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美國海軍（USN）和美國海岸警衛隊（USCG）正在轉向應用和使用無人系統，通過協調一系列作戰多樣性，為其視角任務集提供價值。這項研究工作旨在評估在使用標準成像傳感器的同時使用市場上可買到的小型無人機系統（sUAS）的可行性，以提高海上艦隊對水下威脅和夜間反潛戰的態勢感知能力。研究小組開展了三項工作：前兩項工作是非機密的，涉及鯨魚探測；第三項工作是機密的，處理真實的實地數據，并作為補充資料列入。這兩項非保密工作是在有人駕駛飛機和無人駕駛飛機上安裝市場上可買到的成像傳感器，目的是在夜間利用生物發光探測鯨魚。比較了固定翼和旋轉式 sUAS 作為飛行平臺與紅綠藍 (RGB) 和多光譜成像傳感器。發現并克服了許多挑戰，包括減少來自環境和飛機的光污染、批準無人駕駛航空飛行器在夜間超出視線范圍運行，以及圖像拉長的復雜性。最終確定，配備 MicaSense RedEdge-P 的旋轉式無人機系統是在夜間從移動平臺發射時捕捉次表層生物發光傳輸的最佳平臺。

這個頂點應用項目對海軍陸戰隊作戰測試與評估一（VMX-1）進行了檢查，以確定優化效率的方法，并確定中隊的額外測試能力。該中隊為 AH-1Z、CH-53K、F-35B、MV-22B 和 UH-1Y 飛機進行作戰測試與評估 (OT&E)，并為海軍陸戰隊戰術與集成部下屬的許多其他項目進行測試與評估。該項目研究了中隊面臨的每項資源短缺問題，以確定影響中隊完成任務能力的根本問題。用于得出結論的數據包括評估進行 OT&E 的流程，以及分析最近完成的 MV-22 的 AN/APR-39D(V)2雷達預警接收器和 AH-1Z 的聯合空對地導彈項目。該項目建議改進作戰測試主管的培訓和職位任期，改進調度工具以改善中隊內部的溝通，并仔細檢查新出現的測試系統，以便將其納入簡略采購框架。

美國戰略陸軍條令強調在多域環境中擊敗反區域介入和空中拒止（A2AD）系統。這些防空系統對友軍構成重大威脅，嚴重限制了聯合任務部隊的空中能力。為此，陸軍試圖了解自主無人機蜂群的組成如何影響聯合特遣部隊縱深打擊任務的成功。目標是通過評估自主無人機蜂群的有效性來加強陸軍的作戰行動。利用虛擬戰斗空間模擬器3（VBS3），模擬了不同無人機蜂群組成的俄羅斯防空資產。我們的分析表明，在我們的備選方案中，動能、干擾和誘餌三種無人機類型比例相等的無人機蜂群組合表現最佳。本文旨在說明我們的方法和相關結果。

引言

美國陸軍越來越重視與同行對手保持技術優勢（國會研究服務，2022年）。美國陸軍未來司令部（AFC）正在進行自主無人機群的研發。為了支持陸軍未來司令部和我們的主要利益相關者--系統增強型小型單位（SESU），我們評估了各種自主無人機群的組成。我們的主要評估指標是無人機群在敵后執行后續縱深打擊任務（兩架F-22）的能力。為此，我們使用Virtual Battlespace 3軟件在現代戰場環境中對敵方防空資產進行了一系列隨機模擬。

方法

在整個項目過程中，我們采用了系統設計流程來完成問題定義、解決方案設計和決策制定（Parnell和Driscoll，2010年）。解決方案實施階段不在本工作范圍之內。

3.1 問題定義

為了解問題的范圍，通過一系列面對面訪談和針對每個利益相關者的調查進行了利益相關者分析。這些利益相關者包括項目發起人（MITRE）和陸軍未來司令部，以及其專注于增強無人機蜂群技術的下屬單位（SESU）。利益相關者分析表明，工作重點應放在不同的蜂群組成上，并評估其擊敗敵方防空資產的有效性--有效性由機會之窗（WOO，即實現后續深度打擊資產）標準來衡量。根據利益相關者調查，將敵方防空資產定義為任何車載防空武器（如俄羅斯的SA-19 "格里森"）。

