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圖：地獄火導彈剖面圖

本論文探討了將武器系統集成到通信網絡中以提供先進戰場能力的問題，特別適用于空射和遠程有人服務武器系統，這些系統也可安裝在車輛上。論文考慮了使用 "現成的軍用 "尋的器，導航和通信系統以及新型串聯彈頭系統。這種 "低風險 "技術與新型彈頭系統的結合旨在展示武器系統的更大靈活性，可以利用這種靈活性來降低開發風險、集成風險和鑒定成本，并在更廣泛、更新穎的目標集上提高擊毀目標的能力。此外，還研究了如何使用適當的通信和導航系統，將這種武器系統納入網絡部隊。

本論文基于一個研究領域：多效應武器（MEW）。多個國家正在對多效應武器進行研究。這項研究的目的不是提供一種適用于所有武器的解決方案，一種靈丹妙藥，其目的是擴大一種系統的用途，使其可用于多種用途。盡管研究和產品開發--尤其是在美國--仍在繼續，但迄今為止還沒有一種彈頭系統能達到所尋求的效果類型。因此，英國政府試圖了解需要哪些技術才能實現真正靈活的彈頭系統，從而能夠擊潰大型主戰坦克、重裝甲步兵戰車、軟皮戰車、步兵和城市建筑。為此，對 MEW 彈頭系統進行了數值建模、設計和演示。

多管火箭炮系統不僅依賴于 "智能 "彈頭系統，傳感器、引信和通信系統的應用對于 "一刀切 "方法的適當使用也至關重要。本論文還討論了提供戰場網絡連接的其他重要子系統，這些成熟的低風險技術使此類系統有可能在短期內投入使用，并提高系統的靈活性。這種系統的集成有賴于美國國防部目前的采購戰略，其中包括開發聯合戰術無線電系統無線電系統，該系統將允許平臺、武器系統和指揮官之間進行Ad-Hoc聯網。

機身和推進技術不在本論文討論范圍之內。本論文避免使用除 QinetiQ 之外的其他供應商提供的專有數據，因為沒有獲得適當的許可，這使得本論文的系統工程方面僅限于為集成問題提供指導的高水平框圖。

圖：精確攻擊彈藥導彈系統（圖片由雷聲公司提供）

本論文為有限時間范圍內的魯棒性分析和綜合提供了理論和計算工具。這項工作的動機之一是對導彈攔截系統性能進行可靠評估，這也將有助于此類系統的穩健設計。典型的性能指標具有無限時間范圍的性質，以穩定性為中心，并依賴于頻域概念，如增益/相位裕度。對于在有限時間范圍內運行的系統（如許多發射場景），這些指標可能不夠充分。相反，本論文側重于時域指標，例如，在考慮干擾、模型不確定性/可變性和初始條件的影響的同時，對系統在視界最后時間的狀態進行約束。建議的方法是沿軌跡對動力學進行數值線性化，以獲得線性時變（LTV）系統。然后在線性化系統上進行分析或綜合，該系統可捕捉到標稱軌跡周圍的一階擾動。與原始非線性模型相比，這種方法犧牲了一些精度，但卻能使用線性系統工具。建議的最壞情況 LTV 分析還提供了具體的不良干擾和不確定參數，可在高保真非線性仿真中進一步研究。

導彈防御： 威脅環境正在以許多前所未有的方式迅速演變，這主要是由于現有導彈能力的增強和無人駕駛飛行器的更加靈活。任何導彈防御系統的首要目標都是保護國土、文明和戰略資產（如航空母艦）。這些復雜的工程系統必須探測、跟蹤和攔截來襲的威脅導彈，在它們到達各自目標之前將其摧毀。目前，最常見的方法之一是使用攔截導彈，通過與威脅導彈碰撞（即命中摧毀）或在其附近爆炸（即定向破片）使其失效。

