在這份科學報告中，研究了一個導彈防御的問題，其中有異質的來襲再入飛行器（RVs）。也就是說，這些再入飛行器由不同類型的導彈組成。防御系統利用也是導彈的攔截器來試圖攔截再入飛行器。我們建議，在有異質RV的簡單交戰場景中，防衛方可以使用最佳最后交戰機會（SLS-OLEO）的射擊戰術來優化其在最后交戰機會中的突襲否定概率（PRA）。為了優化這種方法，我們利用天體動力學、帶約束的微積分、微擾理論、動態規劃和生成函數以及PRA的凹特性來比較各種射擊戰術。這種方法使我們能夠確定針對RV的攔截器的最佳分配，使PRA最大化。此外，我們還考慮了PRA如何有助于綜合系統有效性的概率（PISE），這反過來又決定了彈道導彈防御系統（BMDS）的全球有效性。原則上，該方法一般適用于導彈。然而，我們確定交戰機會數量的方式是基于彈道導彈的。

對國防和安全的意義

在導彈防御方面，至關重要的是，防務部門要消除來襲的RV，以保護其資產和人口。眾所周知，有一種基于RVs數量、攔截器數量及其特性（如單發殺傷概率（SSBK）和交戰機會數量）的發射策略，可以最大限度地提高突襲否定的概率，即PRA。然而，當來襲的RV由不同類型的導彈組成時，這樣的策略需要修改，因為現在的情況更復雜了。我們表明，用本報告所制定的策略仍有可能使PRA最大化。這一點很重要，因為最大化PRA意味著最大限度地挽救人口中的生命數量。

引言

對防空的作戰分析可以追溯到1930年代（Kirby和Capey[1]）。從那時起，防空研究有了很大進展，特別是在導彈防御領域。目前關于彈道導彈防御系統（BMDS）的文獻的特點是，分析集中在整個系統的孤立方面。具體來說，有關于理論發射理論（Soland [2]）、射-看-射戰術（Wilkening [3]）、命中評估（Weiner等人，[4]）、軌道力學（Cranford [5]）和綜合概率模型，如綜合系統有效性概率（PISE）（Boeing Co [6]）的研究。相比之下，本科學報告側重于突襲湮滅概率（PRA），它是PISE的一個核心組成部分，也是BMDS有效性的一個關鍵決定因素。

為了證明PRA的重要性，我們在涉及異質再入飛行器（RVs）的交戰場景中比較了三種發射戰術。在對結果進行嚴格的比較后，我們說明，雖然 "射擊-觀察-射擊與最佳最后交戰機會"（SLS-OLEO）沒有產生最大的PRA，但它在一個簡單的交戰場景中提出了最實際有效的PRA。也就是說，我們并不假定來襲的RV的數量是完全已知的。我們還探討了是什么使PISE成為BMDS框架的一個重要組成部分，并提出了兩個可以提高PISE的戰術。我們相信，作戰研究界的成員將能夠利用這些發現來評估BMDS的全球有效性。

為了幫助關注這個問題，我們定義了一個由五個異質再入飛行器（RVs）和二十個攔截器組成的例子情景，（Wilkening [3]）。這個場景當然不是一個飽和的場景，即RV的數量超過了攔截器的庫存，正如（Dou等人，[7]）所調查的。由于彈道導彈防御（BMD）的復雜性，有些特點和方法我們無法在本報告中涉及或深入分析。與其他研究相比，我們的視角是單面的（僅是防御），而不是雙面的（防御和進攻，Brown等人，[8]；兩階段博弈，Hausken和Zhuang[9]）。我們的研究也主要限于地基攔截器（GBI），而不是其他發射平臺，如閑逛的飛機（Burk等人，[10]）。我們不考慮誘餌（Washburn[11]）。我們注意到，BMD也可以使用基于代理的模擬（Garrett等人，[12]和Holland等人，[13]），或使用馬爾科夫鏈（Menq等人，[14]）進行建模。Park和Rothrock[15]研究了在導彈防御中框定人類主體的效果。實時威脅評估和武器分配（TEWA）的細節可以用3維穩定的婚姻算法來建模（Naseem等人，[16]）。針對一系列RV的防御性武器的最佳組合可以用線性編程來建模（Beare [17]）。盡管有這些假設和簡化，我們相信我們的方法為理解BMD提供了一個簡單的方法，同時也為評估BMDS的有效性提供了一個直接和統一的方法。