經利益相關方同意，制定了如下問題陳述和范圍：

問題陳述： 為了提高作戰效率，分析無人機群的組成對打開針對敵方防空系統的機會之窗（WOO）的影響。

問題范圍： 將模擬無人機群執行任務，打擊俄羅斯摩托化步槍旅理論上適當的防空資產。這些任務將利用具有以下能力的無人機群：誘餌、干擾和動能。

3.2 方案射擊

基線替代方案是由120架無人機組成的蜂群，其組成由利益相關方選定。這些無人機分10波發射，每波12架。每個波次由41%的動能無人機、17%的干擾無人機和42%的誘餌無人機組成。除了該基線備選方案外，我們還利用茲威基形態箱開發了另外12種備選方案，其規模（120、60、36）和蜂群組成（動能、誘餌或干擾的比例；或三者的優先級相同）各不相同。

3.3 決策

除了利益相關方制定的任務成功/失敗標準（第2.1節）外，我們還利用利益相關方分析和對利益相關方進行的模擬演習的訪問來制定評估標準。這些評估標準衡量了針對理論上旅級規模的俄羅斯防空部隊的成功任務的有效性（圖2）。為了計算這些標準的權重，我們使用了等級加權法。然后，我們使用指數值建模來制定價值曲線。

蜂群是戰爭的下一個進化步驟。激光武器系統（LWSs）將是在這個新的戰斗空間中競爭的一種具有成本效益的方法。無人機系統正被用于各個層面，從恐怖組織到世界超級大國，廉價的無人機系統作為采用蜂群戰的一種方式。目前，無人機群已經被用于異質配置，并在軍事演示中被展示出來（Hambling 2021）。作為反擊，國防部必須制定一個具有成本效益的對策，而LWSs具有每次射擊成本低、見效時間短的優點。

隨著通信方法、機器學習和蜂群理論的發展，無人機系統的能力也在增長。它們按重量、范圍和速度的不同組合進行分類。無人機系統執行廣泛的任務類型，包括監視、反制、誘餌、傳感器失效和有效載荷的交付。它們通常由高強度低重量的材料制成，如鋁或碳纖維增強聚合物；然而，最近也在探索使用鎂基復合材料以實現更廉價的制造（Hoeche等人，2021）。容易獲得和廉價的無人機系統使得形成蜂群成為一種具有成本效益的方式。LWS將是準備應對這種新型威脅的有效方式。

通過適當的使用，LWS將成為對廉價的蜂群攻擊的相稱和有效的反應，變得非常寶貴。擬議的每發1美元將使海軍在這些交戰中贏得經濟損耗（Smalley 2014; Perkins 2017）。然而，也有一些需要注意的障礙，如大氣效應、湍流和熱膨脹。LWS還需要能力很強的傳感器和控制系統來精確跟蹤遠距離目標，并在所需的停留時間內保持訓練好的光束。這種需求在海洋環境中被放大了，船舶的湍流和運動使問題更加復雜。戰術官做出的復雜決定是對蜂群戰和LWS使用的另一個關注。在蜂群戰環境中，交戰時間可能短至個位數分鐘。幫助決策者快速過濾大量信息的自動化決策輔助工具將是贏得這些快速小規模戰斗的關鍵所在。這篇論文探討了各種無人機威脅情況和LWS交戰策略，以確定一些關鍵因素。

無人機群可能由同質群或異質群組成。使用同質群可以簡化獲取和使用具有成本效益的蜂群，而異質群則會增加蜂群的復雜性和能力。同質蜂群的操作者可以改變攻擊的規模和隊形。異質蜂群可以利用各種角色的單位，如戰斗機、轟炸機、誘餌、干擾器和偵察兵。改變蜂群的組成可能會對整體的成功機會產生相當大的影響。

使用的LWS交戰策略會嚴重影響交戰的結果。最直接的技術是基于距離的方法，即武器系統僅根據距離來確定目標的優先次序。最短交戰 "算法提供了一個模型，它也考慮了LWS的回轉時間。如果來襲的威脅是一個異質的蜂群，LWS可以采用更復雜的策略，優先考慮蜂群的各種功能，如感知或通信。這些異質性交戰方法將要求防御者對蜂群有大量的了解，因此需要有能力很強的傳感器和數據融合系統。

本論文使用建模虛擬環境和模擬（MOVES）研究所的一個名為 "蜂群指揮官戰術"（SCT）的程序來探索和模擬蜂群戰環境。SCT被用來測試各種蜂群編隊，包括直線、楔形和波浪形楔形。此外，本論文還開發了一種采用誘餌無人機來掩護轟炸機部隊的異質蜂群編隊。對于LWS，本論文評估了一種交戰策略，使轟炸機部隊優先于任何其他部隊。

