對于城域網仿真，它包含戰場對象（如車輛、士兵和信息提供者）之間的臨時通信。在某些軍事情況下，很難通過數據采集中心傳遞或發送信息。因此，城域網仿真的一個考慮因素就是在數據傳輸中使用這種網絡。文獻[28]中所述的架構用于 HAP 和衛星網絡的通信。互聯網仿真使用了 [29] 中介紹的路由算法和 [30] 中介紹的物聯網混合組播架構。多媒體傳輸使用[31]，但傳統軍事系統的模擬則使用[32,33]中所述的準則。

在信息層模擬中，將隨機、動態地創建 IoMT 數據。然后，這些數據將被分類并進入隊列，每個隊列將作為一個數據類別。動態數據的創建取決于存儲在特殊數據庫中的戰爭任務。本模擬場景中使用了 [34] 中所述的壓縮技術和數據過濾技術來減少數據，這是信息層的主要目標之一。應用層模擬也取決于戰爭任務，其中包括許多模擬網絡場景。每個網絡應用程序的輸入和輸出數據都在模擬文件中預先確定。網絡應用程序與綜合管理應用程序之間的通信是通過信息傳輸實現的。文獻[35]中的仿真用于決策支持層。戰爭任務的部分建模和仿真來自文獻[36]，仿真中使用的武器的一般規格來自文獻[37]。圖 8 顯示了擬議的 IoMT 系統模擬環境的全貌。

包括俄羅斯、美國、中國在內的一些國家正在開發和部署高超音速導彈。本論文集介紹了不同的高超音速導彈技術，開發這些技術的工作，以及相關的技術挑戰。還考慮了它們在軍事行動中的使用，它們可能給導彈防御帶來的潛在挑戰，以及對全球穩定的可能影響。

概述

? 高超音速導彈具有超過五倍音速的速度，并且在飛行過程中具有很大的機動性。
? 據報道，中國和俄羅斯已經部署了高超音速導彈，可以運送常規武器或核武器。美國正在測試多種高超音速技術。
? 英國、美國和澳大利亞之間的AUKUS協議包括開發高超音速和反超音速技術。
? 高超音速導彈的開發成本高且技術要求高；其用途和有效性仍在評估之中。
? 它們的速度、機動性和高度可能挑戰現有的導彈防御系統。
? 一些分析家說它們可能會增加沖突的風險；另一些分析家說它們不會改變核國家之間的戰略平衡。
? 軍備控制、出口控制和其他措施可能有助于限制對和平與穩定的潛在危害，但也面臨挑戰。

1 背景

高超音速飛行 "是指物體在地球大氣層內以超過五倍音速（5馬赫）的速度飛行。持續的高超音速飛行在技術上具有挑戰性；在這些速度下，物體會經歷極端的條件，如巨大的空氣阻力（摩擦），導致非常高的表面溫度。高超音速導彈'能夠在這些條件下持續飛行和機動。 盡管許多彈道導彈的速度超過5馬赫，但它們通常不被歸類為'高超音速'。 洲際彈道導彈（ICBMs），主要設計用于運送核武器，可以超過20馬赫，但它們的大部分飛行是在地球大氣層之外，所以它們不會長期經歷高超音速飛行條件。

雖然沒有普遍接受的定義，但 "高超音速導彈 "通常被定義為那些結合了持續的高超音速飛行和顯著的機動性，同時保持精確目標的導彈。這些特性可能使它們比彈道導彈更難被探測和攔截，對現有的導彈防御系統構成挑戰。兩種主要類型的高超音速導彈正在開發中：高超音速滑翔飛行器（HGVs，或 "助推滑翔飛行器"）和高超音速巡航導彈（HCMs）。俄羅斯和中國在過去幾年中宣布了其高超音速能力的進步，據說還部署了HGV武器。美國正在開發多種高超音速導彈設計，其他幾個國家也處于高超音速武器開發的早期階段。

在英國，過去十年的高超音速技術研究主要集中在民用領域，如航空。英國政府表示，HGV的發展將對導彈防御系統構成重大挑戰。 2021年，它承諾在四年內投入66億英鎊用于國防研究和開發，包括先進的高速導彈。國防部的科學和技術組合包括一個高超音速計劃，以開發 "未來的高超音速概念和技術"，并指出，導彈防御科學和技術計劃將資助研究，以支持反人的能力的發展。2022年4月，英國、美國和澳大利亞宣布他們將通過AUKUS安全伙伴關系合作開發高超音速和反超音速能力（見CBP-9335簡報）。下議院公共賬目委員會已經質疑國防部是否正在以足夠的緊迫性發展新的能力，如高超音速武器。

2 高超音速導彈技術

彈道導彈（如洲際彈道導彈）被發射到高空，并在重力作用下以弧形的 "彈道 "軌跡落到地球。因此，它們的飛行路線和目標可以被導彈防御系統預測到，從而有可能用'攔截導彈'瞄準并摧毀它們。然而，用攔截導彈 "對付 "彈道導彈是很困難的。

高超音速導彈是為了躲避現有的彈道導彈防御系統。它們在比彈道導彈更低的高度飛行，而且它們的巨大機動性使它們能夠在飛行過程中改變軌跡，使它們的飛行路線和目標難以預測。在較低的高度飛行會使高超音速導彈在遠距離上更難被一些地表傳感器（如雷達）所追蹤。它們飛得更接近地球表面，并且由于地球的曲率，可以隱藏在地平線之外，在某些雷達的視線之外更久。速度和降低的可探測性相結合，可能會減少攔截者可利用的時間。 它們的機動能力也會使攔截變得困難，并可能需要更靈活的攔截導彈。

兩種主要的高超音速導彈，即HGVs和HCMs，都可以發射含有常規爆炸物或核武器的彈頭。有些被設計成能夠投擲其中任何一種（'雙重能力'）。一些彈道導彈具有高超音速導彈的一些特征，但不是全部，而且不被廣泛認為是 "高超音速"（方框1）。

方框1：俄羅斯的航空彈道 "金扎爾 "導彈
俄羅斯對烏克蘭使用了多枚 "金扎爾（Kinzhal）"導彈。據報道，Kinzhal的射程高達2000公里，最高速度為10馬赫。它被認為是地面發射的短程伊斯坎德爾-M導彈的改進型飛機發射版本。Kinzhal是一種 "空中彈道 "導彈--它在準彈道上飛行，能夠進行有限的機動。盡管空氣彈道導彈可以達到高超音速（像許多彈道導彈一樣），但它們并不被廣泛認為是'高超音速導彈'。

2.1 高超音速滑翔飛行器(HGVs)

高超音速滑翔飛行器被安裝在火箭助推器（如洲際彈道導彈）上進行發射，并可能被加速到20馬赫或更高的速度。然后，滑翔機與助推器分離，在30-80公里的高空無動力飛行，然后向目標俯沖。滑翔機可以進行機動，試圖避開導彈防御系統，并使其更難預測目標。HGV的速度和范圍取決于發射助推器和導彈的設計。許多HGV的設計使用大型發射火箭將其提升到大氣層上部，使其射程更遠。

2.2 高超音速巡航導彈(HCMs)

常規巡航導彈在低空以非彈道、扁平的彈道飛行，以避免被發現。大多數導彈的飛行速度低于音速，由一類噴氣發動機推動，該發動機使用旋轉風扇將空氣吸入發動機。燃料與空氣中的氧氣混合并被點燃以產生推力。HCM也是類似的，但通常使用沖壓式噴氣發動機或竄升式噴氣發動機，在20-40公里的高度達到高超音速。沖壓式噴氣機和竄升式噴氣機沒有移動部件，而是有一個漏斗狀的開口，當HCM向前移動時，空氣被壓入其中。它們需要以大約3馬赫或以上的速度飛行才能運行，因此，HCM（與普通巡航導彈不同）最初必須由小型火箭助推器或噴氣發動機加速，可以在靜止狀態下運行。沖撞式HCM可以達到6馬赫左右，而噴氣式飛機的速度將達到10馬赫以上。大多數HCM設計的射程低于2000公里。

2.3 全球高超音速導彈能力

開發高超音速導彈需要克服巨大的研究和開發挑戰（方框2），導致開發和制造成本高。據估計，美國在2015-2024年間將花費近150億美元（120億英鎊）用于開發高超音速技術。一些國家有高超音速導彈計劃，但關于其能力的非保密信息有限，因此難以評估。報告的能力和實際的真實效果之間也可能存在差異。中國、俄羅斯和美國被廣泛認為擁有最先進的高超音速導彈計劃，其導彈已經部署或可能在未來幾年內部署（見下文）。其他多個國家，包括法國、印度、日本、朝鮮和伊朗，都有被普遍認為處于早期發展階段的計劃。一些國家已經與其他國家建立了合作關系，以加速創新并分享知識和開發成本。

方框2：關鍵的研究和發展挑戰

? 耐熱材料--在高超音速下產生的空氣阻力是巨大的，產生的溫度達幾千度。需要先進的材料，如陶瓷，來抵御這種情況。對電子設備、燃料和彈頭的熱保護也是至關重要的。 ? 空氣動力學設計--導彈的形狀需要將空氣阻力降到最低，以實現高超音速而不至于過度加熱。對于HGV來說，它還需要最大限度地提高升力，以保持滑翔機在空中飛行，并使其能夠在承受高應力的情況下轉彎。 ? 噴氣發動機--HCM噴氣系統的生產帶來了很大的困難。它涉及到確保空氣和燃料在幾毫秒內的混合，這很有挑戰性。維持噴氣式發動機的燃燒被比喻為 "在颶風中保持火柴的燃燒"。 ? 等離子體的形成--在高超音速下經歷的高溫會使導彈周圍的空氣分解成等離子體（帶電粒子云），這可能會干擾與制導和通信系統之間的信號。 ? 測試--計算機模型可以模擬高超音速飛行條件，風洞可以在短時間內產生高超音速氣流。然而，真實世界的飛行測試是至關重要的。這些都很昂貴，需要發射能力、大的開放空間和專門的設備。

2.4 中國

據報道，2020 年，中國部署了 "DF-17"，這是一種帶有常規武裝的HGV的導彈（方框3）。

2.5 俄羅斯

俄羅斯已經部署了 "Avangard"，一種具有核能力的HGV，并且正在開發 "Tsirkon"，以及其他項目（方框3）。它還在與印度聯合開發 "BrahMos II"，據信是對Tsirkon的改進。一些分析家認為，俄羅斯制造大量高超音速導彈的能力可能受到當前制裁的限制。