本文的組織結構如下： 第2節描述了交戰機會的數量；第3節介紹了三種已知的可用于對付相同（同質）RV的發射戰術；第4節擴展了一些用于異質RV的發射戰術，并提出了一種新的戰術；第5節描述了PRA的凹性；第6節利用凹性來確定全球最佳PRA；第7節說明了有效性的措施；第8節討論了PISE和改進它的方法；我們在第9節中得出結論。

本文是2014年發表的另一篇論文（Nguyen [18]）的完整和擴展技術版本，增加了一些新的內容，包括考慮新的射擊戰術（在第4節）、PRA的凹性（在第5節）和全局最優PRA（在第6節）。雖然第7節中的有效性措施在現有文獻中可以獲得，但我們根據第4、5和6節的新穎性來確定這些有效性措施。據我們所知，在文獻中還沒有任何論文將所有這些方面的內容匯集在一篇關于BMD的文章中。這篇文章的初步結果發表在一個會議記錄中（Nguyen和Miah[19]），它利用遺傳算法來優化有效性的措施。

作者正在研究分布式雷達在穿墻感應中的應用。這項技術的預期操作場景是在建筑物外的（安全）遠程距離內探測和識別建筑物內的人員和武器裝備。本研究使用的雷達結構和信號處理算法類似于美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）陸軍研究實驗室（ARL）實施的埋藏和隱蔽表面目標探測的設計；目前的雷達發射和接收頻率更高。

在這項研究中，實驗是在ARL的阿德爾菲實驗中心（ALC）507號樓（"沙盒 "區域）進行的，使用的是室內低金屬兩層夾板結構。用來測試分布式雷達的受控環境與用來測試ARL針對電子目標的諧波雷達的低金屬環境相同。

圖1 步進頻率雷達收發器：(a)賽靈思的RFSoC與Alion/HII的雷達固件，以及(b)定制的發射器/接收器（Tx/Rx）濾波器和放大器PCB，由28VDC供電

結論及后續工作

本研究中收集的數據表明，在低矮的金屬建筑中，相互成直角的天線對能夠探測到多個移動目標，而這些目標從建筑外是看不到的。隨時間變化的距離圖顯示了目標所遵循的路徑；在一個頻道中跟蹤的目標路徑的模糊性可以通過在另一個頻道中跟蹤同一目標來緩解。仍需努力將同時收集的數據的IQ振幅一致地結合起來，以解決多個目標。一個目標是在二維（下行和上行）圖像上繪制目標位置，也許是以視頻動畫的形式疊加在場景的俯視圖上（即被成像的建筑物的典型平面圖）。在對移動目標進行成像時，發射器和接收器天線的雙穩態配對是否具有優勢（與標準的單穩態發射器天線配對相比）還有待確定。

生理和行為過程在多個時間尺度上展開。傳統的時間序列分析工具被設計用來捕捉靜止的、單一尺度的過程，這可能會錯過重要的信息。近幾十年來，人們提出了一些方法來捕捉時間序列的多尺度特性，如去勢波動分析。本報告研究了生理和行為的多尺度測量適合Fitbit Charge 4移動傳感器的被動感應數據的方式。使用傳統的時間序列分析和新開發的多尺度方法：多尺度回歸分析，分析了來自辦公室工作人員的大型長期研究的身體活動和心率（HR）數據。這些分析是在日和月的水平上進行的。結果表明，與單尺度分析相比，多尺度分析使模型的R2大幅提高，用于HR和步數的自相關分析（增加13%至108%）和HR與步數的交叉相關或一致性分析（增加21%至88%）。與心率相比，考慮體力活動時，多尺度分析導致更好的擬合統計數據是最有利的。總體結果表明，通過估計多尺度而不是單尺度的過程，可以更好地反映日常生活中的生理和行為。