主要的發現是，最大限度地增加單位之間的角位移的蜂群編隊比緊密聚集的群體更成功。這些結果是由于每個目標之間需要增加LWS的回轉時間。裝甲誘餌方案增加了整個蜂群的存活率，因此也增加了性能。在艦艇幸存的模擬中，轟炸機能夠活得更久，在被摧毀前更接近艦艇。在艦艇被摧毀的模擬中，有更多的轟炸機幸存下來。關于LWS的交戰策略，這一轉變對結果造成了巨大的影響。在艦艇存活的模擬中，交戰時間要短得多，轟炸機被摧毀的距離也遠得多。在艦艇被摧毀的模擬中，交戰持續時間更長，轟炸機群的大部分被摧毀。這些結果強調了利用各種編隊、異質無人機群以及制定LWS交戰策略來對付它們的潛在好處。

圖1. 使用艦載LWS來防御無人機群的威脅。改編自洛克希德-馬丁公司（2020）和愛德華茲公司（2021）。

在作出魚雷裝載決定時，規劃者必須考慮不同反潛戰（ASW）單位的能力和實力、有限的預算和不同的對手潛艇艦隊。目前，Mk-54輕型魚雷的裝填決定是人工做出的，而且沒有一個系統的方法來處理威脅的不確定性。這項研究試圖通過使用隨機優化來確定美國水面艦艇、固定翼飛機和直升機上裝載魚雷的類型和數量，從而為這些決策提供參考，以面對不確定的潛艇威脅，達到預期的殺傷概率。開發了兩種魚雷分配隨機優化模型（TASOM）的配方： TASOM-1，最小化錯過的潛艇數量；TASOM-2，最小化殺傷概率閾值以下的偏差。為了顯示隨機編程方法比典型的確定性規劃的價值，提出了一個概念性案例，旨在代表一個行動，即反潛部隊在一個區域內巡邏對手的潛艇。隨機生成100個威脅場景，其中部署在該地區的潛艇的數量和級別各不相同。TASOM-2的裝載量明顯優于確定性的平均裝載量。所提出的模型與可訪問的用戶界面相結合，為規劃者提供了一個決策輔助工具，以進行敏感性分析，指導不確定情況下的魚雷分配和預算決策。

反潛戰（ASW）被定義為 "為了不讓敵人有效使用潛艇而進行的行動"（參謀長聯席會議2021年，第IV-10頁）。這些行動包括定位、跟蹤和消滅敵人的潛艇。這項研究的重點是最后一項任務。隨著對手繼續現代化和增長他們的潛艇艦隊，尋求以最佳方式為美國海軍的反潛平臺配備能夠有效瞄準這些潛艇的武器。

A. 背景情況

ASW主要由海上巡邏機、水面作戰艦艇及其搭載的直升機和潛艇執行。通信限制和水域管理要求通常使潛艇無法與其他類型的平臺協同作戰。假設友好的潛艇將在不與水面和空中資產重疊的區域進行反潛作戰。本報告將不進一步討論潛艇行動。

巡洋艦和驅逐艦都可以從其水面艦艇魚雷發射管（SVTT）和垂直發射反潛火箭（ASROC）系統中發射輕型魚雷。

P-8 "海神 "是一種多任務海上巡邏機。在進行反潛作戰時，它可以配備輕型魚雷，用來對付對手的潛艇。與水面平臺相比，P-8在搜索潛艇時可以覆蓋更大的區域，并且可以在沒有敵人魚雷的威脅下進行交戰。一個P-8中隊由六或七架飛機組成，一個分隊由四或五架飛機組成。中隊和分隊可以在世界各地的美國、盟國和合作伙伴的空軍基地進行部署和行動。

MH-60R海鷹直升機與P-8一樣具有水面平臺的優勢，但可以攜帶較少的魚雷，作戰范圍也短得多。MH-60R分隊可以搭載在Flight IIA阿利-伯克導彈驅逐艦、提康德羅加導彈巡洋艦、獨立和自由級瀕海戰斗艦以及航空母艦上。驅逐艦、巡洋艦和瀕海戰斗艦最多可以搭載兩架MH-60R。

美國海軍必須準備好面對一個非常多樣化的威脅。根據Janes（Janes 2021a）的說法，俄羅斯海軍有27種。

俄羅斯等潛艇艦隊組成的分歧給國防規劃帶來了復雜的挑戰。

Mk-54輕型魚雷可從水面艦艇上的SVTT和ASROC系統發射。在進行反潛作戰時，它也可以被裝載到MH-60R和P-8上。考慮分配由0型、1型和2型變體組成的魚雷庫存。

B. 技術現狀和動機

在這項研究中開發的模型是具有追索性的兩階段隨機模型。具體來說，在第一階段（武器分配）將魚雷分配給反艦導彈部隊，在第二階段（武器目標分配，WTA）將魚雷分配給潛艇。武器分配決定往往是在不完全了解威脅的情況下做出的，這就促使了隨機優化和模擬。