2.6 美國

美國已經探索了高超音速武器化技術，作為常規快速全球打擊計劃的一部分，以實現快速精確打擊能力。此后，研究和開發已擴大到包括更廣泛的高超音速導彈，包括HCMs（方框3）。美國還參與了國際合作，包括與澳大利亞和AUKUS在 "SCIFiRE "HCM原型上的合作。美國國防部在2020年表示，不考慮使用核武的高超音速武器。

方框3：高超音速導彈計劃
俄羅斯 ?Avangard--一種旨在克服現有防御系統的核武HGV。據報道，它由洲際彈道導彈助推器發射，在洲際距離上可以達到20馬赫的速度，現在已經部署。 ?Tsirkon（或'Zircon'）--一種可以從海軍艦艇上發射的導彈，據說其速度可以達到9馬赫，飛行距離超過1000公里，可以打擊地面和海上目標。據報道，它是在2023年部署的。Tsirkon被俄羅斯政策制定者稱為HCM，但一些分析家對此表示質疑。
中國 ?DF-17 - 一種中程導彈，安裝有雙能力HGV（被命名為DF-ZF）。據報道，它的最高速度為10馬赫，射程超過2000公里。DF-ZF的HGV在未來可能會被用于更遠距離的導彈。
美國 ? 普通高超音速滑翔體--一種可從海軍或地面系統發射的HGV，分別作為 "常規快速打擊 "或 "遠程高超音速武器 "計劃的一部分。計劃在2023年進行進一步的測試。 ?空射快速反應武器--一種中程HGV，由B-52H飛機發射。這種導彈在2022年和2023年進行了飛行測試。 ? 高超音速攻擊巡航導彈--一種小到可以從幾架飛機上發射的HCM。這是在2021年成功測試的原型的基礎上發展起來的。

3 在軍事行動中的潛在用途

高超音速導彈可用于何種任務，將取決于導彈的類型（HGV或HCM），以及其射程、速度、彈頭類型和發射平臺。如果高超音速導彈的高成本限制了可用的數量，那么有選擇的使用可能是必要的。潛在的應用可能包括：

? 快速打擊移動資產--短程高超音速導彈的飛行時間非常短，大大縮短了到達目標的時間，壓縮了對手的反應窗口。它們可用于打擊高價值、時間敏感或移動資產（如航空母艦或運輸車輛），而防御系統只需在有限的時間內做出反應，或讓資產移動。

? 長距離精確打擊--常規武裝的高超音速導彈可用于打擊遙遠的、防御嚴密的目標，如軍事基地，這些目標以前比較難以進入。它們可能被用來破壞空中和/或導彈防御系統的一部分，如雷達站，阻礙對手使用其他類型的導彈抵御更廣泛的攻擊的能力。從遠處打擊的能力可以保護發射平臺不受對手的防御。

? 加強核威懾--擁有能夠繞過對手導彈防御系統的核武HGV可能加強對核攻擊的威懾。然而，防御系統的有效性和裝備核武的HGV對全球穩定的潛在影響，是有爭議的。

一些學者認為，對高超音速導彈性能的物理限制將削弱其優勢。例如，由于空氣阻力，HGV在滑行時速度會減慢。這可能使遠程導彈在接近目標時更容易被導彈防御系統攔截。機動性也將大大降低HGV的速度。

4 導彈防御系統的挑戰

高超音速導彈的機動性、高度和速度可能對目前旨在對抗彈道導彈的導彈防御系統構成挑戰。這些挑戰可能包括更晚的探測和更少的決策和反應時間。

4.1 現有的導彈防御系統

導彈防御系統，如英國參與的那些系統（方框4），旨在阻止攻擊，如果導彈被發射，則保護關鍵資產并限制損害。它們有三個主要因素：

? 探測--一個傳感器網絡可以識別和跟蹤來襲的導彈。這包括可以使用紅外掃描探測發射火箭廢氣熱量的衛星和表面雷達（在陸地或海軍艦艇上）。

? 威脅驗證--傳感器數據被傳輸到一個指揮和控制中心，在那里對潛在的威脅進行分析和驗證，并決定作出反應。收集到的傳感器數據被用來預測導彈的軌跡，并將其傳遞給合適的攔截器。

? 攔截 - 攔截導彈通常與來襲導彈相撞，以將其摧毀，但也存在其他 "交戰 "機制。不同的攔截器可以瞄準來襲導彈飛行路線上的不同點。

導彈防御是復雜、昂貴和具有技術挑戰性的，特別是在全國范圍內防御像洲際彈道導彈這樣的遠程導彈。例如，美國的地基中段防御系統（旨在對抗對美國本土的有限洲際彈道導彈攻擊）在25年內花費了約530億美元（425億英鎊），并計劃從2020-2025年再花費100億美元（80億英鎊）。它的測試攔截成功率為55%（跨越多個變體，1999-2018）。一些分析家認為，它無法對抗涉及多枚導彈的大規模模擬攻擊。

方框4：英國的導彈防御
英國的導彈防御包括參與北約彈道導彈防御任務，該任務包括一個發展中的能力網絡，旨在保護北約歐洲領土免受來自歐洲-大西洋地區以外（不包括俄羅斯）的彈道導彈威脅。英國正在投資一個地基彈道導彈防御雷達，以支持國家和北約應對包括高超音速的威脅的能力。這將于2029年投入使用。此外，英國皇家空軍的菲林戴爾空軍基地擁有五個升級版預警雷達站之一，為英國和美國提供持續的彈道導彈預警服務。英國還在一些地面和海軍平臺上擁有有限的導彈防御能力，以保護已部署資產的周圍地區。2022年宣布對皇家海軍45型驅逐艦上的彈道導彈防御系統進行升級。

4.2 改進現有的導彈防御系統

現有的導彈防御系統將需要進行調整，以更好地對抗高超音速導彈。這可能包括采取措施增加對來襲高超音速導彈的預警時間，以及使用不同類型的攔截器。這種改進可能需要大量投資。也可以開發新的方法來攔截高超音速導彈（方框5）。

方框5：高超音速導彈防御的新方法
目前正在探索攔截高超音速導彈的新方法，以尋求利用持續高超音速飛行的苛刻條件所產生的脆弱性。例如，向來襲的高超音速導彈的路徑上排放微粒云（如灰塵或彈片），可以破壞導彈的表面，使其失去穩定。 另外，定向能量武器（高度集中的能量束，如激光或微波）可以用來破壞導彈的表面或電子設備。

• 增加預警和反應時間

僅僅依靠地表雷達進行探測的導彈防御系統可能會在高超音速導彈飛行的后期發現它們（見上文 "高超音速導彈技術"）。 遲來的攔截可能是有問題的，因為導彈可能在最后一刻做出規避動作，沒有時間進行進一步的攔截嘗試。 如果導彈在離目標太近的地方被攔截，產生的碎片仍然會造成損害。導彈防御系統的探測范圍可以通過加入補充性的天基傳感器而得到改善，例如紅外衛星，它可以探測高超音速導彈在大氣層中飛行時的表面加熱。

• 最大限度地擴大防衛范圍

高超音速導彈主要在大氣層內飛行，這就限制了可使用的攔截器類型，使其只能在大氣層內而不是在太空中作戰。在大氣層中與導彈交戰的攔截器比在太空中交戰的攔截器射程更短，因此必須有選擇地靠近潛在目標。確保足夠的覆蓋范圍可能會產生重大的成本影響。這種攔截器對高超音速導彈的性能還沒有完全定性。然而，國防承包商目前正在與美國和歐盟合作，以升級某些系統，并開發以高超音速飛行的新型攔截器，并能對付高超音速導彈和彈道導彈。

5 對全球和平與穩定的影響

國防分析家們對高超音速導彈對全球穩定的潛在影響有不同意見。一些人認為它們可能通過以下方式增加沖突升級的風險：

? 目標模糊--難以預測來襲的高超音速導彈的目標，可能會進一步減少國家評估威脅和決定對策的時間。蘭德公司2017年的一項分析表明，這可能導致國家 "樂于觸發"，可能導致危機中不必要的升級。

? 彈頭的模糊性--來襲的導彈是常規武器還是核武器可能并不明顯。這可能導致常規導彈被誤認為是核導彈，而另一個國家發射自己的核武器作為回應。這也是其他具有雙重能力的導彈的一個風險，而不僅僅是高超音速導彈。

? 精確打擊能力--常規裝備的高超音速導彈可用于全球快速打擊武器系統，這可能使各國能夠先發制人地破壞對手的核力量。有人擔心，這種能力可能會破壞威懾力，并可能導致核武庫的擴大。高超音速導彈并不是唯一可能用于全球精確打擊的武器類別。

其他分析家說，高超音速導彈的意義被夸大了，它們不會改變有核國家之間的戰略平衡。旨在保護現有核武彈道導彈的導彈防御系統可能并不總是有效的，而且目前的系統可能無法同時阻止多枚洲際彈道導彈。因此，沒有高超音速導彈的核武國家可能仍然能夠穿透導彈防御系統，從而阻止潛在的攻擊。一些分析家認為，與現有的核武器運載系統相比，擁有核武器的高超音速武器沒有什么優勢，對許多國家來說，它們并不構成現有核武器之外的新威脅。

6 軍備控制、出口控制和其他措施

一些分析家建議修改現有的軍備控制條約，或建立新的條約，以限制高超音速導彈的部署。聯合國裁軍事務廳2019年的一份報告指出了建立新的軍備控制協議的幾個挑戰，包括普遍存在的政治不信任氣氛和對軍備控制可以互利的感覺減弱。2023年2月，俄羅斯表示，它將暫停參與俄羅斯和美國之間的《新削減戰略武器條約》，該條約可能涵蓋一些高超音速導彈，如 "阿凡卡"。

國際出口管制可能有助于限制向其他國家轉讓高超音速導彈技術，但不太可能抑制已經擁有高超音速能力的國家。其他分析家建議使用非條約機制來盡量減少模糊性和對全球穩定的挑戰。這些機制可以包括國家之間不太正式的安排，如信息交流、關于理論和態勢的對話，以及保持常規導彈和核武導彈不同的協議。

