美國導彈防御局（MDA）正在研制下一代攔截器（NGI），以支持國土防御彈道導彈。首批設備可能于 2027 年或 2028 年投入使用。

一架地基攔截器從加利福尼亞州范登堡空軍基地發射升空，進行2019年3月的測試。 資料來源：MDA

美國于 2004 年開始部署地基導彈防御系統（GMD）。該系統從來都不可行，也無意保護北美免受來自俄羅斯或中國的大規模彈道導彈攻擊。GMD系統的動力來自所謂的流氓國家，尤其是朝鮮和伊朗的中程彈道導彈（IRBM）、洲際彈道導彈（ICBM）和大規模殺傷性武器（WMD）計劃。

全球彈道導彈防御系統的設計目的是在來襲彈道彈頭的中段飛行階段對其進行有限數量的太空攔截。目前在阿拉斯加格里利堡和加利福尼亞范登堡空軍基地的地面導彈發射井中部署了約 44 枚地基攔截導彈（GBI）（2023 年 1 月開始對確切數字保密，44 枚是最后確認的數字）。攔截任務由海基、地基和天基傳感器網絡以及指揮和控制系統提供支持。

GBI 由三級固體燃料助推火箭組成，攜帶一個大氣層外殺傷飛行器（EKV）。與助推器分離后，EKV 利用地面支持和火控系統傳輸的制導數據以及自身的機載傳感器來識別目標。EKV 利用機載推進器接近目標，并通過動能沖擊摧毀目標--這種擊毀機制被稱為 "命中摧毀"。

目前正在實施一項 "服役壽命延長計劃"（SLEP），以確保現有的 GBI 武庫在 2030 年后仍能繼續使用。在目前部署的導彈中，有 11 枚正在配備升級的助推器、電子設備和殺傷載具。該計劃預計將于 2025 財年初完成。除了這些升級之外，自2017年以來，MDA還在原有44枚基礎上增購了16枚GBI。到 2023 年底，還將再交付一個。這些導彈將用于多種用途，包括攔截系統的額外飛行測試，以及替換無法使用的導彈。

位于紐約德拉姆堡的機載攔截通信系統（IFICS）數據終端在飛行過程中不斷向大氣層外殺傷飛行器（EKV）發送最新目標數據，并將 EKV 的數據轉發回 GMD 火控系統。 資料來源：MDA

下一代攔截器

目前的 GBI 武庫有幾個局限性。飛行測試記錄不佳。自 1999 年以來，該系統在 20 次攔截試驗中失敗了 9 次。據認為，目前的作戰概念要求對每枚來襲洲際彈道導彈發射兩到四枚導彈，以增加成功攔截的幾率。從長遠來看，由于 GBI 的設計無法應對多彈頭再入飛行器 (MRV)、誘餌彈頭、可機動有效載荷或電子對抗措施等攔截系統，因此可靠性問題被掩蓋了。2023 年 3 月，國防部作戰部主任米歇爾-阿特金森證實，新的敵對彈道導彈系統具有多彈頭和可機動再入飛行器，以及誘餌和干擾裝置。參與導彈防御開發的國防工業人士分別表示，威脅能力的復雜性和創新主要集中在機動性和反制措施以及飛行速度的改進上。

MDA選擇洛克希德·馬丁公司的團隊交付下一代攔截器

阿特金森在2023年3月14日的五角大樓新聞發布會上表示，NGI旨在應對這種不斷變化的威脅環境，并將針對來自朝鮮和潛在伊朗的預期威脅顯示出更強的性能。正如 MDA 主任喬恩-希爾海軍中將所描述的，"NGI 是自 2004 年初始系統運行以來，國防部對國土防御系統進行的首次全面技術評估的結果。[......]一旦投入使用，這種新型國土防御攔截器將有能力在 2030 年代及以后擊敗預期的威脅進展"。新的和計劃中的海基、陸基和空基傳感器以及改進的指揮、控制和通信系統將與 NGI 聯網，最大限度地提高攔截導彈的性能。

鑒于 NGI 尚處于早期開發階段，有關其設計、能力和作戰概念的細節要么仍屬機密，要么尚未確定。根據設計 NGI 所針對的威脅情況，有幾個因素是已知的或一般推定的。新的攔截器將與目前的 GBI 位于相同的導彈發射井內。NGI 將繼續利用命中摧毀機制在目標的大氣層外中段飛行階段將其摧毀。從一開始，MDA 就告知開發項目的競爭者，攔截導彈需要攜帶多殺傷有效載荷，以應對 MRV 或蜂群攻擊，并減少擊敗單一彈道導彈威脅所需的攔截器數量。攔截器的速度也需要比目前的全球彈道導彈更快，以應對速度更快的來襲目標，并為攔截任務提供更多時間。它可能需要包括紅外和雷達在內的多種傳感器類型，以提高分辨合法目標和誘餌的能力。

諾斯羅普-格魯曼公司的 NGI 攔截概念。 資料來源：諾斯羅普-格魯曼公司

NGI 必須具備足夠的靈活性，以便在其服役期內快速、持續地升級，以適應新出現的威脅；開放式系統硬件和軟件架構將是一個先決條件。目前，NGI 是否也可用于對付彈道導彈發射的高超音速滑翔飛行器仍是未知數。

NGI 開發合同

NGI 計劃于 2020 年 4 月正式啟動，并發出了招標書，目的是挑選兩家相互競爭的行業競爭者來開發攔截器概念和原型。2021 年 4 月 21 日，國防部將競爭性開發和演示合同授予諾斯羅普-格魯曼公司和洛克希德-馬丁公司。兩份合同總價值78億美元。合同內容包括快速開發和原型測試由多級助推器和命中摧毀有效載荷組成的新型攔截彈 "全開彈"（AUR）。每個競爭者都將開發并展示獨特的設計，包括助推器系統和多殺傷載荷解決方案。執行期將持續到 2029 年。"希爾上將在授予合同時說："通過計劃讓兩家供應商進行技術開發，MDA 將最大限度地利用競爭優勢，盡快交付最有效、最可靠的國土防御導彈。兩個被選中的工業團隊都宣布，他們將把項目總部設在導彈防御局所在地阿拉巴馬州的亨茨維爾，但關鍵的開發、建造和測試活動仍將在美國各地的現有設施中進行。

諾斯羅普-格魯曼公司與雷神導彈與防御公司合作，成為其主要合作伙伴。兩家公司計劃利用最近在其他武器系統上進行的開發工作，如諾斯羅普-格魯曼公司正在設計的未來 LGM-35A 哨兵（前身為地基戰略威懾）洲際彈道導彈，或雷神公司生產的 SM-3 Block IIA 攔截導彈。這兩種武器系統在基于傳感器的目標識別和目標精確度以及高作戰距離等方面都具有先進的能力。SM-3 Block IIA 的先進瞄準能力尤其引人關注。該武器系統最初是為應對洲際彈道導彈威脅而設計的，于 2020 年 11 月成功摧毀了一個洲際彈道導彈級目標。

雷神公司負責NGI的副項目經理梅利莎-莫里森-埃利斯（Melissa Morrison Ellis）說，這些高性能尖端系統中的個別技術可用于NGI，或作為新組件設計的基礎。"諾斯羅普-格魯曼公司（Northrop Grumman）的 NGI 項目主管 Terry Feehan 說："MDA 告訴工業界[要帶來]'經過技術驗證的、可以集成并發揮作用的能力'。在這種情況下，雷神公司將進一步改進其攔截器傳感器，以提高在雜亂環境（誘餌和碎片）中隔離多個目標的能力，并將目標正確劃分為優先目標或無害目標。雷神公司生產目前部署的 EKV，也將負責為 NGI 開發新一代殺傷載具。

洛克希德-馬丁公司正在與 Aerojet Rocketdyne 公司合作，后者將提供推進解決方案；Rocketdyne 公司目前的開發和生產組合包括各種太空助推器以及 Delta IV 和 Atlas V 火箭的推進系統。洛克希德-馬丁公司表示，他們正在利用之前在多目標殺傷飛行器技術上的投資、在末端高空防空系統（THAAD）上的命中摧毀經驗以及數十年來在美國海軍三叉戟導彈項目上的工作經驗。該公司還承諾，與 GBI 相比，將提高可維護性和可靠性。