引言

人類行為和生理學在多個時間尺度上運行，有多個相互作用的組成部分，包括精神和生理過程。分析時間序列數據的傳統方法假定數據在單一時間尺度上運行；也就是說，數據產生的過程存在于單一時間尺度上，所以當以特定的速度測量時，感興趣的模式是可以觀察到的。因此，這些傳統的方法往往會錯過現實世界人類數據的關鍵屬性，可能會掩蓋重要的影響，導致更差的模型擬合和糟糕的預測性能。例如，心率（HR）數據經常使用多尺度方法進行研究（Peng等人，1995），許多研究結果表明，心臟搏動間期最好用多尺度而不是單尺度測量來描述（Peng等人，1995；Perki?m?ki等人，2000；胡等人，2010）。

近年來，已經開發了一些表征時間序列數據多尺度特性的方法，包括捕捉多個時間序列之間關聯的方法。這些方法已經被應用于心理學、經濟學、地球物理學和城市規劃等領域（Yuan等人，2015），但是它們還沒有被應用于對人們日常生活的大型長期研究。隨著技術的進步，復雜的數據收集系統越來越容易獲得，這種范圍的數據集也越來越普遍，考慮到這種數據所反映的多尺度過程可能很重要，將多尺度建模與長期和 "野外 "收集的數據相結合是一個重要步驟。

在這里，我們旨在確定在被動傳感人類數據的大型長期數據集上使用這些多尺度和多模態方法在模型擬合方面的收益。最終，這種方法可能會促進對士兵的健康、準備和心理狀態的低成本、準確評估，有可能改善指揮官的決策，并形成適應性技術的基礎，如人工智能，可以作為隊友而不是工具。

"可預測性 "和 "可理解性 "被廣泛認為是人工智能系統的重要品質。簡單地說：這種系統應該做他們被期望做的事情，而且他們必須以可理解的理由這樣做。這一觀點代表了關于致命性自主武器系統（LAWS）和其他形式軍事人工智能領域新興技術辯論的許多不同方面的一個重要共同點。正如不受限制地使用一個完全不可預測的致命性自主武器系統，其行為方式完全無法理解，可能會被普遍認為是不謹慎的和非法的，而使用一個完全可預測和可理解的自主武器系統--如果存在這樣的系統--可能不會引起許多核心的監管問題，這些問題是目前辯論的基礎。

這表明，最終為解決致命性自主武器系統和其他形式的人工智能在軍事應用中的使用而采取的任何途徑，都必須考慮到有時被稱為人工智能的 "黑盒困境"。事實上，遵守現有的國際人道主義法（IHL），更不用說假設的新法律，甚至可能取決于具體的措施，以確保致命性自主武器系統和其他軍事人工智能系統做他們期望做的事情，并以可理解的理由這樣做。然而，在關于致命性自主武器系統和軍事人工智能的討論中，可預測性和可理解性尚未得到與如此重要和復雜的問題相稱的那種詳細介紹。這導致了對人工智能可預測性和可理解性的技術基礎的混淆，它們如何以及為什么重要，以及可能解決黑匣子困境的潛在途徑。

本報告試圖通過提供有關這一主題的共同知識基線來解決這些模糊不清的問題。第1節和第2節解釋了說一個智能系統是 "可預測的 "和 "可理解的"（或者相反，是 "不可預測的 "和 "不可理解的"）的確切含義，并說明有各種類型的可理解性和可預測性，它們在重要方面有所不同。第3節描述了可預測性和可理解性將成為致命性自主武器系統和其他軍事人工智能在其開發、部署和使用后評估的每個階段的必要特征的具體實際原因。第4節列出了決定每個階段所需的適當水平和類型的可預測性和可理解性的因素。第5節討論了為實現和保證這些水平的可預測性和可理解性可能需要的措施--包括培訓、測試、標準和可解釋人工智能（XAI）技術。結論是為政策利益相關者、軍隊和技術界提出了進一步調查和行動的五個途徑。

本報告的主要要點

• 人工智能的不可預測性有三種不同的意義：一個系統的技術性能與過去的性能一致或不一致的程度，任何人工智能或自主系統3的具體行動可以（和不能）被預期的程度，以及采用人工智能系統的效果可以被預期的程度。