自從Manne（1958）提出WTA問題以來，在武器分配和WTA方面已經做了大量工作。佩奇（1991）開發了一個混合整數編程模型，以獲得火炮系統和彈藥的最佳組合。Jarek(1994)利用模擬得到空戰所需的艦載防空導彈的數量。Tutton（2003）開發了一個使用隨機優化的傳感器分配模型，在不確定的敵方作戰順序下將搜索包分配給目標。Avital（2004）開發了一個兩期的隨機供應鏈模型，以確定在不確定的目標需求下，應該采購多少反艦巡航導彈以及如何分配這些導彈。Uryasev和Pardalos（2004）表明，與隨機對應的決定性武器分配決策相比，缺乏穩健性。Buss和Ahner（2006）開發了一個戰斗模擬，稱為DFAS，用于評估軍隊的未來戰斗系統（Havens 2002）。DFAS是一個離散事件模擬，代表實體運動、探測和武器效果事件。它還包括定期優化，以修訂WTAs。Hattaway（2008）通過考慮雷達和電子傳感器以及海軍軍械，將DFAS調整為海戰應用。Laird（2016）考慮了混合武器，以分配對抗來自空中、地面和地下的蜂群威脅。Cai（2018）使用基于代理的時間階梯式模擬，為城市環境中的進攻行動找到精確和區域火炮彈藥的有效組合。Brown和Kline（2021年）考慮了任務覆蓋范圍而不是目標交戰，以確定VLS艦的最佳武器裝載。不同類型的導彈，每一種都用于不同的任務（打擊、防空或反潛戰），可以被容納在VLS單元中。Adamah等人（2021）建立了一個非線性優化模型，用于確定分配給進行反潛作戰的潛艇的Mk-48重量級魚雷的類型和數量。Templin(2021)考慮了以啟發式方法解決的WTA問題的衍生物，其簡化的假設是只有一個目標要參與。研究的重點是為發射政策提供信息，特別是對威脅使用的導彈的數量和類型。

在上述文獻中的武器分配模型中，與本研究有關的是，注意到Page（1991）和Avital（2004）都使用了指揮官指定的期望成功的閾值；然而，他們在模型中著重于最小化武器成本，并將目標視為總需求。Jarek（1994）和Cai（2018）的模擬為所需的總導彈或彈藥組成提供了一般建議，但沒有提供可作為可操作的裝載計劃的閉合式解決方案。Tutton（2003）的模型將傳感器分配給單位，這與魚雷分配不同，傳感器不在目標上消耗（使用后）。Brown和Kline（2021）考慮的是任務覆蓋范圍，而不是目標，這對問題來說不是一個合適的方法，因為魚雷的使用只是為了與對手的潛艇交戰（或反擊對手的潛艇魚雷）。只有Adamah等人（2021年）涉及魚雷作為武器類型；然而，他們的模型是非線性的，也沒有推薦一個考慮到多個目標的魚雷裝載計劃。

另外，除了DAFS，上面審查的WTA模型只考慮一個射手。雖然希望對不確定的威脅進行計劃，在一個場景中出現不同類型和數量的目標，但Uryasey和Paradalos（2004）對一個場景進行計劃，但對武器的殺傷概率不確定。和其他的模擬工作一樣，DAFS（Havens 2002；Buss和Ahner 2006；Hattaway 2008）并沒有提供一個關于武器應該如何分配給目標或分配給單位的閉合式解決方案。Laird（2016）和Templin（2021）都是為給定的威脅做計劃，并沒有考慮到威脅情況下的任何不確定性。

盡管在武器分配和指派模型方面有大量的文獻，但注意到大多數模型沒有使用隨機優化。此外，目前，魚雷的裝載決定是由人工做出的。這項研究的目標是利用正式的數學優化來幫助魚雷分配決策。具體來說，隨機優化將使決策者能夠對不確定的威脅進行規劃。對威脅構成的不確定性進行規劃是現實的，因為通常情況下，必須在發現敵方潛艇或甚至部署反潛部隊之前作出裝載決定。

在購置海軍平臺的資本有限的限制下，需要應對海上挑戰。像波浪滑翔機這樣的無人平臺可能有助于解決這個問題。波浪滑翔機是一種無人水下航行器，它可以配備一個被動陣列，并可以在感興趣的區域（AOI）保持長時間的部署。它們能夠提供分層防御，防止對手在不被發現的情況下穿越該區域，從而提供低成本、持久性的反潛戰（ASW）解決方案。在2016年由英國皇家海軍領導的 "無人勇士 "演習中，展示了反潛波浪滑翔機成功追蹤一艘載人潛艇的能力。然而，如何部署一定數量的波浪滑翔機來探測一艘過境的對手潛艇的問題仍然相對沒有被探索。本論文旨在開發一個模型，以確定部署的波浪滑翔機的探測能力，該模型考慮了與探測水下接觸有關的變量，在具有聲學挑戰性的水下環境中使用被動聲納，并在部署無人資產方面受到限制。該模型規定了實現特定探測概率所需的波浪滑翔機的最佳數量，并為其在AOI中的位置提供了參考，以盡量減少對手潛艇穿越該區域而不被發現的概率。