電子戰的豐富歷史可以追溯到一個多世紀以前，它已經成為作戰人員掌握的一個強大工具。然而，隨著技術的不斷進步，電子戰系統的能力和用于評估它們的工具也必須不斷進步。約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的一個團隊利用技術和業務專業知識的獨特組合，開發了一種簡化的分析方法，以盡量減少分析的周轉時間。本文概述了這種方法，并強調了一種強大的數字信號處理工具，為關鍵任務和操作相關的測試數據提供快速和徹底的分析結果。

引言

隨著越來越多的行業在有限的電磁頻譜中爭奪空間，信號處理技術已被迫利用最近的計算速度和新型機器學習算法的進步來跟上需求。雖然這種快速的進步無疑在許多方面改善了我們的生活，但它也創造了一個動態和多面的電磁景觀，需要小心翼翼地加以駕馭。我們現代無線電頻率環境的復雜性可以被對手利用來達到惡意的目的。這種威脅對于在有爭議的敵對環境中行動的作戰人員尤為重要。潛在的惡意，加上快速發展和容易獲得的技術，促使我們需要下一代電子戰能力，以納入既靈活又可靠的信號處理技術。

北約政策將電子戰定義為 "一種利用電磁能量的軍事行動，包括主動和被動，以提供態勢感知并創造進攻和防御效果"。在這樣的一般準則下，可以說電子戰和公元前213年阿基米德通過反射太陽光燒毀羅馬艦隊的傳說一樣古老。實際上，電子戰的出現要晚得多，可以追溯到日俄戰爭（1904-1905年），在那場戰爭中，無線電干擾首次被成功運用于戰斗。在第一次世界大戰期間（1914-1918年），無線電空地通信的使用被證明對偵察和炮兵觀測至關重要。在第二次世界大戰（1939-1945）之前的幾年里，無線電導航和雷達等進步在整個戰爭中至關重要，使得工具和系統得到進一步發展，包括高頻測向、電子對抗措施、反干擾電子對抗措施和電子情報。

冷戰（1947-1991）、朝鮮戰爭（1950-1953）和越南戰爭（1955-1975）促使電子戰戰術和技術取得進一步進展，包括發明了晶體管、行波管、螺旋天線、機載電子戰系統以及雷達歸位和警告系統。從第一次海灣戰爭開始，計算機和網絡信息已經高度融入現代戰爭系統以及執行任務和戰爭的方式中。這種整合要求電子戰系統和戰略相應地進步，以保持在現代無線電頻率領域的主導地位。為了實現這一目標，系統必須經過廣泛和復雜的測試，以確保操作和任務的成功。電子戰系統的測試伴隨著許多挑戰--包括技術、后勤（預算、資源、時間表等）和安全合規的挑戰，特別是在測試 "先進技術 "時。當尖端的硬件和信號生成需要滿足尖端的測試環境和信號處理方法時，就會出現技術挑戰。

由于現代電子戰系統是在動態環境中運行的，因此很難計劃準確復制真實世界的場景的測試。一些項目可能會選擇有多個測試場地，可以提供不同的測試環境，如消聲室或空中測試。為了最大限度地提高這些地點的效率，可以使用實驗設計的方法，并且測試的優先級必須靈活，因為關于系統的意外發現已經展開。在整個計劃、執行和分析過程中，這些測試點之間的溝通也是必須的，因為可能很難確定錯誤的來源。錯誤可能是由測試設置引起的，測試點的設計超出了系統的預期，人為錯誤，或系統故障，僅舉幾例。能夠快速確定源頭，使更大的測試社區能夠識別和補救常見的異常，同時滿足預算和進度限制。

不同的測試點可能會產生額外的數據分析復雜性，因為記錄設備可能以各種格式存儲數據，有時是專有格式。被測系統也可能有復雜的測試點，包括具有重疊功能的多個任務，數據速率限制，甚至復雜的系統邏輯分配任務。解決這些挑戰需要一個強大的分析解決方案，在所有測試點上進行簡化和自動化。快速轉換結果的能力對于確保即將到來的電子戰系統的操作和任務成功至關重要。考慮到這一點，我們的團隊利用技術和業務專長的獨特組合，開發了一個能夠應對這些挑戰的分析工具。

本文的其余部分介紹了該團隊的概況以及它在整個APL層次中的位置，概述了精簡分析管道的四個步驟，并提供了一個簡短的例子來強調該工具的一些能力。最后，文章對未來進行了簡要的展望。

APL研究團隊的愿景

作為美國最大的大學附屬研究中心（UARC），APL在近80年來一直是美國政府值得信賴的顧問和技術專家。因此，在APL多樣化的投資組合中，有大量專注于電子戰和與之相關的工作，這一點并不奇怪。事實上，APL的部隊投射部門有多個小組專門負責電子戰系統和先進的電子攻擊開發，并在其精確打擊任務區有一個專門的電子戰項目區。

作者的數據分析小組只是眾多深入致力于該任務區的小組之一，他們利用自己獨特的才能支持下一代電子戰系統的測試和評估。簡而言之，他們探索系統行為和波形生成，以驗證在許多環境和參數下的適當性能。這些團隊不僅由科學家、數學家和工程師組成，還包括退役飛行員、電子戰軍官和任務規劃人員。多樣化的背景使我們能夠全面理解大局的任務目標、系統行為對任務的影響以及贊助商的組織需求。我們團隊的互動可以延伸到政府的測試執行小組，最好是在APL、這些政府測試執行小組和我們的贊助者之間建立一個溝通的三合一，以決定測試的優先次序。鑒于這個社區支持的系統和任務的多樣性，我們開發了一個系統的、可適應的、精簡的和自動化的方法。

方法概述

結果往往需要快速周轉，以便為隨后的測試計劃或執行提供信息，這可能發生在當前交付數據的一周內。由APL創建的快速瀏覽簡報向測試界展示了哪些測試條件是符合要求的，哪些需要在未來的測試計劃中進一步調查。此外，如果可以在數據收集過程中做出改變，以更準確地捕捉系統行為，該信息可以及時傳達給測試執行團隊。圖1顯示了測試生命周期的概況，測試計劃首先發生，接著是執行，然后是分析。分析為未來的測試計劃和執行提供信息，使這個周期反復進行。

圖1. 測試生命周期的概述。測試計劃首先發生，接著是執行，然后是分析。分析為未來的測試計劃和執行提供信息，使循環反復進行。

我們團隊的數據分析方法可以分解為四個連續的階段：數據收集和整合、預處理、分析和輸出。它的具體設計目標是通過最大限度地提高分析人員快速和準確地解釋結果的能力，最大限度地縮短周轉時間。雖然這些都是數據分析管道的明顯目標，但令人驚訝的是，它們很難有效地實現，主要是因為這些目標經常相互競爭。更明確地說，對于關鍵任務的結果，對徹底分析的渴望需要與加快結果的需要巧妙地平衡。

為了實現這種平衡，我們設計了一個框架，在分析管道的開始和結束時優先考慮用戶界面，允許大部分的分析不受阻礙地進行，而不需要用戶參與其中。將用戶界面優先放在管道的末端，可以有效地檢查分析結果，以標記不規則或異常的行為。因此，當我們開始開發我們的分析管道時，我們首先檢查所需的分析最終產品，并確定創建這些分析產品所需的步驟。同樣，在一開始就優先考慮用戶界面，可以確保分析管道的正確初始化，使數據能夠根據需要快速、可靠地重新分析。

本節的其余部分簡要介紹了分析過程的四個階段（如圖2所示），解釋了我們在本設計中如何處理每個階段，并提供了一個突出分析能力的子集的例子。

圖2. 分析管道的概要。這個概述顯示了測試數據和分析員輸入是如何被用來提取和輸出分析結果的。I/Q，相內/正交相位。

數據整合

需要進行數據整合，以確保在使用我們的分析工具之前，來自不同來源的數據文件是標準化的。此外，我們的主要重點是驗證系統是否按預期工作；因此，每個數據集都需要先驗信息，如指令波形參數。這些信息不僅可以精確地量化指定參數值和實際參數值之間的誤差，而且還可以大大減少分析一組特定數據的挑戰。也就是說，測試和評估小組的成員不負責收集數據。相反，數據文件是由全國各地的各種測試點發送給我們的。雖然有多種數據來源的好處，但也有缺點。我們不得不解決的一個特殊障礙是，在不同的測試點之間，甚至在同一測試點的不同測試活動之間，在命名、存儲、記錄和發送數據方面缺乏標準化的慣例。

對于需要以特定方式輸入預期波形信息和信號相位/正交相位（I/Q）數據的工具來說，這種標準化的缺乏是有問題的。因此，一個主要的和正在進行的工作是將各種數據源合并成詳細和一致的文件，以便輸入分析工具箱。簡化這一過程在很大程度上取決于正確解析來自不同數據和頭文件、測試日志、系統輸出文件甚至手寫筆記的信息的能力。因此，沒有一個適合所有情況的解決方案來實現這一過程的自動化，即使在最好的情況下，該解決方案也至少需要一些用戶輸入，以確保信息被正確分割。幸運的是，隨著團隊接觸到具有新的命名和記錄慣例的數據集，開發一套多樣化的工具可以在未來從廣泛的數據格式中快速解析出相關信息。

預處理

數據整合之后是數據預處理。這一步的主要目的是為分析工具箱的處理準備數據集，該工具箱是為分析單一分配頻率下的單個波形參數而設計的。在這一步進行的所有分析的目標是將涉及不同無線電頻率的多種波形類型的復雜數據集劃分為要分析的單個波形成分。

目前，預處理包括以下功能：

• 驗證用于加載和保存數據的必要文件夾是否存在
• 搜索沒有系統輻射輸出的時間段的數據集（即空白），并從I/Q數據中刪除這些部分
• 確定數據集是否對應于時間轉換技術，如果是的話
  • 分析換算參數（從一種技術轉換到另一種技術的時間，或死區時間；每種技術的輻射時間，或停留時間；等等），并保存初步分析結果
  • 將單個數據集劃分為多個數據集，與每個換向技術相對應
• 估算和消除可能存在的任何中心頻率偏移，并存儲偏移值，供今后分析使用
• 將預處理的數據保存為MATLAB.mat文件

雖然這個程序大部分是自動化的，但清除空白和時間換算分析步驟目前需要最小的用戶輸入，以確定數據的不同部分之間的適當閾值。我們試圖將這些步驟自動化，但不同數據集之間信號水平的變化是一個持續的挑戰。