目前的局限性： 單一攔截器與威脅交戰的性能可能會因多種因素而下降，包括外部干擾（如陣風）、未建模的靈活動態、傳感器噪聲、跟蹤不準確、致動器飽和、威脅的規避機動等。這對單個攔截器系統的精度造成了極大的影響。因此，需要發射多個攔截器來提高成功的可能性。然而，這并不總是可行的；例如，一艘小型海軍艦艇可能只有有限的艦載導彈資源。替代方法包括反火箭、火炮和迫擊炮（C-RAM）系統或 CIWS 雷達控制速射炮，發射多發炮彈，直到成功識別并摧毀威脅。當同時受到多個威脅的攻擊時，這種防御能力很容易被壓垮。有些威脅導彈具有很強的機動性，可使用多種誘餌和反制手段，因此很難被攔截。此外，如果不能在短時間內做出反應，可能會造成災難性后果。總之，目前的多層導彈防御系統嚴重缺乏性能保證。

目標：這項研究的主要目標是開發理論和計算工具，用于對在有限時間范圍內運行的系統進行魯棒性分析。重點是快速可靠地計算適當的魯棒性指標，以確定最壞情況下的性能。這種分析可用于補充現有的蒙特卡洛方法，以便在設計迭代的早期發現邊緣情況，或確定二元結果（如任務成功或在最壞情況下失敗）。

挑戰： 總體而言，由于存在許多不確定性、干擾和參數變化，最壞情況分析問題是非線性和非凸的。目前還沒有任何數值上可靠的工具可用于此類分析。即使存在這樣的工具，其適用范圍也很可能有限，因為它們要么計算速度很慢，無法保證收斂，要么只適用于學術范例。例如，考慮在 F-16 飛機上應用非線性動力算法進行最壞情況軌跡分析[8]。這種算法不僅缺乏收斂性保證，而且計算速度很慢。得出最壞情況下的參數和陣風組合所需的時間（4 到 4.5 小時）與蒙特卡洛模擬所需的時間大致相同。

方法： 方法主要是沿標稱軌跡對系統的動態進行數值線性化，并評估由此產生的線性時變（LTV）系統的穩健性。這種線性化系統只捕捉標稱軌跡周圍的一階擾動。我們利用系統的線性特性，通過解決凸優化問題，為 LTV 性能提供正式保證。然而，這需要犧牲原始不確定非線性系統的精度（即以精度換取計算效益）。這種近似分析只需要一次非線性模擬，速度明顯更快。擬議的有限視界線性化分析還提供了最壞情況下的性能證明（如特定的 "壞 "干擾、參數等），可在非線性模擬中進一步分析。

通過與被稱為計算機生成兵力（CGF）的虛擬對手進行訓練，受訓戰斗機飛行員可以積累空戰行動所需的經驗，而其成本僅為使用真實飛機訓練的一小部分。但實際上，計算機生成兵力的種類并不豐富。這主要是由于缺乏 CGF 的行為模型。在本論文中，我們研究了空戰訓練模擬中 CGF 的行為模型在多大程度上可以通過使用機器學習自動生成。空戰領域非常復雜，在該領域內運行的機器學習方法必須適合該領域帶來的挑戰。我們的研究表明，動態腳本算法極大地促進了空戰行為模型的自動生成，同時又具有足夠的靈活性，可以根據挑戰的需要進行調整。然而，確保新生成行為模型的有效性仍是未來研究的一個關注點。

生成空戰行為模型

人工智能（ai）領域可以為行為建模過程提供一種替代方法，并通過糾正上一節中提到的兩種后果來提高模擬訓練的效果。這種替代方法是通過機器學習生成行為模型。機器學習程序在各種任務中的表現都優于人類，例如信用卡欺詐檢測、云計算資源分配，以及玩撲克和圍棋等游戲。對于此類任務，機器學習程序能夠通過以下三種特性的結合產生創造性的解決方案：（1）計算速度；（2）精確的約束滿足能力；（3）巧妙的學習算法。利用這三個特性并將其應用于行為模型的開發，我們就能獲得以下能力：(1) 以更快的速度開發行為模型；(2) 開發出比目前更多變化的行為模型。因此，使用機器學習程序開發行為模型有可能消除當前行為建模過程對訓練效果造成的兩種影響。

不過，在將機器學習應用于空戰模擬之前，我們必須先考慮空戰領域。空戰領域十分復雜，在這一領域內運行的機器學習方法必須適合該領域帶來的挑戰。五項挑戰：(a) 形成團隊合作，(b) 對 cgf 行為進行計算評估，(c) 有效重用已獲得的知識，(d) 驗證生成的行為模型，以及 (e) 生成可訪問的行為模型。這五大挑戰并非空戰領域所獨有。但是，這些挑戰需要適合該領域的解決方案。