• 可預測性是一個系統的技術特征、系統所處的環境和對手的類型以及用戶對它的理解程度的函數。

• 可理解性是基于一個系統內在的可解釋性以及人類主體的理解能力。一個智能系統可以通過多種方式被 "理解"，并不是所有的方式都建立在系統的技術方面或人類的技術素養之上。

• 可預測性不是可理解性的絕對替代品，反之亦然。高可預測性和高可理解性的結合，可能是安全、謹慎和合規使用復雜的智能或自主軍事系統的唯一最佳條件。

• 可預測性和可理解性是自主武器和其他形式的軍事人工智能的必要品質，這在其整個開發、使用和評估過程中有著廣泛的原因。

• 這些系統中可預測性和可理解性的適當水平和類型將因一系列因素而大不相同，包括任務的類型和關鍵性、環境或輸入數據的種類，以及評估或操作系統的利益相關者的類型。

• 在軍事人工智能系統中實現并確保適當的可預測性和可理解性的潛在方法可能會涉及與培訓、測試和標準有關的工作。建立XAI的技術研究工作也提供了一些希望，但這仍然是一個新的領域。

目前與缺陷有關的疲勞壽命建模技術強調缺陷大小與疲勞壽命的關系，但沒有考慮到缺陷可能位于何處的影響。這項研究概述了將缺陷位置納入模型分析的過程，以便更精確地預測失效周期數和部件內可能發生的最終失效位置。重點是使用IN718的渦輪葉片結構在純振動載荷下的情況。基本模型使用從開發的有限元模型（FEM）的頻率分析中得到的應力圖和合成的缺陷尺寸和位置來預測部件的壽命。用IN718打印的測試樣本被用來創建實驗數據，以驗證模型參數、缺陷分布和預測。建議的結果將是一張圖，表示可能導致故障的關鍵位置，以及在考慮到缺陷大小和位置時對疲勞壽命的預測。

本文貢獻

1.通過將有限元輸出與缺陷相關的疲勞壽命建模聯系起來，納入缺陷位置數據（RO-1），推進了與缺陷相關的有限疲勞壽命建模的技術水平（第四章）。

2.通過對印刷部件與 "設計 "幾何形狀之間的偏差進行統計研究，使有限元技術包括了AM部件幾何形狀的物理變化（RO-1）（第三章）。

3.基于改良的El-Haddad有限壽命疲勞模型和缺陷尺寸/位置數據，開發了復雜應力狀態下有限壽命部件的預測技術（RO-1）（第四章和第六章）。

4.制定了確定復雜幾何形狀的檢查標準和關鍵故障位置的標準（RO-1）（第四章和第六章）。

5.將振動疲勞壽命結果與故障缺陷的大小和位置聯系起來進行實驗（RO-2）（第四章和第五章）。

6.通過實驗性的振動彎曲試驗驗證了有限疲勞壽命模型的預測（RO-3）（第五章）。

對美空軍的影響

美空軍《2030年科技戰略》列出了五項戰略能力。其中之一是 "復雜性、不可預測性和質量"，它將增材制造作為一個技術機會來推進。該戰略要求用低端、廉價的系統來增強高端平臺的功能[42]。增材制造工藝通過在需要時快速制造一個零件，證明了減少對昂貴的長周期硬件的依賴的潛力[24]。AM工藝減少了復雜系統的加工時間，并通過設計限制和制造能力的改變，使部件的連接功能減少了系統的總部件數。目前，這些好處被較高的缺陷產生所抵消，導致更復雜的零件驗證過程[10]。

NASA認識到AM給太空帶來的優勢，但對這種快速變化的技術的安全實施感到擔憂[24]。2017年美國宇航局的《金屬激光粉末床熔融增材制造航天硬件標準》提供了一個保守的要求方法，允許在航天工業中使用AM，同時考慮到每個部件的缺陷發展。美國宇航局的標準要求多個見證樣本來描述AM零件過程中的潛在缺陷群。由于目前的激光粉末床融合（LPBF）系統缺乏反饋控制，控制的可變性，以及缺乏對生產失敗方法的了解，NASA還包括定期抽樣，以確保生產的零件仍然可以接受[24]。NASA的標準要求所有的零件都要進行表面和體積缺陷的無損評價（NDE），讓設計主題專家來定義檢查的靈敏度和邊界。無損檢測目前是通過CT掃描等技術完成的。