分析

分析工具箱是這項工作的關鍵，是管道的下一個層次。在這一層，綜合信息文件與預處理的I/Q數據相結合，提供不同波形的參數分析。這個代碼庫設計得既快速又徹底，構成了一個強大的工具，能夠將眾多重疊的參數解耦，以提供對波形的全面分析。此外，用戶可以通過選擇一個將被分析的預處理測試點的子集，并確定分析過程中 "開 "或 "關 "的分析工具類型來加快結果。

分析過程可以分成兩個步驟： (1）分析與技術類型無關的參數，和（2）分析技術特定的參數。第一類包括諸如副載波率、中心頻率偏移、填充寬度、斑點寬度（覆蓋率）、光譜效率和光譜振幅變化等參數，它們適用于我們團隊可能分析的任何波形。第二類包含一個更廣泛的參數列表，根據波形技術的不同，可以分為五個子類別。目前在每個子類別中可以分析的參數的完整列表見圖3。

所有需要的分析完成后，結果被保存在具有專門設計的存儲層次的數據結構中。這種方法使該管道后端的工具能夠快速、可靠地拉出結果供分析人員審查。在這里，團隊在波形分析方面的專業知識得到了最充分的利用。任何不正常的結果都會被標記出來以便進一步調查，這些測試點和/或參數會在用戶的參與下被重新分析，以確定這些不正常現象是分析工具的缺陷造成的，還是數據中的異常。如果是前者，有問題的分析代碼將被及時調試，并重新分析數據。如果是后者，分析小組將與主題專家和測試人員合作，對異常行為進行更徹底的調查，并將其納入最終的分析報告。

圖3. 目前的分析能力。能力包括非特定于任何特定波形的參數，以及與團隊主要關注的五個波形相對應的參數。

輸出

分析管道是靈活的，因此它可以用來分析各種平臺，因此輸出（例如，可視化、圖表和演示）可以定制。用戶在分析開始時為每個系統選擇配置文件；這些文件包含的信息，如每個技術的指定要求，可以從系統中輻射出來。此外，APL的團隊已經確定了 "操作影響 "要求。這些要求是由退役飛行員、電子戰軍官和任務規劃人員指定的，并幫助確定我們分析中最關鍵的任務規格。這些配置文件告訴分析工具給每個被測試的規格分配 "通過 "或 "失敗"，然后將結果保存在一個樹狀結構中，可由其他支持工具進行解析。

APL團隊開發了兩個輔助工具來解析輸出結構以幫助分析人員。第一個工具是一個簡報生成器，它為每個被分析的測試點自動創建一個演示幻燈片；每個幻燈片包含技術光譜、指定的技術參數和一個總結技術規格、操作影響要求和所產生的分析通過/失敗值的紅綠燈圖。這個工具提高了我們分析過程的效率和效果，節省了開發簡報的時間，并提供了一致的演示格式，幫助我們輕松識別異常行為，使我們的合作伙伴組織和贊助者能夠快速了解我們的結果。

APL團隊創建的另一個工具是射頻信號分析的視覺輔助工具（VARSA）。VARSA允許用戶快速比較測試矩陣中不同參數的分析結果，并確定任何趨勢。用戶可以選擇繪圖的類型和特征，以及彩圖，以獲得最佳的分析圖表。

這些工具具有足夠的通用性，以至于它們在我們團隊之外被改編為使用我們創建的通用樹狀結構的任何數據的分析。

示例

為了展示分析工具的一些能力，本節提供了一個簡短的例子，它是我們分析中遇到的波形類型的代表。例子中使用的計算機生成的數據包括兩個時間轉換的賦值（即信號在時間上來回切換）；第一個賦值是一個頻率調制的噪聲技術，其中心頻率在賦值帶寬上啁啾，第二個是一個跳頻脈沖技術，其跳頻集的中心頻率在所需帶寬上啁啾。白高斯噪聲也被添加到信號中，以產生盡可能真實的代用數據。圖4-6描述了分析過程。

該分析管道的第一步是將換向信號（圖4）劃分為兩個獨立的文件，對應于組成技術（圖5）。這是在預處理步驟中通過利用信號的瞬時頻率（即隨時間變化的頻率）和隨時間變化的功率實現的。此外，這些分離的信號中的每一個都被 "居中 "了頻率，以產生易于分析的數據集。

圖4. 收到的數據。未經處理的、經過時間轉換的I/Q數據，由兩種不同的技術組成，具有各種重疊的波形參數和調制。圖中用彩色編碼來區分頻率調制噪聲技術（藍色）和跳頻脈沖技術（青色）。

圖5. 預處理步驟。時間換算的技術被分成兩個獨立的數據文件。中心頻率偏移被刪除，以便每個數據集都以基帶為中心。

圖6. 分析步驟。疊加的啁啾聲被從每個數據集中去除并進行分析。基本技術被揭示出來，允許對每個不同的波形進行徹底分析。

進入分析步驟，從每個信號的時間序列中去除疊加的啁啾調制（圖6）。這個過程提供了對啁啾斜率的準確測量，以便與指定的值進行比較，使人們清楚地了解基本波形，并使分析過程能夠準確地測量技術參數。在特定波形的分析完成后，分析結果被系統地存儲和保存，供分析人員審查。

雖然說得很簡潔，但上述例子展示了一個強大的數字信號處理工具。依次剝離復雜波形的能力不僅可以對眾多參數進行復雜的分析，而且還可以使測試團隊通過將多種特征和調制疊加到較少的信號中來減少捕獲的測試點的數量。這些進步共同提高了吞吐量，減少了周轉時間，提供了對關鍵任務和操作相關數據的快速和徹底的分析。

展望未來

敵方的傳感器和指揮與控制系統正變得更加難以定位和瞄準，它們采用的波形和技術更加敏捷，對電磁環境的感知和反應能力也更強。系統經常使用認知方法來在電子攻擊的情況下有效地運作。為了應對這些新出現的復雜威脅系統，我們的電子戰能力必須變得更有適應性，對對手的反制措施更有彈性。

未來的電子戰正朝著高能力、分布式和協作式系統的組合發展，這些系統可以在飛行中學習，并運用空間、機載、地面和/或海基平臺的多領域能力來實現效果（例如，協作使用電子攻擊和電子支持、誘餌和網絡）。所期望的最終狀態是一套能夠有效拒絕、降低、欺騙并最終控制電磁波譜的能力。這些下一代的系統需要高度功能的測試和分析管道的支持。

盡管到目前為止我們已經開發的分析管道的功能是廣泛的，但它并不詳盡。我們正在不斷地擴大工具集的功能，以解決新的系統能力，同時優化和加強現有的代碼，以處理新的或異常的數據集。支持未來測試所需的較新的分析能力的一些例子是：同步分配、同步通信和干擾、先進的干擾技術，以及整合機器學習技術以進一步減少對循環中用戶的需求。

作為戰備的一個關鍵原則，重要的是要知道--目前的跟蹤和對未來各種時間框架的預測--衡量和了解單位水平的熟練程度和個人職業的熟練程度。作為一個例子，最近在試圖評估水面艦艇軍官的熟練程度時特別強調了這一點。這項研究致力于開發一種知識管理（KM）方法來進行這種測量和理解，尋求實現當前的跟蹤和未來的預測。知識管理方法將被開發出來，以提高質量設計的特點，如直觀的操作、自然的數據輸入、敏捷性和全球覆蓋率。

海軍水面作戰部隊（SWO）群體提供了一種重要的、復雜的能力，以應對世界各地日益動態和不可預測的威脅。在水面作戰群體中的有效表現需要一套獨特的技能和能力，這些技能和能力的核心是在海上艦艇上的生活和工作。這種技能和能力一般都會以可預測的方式增長（特別是通過培訓和經驗），海軍執行既定的資格認證程序，以幫助確保其人員在負責船上的關鍵工作之前就已經熟練掌握。

然而，與任何人類的努力一樣，不同的人擁有不同的動機水平，每個人學習新技能的速度也各不相同。此外，鑒于世界各地的水面作戰行動的持續高節奏，加上SWO的培訓時間縮短，SWO的海員技能和類似的關鍵技能有很大一部分是在航行中學習的（特別是通過在職培訓[OJT]、指導[UI]、個人資格標準[PQS]）。因此，我們很難事先知道船上每個人的熟練程度，或者推而廣之，船公司和船員在開航前的準備程度。此外，并不是所有的船舶（即使是同級別的）都有相同的配置和操作，所以在一艘船上的OJT和經驗不一定能100%轉移到另一艘船上。正如最近的綜合審查（艦隊司令部，2017年）所指出的，諸如此類的因素可能會導致有問題的航海技術，無效的溝通，甚至是可避免的海上碰撞事故。

作為戰備的一個關鍵原則，重要的是要知道--跟蹤目前的情況和預測未來的各種時間框架--衡量和了解單位水平的熟練程度和個人職業的熟練程度。本研究致力于開發一種知識管理（KM）方法來進行這種測量和理解，力求實現當前的跟蹤和未來的預測。知識管理方法的開發將提高質量設計的特點，如直觀的操作、自然的數據輸入、敏捷性和全球覆蓋。

當按照這些思路來處理一個項目時，重要的是保持對知識的動態和人類本質的關注（Nissen，2014）。知識是不斷運動的（例如，當個人學習和練習個人技能時，當團隊學習和練習共同工作時，當船員遇到并與他人分享經驗時）。這尤其涉及到各種豐富的、基于經驗的、隱性的知識，這些知識是有效的航海、艦橋溝通、戰術行動和船上領導所需要的。因此，除了在每個時間點保持靜態理解外，還必須識別、測量、跟蹤和預測知識的流動（即知識流）。

知識也是無形的，不可見的，而且對量化有抵觸，這使得測量成為一個持續的挑戰。事實上，我們主要是通過人們（以及團體和整個組織）的行動和表現，來深入了解促成這種行動和表現的基本知識。此外，知識并不代表一個單一的概念：不同種類的知識（例如，隱性的、顯性的、個人的、團體的、創造的、應用的）具有質量上不同的屬性和行為，因此對行動和績效的影響也不同（Nissen，2006）。