研究問題

研究問題 1：能在多大程度上生成能產生團隊協調的空戰行為模型？

動態腳本使用獎勵函數來評估使用生成的行為模型的空戰 cgf 所顯示的行為。獎勵函數產生的獎勵用于調整新生成的行為模型，以尋找最佳模型。如前所述（見挑戰 b），空戰行為評估存在兩個問題。在文獻中，這兩個問題分別被稱為獎勵稀疏和獎勵不穩定（見第 4 章）。不過，文獻中提出的空戰行為獎勵函數并不總是考慮到這兩個問題。然而，這樣做可能會產生更理想的行為模型。這就引出了第二個研究問題。

研究問題 2：能在多大程度上改進空戰 cgf 的獎勵功能？

動態腳本將 cgf 在整個學習過程中積累的知識以權重值的形式存儲在規則庫中的規則上。每條規則的權重值表示該規則相對于規則庫中其他規則的重要性。就重復使用而言，在一個空戰場景中構建的知識也有可能在另一個空戰場景中得到有效應用。我們將知識重用置于遷移學習的背景下，即讓一個 cgf 在一個場景中學習，然后將其知識遷移到一個新的、未見過的場景中。這就引出了第三個研究問題。

研究問題 3：使用動態腳本構建的知識在多大程度上可以在不同場景下的 cgf 之間成功轉移？

我們的目標是將生成的行為模型用于模擬訓練。驗證模型是實現有效使用模型的重要一步。行為建模過程中的第 4 步說明了驗證的重要性。然而，由于行為模型驗證沒有放之四海而皆準的解決方案，我們首先必須確定驗證的正確方法。這就引出了第四個研究問題。

研究問題 4：我們應該如何驗證機器生成的空戰行為模型以用于模擬訓練？研究問題 4 的答案就是驗證程序。通過該程序，我們可以確定我們在研究中生成的行為模型的有效性。所選擇的研究方法引出了第五個研究問題。

研究問題 5：通過動態腳本生成的空戰行為模型在多大程度上可用于模擬訓練？

回答了這五個研究問題，我們就能回答問題陳述。

在第 1 章中，我們介紹了問題陳述和五個研究問題。此外，還介紹了解決研究問題的研究方法。

在第 2 章中，我們提供了有關四個主題的文獻背景信息（另見第 1.1 節）： (1) 行為建模過程的詳細步驟；(2) 在模擬訓練中使用機器學習的潛在好處和缺點；(3) 過去使用機器學習生成空戰行為模型的方法；(4) 動態腳本及其在空戰模擬中的適用性。

在第 3 章中，我們介紹了團隊協調的三種方法：(1) 默契；(2) 中心；(3) 體面。我們通過實驗研究團隊協調方法的益處，然后回答研究問題 1。

在第 4 章中，我們將深入研究動態腳本編寫過程的一個特定部分，即獎勵功能。我們將展示三種不同獎勵函數的使用如何影響我們的 cgfs 的行為，然后回答研究問題 2。

在第 5 章中，我們研究了 cgf 在某種空戰場景中積累的知識在多大程度上可以成功轉移到不同空戰場景中的 cgf 上，然后回答了研究問題 3。

在第 6 章中，我們設計了一個驗證程序，通過該程序可以驗證為空戰 cgf 生成的行為模型。此外，我們還介紹了 atacc，然后回答了研究問題 4。

在第 7 章中，我們將驗證程序應用于戰斗機 4 艦模擬器中新生成的行為模型，然后回答研究問題 5。

在第 8 章中，我們將對五個研究問題的答案進行總結，從而結束本論文。最后，基于這些答案，我們提出了問題陳述的答案。之后，我們將對未來的工作提出兩點建議。

無人地面系統（UGS）的軍事試驗正在迅速展開。拆彈機器人已在武裝部隊服役數十年。現在，具有更強能力和自主性的系統正在開發和測試中。

其潛在用途包括運載貨物、傷員后送、偵察、化學智能體探測、通信和火力支援。然而，理想用途與現有技術能力之間存在巨大差距。將系統運送到使用地點、到達目的地后的實際用途以及機器與士兵的互動等問題經常未得到充分研究，但這些問題對于如何將 UGS 納入陸軍并提供真正的作戰優勢至關重要。UGS 的技術局限性必須反映在如何在陸軍中組織任務上。必須適當考慮 UGS 在戰場上的移動方式，因為這往往不是靠它們自己的動力。維護和修理 UGS 需要新的培訓課程以及與工業合作伙伴的密切關系。