早期進展

在初步設計階段，兩個團隊都依靠數字工程和基于模型的工程工具，包括對各個設計方案進行虛擬性能測試，以驗證它們是否能擊敗五角大樓提供的威脅參數。MDA 可以完全訪問這些公司的數字環境，以確保透明度，并為政府提供在任何階段發表意見或進行干預的機會。2021 年底，國防部提前批準了兩個團隊的系統需求評審 (SRR)。這一早期計劃里程碑證明供應商已準備好進行初步系統設計。在這種情況下，兩家承包商都必須證明各自的關鍵技術達到了技術就緒水平（TRL）5 級或更高。TRL 5 確認技術已在實驗室或相關環境中進行過測試，但硬件不一定是集成到最終產品中的形式和適用性。通過 SRR 后，兩個團隊都可以進入初始系統設計階段。目前，兩家承包商都在集中精力使技術成熟，測試部件的生存能力，確定子系統層面的要求，并開發攔截器軟件。

諾斯羅普-格魯門公司/雷神公司 NGI 計劃數字軟件工廠指揮中心。 資料來源：諾斯羅普-格魯曼公司

諾斯羅普-格魯曼公司

諾斯羅普-格魯曼公司承諾利用先進的制造技術和數字協作環境，"以快速、靈活的方式進行設計、生產和測試"。為此，諾斯羅普和雷神公司為 NGI 計劃聯合開發了一個 "數字軟件工廠"。據諾斯羅普-格魯曼公司稱，該設計中心配備了一套工具、流程工作流、腳本和環境，旨在簡化和協調代碼開發和集成，盡量減少人工干預，從而加快關鍵決策的制定。該設施于 2021 年 12 月獲得政府批準。

該公司表示，打算首先對系統中風險最大的部分進行原型設計和小規模制造，以便盡早降低最可能出現的風險，為全面生產鋪平道路。在可能的情況下，增材制造（又稱三維打印）被用于部件的快速原型制造，以加快各種可能的部件和子部件設計的測試和比較。據諾斯羅普-格魯曼公司報告，到 2023 年初，該公司已提前制造并測試了幾個 NGI 關鍵部件的原型。其中包括推進系統部件，如 2022 年 6 月首次制造的 NGI 固體火箭發動機的整體喉口。2022 年 12 月，該公司報告完成了固體火箭發動機推進劑的首次全面混合，這將是諾斯羅普 NGI 火箭發動機原型機地面測試所需的推進劑。雷神公司于 2021 年 12 月完成了為新型殺傷飛行器設計的液體推進劑轉向和姿態控制系統（DACS）上推進器閥門和噴嘴的早期工程測試，實際設計由作為分包商的 Aerojet Rocketdyne 公司完成。

2022 年 6 月，諾斯羅普-格魯曼公司開始為 NGI 計劃生產發動機部件。制造這些特定部件需要專門的纖維編織能力，如圖所示。 資料來源：諾斯羅普-格魯曼公司

洛克希德-馬丁公司

洛克希德-馬丁公司正在亨茨維爾建造一個 2400 平方米的導彈系統集成實驗室，專門用于開發 NGI。這個耗資 1650 萬美元的集成實驗室將與公司的工程團隊合用同一地點。該設施計劃于 2023 年底投入使用。據該公司稱，它將用于早期開發和集成工作、AUR和通信系統測試以及地面測試，使該公司能夠在實際飛行測試之前徹底審查概念。

洛克希德-馬丁公司表示，該公司計劃利用數據作為戰略資產，為作戰系統提供支持。每架攔截機都將保留所謂的 "數字雙胞胎"（Digital Twin）。其目標是維護每一輪攔截彈獨有的關鍵數據，幫助公司建立性能模型和評估準備狀態。在這種情況下，洛克希德公司還依賴于 "數字工廠"，不過這里的 "數字工廠 "指的是由軟件開發工具、腳本和流程工作流組成的框架。該流程旨在通過持續的自動化軟件測試最大限度地提高可靠性。利用這些流程，該公司于 2022 年 10 月推出了首個 NGI 飛行軟件包，比原計劃提前了一個月。

2022 年 8 月，該公司還展示了 NGI 通信無線電技術原型。該通信系統是與總部位于得克薩斯州的 X-Microwave 公司合作開發的，可與地面控制裝置進行雙向高速飛行數據交換，使攔截器能夠對作戰環境的變化做出快速反應。早期的原型測試驗證了通信套件在攔截任務中遇到的所謂惡劣和敵對環境下的運行能力。

NGI 攔截彈的特寫概念圖。 資料來源：洛克希德-馬丁公司

關鍵設計評審及以后

初步設計審查 (PDR) 計劃于 2023 財政年度末進行。為了降低開發計劃中的風險并促進設計穩定性，MDA 將要求兩家承包商展示 TRL 6 或更高的所有關鍵技術，以通過這一里程碑。

關鍵設計評審（CDR）目前定于 2025 年進行。雖然兩家公司都樂觀地表示，提前完成計劃里程碑的趨勢可能會持續到 CDR，但審查的確切時間將取決于進展情況。CDR 之后，每個供應商都將提交一份生產試驗導彈和 20 枚作戰導彈的提案。飛行測試將在 2025-2026 年期間進行。

關于飛行試驗，MDA 2023 年預算文件預計每個供應商將提出一個試驗攔截器。然而，希爾上將一直主張在做出生產決定之前，每個設計至少要進行兩次攔截試驗，他將這一政策稱為 "先飛后買"。希爾在 2022 年 5 月于華盛頓舉行的戰略與國際研究中心（CSIS）論壇上明確表示，目前的測試計劃是先使用單個 NGI 原型機進行攔截，隨后再同時發射兩枚攔截彈。

除飛行測試外，該計劃在向下選擇單一供應商方面仍有相當大的靈活性和不確定性。只有通過 "關鍵設計評審 "才能保證為兩個 NGI 工業團隊提供正式資金。然而，五角大樓領導層始終認為，他們希望在政府何時（甚至是否）對單一供應商做出承諾方面保留最大的靈活性。雖然最終落選仍是可能的結果，但盡可能推遲決定的時間為 MDA 提供了更大的靈活性，并增強了實現最高性能系統的前景。

以發射井為基礎的 NGI 攔截器假想剖面圖。 資料來源：諾斯羅普-格魯曼公司

在 CSIS 論壇上，希爾上將強調，雙生產線以及保留第二條可選生產線的情況并不少見。"因此，我們現在有兩個真正合格的承包商，可以選擇雙生產線。他說，"因此，如果其中一個承包商表現不佳或我們發現了問題，我們可以降級，但仍有一個承包商可以繼續生產。MDA 主任表示，關于降級選擇或雙供應商戰略的最終決定將 "以現實威脅為導向"，并將受到作戰指揮官意見的影響。可能促使五角大樓向兩家公司提供生產合同的一個因素是，五角大樓認為有必要加快新武器系統的生產速度，以應對迅速升級的威脅環境。

生產和實戰

據五角大樓獨立的成本評估和計劃評價（CAPE）辦公室 2021 年的估算，NGI 開發計劃的總成本將達到 131 億美元，其中包括生產 10 枚試驗導彈。據估計，采購首批 21 枚實用攔截器還需要 23 億美元。據 CAPE 稱，這 21 枚攔截彈在其服役期內的運行和維護費用可能會再增加 22 億美元。除去開發成本，每臺攔截器的單價約為 1.1 億美元。

在經過十年中期測試期后，首批投入使用的攔截器原定于 2028 年投入使用。鑒于目前的研發進度，五角大樓認為 NGI 的投入使用時間有可能提前一年。"現在，兩者的表現都非常好，他們預計，我們的團隊也認為，我們正在向2027年邁進，"希爾上將于2022年5月在國會作證時說。"這意味著飛行測試將提前。這意味著地面測試將提前。這意味著我們在推進攔截器數量和能力升級的過程中，能夠更好地了解我們所處的位置"。MDA承認這一愿望是雄心勃勃的，并明確表示，在做出任何采購決定之前，它將確保運行的成熟性。