在這項研究中，我們將知識流理論（KFT；例如，見Nissen，2014）、分析、可視化和測量（例如，見Nissen，2017；Nissen，2019）方面的技術水平--除了最近關于SWO社區的研究（例如，見Nissen & Tick，2018）--用于衡量和跟蹤SWO的能力和準備情況。我們也很謙虛，理解與SWO社區專家合作的重要性，以挖掘詳細和相關的洞察力和經驗。因此，這項工作結合了關于知識動態和測量的一些最佳思維，以及對水面戰能力和準備狀態的一些最佳理解，以創建一個綜合的、實用的、專注于水面戰的努力。

這導致了四個主要的研究問題：

問題1：什么是有助于個人和單位準備狀態的關鍵因素？

問題2：如何測量、跟蹤和預測這些關鍵因素？

問題3: 什么樣的準備狀態知識和信息是需要直觀而可靠的評估的？

問題4：什么樣的架構可以支持測量和理解的知識管理方法，實現當前的跟蹤和未來的預測，并提高質量設計的特點，如直觀的操作、自然的數據輸入、敏捷性和全球覆蓋？

這些研究問題是通過下面概述的四步法進行的。其結果增加了我們對識別、測量、跟蹤和預測水面戰熟練程度和準備情況的理解和能力。然而，顯然在一項研究中能完成的只有這么多，而本研究也不例外。然而，我們需要從某個地方開始，并開始制定哪怕是一個初步的方法和一套概念、構造和結果，作為一個隱喻的基礎，我們和其他研究人員可以在此基礎上進行研究。

1 目的

近年來，無人系統在軍事行動中變得越來越重要。然而，對無人水面航行器（USVs）的作戰運用的關注相對較少。本研究的目的是分析如何、在什么情況下、以及在多大程度上可以在海上控制活動中使用它們。本報告旨在確定USV適合的任務和功能，同時也強調為確保USV有效融入海軍行動而應考慮的行動問題以及技術和計劃要求。

2 引言

"為了保持安全，我們必須共同著眼于未來。我們正在處理新技術的廣度和規模，以保持我們的技術優勢，同時維護我們的價值觀和規范。" 北約領導人--倫敦宣言 2019年12月4日

上述聲明在某種程度上是對聯盟在更廣泛的創新任務范圍內正在進行的一項重要工作--北約海上無人系統倡議。

誠然，就其本身而言，這聽起來既是技術性的，在新興技術的背景下又有點狹隘。這個背景包括：人工智能、大數據、太空、高超音速武器、生物技術、量子研究、自主性等等。那么，為什么海上無人系統現在是相關的？簡單地說，開發無人系統以跟上潛在對手的步伐，可以提高作戰效率，限制人的生命風險，降低作戰成本。

北約的海上無人系統倡議是在2018年10月達成的。重點有三個方面：利用世界領先的研究，提高盟軍常規部隊和無人機之間的互操作性，為我們的水手建立新的戰術，以真正利用這些技術，并為所有領域（空中、海上、陸地、網絡和空間）的軍事無人機開發安全數字通信。

本文旨在解決和回答UV和自主系統為何以及如何在北約的海上優勢中發揮作用。此外，它將概述UV的使用將如何使北約盟國在從和平時期到MLE的關鍵作戰領域更加有效。與傳統的海軍資產一起工作，這些無人系統將改善北約的核心任務，并作為部隊的增殖資產，協助指揮官進行全方位的戰爭。

歷史背景

"我代表海軍說，無人駕駛系統必須解決海軍運作的所有領域.....我們在海面，在海面上空，在太空中行動，但我們又在海面下行動。因此，當我們談論無人駕駛和......當我們把所有這些能力結合在一起時，它必須考慮到我們在所有這些不同的領域中運作" - 加里-羅格海德上將，2007-2011年海軍作戰部長（CNO）。

無人水面航行器（USV）的歷史至少可以追溯到第二次世界大戰，但只是從20世紀90年代開始，由于技術的進步，無人系統出現了大量的擴散。這些系統的使用代表了美國海軍以及世界上許多其他國家海軍的模式轉變，即采用無人系統來執行傳統的載人系統可能不適合的任務，或減少對最重要的資源--人的風險!

第二次世界大戰見證了USVs的首次實驗。加拿大軍方在1944年開發了COMOX魚雷的概念，作為諾曼底入侵前的USV，旨在入侵期間投放煙霧。COMOX被指定為魚雷，因為它只能被編程為穿越一個固定的路線。盡管COMOX沒有被部署，但它還是建造了一個飛行器并成功完成了測試。與此同時，美國海軍開發并演示了幾種類型的 "爆破火箭艇"，用于在沖浪區清除地雷和障礙物。"箭豬（Porcupine）"、"長橇（Bob-Sled）"和 "Woofus 120 "是改裝的登陸艇型號，以不同的配置攜帶大量的掃雷火箭。

戰后USV的應用范圍擴大了，1946年在比基尼環礁的阿伯和貝克原子彈試驗后，美國海軍使用無人艇收集放射性水樣。1950年代美國海軍防雷實驗室的DRONE項目在1954年建造并測試了一艘遙控掃雷艇。到20世紀60年代，海軍在遙控 "航空救援 "船的基礎上使用靶標無人艇進行導彈射擊練習，瑞安火魚靶標無人艇被用于炮術訓練。與無人機類似，目標無人機USV的開發和使用多年來一直在繼續并不斷發展。

1950年代后，人們對USV作為掃雷無人機和其他危險任務的興趣繼續增長，美國海軍的進一步發展包括小型 "無人艇 "概念。它由一個15英尺的USV組成，用于部署無人駕駛的彈藥。1965年，它被迅速開發出來，并在1965年越南戰爭期間以10個車輛套件部署到艦隊。更大的掃雷無人機（MSD）USV也被開發出來，并在60年代末部署在越南。這些早期USV的成功，向一些國家展示了無人駕駛掃雷系統的價值，促使國際社會在世界各地進行研究和開發。

海軍對用于偵察和監視任務的USV的興趣出現在20世紀90年代末，開發了自主搜索和水文測量車（ASHV），其變體被稱為貓頭鷹和Roboski。Roboski最初是作為艦載部署的水面目標（SDST）開發的，是一種噴氣滑雪類型的目標，用于艦艇自衛訓練。此外，這種USV還作為偵察車的試驗平臺。美國海軍在2003年開始了幾個新的USV項目。海軍研究辦公室（ONR）向美國海軍設施工程支持中心（NFESC）提供資金，以開發一種名為海狐的小型ISR USV。

通過加快創新步伐，一艘無人駕駛的 "海獵 "號原型自主艦于2019年從圣地亞哥駛向夏威夷，在無人駕駛、完全自主的海軍艦艇設計和生產方面引領世界潮流

在過去的幾十年里，人們對USV的發展有很大的興趣。隨著系統的成熟，傳感器和電子器件的保真度大大增加，體積也縮小了。此外，通信設備的發展允許小型有效載荷包的增長，并為幾乎所有的USV平臺提供重要的信息收集能力，包括數字和視頻相機、光電/紅外線（EO/IR）傳感器和雷達系統。這些技術的快速發展將繼續推動USV在未來的創新和改進。

3. USV分類

UV是幾種新的能力之一，與定向能武器、高超音速武器、人工智能和網絡能力一樣，一些國家的海軍正在追求以相對便宜的方式（包括資金和人員）應對新的軍事挑戰和填補任務空白。USVs可以配備各種傳感器、武器或其他有效載荷。它們可以根據特定的任務進行定制，可以遙控操作、半自動或（隨著技術的進步）完全自主。它們的采購成本可能比載人艦艇和飛機低，因為它們的設計不需要為水手/操作人員提供空間和支持設備。紫外光武器特別適合于長時間的任務，這些任務可能會對船上的人類操作員的身體耐力產生影響，或者對船上的人類操作員構成高風險的傷害、死亡或捕獲。因此，UV有時被認為特別適合所謂的 "3D"任務，即 "枯燥、骯臟或危險 "的任務，這一點在下一章有解釋。各級指揮部的規劃人員應了解USV的一般能力和限制，以及使用這些系統所帶來的效果。較新的無人駕駛系統具有更高的自主性和隱蔽性，使其在行動中比冒險部署人員更具吸引力。

美國海軍將其USV采購項目分為四個基于尺寸的類別：大型、中型、小型和極小型，其無人水下航行器（UUV）采購項目也同樣分為四個基于尺寸的類別：特大型、大型、中型和小型。

圖1和圖2所示的較小的UVs，可以從海軍有人駕駛的艦艇和潛艇上部署，以擴大這些艦艇和潛艇的作戰范圍。相比之下，大型UV武器更有可能直接從碼頭部署，以執行原本可能分配給有人艦和潛艇的任務。如圖3所示，美國海軍已經為其USV和UUV項目確定了五個關鍵的技術組[1]。

為了本研究的目的，適用以下定義：[2][3]

無人系統（Unmanned System）： 一個綜合系統的總稱，其主要載體是無人的。無人系統包括飛行器、控制設備、發射和回收設備、有效載荷（傳感器、武器或貨物）以及相關支持設備。

海上無人系統：可包括水面艦艇、水下艦艇或空中飛行器等資產，在海區（以及從海區）作業，至少有一個組成部分：無人飛行器。

無人駕駛飛行器：一種不攜帶人類操作員的動力飛行器，可以預先編程/自主或遠程操作，可以是消耗性的或可回收的，并可以攜帶致命或非致命的有效載荷。

無人水面航行器系統： 該系統的組成部分包括必要的設備、網絡和人員，以便在沒有船員的情況下控制水面上的無人駕駛船只，包括半潛式車輛。這些飛行器在靜止狀態下將水置換出來，并在運行時與水面幾乎持續接觸。車輛與水面的界面是一個主要的設計驅動因素。

由自主性水平驅動的基本分類如下：

手動：人在循環中連續或接近連續。

半自主：一些車輛的行為是完全自主的（例如，轉運到站點，激活傳感器）。車輛在受到操作者的指示或自己對情況的認識時，會提到其操作者（例如，要求允許開火）。

自主或完全自主：飛行器管理自己的決定，從發射點到回收點都由自己決定。大多數操作可能是這三種模式的某種組合。

4 海洋控制

"誰統治了海浪，誰就統治了世界"。- 阿爾弗雷德-塞耶-馬漢

海軍思想家們經常寫到 "海洋統治權"，這是一支海軍部隊優于所有競爭者的一般條件。海上指揮權可以是區域性的，也可以是全球性的，這取決于所考慮的時代和行使指揮權的國家，它既存在于和平時期，也存在于沖突時期。雖然它是一個對歷史分析有用的術語，但在現代的說法中卻不那么有用。