為了利用無人系統提供的無數優勢，近年來，它們在軍事行動中的地位越來越突出。無人系統，在這里是指無人水下航行器（UUV），被用于各種任務，如海洋學、反地雷、情報、監視和偵察（ISR），僅舉幾例。最近，UUV在反潛戰（ASW）領域的使用也有所發展。本論文探討了在反潛戰中使用 "波浪滑翔機"--一種配備了被動陣列的UUV。該方案圍繞著反潛波浪滑翔機在AUO中的最佳位置發展，以最大限度地提高探測到穿越該地區的敵方潛艇的概率。開發了一個模型來計算具有特定估計聲納范圍（ESR）的特定數量的波浪滑翔機所累積的探測概率。

為了開發這個模型，使用被動聲納方程闡明了裝有被動聲納的波浪滑翔機的水下探測特性。諸如設備、目標和環境特征等方面的因素被考慮到方程中。還考慮了影響聲音在水下傳播的各種因素，如傳輸損耗和水下噪聲的存在，它阻礙了從目標接收的整體聲音。被動聲納方程和其中涉及的參數被用來計算聲納的性能，稱為優點數字（FOM）和信號過剩（SE），它告訴我們目標發出的信號是否會被波浪滑翔機上的傳感器檢測到（Urick，1967）。此后，Poisson掃描模型（Washburn，2014年），它將探測模擬成一個Poisson過程，被用來制定探測的累積概率的表達。該表達式為橫向范圍函數鋪平了道路，該函數描述了在給定的環境條件下，波浪滑翔機在特定范圍內探測目標的能力。

為了最大限度地提高總體探測概率，探索了將波浪滑翔機置于不同的編隊中--即AOO中的障礙物、扇形、圓形和多障礙物。實驗是通過模擬潛艇穿越該地區周邊的隨機點來進行的。然后改變不同編隊中的ESR和波浪滑翔機的數量，以深入了解特定情況下的最佳位置。通過改變關鍵參數，如目標速度、泊松過程的檢測率和模擬中的FOM，也進行了敏感性分析，以分析它們對總體檢測概率的影響。模擬結果表明，將波浪滑翔機放置在AOO的障礙物陣中，可以最大限度地探測到穿越該區域的海底接觸物的概率。盡管屏障編隊總是比多屏障編隊提供更高的探測概率，但它可以作為一種戰術選擇，使潛艇在較長的時間內處于防御狀態，因為潛艇必須穿越穿插在一起的波浪滑翔機層。探測的概率隨著ESR探測率的增加而增加，而保持所有其他因素不變，則隨著目標速度的增加而減少。

美國海軍陸戰隊繼續發展遠征先進基地作戰（EABO）作為未來在太平洋地區的作戰模式。EABO將使用廣泛分散的、高度有力的、緊密結合的海軍和海軍陸戰隊團隊。由于固有的資源限制、遠距離通信以及對手在電磁波譜中的探測、攔截和干擾能力，這種作戰模式對海軍陸戰隊的指揮和控制能力提出了挑戰。這項研究試圖評估突發信號網狀網絡（BSMN）技術作為解決這些問題的一個潛在方案。通過比較EABO中指揮和控制的特點（通過對最近EABO演習的定性案例分析確定）和BSMN技術的特點（通過定量建模分析確定）來評估該技術的適用性。最后，通過定量的財務分析，評估了獲得和使用該技術的可行性。盡管研究人員建議進一步研究，但他們得出結論，BSMN技術的遠程、隱身和低功率能力很適合團級及以下的通信。此外，研究人員得出結論，該技術的獲取和應用是可行的，其價格遠遠低于目前使用的其他遠程通信資產（即衛星通信）。