首批部隊將部署在 2022 年在格里利堡建成的新導彈發射場。該區域被命名為 4 號導彈發射場，有 20 個發射井，目前正在配備支持和控制基礎設施。4 號導彈發射場將使 GMD 的攔截能力擴大到 64 個攔截器，這是美國國會于 2017 年批準的最終狀態。在最初幾年，NGI 和 GBI 將并肩作戰。五角大樓最終是完全淘汰 GBI，用更多的 NGI 取代現有庫存，還是盡可能長時間地保留 GBI 部隊，仍有待確定。雖然美國國會正式要求國防部提交一份至少采購 64 艘 NGI 的籌資計劃，以優化未來 GMD 的作戰能力，但拜登政府迄今一直反對這項任務，理由是成本問題，并否認擴大 NGI 庫存的戰略必要性。

戰略導彈防御或反彈道導彈（ABM）系統被認為是拒止威懾資產。關于這些系統是穩定還是破壞了核大國之間的力量平衡的問題辯論仍未解決。這項工作以北約的導彈防御工作為重點，以東西方關系為例回顧了這種影響。這分兩部分進行。第一部分是歷史部分，根據戰略武器庫、危機事件和與導彈防御發展有關的軍備控制會談，回顧了冷戰期間的東西方關系。第二部分回顧了2000年以來的發展，再次使用戰略武器庫、危機事件、軍備控制會談以及北約和俄羅斯聯邦的導彈防御比較。歷史分析和現狀分析都沒有顯示出反彈道導彈系統具有明顯的導致升級的特點。特別是在歷史上，反彈道導彈系統似乎有穩定的作用。然而，導彈防御的每一次發展都創造了這樣一幅圖景：對手的技術優勢可能超過進攻能力，使一個國家的進攻能力下降。目前的情況詳細表明，這樣的未來從未形成，而且在可預見的未來可能也不會形成。它顯示了防御者對核攻擊的劣勢將是多么巨大。攔截器的位置有物理限制，以便能夠成功攔截導彈。更重要的是，一次攔截的成本大大高于一枚攻擊導彈的成本。這些限制使得針對俄羅斯重大導彈攻擊的導彈防御的發展和部署幾乎不可能。與此相反，俄羅斯在宣傳導彈防御時，主要是想把北約描繪成一個侵略者，試圖削弱俄羅斯的合法核防御能力。這種說法是完全錯誤的。 俄羅斯不是北約導彈防御努力的主要目標，而且只是在非常有限的程度上受到這些系統的影響。目前的導彈防御系統在兩個層面上為穩定做出貢獻。首先，通過拒絕對沒有能力克服防御的無賴政權的威懾。其次，通過創造阻止意外發射的能力。因此，導彈防御不應受到限制性軍控條約的約束。

關鍵詞：導彈防御，威懾，拒止威懾，北約，俄羅斯聯邦，國際關系，軍備控制

在過去的二十年里，無人駕駛飛機系統（UASs）在戰爭中發揮了重要作用，包括用于反恐行動。但是，關于它們在競爭和國家間戰爭中的效用，包括美國和中國這樣的大國之間的辯論越來越多。對一些人來說，無人機系統正在創造一場 "軍事事務的革命"，它將從根本上重塑軍事理論、組織、部隊結構、行動和戰術。然而，對其他人來說，無人機系統的有效性被夸大了，而且無人機系統在高度競爭的環境中可能效用有限。

為了更好地了解無人機系統的效用，本報告提出了兩個問題。首先，無人機系統在現代戰爭中，特別是在國家間戰爭中是如何被利用的？第二，無人機系統在戰爭和競爭中的未來影響是什么？為了回答這些問題，本分析采用了一種比較案例研究的方法。它研究了兩個案例--2020年的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭和2022年的烏克蘭戰爭，以更好地了解無人機系統在戰爭中的使用情況。它還研究了2021年的 "北緣-21 "演習，該演習對無人機系統在印太地區的競爭和戰爭中的應用進行了有益的研究。

基于分析，本報告得出了幾個結論。

首先，無人機系統已經越來越多地被納入到聯合軍備戰中，這與過去20年來在追蹤和瞄準恐怖主義網絡方面的使用有明顯的轉變。例如，阿塞拜疆有效地利用無人機系統作為聯合武器的一部分--包括固定翼飛機、直升機、游蕩彈藥、制導導彈和火炮--來扭轉亞美尼亞三十年來對納戈爾諾-卡拉巴赫大片地區的控制。在烏克蘭，俄羅斯和烏克蘭都將無人機系統作為聯合軍備戰的一部分，在俄羅斯2022年2月的入侵后開展攻防行動。前線經常被UASs所飽和，事實證明，在烏克蘭有爭議的環境中，UASs對提高戰場意識特別有價值，而不會有生命損失的風險。在《北方邊緣21》中，無人機系統--包括MQ-9 "幽靈死神"--被整合到印太地區的聯合武器行動中，包括遠程火力、F-35A "閃電II"、衛星、F-15C "雄鷹"、F-15E "攻擊鷹 "以及其他平臺和系統來收集情報和進行打擊。

如圖S.1所示，無人機系統將可能被整合到一個更廣泛的戰場網絡中，包括第五代戰斗機，如F-35s和F-22s；空中加油機，如KC-135s；遠程轟炸機，如B-21s；巡洋艦和驅逐艦；衛星；航母打擊群；陸基遠征推進基地；指揮和控制中心；遠程火力；以及其他平臺和系統。

第二，無人機系統在未來可能對廣泛的競爭和戰爭都有重大用途。涉及美國、中國、俄羅斯和其他國家的安全競爭將可能是全球性的，并涵蓋亞洲、歐洲、非洲、拉丁美洲和大型水體的陸地、空中、海洋、網絡和空間領域的巨大范圍。在這種情況下，擁有能夠在廣闊的地理區域收集情報、必要時打擊目標并在有爭議的環境中運作的平臺和系統將非常重要。在未來，無人機系統可能會在執行幾種類型的任務中發揮關鍵作用，作為聯合武器戰爭的一部分，包括

• 領域感知和早期預警。
• 戰場感知。
• 對峙攻擊的目標選擇。
• 攻擊。
• 電子戰；以及
• 信息戰。

總之，無人機系統可能會在與中國和俄羅斯等國家的競爭和戰爭中發揮重要作用--這與它們早期用于反恐行動有明顯的變化。無人機系統可能特別有用，因為它們能夠進行遠征作戰，具有更遠的距離和持久性。此外，政府通常認為無人機系統比駕駛飛機的升級性要低。執行一系列廣泛的任務將需要一套在射程、有效載荷、成本和能力方面各不相同的無人機系統和徘徊彈藥。為了應對國家和非國家行為者對無人機系統越來越多的使用，也將越來越需要采用反無人機系統的戰術、技術、程序和能力。

雖然無人機系統的技術已經發展，但最重要的變化是無人機系統如何被用作聯合武器戰爭的一部分，以及這對未來的啟示。威廉-莎士比亞在《暴風雨》中寫道："過去的事情就是序幕"。最近在烏克蘭納戈爾諾-卡拉巴赫的事件以及在印度-太平洋地區的演習為未來在聯合武器行動中越來越多地使用無人機系統提供了一個有預見性的序幕。

圖S.1: 無人機系統和作戰網絡

本報告的其余部分分為以下幾章。第2章對無人機系統在競爭中的作用進行了評估。第3章研究了納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中的無人機系統。第4章分析了俄羅斯和烏克蘭在2022年的烏克蘭戰爭中對UAS的使用。第5章探討了NE21的教訓。第6章對無人機系統在戰爭和競爭中的未來作用提出了政策含義。最后，附錄1、2和3提供了案例研究中強調的阿塞拜疆、烏克蘭和俄羅斯分別使用的無人機系統的概述--包括諸如類型、描述、范圍、續航時間、原產國和制造商等信息。

防御高超音速導彈在戰略上是必要的，在技術上是可行的，在財政上也是負擔得起的，但這并不容易。它的實現將需要不同于傳統彈道和巡航導彈防御任務所采用的方法和新的思維方式。高超聲速武器將彈道導彈的速度和射程與巡航導彈的低空和機動飛行輪廓相結合。雖然傳統防御可以單獨應對這些挑戰，但它們的組合將需要新的能力、作戰概念和防御設計。高超聲速導彈具有吸引力的相同特征也可能是擊敗它們的關鍵。與其將高超聲速防御視為傳統彈道導彈防御問題的附屬品，不如將其理解為一種復雜的防空形式。