另一方面，海上控制權表示一種可以在時間上和地理上受到限制的條件。當一支海軍建立了海上控制權，它就可以在該地區內和從該地區行使它所能行使的全部行動。在行使海上控制權時，一支海軍在所有領域都占優勢。

當一支海軍部隊能夠在可接受的風險水平內，根據威脅和預期的作戰目標，實施全方位的作戰行動時，海上控制權就是一種存在的條件。海上控制權可以是實際的--即戰斗行動已經發生，海上領土已經被奪取；也可以是假定的--即占優勢的海軍部隊可以合理地預期在必要時能夠行使全方位的戰斗行動[4]。

海軍提供了一種廣泛的、靈活的和可擴展的能力，可以在所有領域運作，并可以使國家權力的所有原則發揮作用。他們可以為正在進行的或隨后的行動提供聯合部隊的整合和部署。海軍部隊的屬性在可能發生的廣泛行動中具有實用性。這些行動被歸入戰爭和戰斗、海上安全和安全合作這三個一般活動中，并且可以在從單個單位到大型任務組的范圍內進行。

在沖突的低端，海軍部隊的存在可以確保航行自由。在許多其他情況下，在沿海地區開展行動時，如保護港口和錨地、兩棲行動或為陸地戰斗提供支持，必須實現并保持對海岸線的海上控制。然后可能還需要在近岸的某個距離上對空中和陸地進行控制。

海洋控制的必要性并不取決于是否存在實質性威脅。即使行動自由面臨的風險很小，建立海洋控制也可能是必要的，而且可能需要付出不成比例的努力。

海洋控制基本上可以通過兩種方式實現：殲滅對手或通過封鎖遏制對手的海軍力量。或者，可以通過威懾來遏制對手。所需的以及確實可以實現的海上控制水平，將取決于威脅、任務、海上力量的規模和能力。

為了行使海洋控制權，部隊指揮官必須有相應的手段、權力和決心來使用他的權力。在當代作戰環境中，政治意愿和一套合適的交戰規則是任何行動的規劃階段都需要解決的主要因素。

在許多海洋行動中，為了實現力量投射，必須要有海洋控制權。獲得制海權確實是任何海上或遠征行動的一個主要組成部分。

指揮官所需要的海洋控制權的地理范圍可能會有所不同，從需要對戰略咽喉或有限的部隊集中區進行局部控制，到對大片海域的主導權，此外，它可能是也可能是沒有爭議的。由于海洋環境的復雜性，在瀕海地區實現制海權是一項比在公海地區更復雜的任務，它可能要求擴展多域作戰空間的支配權，包括周圍的空域和內陸縱深地區。

所有實施海洋控制的部隊指揮官將確保在同一地區或鄰近地區進行獨立行動時與其他部隊指揮官進行有效協調。

海洋控制通常是利用海上資產實現的，包括具有多種作戰能力的無人系統，并通過反潛、反空、反水面、海軍水雷、電子和聲學戰、打擊、兩棲、特種和沿河的聯合或單一服務活動進行。

關于海洋控制，有很多誤解。首先，海洋控制只是一種手段，以確保利用水空間的特權。水域的主要用途是運輸貨物或信息。因此，我們可以得出結論，自由使用海上交通線（空中和地面路線或電纜和通信樞紐）應該是海上控制行動的主要目的。其次，水面空間不能像陸地領土那樣被占領或控制，盡管封鎖行動在海上戰役中仍然是實用的。封鎖行動實際上是在執行一種海上拒止，作為海上控制的一種功能[5]。

最后但并非最不重要的是，有三個主要因素：武力、空間和時間，這些因素在行動層面上與實施海上控制密切相關。實施海上控制計劃所需的力量是由海洋空間的規模和利用那里的海上活動所預期的時間長度決定的。此外，對手部隊挑戰這一特權的能力也是整個海上控制方案的一個主要變量。海上控制的過程始終是互動的。

5 作戰部署

目前無人駕駛車輛的作戰經驗，特別是諸如 "捕食者"、"全球鷹 "和最近沖突中使用的特殊用途系統，已經表明，當作戰人員使用這些車輛（AV）時，其價值是不言而喻的，并為進一步將這些車輛納入未來行動建立了支持[6]。

概述

一般來說，USV可以提高對態勢的認識，減少人的工作量，并改善任務的表現，但往往不能帶來優于載人系統的能力。USV提供了持久性、多功能性、生存能力，并減少了對人類生命的風險。在許多情況下，USV是執行枯燥、骯臟、危險或需要在惡劣環境中長期忍耐的任務的首選選擇。枯燥的任務是長時間的平凡任務，不適合于載人系統。長時間的觀察，如空中ISR、港口安全監測或海底測繪，是無人系統可以提供價值的任務的例子。骯臟的任務有可能使人員暴露在危險條件下，如化學、生物和核威脅。無人平臺可以在這種危險地區執行任務，而不會有任何人員暴露。危險的任務涉及高風險。系統性能和自動化的進步將減少人員的風險，增加危險任務，如在有爭議或危險地區的ISR，例如雷區[6]。

開發這樣的系統超越了盡量減少人員傷亡的愿望，并延伸到需要在這樣的環境中進行操作，這種環境的物理壓力和敵意是人類無法有效操作的，即使假設決策者對人員傷亡有一定的容忍度。先進的自主技術在軍事上的意義不僅僅是為了避免傷亡，它也是為了在載人系統根本無法提供的環境中實現行動。

能力及其挑戰

不斷進步的技術肯定會擴大USV的功能。事實上，隨著時間的推移，它們可能完全或部分地取代載人資產來執行某些任務，因為它們比載人系統有許多優勢。其中包括成本、耐力（執行跟蹤任務的一個關鍵能力）、更大的ISR覆蓋范圍和隱身性。此外，USVs不需要基礎設施來支持船上人員，而且無人系統的運輸能力通常超過同等大小的載人水面艦艇或潛艇。也許最重要的是，未來肯定會見證USV在網絡中的合作使用，如美國海軍的綜合海底監視系統（IUSS），該系統的建立是為了監視大片海洋并在海洋領域提供早期預警和信息優勢。

然而，相對于載人系統，USVs也有缺點。它們更依賴于通信，因為失去通信鏈路有時會使它們完全喪失功能，或至少損害其功能或效用。此外，USVs可能有設計上的局限性，使它們在某些情況下無法發揮作用，而載人系統的人員可能對這些情況有更好的反應（故障）。同樣，載人系統通常對開發同等USV時可能沒有考慮的情況有更強的適應性[7]。

盡管這意味著大多數USV的規模可以提供某種程度的 "情報、監視和偵察"（ISR）能力，但對于更大和更復雜的拖曳式傳感器，也就是強大的地雷戰或反潛戰能力所需要的，USV必須有大量的有效載荷和拖曳能力，以及平臺穩定性和耐久性，這是決定模塊化USV在多任務應用中的效用的關鍵因素。

任務集

如前一章所述，USVs可以在海上控制活動中做出貢獻，在克服具有挑戰性的A2/AD環境方面可以非常有效，特別是在C4ISR、軍事欺騙、信息操作、電子戰和網絡戰任務中，剛好低于戰爭門檻或/及以上。[6]

此外，由于USVs從水面上操作，它們在參與水體、水面和超臨近空域的活動方面更具有多樣性。相比之下，無人水下系統（UUVs）的隱身能力往往比USV大得多，因為限制水下通信的特征本身就可以起到屏蔽作用，使其不被發現。

按照美國海軍目前的設想[3]，USV的主要任務按優先順序是：反水雷（MCM）、反潛戰（ASW）、海上安全（MS）、水面戰（SUW）、特種作戰部隊（SOF）支持、電子戰（EW）和海上攔截行動（MIO）支持。

第一種，掃雷，是為了在海上清除大面積的地雷，以便安全行動，維持過境路線和通道，并打開即將進行行動的區域，特別是在淺水區，有人駕駛的掃雷車或獵手不能支持兩棲登陸等沿岸行動。可以采用各種方法來履行這些功能。例如，一些國家的海軍使用影響掃雷來引爆水雷

其他行動概念可能包括部署遙控車（ROV）的USV，它將自己推進到一個可疑的地雷，核實它是如此，并發射一個子彈藥來摧毀地雷。另一種是由USV運輸車將能夠在地雷上放置炸藥的UUV部署到雷區。最終的反雷目標是讓USV在一次掃雷中完成所有四種反雷功能--探測、識別、定位和失效。

USVs可以為反潛戰（ASW）而設計或模塊化。在某些情況下，它們可以作為單一的傳感器使用，也可以作為載人水面任務部隊的一部分，以探測、識別、跟蹤，并在某些情況下，攻擊敵方潛艇。USVs可以部署浮標，并依靠主動和被動的拖曳式或船體安裝的聲納傳感器，在高價值資產運輸的前方清理路線。此外，USV也可以執行任務，包括跟蹤和報告潛艇離開港口或通過阻塞點的情況。

在其海上安全的作用中，USVs可以從主機平臺或從岸上發射，以收集信息。數據可以連續、實時地傳送給作戰部隊，或者當系統確定某些預先定義的標準（如存在特定的威脅）得到滿足時。這樣的行動可能涉及指揮USV對付特定的船只，或讓它在特定區域內巡邏。USVs也可以在海上安全行動中發揮更直接的作用。這方面的例子包括通過 "大喇叭 "來警告離開的船只，用油漆球或無線電標簽來標記它們，以及用船上的槍支、導彈或魚雷來攻擊它們。類似的能力可以被用來執行水面戰任務。

USVs可以通過提供ISR，運輸或滲透/滲入SOF部隊，在SOF行動附近保持存在以提供安全，以及對岸上的部隊進行補給來支持特種作戰部隊。

他們的電子戰能力包括對特定威脅提供指示和警告，以及欺騙和干擾。然而，由于其通常的低姿態，USVs通常缺乏 "視線高度 "來進行長距離的此類活動（盡管一些拖曳式飛行器已經在最近的作戰實驗活動中進行了測試，如在葡萄牙舉行的年度機器人實驗和原型設計（REP）MUS演習）。