渦輪發動機結構完整性計劃（ENSIP）MIL-HDBK-1783B記錄了購置渦輪發動機時需要評估的一般要求。ENSIP要求確保發動機具有適當的結構特性，以便在規定的設計使用壽命內完成設計任務[43]。在這些要求中，有一個初始缺陷尺寸要求。該計劃根據材料、缺陷類型和使用的檢查方法，以及檢測缺陷的可靠性和置信度，提出了應該檢測的各種缺陷尺寸。其原理是為了確定零件中可能存在的缺陷尺寸，以應用損傷容限標準。在無損檢測技術的討論中，ENSIP簡要地討論了使用射線檢測（CT掃描是其子集）來檢測金屬部件中任何深度的缺陷。這個過程被列為昂貴的，這被認為是一個主要的缺點。CT掃描是一個時間密集的過程，需要一個熟練的、經過培訓的技術人員來解釋數據，并確定最佳的處理設置，以突出材料的空隙并盡量減少掃描偽影。

ENSIP還建立了耐損設計。耐損設計的概念是在有缺陷的情況下保證任務的壽命。損傷容限設計的要求是檢測出兩倍于臨界裂紋尺寸的裂紋，這是從El-Haddad無限壽命模型等模型中計算出來的。ElHaddad模型描述了從無缺陷疲勞壽命預測到裂紋增長主導疲勞壽命的轉變。轉移點被定義為臨界裂紋長度。[22]. ENSIP繼續規定，在存在兩倍于臨界裂紋長度的裂紋時，部件必須能夠至少存活兩個檢測周期。El-Haddad模型經過修改，允許任意的缺陷尺寸/形狀[8]，并根據缺陷尺寸和周期應力比來預測有限壽命[11]。RO-1的設計是為了擴展修改后的El-Haddad模型，以包括多軸應力環境中的缺陷位置對部件的預測設計壽命的影響。RO-2提供了測試數據來量化改進后的模型的預測能力。

射頻片上系統，或稱RFSoC，是射頻工程中的一個新興模式。具體來說，它將嵌入式處理能力的靈活性與單芯片上緊密耦合的射頻模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）相結合。這大大降低了實現射頻收發器的設計復雜性，并普遍降低了尺寸、重量和功率要求。RFSoC有多種形式和不同程度的復雜性；有些是為最初的實驗室演示和原型設計的，有些是縮小了外形尺寸，為可部署或生產應用設計的。總的來說，RFSoC大大加快了軟件定義無線電（SDR）的市場，SDR是具有射頻功能的計算設備，可以在不同的抽象層進行重新編程和重新配置，從工廠到實驗室，到生產車間，甚至最終用戶。

使用SDR實現雷達，無論是獨立的還是作為多功能射頻的一部分，都是一個不斷增長的趨勢，并且可以在RFSoC中有效實現。特別是，使用線性頻率調制（LFM）或 "FM啁啾"的先進雷達波形，正在成為雷達脈沖的行業標準，因為它們的返回可以通過數字信號處理進行可靠的處理，以實現高度精確的范圍分辨率。

波形設計，特別是數字合成的雷達波形，是一個活躍的研究領域。一個能夠以高頻率發射多個復雜波形，并能以極低的延遲在多個波形之間切換的設計，應該利用完全在RFSoC（即硬件）的可編程邏輯（PL）部分實現波形的更高速度和處理能力。因此，探索波形數字合成的廣泛架構選擇是有益的。

在這項研究中，我們設計并實現了兩個定制的數字合成器：一個線性頻率調制發生器（LFMGEN）和一個可變直接數字合成器（VARDDS）。合成器是用極高速集成電路硬件描述語言（VHDL）設計的，采用了寄存器傳輸級（RTL）方法，并封裝在賽靈思高級可擴展接口（AXI）標準包裝器中，以方便它們在Vivado知識產權（IP）集成器中使用。每個設計都與輕量級硬件抽象層和一組軟件驅動器配對，以包含在Xilinx Vitis C應用項目中。合成器被集成到基于賽靈思第一代（Gen）RFSoC ZCU111評估平臺的測試平臺中，由此產生的射頻波形可以在實驗室環境中生成和分析。合成器是針對各種最大瞬時帶寬（IBW）實現的（后置和路由結果），并對其在波形生成、負載和交換延遲、資源使用、時間限制和功耗方面的相對優勢和劣勢進行比較。這項工作的貢獻如下：