幾十年前，美國向世界表明了其部署彈道導彈防御系統的意圖，特別注重攔截大氣層外可預測的目標。從那時起，導彈的威脅范圍已經擴大，變得更加大氣內和更靈活。在21世紀初，俄羅斯和中國開發了各種無人機系統、先進的巡航導彈、高超音速滑翔武器和日益復雜的彈道導彈。這些武器的特點減少了防御系統的覆蓋范圍，迫使防御者一次看多個方向，并需要更靈活的攔截器。

自2018年以來，俄羅斯已經測試了至少四種新的高超音速或高速武器，將其遠程Avangard高超音速滑翔飛行器和Kinzhal空射彈道導彈投入使用。與此同時，中國已經測試或部署了幾種類型的高超音速武器，并在培養高超聲速專業工程師、發表公開科學論文和建造高超聲速風洞方面超過了美國。俄羅斯等大國對先進導彈能力的投資是2021年3月發布的《臨時國家安全戰略指南》所稱的“旨在遏制美國實力并阻止我們捍衛我們在世界各地的利益和盟友的努力”的一部分。

高超聲速防御對于破壞這些努力、保衛美國領土、保護前方部署的部隊及其支持的防御態勢是必要的。有效的威懾既要利用懲罰的威脅，又要利用阻止攻擊的可靠能力。主動和被動防御措施的混合將提高攻擊的門檻，增加對手決策計算的不確定性，并增加對手的發展成本。有效的防御能力為采取其他軍事、外交和經濟應對措施贏得時間，以承受和減輕與危機中攻擊導彈發射裝置有關的政策和行動挑戰。高超音速防御系統的發展不需要也不應該在真空中進行，也不應該作為一個新的獨立的煙囪。高超聲速防御可以利用正在進行的彈道和巡航導彈防御和高超聲速打擊投資，所有這些都利用了類似的工業基礎，并利用了類似的傳感器和網絡。

拜登政府高級官員肯定了高超音速防御的重要性。在他成為國防部長的確認過程中，勞埃德·奧斯汀表示，他將“鼓勵努力解決各種導彈威脅，包括……高超音速導彈防御攔截能力的加速發展。”副國務卿凱瑟琳·希克斯同樣承諾將重點關注必要的傳感器能力:“如果得到證實，我將評估正在進行的改善國家導彈防御的努力，特別關注提高識別能力和探測彈道導彈和高超音速導彈的傳感器。”

高超聲速導彈的特性可能看起來很新穎，但它們實際上是導彈戰新時代的先兆。新型彈道導彈的飛行軌跡更低、形狀更重。新型巡航導彈保持更高的速度，而且越來越難以被發現。未來的威脅將包括導彈-無人機組合、航天飛機、飛行導彈和其他難以簡單分類的混合導彈。因此，高超音速導彈并不代表一個精品問題。它們是導彈威脅的更廣泛演變的例證——這需要對更廣泛的導彈防御模式進行變革。

2019年《導彈防御評估報告》指出，“不應低估恢復常規和導彈防御優勢所需變化的規模和緊迫性。”這里所要求的規模和緊迫性幾乎涉及導彈防御的每一個方面:傳感器、攔截器、防御設計、理論和政策。復雜的空中和導彈防御系統的問題與某些仍在出現的未來威脅無關。目前，與已經部署并準備使用的高超音速武器以及其他即將問世的武器進行競爭是當務之急。美國國防官員長期以來一直表示，有必要將名為彈道導彈防御系統(Ballistic Missile defense System)的主要國防采建項目轉變為導彈防御系統(Missile defense System)，以應對不再由彈道導彈定義的威脅范圍。現在是這樣做的時候了。

關鍵研究發現

• 部署高超聲速防御將需要綜合的、分層的、系統的方法、新的傳感和攔截能力、不同的作戰概念、教義和組織變化，以及修改的政策預期。

• 高超音速飛行的定義是大氣飛行。因此，高超聲速防御可能被更好地理解為一種復雜的防空形式，而不是彈道導彈防御的附屬品。

• 高超音速導彈威脅應該是重新考慮導彈防御和擊敗的方法，以及從彈道導彈防御系統中出現導彈防御系統的關鍵驅動因素。這樣做將有利于防御其他非彈道威脅的發展，包括亞音速和超音速巡航導彈、游蕩彈藥和其他新型投送系統。

• 高超聲速防御最重要的項目元素是彈性和持久的空間傳感器層，能夠觀察、分類和跟蹤所有類型、方位角和彈道的導彈威脅。

• 第二重要的項目元素是滑翔相位攔截器。到目前為止，高超聲速國防投資一直不多，只有一小部分用于高超聲速打擊。按照目前的速度，滑翔相攔截彈可能要到21世紀30年代才能部署，但這一時間表可能會加快。

• 即使沒有空間傳感器層和滑翔相位攔截器，防御設計也可以使用現有的傳感器和替代效應器，以限制高超聲速導彈的機動預算，引導威脅，并以有利于防御方的方式施加其他成本。

• 高超聲速武器具有吸引力的相同特征為防御者提供了新的失敗模式。一種綜合的方法可能受益于用區域范圍效應器補充命中殺傷攔截，包括高功率微波系統、21世紀版本的高射炮和其他針對高超聲速飛行體制漏洞的手段。

• 美國不會與無限的資源競爭。積極防御高超聲速導彈可能瞄準的每一個關鍵資產甚至廣闊區域是不可能的。這一簡單的現實要求政策和戰略預期與優先防御和更有限的防御資產清單相一致。應優先考慮區域和部隊保護任務，以及在本土的少量關鍵資產。

• 目前的教義和組織結構妨礙信息共享、交流和決策。這些需要適應，以支持跨多個領域、命令和責任領域的反高超聲速行動。

• 高超聲速防御工作要求美國通過維持可預測的預算、深化與盟友的合作、投資消除工業瓶頸領域、改進測試和建模基礎設施以及持續持續的努力，重新獲得相關的科學和工業領先地位。

• 防御高超聲速導彈全方位威脅的挑戰不可能由單一的銀彈解決方案解決。針對高超聲速飛行關鍵弱點的大量努力可以使高超聲速防御成為一個更容易處理的問題。

潛在對手的火炮系統的改進對美國軍隊特別是陸軍提出了挑戰。除了改進的火炮系統能力和新的使用技術的挑戰外，特殊彈藥的擴散--如精確、熱障和頂部攻擊彈藥--重新引起了對敵人的大炮和火箭炮對美國作戰行動和地面作戰系統的潛在影響的關注。

為了應對這一挑戰，美國陸軍正在尋求通過升級目前的火炮和導彈系統，開發新的長程火炮和高超音速武器，以及改造現有的空射和海射導彈和巡航導彈以便陸軍部隊進行地面發射來提高其所謂的遠程精確射擊（LRPF）能力。

2018年美國防戰略和陸軍的多域作戰概念都要求提高陸軍LRPF能力，以應對被稱為俄羅斯和中國的反介入、區域拒止（A2/AD）戰略，旨在限制美國軍隊在歐洲和太平洋地區的行動自由。

美陸軍有五個主要項目或工作正在進行或考慮中，以提高遠程精確射擊能力：

• 增程加農炮計劃（ERCA）計劃開發一種能夠對70多公里外的目標進行精確射擊的系統，比目前系統的30公里目標距離有所改進。

• 精確打擊導彈（PrSM）是一種地對地、全天候、精確打擊的導彈，由M270A1多管火箭系統（MLRS）和M142高機動性炮兵火箭系統（HIMARS）發射。PrSM旨在取代目前的MLRS和HIMARS導彈，并將目前的射速提高一倍，每個發射艙有兩枚導彈。

• 美陸軍正在研究開發一種戰略遠程炮（SLRC）的可行性，這種炮可以以高超音速發射，射程可達1000英里，以打擊防空、火炮和導彈系統以及指揮和控制目標。

• 美陸軍、海軍、空軍和導彈防御局（MDA）正在開發通用高超音速滑翔體（C-HGB），陸軍計劃將其作為遠程高超音速武器（LRHW）計劃的一部分，使C-HGB能夠從移動的陸軍地面導彈發射器發射。