自二戰以來，美國利用體型龐大、能力卓越的航空母艦和兩棲艦從海上投射軍事力量的能力基本上沒有受到質疑（海軍水面部隊指揮官[COMNAVSURFOR]，2017；杰克遜等人，2020）。然而，近年來，遠程精確反艦導彈的發展和擴散，在海軍艦艇進入其目標范圍之前就已經危及到它們，這對美國海軍部隊的運作方式提出了挑戰（Office of the Secretary of Defense [SecDef], 2017, p. 57）。為了應對遠程反艦導彈的威脅，海軍部制定了一個新的分布式海上作戰（DMO）戰略，在這個戰略中，廣泛分散的海軍部隊以更大的個體殺傷力實現海上控制，而不是以前海軍作戰模式中相對密集和脆弱的編隊（COMNAVSURFOR, 2017）。遠征先進基地作戰（EABO）（海軍陸戰隊總部[HQMC]，2021年）是海軍陸戰隊的作戰概念，它通過以高度整合、廣泛分散、物理和電磁隱蔽的方式部署部隊來實現DMO的原則（COMNAVSURFOR，2017；海軍作戰部長辦公室[CNO]，2018；HQMC，2021）。

需要完善的幾個作戰功能之一是指揮和控制（C2），以充分支持DMO：在第38屆司令部的規劃指南中，海軍陸戰隊司令伯杰將軍明確提出需要靈活和有彈性的C2系統，以支持高節奏和分散的決策（海軍陸戰隊司令[CMC]，2019，第9頁）。研究人員對新興的突發性信號網（BSMN）技術的初步了解是由Bordetsky、Benson和Hughes的《信號雜志》文章 "Hiding Comms in Plain Sight"（2016）中展出的研究提供的：這篇文章使人相信BSMN技術可以為DMO C2提供所需的靈活性和彈性的假設。突發信號被簡單地定義為在相對較短的輻射突發中傳輸大量數據的方法（劍橋，n.d.），這使其本身具有被對手探測、攔截或干擾的較低概率（Walkenhorst，2020）。網狀網絡是一種通信網絡方案，其中節點能夠充當動態路由器，將傳輸信息傳遞給其他節點，在用戶本身之外沒有任何基礎設施的情況下創建動態和靈活的網絡（Law, 2009）。在這些屬性之間，研究人員假設BSMN技術是一個合適的技術解決方案，為EABO中的C2提供靈活和彈性的通信。研究人員進一步假設，鑒于目前BSMN的商業使用，它也是EABO中C2的一個經濟上可行的解決方案。

為了確定BSMN技術對DMO的適用性，研究人員首先對海軍陸戰隊以EABO為模型的演習進行了案例研究。這些案例研究試圖描述EABO演習中C2的定量和定性方面，以確定BSMN必須支持什么樣的通信方式才能成為一個合適的技術解決方案。研究人員研究了三個獨立的案例，時間跨度超過兩年，涉及海軍陸戰隊的幾個單位，包括第一和第三海軍遠征軍（MEFs），以及美國第三艦隊和陸軍特種作戰部隊（SOF），范圍從營級到MEF級（海軍陸戰隊第三師[3dMARDIV]，2019；第九通信營[9Com]，2019；第六海軍團第一營[1/6]，2020）。

美國海軍陸戰隊（USMC）正在進行組織和行動上的變革，以適應當今世界新的作戰要求。《美國海軍陸戰隊部隊設計2030》描述了新的概念，如遠征先進基地作戰（EABO），重點是偵察/反偵察和海上攔截。為了檢查和評估新的作戰概念、部隊結構、武器系統、戰術、技術和程序，以及其他對這些行動的調整，美國海軍陸戰隊需要能夠代表與這些預期變化相關的全部變化的模型和模擬。21世紀聯合武器分析工具（COMBATXXI）是由美國海軍陸戰隊和美國陸軍共同開發的戰斗模擬，用于支持建模和分析。在過去的20年里，COMBATXXI擁有研究這些新概念所需的許多基本能力，但目前在一些關鍵領域缺乏真實的表現，如研究海上攔截的新角色的關鍵方面所需的海上水面作戰人員。這種表現需要平臺的識別、瞄準和評估損害，從而確定其繼續執行作戰任務的能力。本研究的目的是檢查與EABO有關的新作戰概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關的建模方法。該研究描述了一種建模方法，該方法在COMBATXXI中的初步實施，以及對該模型在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。研究最后提出了后續工作的建議，以進一步改進或運用所開發的能力。

引言

A. 背景介紹

美海軍陸戰隊作戰發展司令部（MCCDC）作戰分析局（OAD）運行海軍陸戰隊研究系統（MCSS），該系統每季度向整個海軍陸戰隊征求研究提名。每年都有幾項研究需要用高分辨率的戰斗模擬進行建模。21世紀聯合武器分析工具（COMBATXXI）是一個高分辨率的分析性戰斗模擬，自1998年以來，由OAD和美國陸軍白沙導彈發射場研究和分析中心（TRAC-WSMR）共同開發。聯合武器模擬代表了從戰術層面上的單個實體（即車輛、飛機、步兵、艦艇、登陸艇等），直至加強營級單位的行動。