• 首次對Xilinx RFSoC上的多個定制數字雷達波形合成器進行比較。
• 對數字合成器進行了徹底的介紹和比較，每個合成器都針對各種標準進行了優化，包括性能（延遲和帶寬）、資源（塊狀隨機存取存儲器[RAM]、現場可編程門陣列[FPGA]查找表[LUT]和功率）以及靈活性（LFM與任意同相和正交[IQ]波形生成）。每個數字合成器都能獨立地以16位的精度再現高達1GHz的IBW波形。
• 基于Xilinx RFSoC開發雷達波形設計原型或生產形態的設計理念和策略。
• 分析復雜的射頻數字和RFSoC特定的設計考慮因素，包括采樣率、塊設計時序封閉和時鐘管理。

摘要

使用小型無人駕駛飛行器（UAV）進行合成孔徑雷達（SAR）成像是一個相當新的、非常有前途的應用。本論文有兩個主要內容：a）使用雷達通信波形的SAR成像，以及b）使用無人機的天線特性。正交相移鍵控（QPSK）調制被嵌入，通過線性頻率調制（LFM）信號的防護帶將數據傳輸到SAR的通信接收器。圖像是用LFM-QPSK組合信號形成的（也就是說，在雷達接收器中不需要過濾掉通信信號）。我們改變了信噪比和LFM與通信帶寬的比率，并研究每個參數如何影響生成的SAR圖像。我們還研究了將通信載波從LFM頻譜中移開對SAR圖像的影響。開發和投入使用系統的下一步是選擇天線，并通過無線電頻率傳輸到地面接收器與無人機一起進行模式鑒定。天線特征是通過從無人機發射連續波信號和測量地面上的七元素八木天線的接收功率來進行的。

第一章：引言

雷達自從在第二次世界大戰中成為一項關鍵技術以來，已經有了很大的進步。合成孔徑雷達（SARs）被軍事和民用組織廣泛用于地形學、海洋學和導航領域。它們的遙感和測繪能力幾乎可以在任何天氣條件下使用，當然也可以在白天和/或夜間使用。線性頻率調制（LFM）是一種常見的SAR波形，因為它通過使用高帶寬提供了一個非常精細的范圍分辨率能力。

這項工作的想法是讓雷達從無人機安裝的SAR中照亮目標區域，形成SAR圖像，同時將數據傳輸給地面的通信接收器。無人機和其他類型的無人駕駛飛行器（UAVs）被用于許多應用，如：航空攝影、攝像、通信、農作物噴灑、情報收集、監視目標，現在甚至被用作雷達平臺。1937年，美國海軍開發了柯蒂斯-N2C-2無人機，它是最早的無線電控制飛機之一。在第二次世界大戰期間，德國人開發了V-1 Doodlebug，一種裝有炸藥和脈沖噴射器的無人機。V-1被用來對倫敦進行恐怖轟炸。最近的研究在射頻應用中利用了無人機。2019年，作者在[1]中提出利用無人機作為中繼節點，接收、解調和重傳信號到最終的接收器進行解調和波束成形。文獻[2]中的工作試圖描述無人機平臺和地面用戶之間的空對地無線通信，包括在實際的視線和非視線情況下的廣泛載波頻率，包括蜂窩和Wi-Fi（5GHz）頻段。作者在文獻[3]中提出開發一種輕型、多模、超高頻、超寬帶的雷達模塊。所提出的設計是基于無人機的操作，因此是低重量、緊湊和易于維護的。它具有低功耗和獨立于無人機的電源。