• 最后，美陸軍正試圖改造現有的海軍SM-6和UGM-109對地攻擊導彈，以便為陸軍提供一種中程導彈能力。

鑒于潛在的資源限制和陸軍對LRPF的重視，國會在其監督、授權和撥款方面可能會進一步研究陸軍的LRPF計劃。國會潛在的問題包括

• 戰略大炮、高超音速導彈和中程戰場導彈的理由。

• LRPF的估計總成本。

• LRPF和美國印太司令部的太平洋威懾倡議（PDI）投資計劃。

• 部隊結構要求。

• 后備役部隊的LRPF。

• 其他軍種對陸軍遠程防衛部隊的看法；以及

• 指揮、控制和瞄準遠程火力。

背景

作為美國過去向烏克蘭轉讓武器和設備的一部分，提供的唯一專用防空系統是FIM-92 "毒刺"便攜式、一次性、短程防空系統。拜登政府已宣布計劃向烏克蘭提供國家先進地對空導彈系統（NASAMS），以保護其免受某些俄羅斯空中威脅。NASAMS不僅增加了可以對付空中威脅的范圍，而且還增加了可以探測和跟蹤空中威脅的范圍。NASAMS是一個可重新裝載的系統，并提供了攻擊多個目標的能力，而 "毒刺 "只能攻擊一個目標。

什么是國家先進地對空導彈系統（NASAMS）？

國家先進地對空導彈系統（NASAMS）（圖1）是由雷神公司（美國）和康斯伯格防務與航天公司（挪威）共同設計和開發的中程防空系統。

軍方可以部署NASAMS來識別、打擊和摧毀固定翼和旋轉翼飛機、巡航導彈和無人駕駛飛行器（UAV）。它旨在保護高價值資產和人口中心免受空對地的威脅。根據導彈防御宣傳聯盟，一個無黨派、非盈利的導彈防御教育組織：

• NASAMS在1994年達到作戰能力，首先由挪威皇家空軍部署。該系統可以在主動和被動模式下同時對付72個目標，并且使用主動尋的導彈，可以攔截視覺范圍以外的目標。NASAMS配備了三個發射器，每個發射器最多攜帶六枚導彈。

NASAMS由三個主要部分組成：AN/MPQ-64哨兵雷達、AIM-120先進中程空對空導彈（AMRAAM）和火力分配中心（FDC）。

AN/MPQ-64 哨兵雷達

據美國陸軍稱，"哨兵"雷達（圖2）可以探測無人機、巡航導彈以及固定翼和旋翼飛機。它的特點是一個X波段的360度相控陣防空雷達，具有75公里（約47英里）的范圍來識別目標。哨兵配備了電子對抗措施（ECCM）系統，包括兩個子系統--識別敵友（IFF）子系統，用于正面識別友軍飛機；非合作目標識別能力子系統，用于識別敵機。哨兵被安裝在拖車上，由高機動性多用途輪式車輛（HMMWV）或M1082系列中型戰術車輛卡車牽引。美國已經向烏克蘭提供了一些哨兵雷達和戰術車輛，因此烏克蘭部隊應該熟悉這些系統。

AIM-120 先進中程空對空導彈（AMRAAM）

據雷神公司稱，AMRAAM（圖3）是一種雙用途導彈，在空對空和地面/水面發射交戰中具有作戰靈活性。在空對空模式下，AMRAAM先進的主動制導傳感器和尋的器使其能夠在具有挑戰性的環境中迅速找到目標。在水面發射模式下，NASAMS允許各國在任何一個角色中使用相同的導彈，而無需進行修改。據報道，NASAMS使用的AMRAAM的射程為40公里（約25英里），更遠的導彈目前正在開發中。AMRAAMs受到國防部（DOD）的強化最終用途監測（EEUM），該監測用于核實美國轉讓給外國接受者的國防物品是根據轉讓協議采購的，并且只用于其預期目的。

Kongsberg 火力分配中心 (FDC)

據康斯伯格公司稱，其FDC（圖4）是一種經過驗證和實戰的防空和地對地導彈（SSM）指揮和控制模塊。康斯伯格聲稱其FDC與國家、歐盟和北約的部隊完全具有互操作性。

NASAMS的使用

據雷神公司稱，NASAMS為12個國家所擁有，自2005年以來已被納入美國國家首都地區的防空系統。除美國外，挪威、芬蘭、西班牙、荷蘭、阿曼、立陶宛、印度尼西亞、澳大利亞、卡塔爾、匈牙利和一個未披露的國家也采用NASAMS進行國土防御和其他關鍵資產的防御。據康斯伯格公司稱，NASAMS的雷達和發射器元件可以部署在距離FDC超過20公里（約12.5英里）的大范圍內，提供擴展區域覆蓋。另一個好處是，分散NASAMS元件可以潛在地提高對敵人空中和地面攻擊的生存能力。

NASAMS提供給烏克蘭

2022年7月1日，美國防部宣布它將通過國防部的烏克蘭安全援助倡議（USAI）向烏克蘭提供兩個NASAMS炮組。根據USAI提供的國防項目需要在轉讓前至少15天通知國會，除非國防部長確定存在影響美國國家安全的特殊情況。2022年8月24日，拜登政府宣布它將通過USAI向烏克蘭提供總共8個NASAMS炮組。2022年8月26日，美國陸軍授予雷神導彈與防御公司一份1.82億美元的合同，用于交付兩個NASAMS炮組，包括向烏克蘭部隊提供培訓和后勤支持。2022年9月27日，路透社報道說，盡管早些時候有報道說烏克蘭已經收到NASAMS，但美國在另外兩個月（2022年11月底至12月初）不會開始向烏克蘭交付NASAMS。根據2022年10月5日Politico的一篇文章，"這些武器可能需要時間才能到達。西方國家不愿意放棄自己的先進導彈防御能力。此外，承包、建造和培訓工作人員如何操作它們需要數年時間。"

國會可能面臨的監管問題

在國會繼續監測烏克蘭沖突并考慮為烏克蘭提供更多軍事援助時，一些潛在的監督問題包括以下內容。

• 俄羅斯對烏克蘭城市、軍事和民用設施以及軍事單位的空襲采用了無人機、巡航導彈、固定翼和旋轉翼飛機，以及各種彈道導彈。雖然美國政府或開發商沒有明確說明，但NASAMS是否具有探測、攔截和摧毀彈道導彈的能力？如果沒有，美國和/或北約國家是否有計劃為烏克蘭提供彈道導彈防御能力或系統？

• 向烏克蘭提供所有八個NASAMS炮組并培訓操作人員和維護人員需要多長時間？

• 鑒于俄羅斯對烏克蘭的空中和導彈攻擊的增加，美國承諾的八個NASAMS炮組是否足以捍衛烏克蘭的利益？如果不是，需要多少個NASAMS炮組？美國是否有能力提供這些系統而不對美國國家安全造成不必要的風險？

• NASAMS是否與烏克蘭正在使用或提供給烏克蘭的其他非北約/歐盟的空中和導彈防御系統完全互通？如果不是，這是否會導致可能被俄羅斯人利用的保護漏洞？

• 拜登政府是否有一個關于NASAMS的長期維持計劃？是否有關于維持的費用的估計？政府計劃使用什么機構來進行NASAMS的長期維持？

基于蘭徹斯特方程的戰斗模型描述了一支同質的藍軍對一支紅軍的戰斗。然而，在現實中，沖突涉及在多個領域運作的多個陣營。我們提供了一個兩方（藍方和紅方）各自可能有盟友（綠方等）的一般損耗模型。另外，如今的沖突不僅發生在物理領域，也發生在由新興技術創造的領域。例如，網絡戰略也包括在內，反映了當今多域作戰的復雜性。我們的模型是概率性的，即損耗率服從密度分布，并且是基于流行病模型的。它得出的指標包括沖突的持續時間和傷亡人數。因此，我們比較了兩種情況：a）藍軍對紅軍；b）藍軍和綠軍對紅軍。通過對參數空間的數據耕作（MSG-186）分析，我們確定了每一方的成功機會以及贏得沖突的條件。這使我們對涉及多因素的現代戰爭有了深入的了解，也許還能估計出多域作戰的可能結果。