COMBATXXI提供了跨越多個領域的建模能力，包括兩棲作戰、聯合武器作戰和綜合防空。該模擬可用于進行詳細的傳感器到射手的分析，包括直接和間接射擊以及關鍵的指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察（C4ISR）的相互作用。對多領域作戰平臺的詳細分析和聯合武器作戰是COMBATXXI的主要功能。這種能力已經由OAD在兩棲戰車（ACV）備選方案分析（AoA）、殺傷人員地雷/集束彈藥（APL/CM）研究、有爭議環境中的兩棲攻擊研究、未來垂直升降能力集3 AoA、ACV中炮能力研究和先進偵察車（ARV）AoA中進行了展示。

目前，OAD正在支持2030年部隊設計（2020年海軍陸戰隊司令部）的幾個方面。帶有概念性戰術、技術和程序（TTPs）的新場景正在被用來進行各種分析。需要包含各種威脅和戰術情況的復雜行為。

海軍研究生院（NPS）建模、虛擬環境和模擬（MOVES）研究所擁有獨特的技術專長，以支持和擴展OAD對COMBATXXI的分析使用。多年來，MOVES開發了創新工具，極大地提高了分析人員使用COMBATXXI模擬的效率和效果。國家核安全局MOVES研究所的任務是通過開發和維護所需的功能，提供技術支持以進行OAD研究和分析技術培訓，提高OAD更充分地運用COMBATXXI的分析能力。MOVES支持OA開發、維護和增強工具和能力，如Behavior Studio、Workbench、Observer/Sensor工具、實體和單位行為，以及Monterey Extensions軟件包。OAD提供COMBATXXI模擬、現有行為、數據、測試方案和文件，作為政府提供的信息（GFI）供NPS使用。分配任務的場景和相關數據庫可以達到營級登陸隊（BLT）或海軍陸戰隊遠征部隊（MEF）的水平，并且可以包括所有海軍陸戰隊空地特遣部隊（MAGTF）的能力（例如，指揮部（CE）、地面戰斗部（GCE）、空中戰斗部（ACE）和后勤戰斗部（LCE））。

B. 范圍和目標

2030年部隊設計包括新的組織，如海上瀕海團（MLR）和新的作戰概念，如遠征先進基地作戰（EABO），重點是偵察/反偵察和海上攔截。本項工作的目的是研究與EABO有關的新概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關建模方法。該研究描述了一種建模方法，該方法在COMBATXXI中的初步實施，以及對該方法在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。

C. 問題陳述

美國海軍陸戰隊（USMC）正在進行組織和行動上的變革，以適應當今世界新的作戰要求。美國海軍陸戰隊部隊設計2030描述了新的概念，如遠征先進基地作戰（EABO），需要對部隊結構、任務和作戰能力進行審查。為了檢查和評估新的作戰概念、部隊結構、武器系統、戰術、技術和程序，以及其他適應這種行動的措施，美國海軍陸戰隊需要能夠代表與這些預期變化有關的全部變化的模型和模擬。在過去的20年里，COMBATXXI擁有許多研究這些新概念所需的基本表現，但在一些關鍵領域缺乏現實的表現，例如在研究海上攔截的新作用的關鍵方面所需的海上水面戰斗人員的表現。這種表述需要對這些平臺進行識別、瞄準和評估損害，以確定其繼續執行作戰任務的能力。需要開展工作，審查與EABO有關的新概念，并利用COMBATXXI模擬確定相關的建模方法。

D. 技術方法

為滿足這一需求，本研究對EABO概念進行了研究，并描述了一個能捕捉到這些概念的關鍵方面的名義情景。本研究審查了當前COMBATXXI的能力，以確定需要哪些額外的或修改的能力來解決新概念。該研究描述了一種建模方法（COMBATXXI需要的能力），在COMBATXXI中的初步實施，以及對該模型在支持與美國海軍陸戰隊新作戰概念相關的情景和研究方面的效用的初步評估。研究的結論是對后續工作的建議，以進一步改進或運用所開發的能力。

在贊助商的指導下，如果技術上可行，開發的新功能應在不修改現有Java代碼的情況下實施。NPS MOVES必須提前通知OAD研究主辦方并獲得批準，任何需要新代碼或修改COMBATXXI核心模型現有代碼的開發工作。這種通知使 OAD 有機會與 TRAC-WSMR 和 COMBATXXI 配置咨詢委員會協調潛在的代碼修改。