雷達通信頻譜共享領域也在不斷發展，其中雷達嵌入式通信是一個非常好的例子。SAR基礎知識和信號處理算法在幾本書中都有很好的闡述，如[4]。[5]和[6]都對頻譜共享的主題有很好的介紹。事實上，快速搜索會產生許多最近的作品，但為了簡潔起見，這里不能全部加入。一些被引用的作品探討了改進雷達和數據通信的方法，同時將兩者的合作視為一個聯合系統，而不是相互排斥。7]中的工作探討了射頻頻譜擁堵問題，并提供了提高效率和優化頻譜使用的可能方案。8]中的工作探討了利用脈沖內雷達嵌入的通信信號進行秘密通信。9]和[10]中的工作研究了雷達-通信頻譜共享問題，并提出了改善兩個系統性能的方法。11]中的工作探討了使用最小二乘估計器和最大似然檢測（MLD）對QPSK雷達-嵌入式通信進行解調，而[12]則將深度神經網絡機器學習解調與MLD方法進行比較。

例如，在[13]中，四次相移鍵控（QPSK）載波被放置在雷達護頻中。這種調制方式提供了頻譜效率和符號錯誤率性能的體面組合。通常情況下，由于單向鏈路傳播，通信信號需要的功率比雷達信號小。因此，在大多數情況下，雷達功率與通信功率之比（RCR）是很大的。然而，本論文的重點是利用防護帶的優勢。我們允許兩個通信信號與LFM波形相鄰，并使用合并的返回信號來生成SAR圖像。在這項工作中使用的基礎SAR MATLAB代碼來自于M. Richards的 "雷達信號處理基礎"[14]。該代碼在本研究中得到了擴展。

1.1 目標

這項工作的想法是讓雷達從無人機安裝的SAR中照亮目標區域，形成SAR圖像，同時將數據傳輸給地面的通信接收器。如圖1.1所示，通信接收器可能在目標區域，也可能不在目標區域。通信接收器是[13]中的一個焦點。本論文的重點是雷達接收器。

為了實現合成孔徑雷達成像的無人機系統，必須對幾個方面進行研究，但我們只關注兩個方面。其目的是：a）模擬通信-雷達波形并產生合成孔徑雷達圖像，以及b）描述可能用于無人機的天線的性能。在第2章至第4章中，我們研究嵌入式通信信號是否會降低或改善SAR圖像的形成。在第5章和第6章中，我們用無人機進行實驗，將射頻信號傳輸到地面接收器，以表征潛在的候選天線。

圖1.1. 無人機安裝的SAR通信圖示

浮動航天器模擬器（FSS）是模仿衛星在空間運動的機器人載體。使用FSS可以在地球上對制導、導航和控制算法進行實驗驗證，然后再將其應用于空間，因為空間的錯誤是災難性的。此外，FSS是空間系統工程課程中大學生的一個重要研究和教育工具。然而，目前使用的所有FSS都是定制開發和昂貴的項目。本論文涵蓋了用于教學和研究目的的新型浮動航天器模擬器的開發、組裝和測試過程，該模擬器被命名為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。通過介紹MyDAS，一個小型的、簡單的和低成本的FSS，使FSS在大學和中學階段的研究和教育中得到更廣泛的利用。討論了MyDAS的不同推進配置及其相應的運動方程。對于一個特定的配置，選擇并測試了現成的氣動和電子組件。一個模塊化和標準化的3D打印框架將所有部件固定在一起，形成一個最終的剛性載體。最后，MyDAS在各種實驗中被測試，完成了全部的硬件功能。

1 引言

本論文進行小型化和簡化的浮動航天器模擬器（FSS）工作。本章簡要介紹了這項工作的動機和目標，以及本論文的結構。

1.1 動機

未來空間任務中的航天器需要靈活、自主的制導、導航和控制（GNC）算法，如對接、接近或清除碎片的操縱[1], [2], [3]。用硬件在回路中驗證GNC算法的一種方法是使用FSS，而無需將測試對象送入太空。盡管不向太空發射任何東西而大大降低了成本，但目前的FSS仍然需要大量的經濟和費時的工作來建造和操作，這只有專門的機構或公司才可能做到。除此之外，目前的FSS都是獨特的設計，沒有標準化。引入一種新的、負擔得起的、小而簡單的FSS可以使本科生甚至高中生以及業余用戶能夠使用FSS工作。提供這種機會可以增加為未來空間任務創造更好的GNC算法的成功機會。