最后，USVs可以協助海上攔截行動。說明這一作用的情景包括對可疑船只進行初步接近，以確定它是否有敵意，例如，監測被登船的船只的所有側面，以提供形勢意識，并檢查貨物是否被拋出或其船員是否逃跑、 用傳感器或可能的小型無人潛航器檢查船底，以確定活門、月池、投放槽和其他特征，并使用船上的傳感器尋找和定位隱藏的貨物，如被販賣的個人群體或化學、生物、核、放射性或爆炸材料。

作戰角色

"殺傷鏈"指的是為實現作戰效果所需的一系列事件。使用'殺戮'并不意味著該過程的結果是某人或某物的死亡，而是意味著多個相關的過程步驟導致了一個明確的和期望的結果。盡管殺傷鏈出現在許多文件中，并被大多數用戶所理解，但它似乎并沒有一個理論上的定義。然而，在不同的戰爭領域，殺傷鏈的步驟通常包含一些發現、修復和完成的組合，或者，更廣泛地說，情報準備、探測、定位、瞄準和接觸。

殺傷鏈方法已被用于描述從瞄準高價值個人到加強部隊準備的過程[8]。

USVs可能會增強，而不是取代任何現有的能力，部分原因是大多數載人平臺的多任務角色，至少在最初。USVs可能會改變、轉移和/或強加給被支持的船只或指揮節點上的人員的額外功能，而這些新功能將需要與現有的任務責任相協調。

根據USVs的能力/傳感器/有效載荷，從戰術指揮軍官的角度來看，可部署的USVs將只是他完成其目標和任務的另一種資產，而不會明顯偏離理論上對載人資產的使用，它們各自帶來的優勢和劣勢。

6 未來的實踐和挑戰

研究和開發正在快速發展，原型在達到全面作戰能力之前就有被淘汰的危險。傳感器技術、照相機和人工智能的持續進步將繼續促進這一步伐；然而，今天的USV有能力和相關性，但并非沒有挑戰。自主性方面的進展是漸進的，但過渡到能夠對環境中的意外變化作出反應的系統還沒有發生，而且可能在很長一段時間內不會發生。

自主性

隨著自動駕駛車輛自主水平的提高，它們所能執行的任務的數量和復雜性也會增加。更復雜的任務需要更多的決策能力。例如，某些USVs可能有能力提供高保真成像，而不考慮其機動能力。當前和未來的USV的能力和局限性必須在規劃過程中及早考慮到。最后，自主性的提高將使任務越來越復雜，并將為指揮官提供更多的價值，特別是對于通信能力受到影響或不可行的系統（例如，GPS拒絕或水下UV）。

隨著適應性和越來越智能的自主性的發展，控制能力必須/將變得更加強大。這些系統參與合作自主行為的潛力將越來越大，允許這些飛行器群作為強大的、容錯的和自適應的網絡一起運作。UUVs和USVs都有可能為執行海戰任務做出重大貢獻，特別是在與其他有人和無人平臺、傳感器和通信節點整合成一個系統配置時。

盡管開發工作的重點是多功能、模塊化的高度復雜系統，但一些更有前途的自主性用途可能是使用簡單的系統，對大多數功能進行有限的自主性。此外，我們必須開始建立系統之間相互協調的能力，這也是系統的系統概念的一部分。擁有大量合作的單傳感器平臺可以大大加快殺傷鏈的時間線（蜂群）。

與最復雜任務相關的主要限制不一定與自主性有關，而是與其他因素有關。發電和數據存儲等問題仍然構成重大挑戰。因此，在目前的殺傷鏈和作戰概念（CONOPs）下，自主權通常被用來直接復制殺傷鏈中的項目；完全像有人駕駛的系統那樣。交戰規則的政策問題，特別是在處理USV的武器化和增加自主性時，提出了各種可能難以克服的挑戰；因此，通過在循環中插入人類來減緩自主系統的決策將可能在高強度的環境中失去關鍵的時間優勢。這種延遲是一種選擇，不能通過技術改進來緩解。

高水平的自主性將提高無人系統的決策速度，并使這些系統能夠對直接的威脅/行動做出即時反應，這遠遠超過了值班人員和/或指揮官的反應時間（如彈道/高超音速導彈防御）。

人工智能

在無人駕駛系統方面，人工智能已經有了長足的進步。除了下一章討論的法律問題外，基于人工智能的系統的安全性、可靠性和信任度也必須得到詳細的解決。底線是，人工智能必須克服關鍵的認知和信任問題，才能被接受和有效利用[9]。

無人駕駛系統在尺寸、重量和功率限制方面也有獨特的技術要求。此外，目前的許多人工智能數據處理平臺在云環境中運行計算，這可能不適合在通信受阻的環境或水下應用中運行的無人系統。然而，這一挑戰在未來可能會得到緩解，因為工業界開發的系統自主性與機載解決方案可能需要較少的云計算和數據訪問。

數據質量是另一個必須解決的問題，以將人工智能/ML納入無人系統。高質量的數據是自動分析的基礎，也是隨后為支持行動而做出的決定。需要這種高質量的數據來實現更多的自動化，以支持機載戰術處理、蜂群技術、時間主導的決策，并最終實現完全自主。[10]

在不久的將來，人工智能/ML解決方案可能已經成熟到有可能將其嵌入無人系統的程度。隨著系統的心態逐漸包括更多具有AI/ML能力的USV，細化CONOPS以包括這些系統在有人/無人搭配中的整合將越來越重要。人工智能的發展應側重于開發獨特的集成能力，以加強無人駕駛和有人駕駛系統之間的互操作性。

增加人工智能/ML將使無人系統能夠執行更大范圍的任務，這將直接提高作戰能力。更高保真度的人工智能也將消除對人類操作員持續輸入的需求。這將允許同時對多個無人資產進行更高層次的控制或監督，并通過減少操作人員的認知負荷來提高有效性，使操作人員能夠做出指揮決策并執行其他高層次任務。自主系統之間的機對機互動將促進效率，特別是在復雜環境中，通過實現自我組織、任務分工和活動協調。自主系統攝取、處理和分析大型復雜數據集并通過數據可視化向人類傳達有價值的數據趨勢或相關性的能力，將對人類和自主系統都有好處。

未來幾十年，無人系統能力的擴展將在很大程度上取決于在部隊結構中有效地組合人類和自主系統的能力。在中期，自主算法、改進的傳感器和計算機處理將改善人類和機器的合作，從任務級支持發展到行動支持，并將允許機器在各種行動中直接協助人類。最后，從長遠來看，人類將與幾乎完全自主的無人系統組成綜合團隊，能夠在有爭議的環境中開展行動[10]。

軍事行動將需要無人系統和人類（即飛行員、海軍陸戰隊員、水手、士兵或平民）之間的團隊合作。人機界面（HMI）是人類操作和從無人系統收集信息的機制。人機界面的直觀和高效程度將直接影響任務的成功。人機界面在歷史上一直是針對特定領域和/或車輛的，導致該部獲得了多個獨立的非集成系統。設計和實施的重點是單個無人駕駛系統的控制，而不是任務或使命目標。

在未來，最好是讓每個操作員控制多個無人系統，從而將人的角色從操作員轉向任務管理者。為了確保靈活性，人機界面必須支持一系列的控制選項，在這些選項中，人既可以是對自主系統沒有控制權的 "脫環"，也可以是監督無人系統的 "在環"，或者是行使命令控制特定車輛的路徑或有效載荷的 "在環"。能夠實現多車輛控制的人機界面將能夠支持新的能力，如無人系統合作提供廣域搜索；從多個角度檢查目標；跟蹤移動目標；以及中繼通信以減輕 "失聯 "情況。此外，新的人機界面有必要支持未來的戰爭團隊概念（如蜂群和 "忠誠戰術僚機"），以管理增加的可用信息和更復雜的控制傳輸和協調要求。

法律問題

USV是否可被視為 "船只 "或 "船舶 "是一個具有法律意義的決定，因為符合條件的船只擁有某些權利。國際法中沒有任何內容表明，USV不能被視為 "船只 "或 "船舶"。另一方面，也沒有任何規定說它們可以或必須被這樣認為。這個問題的解決對USV來說具有關鍵意義，但不幸的是，有一些復雜的情況使這一決定變得非常困難。

在《國際海上避碰規則》中，"船舶 "一詞經常出現（"船舶 "一詞在《國際海上避碰規則》中沒有定義）。事實上，該條例只適用于條例定義中所說的 "船舶"。COLREG的規則1規定："本規則適用于公海上的所有船只和與之相關的所有可供海船航行的水域"。COLREG規則3(a)對 "船舶 "進行了定義，其中指出 "船舶 "一詞包括各種類型的水上交通工具，包括用作或能夠用作水上運輸工具的非排水船（...）。第5條規定，每艘船都應通過視覺和聽覺以及在當時的環境和條件下的所有可用手段，隨時保持適當的觀察，以便對情況和碰撞的風險進行全面評估。這是自主或無人駕駛船只的法律問題的評論員們更加堅持闡述的主要障礙之一：為了有效執行，船上必須有人在場。在任何情況下，不管這是否仍然是不可能的，對COLREG規則的修改可以使無人駕駛的船只合法地運行。

就更精確地定義USVs的地位而言，故障點在于以下幾個方面[11]：

i. USVs應該被視為獨立的實體，還是作為其部署平臺的附屬品或組成部分？

ii. 哪些（如果有的話）USVs可以被視為 "船 "或 "艦"，哪些（如果有的話）不能（在這種情況下，它們必須被視為其他東西，如 "設備 "或 "物體"）。

iii. 對于那些可以被視為 "船只 "或 "船舶 "的USVs，如果有的話，哪些可以進一步被視為 "軍艦"？

iv. 對于有武器的USVs，哪些可以被認為是運送武器的 "發射或運載平臺"，哪些本身可以被認為是 "武器或武器系統"？

簡而言之，將USV稱為 "船 "或 "艦 "并非沒有困難4。可能需要對法律進行修改，或者對某些現有的法律條款進行擴展性解釋，以使無人駕駛的水面飛行器被視為符合適用于船舶的法律和法規。

軍艦是為非商業目的運營的政府船只的一個特殊子類，它本身就是一類船只。聯合國海洋法公約》第29條將 "軍艦 "定義為：： "屬于一國武裝部隊的船舶，帶有區別其國籍的外部標志，由該國政府正式任命的軍官指揮，其名字出現在適當的服役名單或同等的名單上，并由受到正規武裝部隊紀律約束的船員操作。" 乍一看，USV似乎永遠不可能有資格成為軍艦，因為除其他問題外，它不會有船員。