摘要

在過去的幾十年里，美國海軍庫存中只保留了少許類型的海上水雷，且戰術理論研究停滯不前，而主要優先考慮反雷能力。本論文通過一個現代的視角來審視水雷戰（MIW），使用建模和仿真（M&S）來捕捉圍繞水雷戰環境的更廣泛的因素，除了水雷的性能特點和使用參數外，還包括根據最新的任務成功標準來衡量敵方的反應概率。本論文探討了三種通用的非保密實驗方案，得出了對水雷成功影響最大的因素的廣泛結論，并為未來探索具體水雷用例的演習奠定了基礎，以便為下一代水雷及其使用提供信息。分析表明，在影響敵方行為結果方面，空中投送策略通常優于水面、潛艇或無人水下航行器（UUV）投送。請注意，UUV的投放與較低的水雷總量有關，其影響可以通過UUV的移動速度和單個水雷的探測和交戰概率來減輕。

執行摘要

有許多歷史實例證明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍在反水雷（MCM）領域的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，目前用于進攻性水雷能力的支出與這些防御性工作的投資相比相形見絀。進攻性水雷理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點又有了新的興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是當它涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。

該項目尋求更好地了解在不同的水雷作戰框架內可以利用的關鍵性能驅動因素，以最大限度地提高雷場的有效性。在傳統的進攻性水雷有效性措施（MOE）的基礎上，增加了愛德華茲（2019年）定義的四個以任務為中心的MOE，即轉向、阻斷、固定和破壞，定義了一種新的進攻性水雷思維，稱為進攻性拒止水雷（ODM）。ODM可以與現代戰爭的殺傷鏈相結合，對不需要的海上交通提供戰略威懾，在這樣做的同時也被動地釋放了海軍的關鍵資源，否則將支持戰略目標。這個項目的重點是使用概率行為模擬對ODM進行定義、建模和分析，以比較這些更新的MOE下的雷場有效性。

海軍水面作戰中心達爾格倫分部在過去十年中一直在開發通過建模進行協調模擬（OSM）框架。目前，利用OSM框架的JAVA GUI軟件的迭代被稱為MAST，是建模和仿真工具包的簡稱，是專門為這種類型的海軍系統的作戰研究和任務工程分析而創建。該團隊開發了三個實驗場景，定義為探索非保密級別的ODM考慮之間的關系。這些場景分別被指定為空中、艦艇和UUV投送，其中藍色為友軍，紅色為敵軍。為了便于比較和大致了解與這些替代場景有關的作戰考慮因素，每種場景一般都以投送平臺的速度、水雷部署能力、利用的投放點數量和部署水雷的相對能力為特征。空中投送實驗是一種高速、中等能力的飛行器，在單一地點部署能力較弱的水雷。艦艇投送實驗是一個中等速度、高能力的飛行器，在多個地點部署普通水雷。而UUV投送實驗則是一個慢速、低容量的飛行器，能夠使用高能力的水雷，如表1所示。

表1. 基準實驗方案假設

如圖1所示，所有的模擬考察都利用了在50 x 50海里的雷場區域內隨機分配的雷場投放點，目的是影響兩艘紅色船只從部署區以東的設定起始位置向西的預期航點過渡。紅色船只的邏輯實現了概率行為決策，以模擬敵人對其探測到的水雷的反應，或者改變其路線，固定在原地，或者繼續其路徑，并以 "逃離"信息傳達危險。

為了評估行動的重要性，我們開發了五個MOE。主要的MOE，稱為 "紅色影響"，是指雷區影響紅方船只駛向預定航點的能力。如果紅色船只都沒有決定轉向或固定，那么紅色影響在該次航行中為零。如果兩艘紅方船只都被抑制，紅色影響為2；如果只有一艘船只受到影響，紅色影響為1。Agent的終止被指定為次要的MOE，用來捕捉傳統思維的MOE，最后部署的水雷被指定為次要的MOE，以更好地通知各實驗的決策點。MOE表見表2。

圖1. ODM移動場景(MAST)

表2. ODM MOEs

輸入變量的定義是為了檢查對藍軍行動、藍軍系統設計特征和紅軍行為邏輯的變化的影響。在空中實驗中定義了21個變量，在艦艇和UUV實驗中定義了25個變量。一個近乎正交的拉丁超立方實驗設計（DOE）在所有三種情況下運行。為空氣實驗確定的21個變量產生了128個獨特的偏移運行，為船舶和UUV確定的25個變量各產生了256個偏移。然后，在與NPS SEED中心的合作下，利用Hamming超級計算機復制了這些DOEs，為空氣產生了3780次偏移，為船只和UUV產生了5000次偏移，以供分析。研究小組發現，與紅色船只的概率決策邏輯有關的變量通常比那些具有物理價值的變量（如速度、范圍或水雷數量）更具影響力。在所有三種情況下，紅色影響的主要MOE也是如此。

為了降低紅色行為在模型中的相對重要性，進行了細化分析，特別關注對作戰效能影響最大的藍色配置特征。初級MOE（紅色影響）、傳統MOE（Agent終止）和次級MOE（部署時間）的結果顯示在圖2。盡管三個實驗似乎都顯示出類似的主要MOE結果，但結果差異在模型中是有統計學意義的。空中投送在 "紅色沖擊 "方面是最有效的，而且部署的速度比船只或UUV投送都快得多。這一點特別重要，因為在只關注紅色制劑死亡的傳統思維模式下，空中投送的單點播種將被歸類為最不有效。同樣，緩慢但有能力的UUV水雷投送，在使用毒劑死亡的情況下，也只是略微有效，但在使用ODM紅色影響MOE的情況下，其評級僅次于空中。

圖 2. ODM場景的結果

該模型為ODM的運行分析提供了一個起點。雖然模擬中的系統故意是通用的，以避免分類，但該模型的設計允許快速引入特定的系統數據。未來的工作可以更全面地實現任務目標（Edwards 2019）的MOE，或增加紅軍決策邏輯的復雜性。然而，即使在這個較高的水平和早期成熟階段，在這個項目中應用ODM概念的意義可以應用于集中開發和采購努力，并更好地告知未來戰斗空間的使用戰略。

I. 簡介

A. 背景情況

有許多歷史實例表明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍對其反水雷(MCM)社區的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，對防御性努力的投資使目前對未來進攻性水雷能力或國家研究委員會所說的進攻性拒止水雷（ODM）（2000）的支出相形見絀。從歷史上看，進攻性水雷的理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。

最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點重新產生了興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。ODM是為海軍作戰司令部（CNO）項目 "超配 "挑戰做出貢獻的自然選擇，即通過 "提供同步的致命和非致命效果"（2020年），"支持將使我們的持續海上主導地位的作戰......環境"。實現CNO建立未來部隊的海軍作戰架構的目標所必需的信條是由他在2020年10月的A Novel Force備忘錄中定義的 "一個綜合的任何傳感器/任何射手的殺傷鏈 "來建立。ODM能夠通過積極參與這些殺傷鏈來加強這一目標，對不受歡迎的海上交通提供戰略威懾，并在這樣做的同時也被動地釋放了原本支持這些戰略目標的關鍵海軍資源。

B. 項目目標

一般來說，進攻性水雷和具體的ODM是可以提供不對稱戰略優勢的領域，但對其研究不足，因此也沒有得到充分的利用。這就提供了一個機會。目前的ODM理論和戰術需要通過現代有效性措施（MOE）進行分析，以量化保護性（藍水）和進攻性（敵對海岸線12英里內）的潛在水雷環境，并確定任何不足之處（Edwards 2019）。在以前的研究中，"重點是孤立地檢查雷場的部署和特點，這項研究......檢查了能夠部署和支持雷場的替代無人和有人系統，作為聯合進攻行動的一個組成部分......[通過]考慮多個候選操作區域和替代交付平臺"（Beery 2020）。給予該小組探索的具體任務是。

1.定義一個候選的進攻性水雷戰行動概念（CONOPS）。

2.界定一個可供審查的作戰活動和相關系統的系統結構，以確定其對雷場部署有效性的影響

3.開發和分析作戰模擬，以便：a. 確定關鍵的性能驅動因素；b. 為作戰框架的比較提供依據（Beery 2020）。

C. 過程

為了實現這些廣泛的項目目標，團隊開發了一個項目瀑布方法，以定義主要的門和里程碑，如圖1所示，首先是文獻回顧，以熟悉MIW、其附屬元素和相關主題。目前的MIW分析員、操作員和專家被確認，他們幫助確定審查的范圍，并闡明了一些圍繞它的歷史。該小組與顧問合作，以確定MIW領域的適用資源和其他專家。項目發起人和顧問團的投入被用來為小組規劃提供信息和貢獻專業知識，以確保小組的產出為海軍提供價值。最初的文獻審查發現了涵蓋MIW CONOPS的材料和分析MIW操作的技術報告，但它未能產生一個普遍可用的ODM實用指南。為了填補現有文獻的空白，項目工作的重點是開發一個操作模擬，可以用來確定關鍵的性能驅動因素，并最終就如何最大限度地提高雷場部署的有效性提出建議。