E. 本文件的組織

第一章是本研究的介紹，提供了關于工作基礎、研究范圍和目標、問題陳述和一般技術方法的背景信息。第二章概述了EABO，作為研究的概念基礎，并描述了一個名義上的情景，目的是確定必須達到的功能能力，以代表感興趣的操作條件，如海上攔截（如船舶代表，瞄準船舶能力，評估船舶能力的損害，并根據所受損害確定持續的任務有效性）。第三章展示了如何在COMBATXXI中實現表示概念場景所需的能力。第四章介紹了在COMBATXXI中執行概念情景的例子，并確定了研究變體的樣本，以檢驗新增能力的應用。第五章提出了研究結論和后續工作的建議。附錄A是報告中使用的術語和縮略語的詞匯表。附錄B提供了用于啟動COMBATXXI中的分層任務網絡（HTN）進程的python腳本清單，以執行概念情景中的實體行為。

美國海軍陸戰隊正在建設反水面作戰領域的能力，特別是在獲得地基反艦導彈（GBASM）及其相關發射平臺方面。研究為分析與這種新能力相關的部隊結構提供了一種方法。研究方法使用離散時間馬爾可夫模型對GBASM炮組和敵方水面艦艇之間的戰術級決斗進行建模。這些模型有足夠的復雜性來解決關鍵的部隊設計問題，并且對決斗的關鍵特征進行了參數化，以便進行強有力的敏感性分析。

在海軍導彈作戰中，重要的是確定所需的炮彈規模S，以使炮彈有足夠高的概率殺死敵艦。GBASM概念的獨特之處在于，與從水面艦艇上發射導彈相比，它能夠將這種炮彈分散到幾個平臺上，并以更適合特定戰術場景的方式進行發射。在這種情況下，如果有一個大小為K的禮花彈，并將該禮花彈分散到N個平臺上，那么每個平臺在特定的禮花彈中發射?枚導彈，這樣K × N = S。有了這個公式，就能夠分析平臺數量和每個平臺發射的導彈數量在這些配置的殺傷力和生存能力方面的權衡。這為成本-效益分析提供了基礎。

對GBASM炮臺與敵方水面艦艇發生接觸的情況進行模擬。從簡單的場景開始，然后逐漸復雜化。讓GBASM發射器與一艘敵方水面艦艇進行決斗。GBASM一方被稱為藍方，水面艦艇被稱為紅方。最初假定雙方都有足夠的導彈供應，并且交換的時間是有限的，因此可以把供應視為無限的。GBASM以彈丸為單位進行發射，每個彈丸至少包括一枚導彈。在藍方的炮擊之后，紅方的水面艦艇有機會進行還擊。

在所描述的環境中，假設藍方具有首發優勢。鑒于GBASM的引入在沿岸地區造成的不對稱情況，首發優勢的假設并不是不合理的。GBASM是移動的，有可能移動到難以探測的地方，只有在準備開火時才出來。GBASM的目標是保持不被紅方船只發現，直到它成功瞄準紅方船只。一旦紅方船只成為目標，GBASM系統就會開火并移動到一個新的位置。如果沒有關于GBASM移動的完美信息，紅方艦艇將持續處于不利地位。

此外，該模型捕捉到了紅方對藍方的炮擊進行防御措施的能力。這些防御性的反措施是用參數λ來說明的，這個參數是紅方根據泊松分布可以攔截的藍方導彈的平均數量。以這種方式對紅方采取反措施的能力進行建模，說明了隨著藍方導彈規模的增加，紅方采取反措施的能力也在減弱。同樣，也說明了紅方針對藍方分布式發射器的能力下降。紅方殺死藍方分布式平臺的能力用參數?表示，根據泊松分布，紅方在還擊中可以殺死藍方平臺的平均數量。這再次說明，隨著藍方平臺數量的增加，紅方瞄準和殺死藍方的效果有限。

在對該模型的分析中，遇到了幾個關鍵的發現。首先，最重要的是確定理想的炮擊規模S，以提供足夠高的殺死敵艦的概率。這不是一個簡單的 "越多越好 "的問題，因為炮擊規模有一個收益遞減點。正如人們所期望的那樣，還得出結論，增加平臺的數量K可以提高生存能力，從而提高GBASM炮臺的殺傷力。然而，改進的幅度對其他參數很敏感，當炮彈規模足夠大時，改進的幅度通常很小。

該研究的主要產出是創建的模型和對它們進行進一步分析的能力。本論文中任何地方使用的參數值都不是由具體的GBASM系統或潛在的敵方水面艦艇的能力來決定的。因此，結果應該被看作是對參數空間可能區域的探索的概括。這些模型提供了根據有關特定系統的能力進行具體分析的能力。

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。