1.2 目標

先前工作提出了一個更便宜、更小、更簡單的FSS的概念[4]，稱為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。提出了初步的計算機輔助設計（CAD）模型、材料清單、氣動圖、接線圖、兩種浮動配置和三種推進配置。本論文的目的是建立一個MyDAS的物理工作實例。為此，所有定制設計的部件應與購買的現成部件一起制造和組裝。所有的功能部件應先單獨測試，然后再組合。最終的裝置必須能夠使用壓縮空氣供應漂浮和推動自己。如果可能的話，在不使用推進系統的空氣的情況下，漂浮時間應超過5分鐘。此外，推進系統必須由機載計算機和機載電池控制。該裝置的硬件和軟件應是開源的，以使其可重復使用。作為其中的一部分，將提出一個成本估算。在未來的工作中，希望MyDAS能被積極用于驗證和改進GNC算法。

1.3 結構

如上所述，本論文是基于以前的工作，其中介紹了關于FSS的理論基礎和技術現狀[4]。理論基礎和技術現狀同樣適用于本論文，這就是為什么它們在本文件中沒有明確重復。在第2章運動方程中，以前工作中的簡化運動方程被指定用于其中一個推進配置。第3章氣動系統討論了MyDAS的氣動系統。第4章電子學中解釋了MyDAS的電路以及所有的電子元件。第5章框架設計的主要內容是構建和制造一個定制的、3D打印的框架，該框架將所有的部件固定在一起。第6章設置和測試描述了在組裝MyDAS的過程中對單個和組合部件的若干測試。在第7章實驗中，全功能的FSS被用在一個花崗巖試驗臺上，以證明其功能，以及描述某些推進方面的特征。最后一章的結論是對工作的總結以及對未來工作的建議。復制MyDAS的基本信息，如技術圖紙、材料清單和Python列表，可以在附錄中找到。此外，該代碼與CAD文件和更多不能打印在紙上的數據一起在網上提供。

為了支持未來的多域作戰分析，美國DEVCOM分析中心（DAC）正在探索如何在陸軍的作戰模擬中體現天基情報、監視和偵察（ISR）資產的貢獻。DAC正在使用基于能力的戰術分析庫和模擬框架（FRACTALS）作為方法開發的試驗基礎。用于預測衛星軌道路徑簡化一般擾動的4種算法已經被納入FRACTALS。本報告的重點是來自商業衛星群的圖像產品，其分辨率為1米或更低。報告介紹了預測分辨率與傳感器特性、傾斜范圍（包括地球曲率）和觀察角度的關系的方法。還討論了在不同分辨率下可以感知的例子。

在2021年建模與仿真（M&S）論壇期間，空間情報、監視和偵察（ISR）建模被確定為當前/近期的建模差距。美國陸軍作戰能力發展司令部（DEVCOM）分析中心（DAC）提交了一份陸軍M&S企業能力差距白皮書（Harclerode, 2021），描述了幫助填補這一差距的行動方案。陸軍建模和仿真辦公室已經資助DAC開發方法，以代表商業、國家和軍事空間和低地球軌道資產的性能及其對聯合作戰的影響，并在基于能力的戰術分析庫和模擬框架（FRACTALS）內進行測試實施。

FRACTALS是DAC開發的一個仿真框架，它提供了通用的結構 "構件"，用于模擬、仿真和評估ISR系統在戰術級任務和工作中的性能。FRACTALS作為DAC開發的各種ISR性能方法的測試平臺，將文件或數據被納入部隊的模擬中。FRACTALS還作為DAC的一個分析工具，在戰術環境中對ISR系統進行性能分析比較。

這項工作需要在一定程度上體現衛星飛行器（高度、軌跡和運動學）、傳感器有效載荷（光電[EO]、紅外、合成孔徑雷達和信號情報）、網絡、控制系統、地面站（時間線、通信、處理、利用和傳播）、終端用戶以及連接它們的過程和行為。本報告描述了DAC為支持這一工作所做的一些基礎工作，重點是可見光波段相機圖像。