圖1.BCM論文項目方法論

為了開發將要使用的作戰模擬模型，該小組采用了自上而下的系統工程（SE）方法，如圖2所示的修改后的軟件工程Vee。通過將通用的高層軍工項目分解為其系統需求的組成部分，團隊設計了一個仿真模型，產生了與這些需求相對應的數據，如修改后的Vee方法的左側所示。模型的輸出數據被收集和分析，驗證其與系統設計要求的適當映射，并驗證建議以滿足操作框架的比較。

此外，團隊每季度向社區利益相關者和感興趣的NPS教師介紹情況，以征求所有相關方的額外意見，并提供一個合作論壇的機會。最終的結果和建議在本報告中正式公布，并在畢業前的進度審查中提出。

圖2：BCM修改后的Vee方法。改編自Buede（2009）。

D. 團隊組織

團隊成員被分配了責任，以確保公平分工，充分考慮技術能力和行政后勤。盡管所有的團隊成員在每個階段都是積極的貢獻者，并幫助確保SE原則在每個步驟中得到遵循，但指定的牽頭人在其主題領域的執行方面保留了打破僵局的投票權。

• 首席程序員和軟件開發人員。負責模型設計架構、模擬開發，以及與軟件（SW）開發人員和團隊外部的SW項目主題專家（SME）的聯絡。

• 海上環境專家和UUV社區聯絡員。負責識別環境變量和考慮因素，并將其納入模型，通過無人潛航器社區的聯系和無人潛航器測試的個人經驗進行驗證。

• 艦隊聯絡和安全經理。負責與美國海軍運營商和社區經理互動，以確保在整個模型開發、數據生產和分析報告中充分納入適當分類級別的CONOPS和技術規范。

• 首席編輯和數據分析師。負責所有團隊交付成果的最終審查、格式化和提交。對報告的格式和內容的決定擁有最終決定權。

前沿作戰基地（FOB）防御是一項人力密集型任務，需要占用作戰任務的寶貴資源。雖然能力越來越強的無人駕駛飛行器（UAV）具備執行許多任務的能力，但目前的理論并沒有充分考慮將其納入。特別是，如果操作人員與飛行器的比例為一比一時，并沒有考慮提高無人機的自主性。本論文描述了使用先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統開發和測試自主FOB防御能力。開發工作利用了基于任務的蜂群可組合性結構（MASC），以任務為中心、自上而下的方式開發復雜的蜂群行為。這種方法使我們能夠開發出一種基于理論的基地防御戰術，在這種戰術中，固定翼和四旋翼無人機的任意組合能夠自主分配并執行所有必要的FOB防御角色：周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應。該戰術在軟件模擬環境中進行了廣泛的測試，并在現場飛行演習中進行了演示。實驗結果將使用本研究過程中制定的有效性措施和性能措施進行討論。

第1章：導言

1.1 背景和動機

2019年，美國海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍發布了他的規劃指南，作為塑造未來四年的部隊的一種方式。他在其中指出："我們今天做得很好，我們明天將需要做得更好，以保持我們的作戰優勢"[1]。這句話摘自海軍陸戰隊司令大衛-H-伯杰將軍的《2019年司令員規劃指南》（CPG），呼吁采取集中行動，以應對海軍陸戰隊在未來戰爭中預計將面臨的不斷變化的挑戰。在為海軍陸戰隊確定未來四年的優先事項和方向的CPG中的其他指導，呼吁建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人駕駛系統系列"[1]。伯杰將軍進一步呼吁利用新技術來支持遠征前沿基地作戰（EABO）。EABO將需要靈活的系統，既能進行有效的進攻行動，又能進行獨立和可持續的防御行動。簡而言之，實現EABO將需要最大限度地利用每個系統和海軍陸戰隊。

從本質上講，伯杰將軍正在呼吁改變無人駕駛飛行器的使用方式。通過使用大型的合作自主無人飛行器系統，或稱蜂群，將有助于實現這一目標。無人飛行器蜂群提供了在人力需求和后勤負擔增加最少的情況下成倍提高戰場能力的機會。正如伯杰將軍所提到的 "下一個戰場"，海軍陸戰隊將必須利用各種技術，最大限度地利用自主性和每個作戰人員在戰場上的影響。

目前的無人系統使用理論是以很少或沒有自主性的系統為中心。另外，目前的系統依賴于單個飛行器的遠程駕駛；也就是說，每輛飛行器有一個操作員。部隊中缺乏自主系統，這在監視和直接行動的作戰能力方面造成了差距。此外，側重于一對一操作員-飛行器管理的無人系統理論要求操作員的數量與車輛的數量成線性比例。這對于 "下一個戰場 "來說是不夠的。相反，海軍陸戰隊將需要能夠讓操作員擺脫束縛或提高他們同時控制多個飛行器的能力系統[2]。

考慮到這些目標，美國海軍研究生院（NPS）的先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）已經開發并演示了一個用于控制大型、自主、多飛行器的系統，該系統利用了分布式計算的優勢，并將駕駛的認知要求降到最低。ARSENL在現場實驗中證明了其系統的功效，在該實驗中，50個自主無人駕駛飛行器（UAV）被成功發射，同時由一個操作員控制，并安全回收[3]。

1.2 研究目標

這項研究的主要目標是證明使用無人機蜂群來支持前沿作戰基地（FOB）的防御。特別是，這需要自主生成、分配和執行有效的、符合理論的基地防御所需的子任務。這部分研究的重點是開發基于狀態的監視、調查和威脅響應任務的描述；實施支持多飛行器任務分配的決策機制；以及任務執行期間的多飛行器控制。

輔助研究目標包括展示基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）過程，以自上而下、以任務為中心的方式開發復雜的蜂群行為，探索自主蜂群控制和決策的分布式方法，以及實施一般的蜂群算法，并證明了對廣泛的潛在蜂群戰術有用。總的來說，這些目標是主要目標的一部分，是實現主要目標的手段。

1.3 方法論

基地防御戰術的制定始于對現有基地防御理論的審查。這一審查是確定該行為所要完成的基本任務和子任務的基礎。然后，我們審查了目前海軍陸戰隊使用無人機的理論，以確定這些系統在基地防御任務中的使用情況。

在確定了任務要求的特征后，我們為基地防御的整體任務制定了一個高層次的狀態圖。子任務級別的狀態圖等同于MASC層次結構中的角色。

ARSENL代碼庫中現有的算法和游戲以及在研究過程中開發的新算法和游戲被用來在ARSENL系統中實現子任務級的狀態圖。最后，根據高層次的狀態圖將這些游戲組合起來，完成基地防御戰術的實施。

在游戲和戰術開發之后，設計了基于理論的有效性措施（MOE）和性能措施（MOPs）。通過在循環軟件（SITL）模擬環境中的廣泛實驗，這些措施被用來評估基地防御戰術。在加利福尼亞州羅伯茨營進行的實戰飛行實驗中，也展示了該戰術和游戲。

1.4 結果

最終，本研究成功地實現了其主要目標，并展示了一種包含周邊監視、關鍵區域搜索、接觸調查和威脅響應的基地防御戰術。此外，開發工作在很大程度上依賴于MASC層次結構，以此來制定任務要求，并將這些要求分解成可在ARSENL蜂群系統上實施的可管理任務。這一戰術在實戰飛行和模擬環境中進行了測試，并使用以任務為中心的MOP和MOE進行了評估。最后的結果是令人滿意的，在本研究過程中開發的戰術被評估為有效的概念證明。