對第29條 "軍艦 "定義中的各個組成部分進行細分，可以得出以下結論：軍艦必須是一艘船；該船必須屬于一個國家的武裝部隊；軍艦必須有表明其國籍的外部標志；軍艦必須由該國政府正式任命的軍官指揮，其名字必須出現在適當的服役名單上。這里的要求的實質是，必須有人--具體地說，是一名正式任命并列名的軍官--實際行使對船舶的控制。這個人不一定要親自在船上行使必要程度的控制權。

最后，一艘軍艦必須由受正規武裝部隊紀律約束的船員來操作。同樣，"船員 "不一定要在軍艦上；如果遠程控制人員或程序員是受正規武裝部隊控制的個人，那么無人艦艇就符合 "人員配備 "的要求[11]。

USV的地位具有重要的法律影響。艦艇/非艦艇/軍艦問題的解決將決定它在多大程度上有權行使某些航行權利，允許特定的豁免權，有資格履行一些重要的海事職能，受其他國際海事法律制度的約束；并有權行使交戰權利[11]。

從享有權利和免除義務的角度看，將USV定性為軍艦對作戰國來說是最合適的。這種定性取決于兩點：滿足《海洋法公約》第29條對 "軍艦 "的定義，以及接受被如此定性的USV可被視為 "船只 "這一事實。

對于自主武器化的USV，本身并沒有禁止。相反，與所有其他武器系統一樣，USVs的使用必須符合武裝沖突法。這一結論與美國國務院無人機問題法律顧問得出的結論相一致： "戰爭法并不禁止在武裝沖突中使用技術先進的武器系統--如無人駕駛飛機或智能炸彈--只要它們的使用符合適用的戰爭法。" "那么問題是，這些系統的使用方式是否對其合法性提出了挑戰。

7 結論

盡管在過去的20年里，USV的能力有了廣泛的增長，但許多最有希望的技術進步仍然處于研究和實驗的領域。自主性和有保障的通信是USVs行動中的力量倍增器，但這些能力在短期內將是有限的。USV的發展也可以通過商定一個具有模塊化有效載荷的共同USV平臺，以及投資于提高USV續航能力的技術而得到加強。

從UAV和UUV操作中得到的一個廣泛接受的教訓是，無人系統并不是真正的 "無人"；更準確地說，它們是 "無人居住"。隨著自主性的增加，每個無人系統所需的操作人員數量將減少，這似乎是一種直觀的期望。然而，可能存在技術、維護或文化上的限制，需要一定數量的USV控制和支持人員，特別是在USV在有人和無人艦艇的混合海軍部隊中運行的情況下。

計算能力的提高使機器能夠完成更多過去由人類完成的重復性和高要求的工作。這些工作職責的范圍從簡單的自動化任務到更復雜的人工智能應用，直至自動駕駛車輛和農業設備。事實上，軍隊正越來越多地采用自主和半自主機器，以減少人類在危險環境中長期作業的風險或提高軍事效力，海軍也不例外。

人工智能和機器人技術的進步很可能繼續下去，并導致更廣泛地使用機器，特別是在危險環境中的重復性任務，這種環境對于在軍隊服役的人來說非常熟悉：

• 完全自主化的進展一直很穩定，但過渡到能夠對環境中的意外變化作出反應的系統還沒有發生，而且可能在幾年內不會發生。

• 如果沒有大量的投資和開發，設想中的無人駕駛車輛的軍事應用是不可能發展的。

• 在目前的殺傷鏈和作戰概念下，通常采用自主權來復制有人系統進行的行動。

• 政策--與自主系統及其應用交戰規則的能力有關的法律問題確實存在。這些系統在設計上不可能避免這些問題，也不可能避免人類的積極監督。通過在循環中插入人的行動來減緩自主系統的決策，很可能會在一個高強度和快速變化的環境中喪失關鍵的時間優勢。接受這種延遲，現在是，將來也是，一個無法通過技術改進來緩解的指令性道德決定。

除非依靠決定性的威懾，海洋控制基本上可以通過兩種方式實現：通過封鎖消滅或遏制對手的海軍力量，并通過反潛、反空、反水面、海軍水雷、電子和聲學、打擊、兩棲、特種和沿河聯合或單兵作戰來實現。

所有上述類型的戰爭都可以有效地看到USVs的有益整合，特別是在武器化的情況下，確保在更大的區域、更多的時間、更少的成本和更少的風險下進行海洋控制，而不是部署有人的平臺。當然，在有些任務中，有效載荷的重量、續航能力以及其他作戰和戰術要求（包括潛在的阻礙性法律考慮）將排除對無人駕駛能力的完全依賴，而是尋求與傳統載人平臺的協同合作。在任何情況下，無人系統，特別是無人水面飛行器，都非常可能被廣泛部署，以支持國家和盟國的戰略。

美國陸軍CCDC C5ISR中心的夜視和電子傳感器局（NVESD）的任務是開發低光和紅外傳感器技術，其形式包括空中/車載傳感器、步兵武器傳感器、頭戴式傳感器和顯示器。本文討論了NVESD最近獲得的一個沉浸式測試環境，它能夠為不同的傳感器系統進行虛擬原型設計練習，同樣也能夠作為一個沉浸式環境，檢驗AR顯示的變化以及向人類操作者展示AR信息的方法。該沉浸式環境包括一個 "綠色房間"，由有機玻璃板組成，通過可控的電致發光帶發出綠光。一對攝像機與Vive虛擬現實頭盔（HTC公司）配對，用于形成真實物體和虛擬覆蓋的復合視圖；在沉浸式測試環境中觀察到的任何物體對用戶來說都是可見的，但開放的綠色空間被虛擬環境取代。我們描述了傳感器和AR技術的新系統和模擬用例，描述了這種模擬技術如何能夠嚴格控制經驗場景，對設備特性進行有力的評估。最終，這種模擬將允許士兵在第一個物理原型建造之前體驗傳感器的特性和AR顯示，在采購生命周期的設計階段早期征求寶貴的用戶反饋。

F-22 經過實戰驗證，在沖突地區作戰了十多年。盡管它是地球上最主要的空對空戰斗機，但飛機的不斷改進繼??續使 F-22 更具殺傷力。最大化任務能力 (MC) 率的最佳實踐沒有成功地編纂和保護數據。本文使用數據包絡分析 (DEA) 來識別 MC 率優化且高效的基準環境。 DEA 成功地比較了兩個單位的投入和產出的相對效率，并確定了效率更高的組織。此外，DEA 還為美國空軍現任高級領導人和戰術經理提供了對績效環境的洞察力，在這些環境中，可以最大限度地提高相對效率，以在財政受限的環境中支持國防戰略。最后，DEA 模型可用于分析額外的 F-22 單位、其他飛機機隊以及基地級維護操作中更細微的輸入/輸出關系。

太空一直是一個需要高度自主的領域。所需的自主性帶來的挑戰使其難以在短時間內完成復雜的任務和操作。隨著越來越多地使用多Agent系統來增強空中領域的傳統能力和展示新能力，在軌道上和近距離多Agent操作的發展需求從未如此強烈。本文提出了一個分布式的、合作的多Agent優化控制框架，為在近距離操作環境中執行多Agent任務相關的分配和控制問題提供解決方案。然而，所開發的框架可以應用于各種領域，如空中、太空和海上。所提出的解決方案利用第二價格拍賣分配算法來優化每個衛星的任務，同時實施模型預測控制來優化控制Agent，同時遵守安全和任務約束。該解決方案與直接正交配位法進行了比較，并包括了對調整參數的研究。結果表明，所提出的技術允許用戶用模型預測控制來優化超越相位的控制，并以三個調諧參數實現編隊交會。與傳統的多相MPC相比，這更好地接近了配位技術中的相變。

本報告描述了北約STO RTG IST-149無人地面系統和C2內互操作性能力概念演示器的研究和實驗工作。無人地面車輛（UGVs）在現代戰斗空間中正變得越來越重要。這些系統可以攜帶大量的傳感器套件，從前線提供前所未有的數據流。另一方面，這些系統在大多數情況下仍然需要遠程操作。重要的是要認識到，如果沒有適當的方式在聯盟伙伴之間交換信息和/或將其納入C2系統，ISR數據在很大程度上將是無用的。該小組的主要目的是找到改善這種情況的方法，更具體地說，調查從操作員控制單元（OCU）控制UGV和接收數據的可能標準，并在現實世界的場景中測試它們。

該項目的努力有兩個方面。比利時的貢獻是在歐盟項目ICARUS中所做的工作。這個項目涉及一個用于搜索和救援的輔助性無人駕駛空中、地面和海上車輛團隊。互操作性在幾個不同的實驗中得到了驗證。ICARUS聯盟由幾個國際合作伙伴組成，其中比利時是這個小組的鏈接。第二項工作是該小組的聯合努力，在小組內進行實驗，展示UGV和OCU之間的互操作性。該小組于2018年在挪威的Rena進行了最后的演示。

這兩項工作都使用了無人系統聯合架構（JAUS）和互操作性配置文件（IOP），以成功實現系統間的互操作性。試驗表明，有可能相當容易地擴展系統，并在相對較短的時間內實現與部分標準的兼容。弗勞恩霍夫FKIE和TARDEC都開發了軟件，將信息從IOP域傳遞到機器人操作系統（ROS），并從該系統中獲取信息。ROS是一個廣泛使用的軟件，用于開發UGV和其他類型機器人的自主性，并被該小組的許多合作伙伴所使用。Fraunhofer FKIE和TARDEC提供的軟件對試驗的成功至關重要。

報告還討論了如何在采購前利用IOP標準來定義系統的要求。該標準本身定義了一套屬性，可以在采購新系統時作為要求來指定，可以是強制性要求，也可以是選擇性要求。這使得采購部門更容易定義要求，供應商也更容易符合要求，同時也明確了OCU在連接到系統時，在控制系統和可視化系統中的數據方面需要具備哪些能力。

該小組2018年在挪威瑞納的試驗重點是對UGV進行遠程操作，以及接收UGV的位置和視頻反饋。由于這是一次成功的試驗，下一步將是使用更高層次的控制輸入和反饋來測試互操作性，例如，向UGVs發送航點，并根據系統的感知接收系統周圍環境的地圖。