1.5 論文組織

本論文共分六章。第1章提供了這項研究的動機，描述了這個概念驗證所要彌補的能力差距，并提供了ARSENL的簡短背景和所追求的研究目標。

第2章討論了海軍陸戰隊和聯合出版物中描述的當前海軍陸戰隊后方作戰的理論。還概述了目前海軍陸戰隊內無人機的使用情況，并描述了目前各種系統所能達到的自主性水平。

第3章概述了以前自主系統基于行為的架構工作，ARSENL多車輛無人駕駛航空系統（UAS）和MASC層次結構。

第4章對基地防御戰術的整體設計以及高層戰術所依賴的游戲進行了基于狀態的描述。本章還詳細介紹了用于創建、測試和評估這一概念驗證的方法。在此過程中，重點是對每一戰術和戰術所針對的MOP和MOE進行評估。

第5章詳細介紹了所進行的實戰飛行和模擬實驗，并討論了與相關MOPs和MOEs有關的測試結果。

最后，第6章介紹了這個概念驗證的結論。本章還提供了與基地防御戰術本身以及更廣泛的自主蜂群能力和控制有關的未來工作建議。

美國海軍和國防部（DOD）正在優先考慮在各戰爭領域迅速采用人工智能（AI），以保持對美國有利的技術優勢。機器學習（ML）是最近人工智能發展的基礎，它存在著一個持續的、沒有得到充分解決的關鍵缺陷：對抗性樣本。自2013年發現以來，在深度神經網絡（DNN）分類器中出現了許多新形式的對抗性樣本攻擊，并提出了許多狹義和特殊的防御措施。這些防御措施都沒有經受住反測試。一些研究人員提出，這種易受攻擊性可能是不可避免的。到目前為止，還沒有發現有效的、可計算的、通用的方法，可以加固DNN，使其免受這種和相關的泛化問題的影響。我們的前提是，ML模型對所有對抗性樣本的魯棒性與抵抗力，可以通過將模型分類空間數據密集區之間的數據點稀疏的潛在空間，作為障礙隔離來改進。我們研究了兩種不同的方法來實現這種對基于對抗性樣本的攻擊防御，測試這些防御對最有效的攻擊，并將結果與現有的技術狀態的防御進行比較。

第一章 引言

人工智能（AI）已被提出來作為推進國防部能力的一個關鍵推動因素。人工智能國家安全委員會在其最終報告中寫道："如果我們的武裝部隊不加速采用人工智能，他們的軍事技術競爭優勢可能會在未來十年內喪失"，建議 "美國現在必須采取行動，將人工智能系統投入使用，并在人工智能創新方面投入大量資源，以保護其安全，促進其繁榮，并保障民主的未來" [1]。鑒于人工智能或更具體地說，深度神經網絡（DNN）中的機器學習（ML）最近在科學和工業領域取得了廣泛的突破，這種關注無疑是恰當的。然而，在國防應用中利用ML和其他現代 "深度學習 "方法并非沒有其固有的附加風險。

最近的人工智能主張已經近乎夸大其詞；當然，在與軍事和文職領導層的高層溝通中，也發生了一些夸大其詞的情況。作為這種夸張的例子，參考一下《2019年美國總統經濟報告》是如何向美國領導人介紹機器視覺方面的人工智能狀況的。在第343頁題為 "2010-17年人工智能和人類的圖像分類錯誤率 "的圖表中，它顯示了 "人類分類 "錯誤率與機器分類錯誤率將在2015年超過人類圖像分類能力。對這一說法仔細考慮并對參考研究甚至是當前最先進研究進行檢查，顯示這一特殊的發展仍然是一個遙遠的、尚未達到的里程碑。

1.1 深度學習的突破

即使ML仍然存在挑戰，近年來，機器學習在科學、工業和商業領域的成功應用也在急劇增加。深度神經網絡已經在自然語言處理、天文學、癌癥診斷、蛋白質折疊、語音識別和機器視覺等不同領域取得了巨大的進步[2]-[8]。因此，這類系統的潛在軍事應用同樣比比皆是：分析頻譜上下的聲學和電磁傳感器數據、機器視覺、尋找-修復-跟蹤和瞄準對手的飛機、地下、水面和陸地戰斗人員、人類語言處理、語音識別、自主空中/地面/地下/陸地車輛、信息戰、情報、監視和偵察（ISR）整合、機器人技術、網絡防御、網絡攻擊、戰術決策輔助，等等。

1.2 深度學習的脆弱性

盡管這項技術帶來了巨大進步，但目前的ML分類方法創建的模型在其核心上是有缺陷的，因為它們非常容易受到對抗性樣本攻擊和相關欺騙技術的影響[9]。廣義上講，文獻中定義的這類攻擊有三類：探索性攻擊、逃避性攻擊和中毒性攻擊。在本報告中，我們主要關注防御我們認為最關鍵的需求，即逃避攻擊。為了提供背景，我們簡要地概述了這三種攻擊。探索性攻擊，對手并不試圖實現錯誤分類，而是試圖通過精心設計輸入來獲得模型的知識，這些輸入的結果將提供關于模型內部狀態的信息，其目的是減少模型的不確定性，以支持未來的攻擊。中毒攻擊試圖在訓練期間修改模型，以偷偷地完成模型的一些未被發現的行為變化。最后，在逃避攻擊中，攻擊者不知不覺地修改了人工制定或模型的輸入，以產生分類的變化，從良性的或最初設定的類別到一些其他的、欺騙性的不真實的類別[10]。這最后一類是我們防御的重點，從這一點出發，我們把這些簡單地稱為對抗性樣本攻擊[11]。

自從2013年最初發現DNN分類器中的對抗性攻擊（逃避）以來，已經出現了許多種這樣的攻擊，并且至少提出了同樣多的狹義的特定防御措施作為回應。不幸的是，到目前為止，所提出的防御措施沒有一個能經受住反測試和適應性攻擊[12]。一些研究人員提出，這種易感性可能是空間中問題表述的一個不可避免的特征[13]。目前，還沒有發現一種有效的、計算上可接受的、通用的方法，可以支撐DNN對抗類似的相關的泛化問題[12], [14]。

1.3 國防部（DoD）的影響

在國防部的范圍內，大家都承認欺騙在戰爭中起著核心作用。因此，戰爭系統必須被設計成對欺騙有高度的適應性[15]。馬基雅弗利在“Prince”中寫道："......雖然在任何行動中使用欺騙都是可憎的，但在發動戰爭時，它是值得稱贊的，并能帶來名聲：用欺騙征服敵人與用武力征服敵人一樣受到稱贊。" 對孫子來說，這甚至是更重要的因素，"所有的戰爭都是基于欺騙"。在國防應用中，至關重要的是，不僅系統在戰斗開始時就如設計之處那樣工作，而且它們應該具備有彈性對狡猾的、有同樣資源和動機的對手的潛在計劃。

誠然，ML在民用和科學方面已經取得了巨大的成功。盡管民用工業技術領域與軍事技術需求有很大的內在交集，但應該注意到，后者并不是前者的完美子集。也就是說，戰爭的現實要求其技術必須為虛假信息和故意欺騙的行動、展示和通信做好準備。這兩個領域之間的這些不同假設意味著，在一個領域已經準備好的東西，在另一個領域可能還沒有準備好。在整個國防部，納入這些技術的系統正在被考慮、開發，在某些情況下已經被采用，目的是增強或取代我們一些最關鍵的國家安全能力。在軍事應用中，特別是武器系統和殺傷鏈內的系統，必須消除或至少減少對抗樣本，并對其進行補償，使故障呈現最小的風險。其余的風險必須被明確指出、發現并被作戰人員充分理解。不仔細和充分地解決這個問題是不可想象的，否則我們就有可能采用脆弱性技術，將災難性的漏洞引入我們關鍵戰爭系統。

1.4 增強防御措施

在防御基于機器學習技術的系統不受欺騙的潛在戰略背景下，我們介紹了一種防御措施。我們的前提是，ML模型對所有對抗性樣本的魯棒性與抵抗力，可以在模型分類器的分類空間數據密集區之間的數據點稀疏潛在空間中插入一個 "填充 "或 "屏障 "的方法來提高[13], [16]。我們相信，通過統計學插值或采用變分自動編碼器（VAE）[17]或生成對抗網絡（GAN）[18]來插值和投射到這個空間的模型可以創建人工填充類樣本來增加數據集，所產生的模型將能夠成功地區分合法數據點和對抗性樣本，同時保持與最先進分類方法相稱的準確性。