可以得出的主要結論是，UGS 將需要人類的大力支持。此外，還必須考慮和管理操作人員的認知負擔。系統移動速度緩慢，在復雜地形中導航困難，這意味著它們不適合執行某些已提出的任務，如在復雜地形中的徒步近戰。重要的是讓盡可能多的士兵參與實驗，并讓他們盡早和經常接觸 UGS。要做到這一點，可以在士兵人數最多的地方（如射擊場和演習場）使用 UGS，并進行模擬。此外，初始培訓應包括對新兵的 UGS 教育和演示。這將有助于建立對這些系統的熟悉、好感和信任。

人機小組的潛力巨大，但炒作不應掩蓋 UGS 的局限性和將新技術融入現有結構的難度。

建議

1.作用和管理：由于目前的技術限制，在有使用紅利的情況下，應在后方地區使用 UGS。將較大型的 UGS 視為可以競標獲得支持的飛機，這樣就可以對供需進行管理，并避免 UGS 成為低空編隊的負擔。

2.部隊設計：現在就需要在部隊規劃中考慮到 UGS 對工程師和輔助人員（隱形尾巴）的額外需求。事實上，管理 UGS 可能需要更多士兵。

3.后勤負擔：必須對 UGS 的運輸和儲存以及電池管理進行詳細規劃，不能簡單地將其添加到現有任務中，否則會進一步消耗稀缺資源。這將確保新技術對整個部隊的影響得到充分考慮。

4.教育：與 UGS 有關的教育和培訓應在實驗進行時立即開展，而不是等到系統正式投入使用時才進行。基本培訓應包括有關 UGS 的教育，哪怕是最基本的形式，以便開始建立信任和熟悉感，為大規模整合 UGS 提供便利。

5.試驗：應將 UGS 試驗納入那些有大量士兵的地區，如射擊場。此外，應確保決策者和進行試驗的人員了解 UGS 試驗和活動的整體情況，并確保領導者在項目的整個生命周期中保持參與，而不是在開始和結束時。明確整個生態系統的所有權是至關重要的，同時鼓勵自下而上的參與將創建一個準備好充分利用用戶信 息系統的用戶群。

作為分布式海上作戰（DMO）的一個關鍵原則，盡管有人和無人、水面和空中、作戰人員和傳感器在物理時空上都有分布，但它們需要整合成為一支有凝聚力的網絡化兵力。本研究項目旨在了解如何為 DMO 實現有凝聚力的作戰人員-傳感器集成，并模擬和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境，尤其側重于有人和無人飛機的情報、監視和偵察 (ISR) 任務。

在半個世紀的建模和仿真研究與實踐（例如，見 Forrester, 1961; Law & Kelton, 1991），特別是四分之一世紀的組織建模和仿真工作（例如，見 Carley & Prietula, 1994）的基礎上，獲得了代表當前技術水平的計算建模和仿真技術（即 VDT [虛擬設計團隊]；見 Levitt 等人, 1999）。這種技術利用了人們熟知的組織微觀理論和通過基于代理的互動而產生的行為（例如，見 Jin & Levitt, 1996）。

通過這種技術開發的基于代理的組織模型在大約三十年的時間里也經過了數十次驗證，能夠忠實地反映對應的真實世界組織的結構、行為和績效（例如，參見 Levitt, 2004）。此外，幾年來，已將同樣的計算建模和仿真技術應用到軍事領域（例如，見 Nissen, 2007），以研究聯合特遣部隊、分布式作戰、計算機網絡行動和其他任務，這些任務反映了日益普遍的聯合和聯盟努力。

本報告中描述的研究項目旨在利用計算建模來了解如何為 DMO 實現有凝聚力的戰斗傳感器集成，并建模和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境。在這第一項工作中，將對當今的海上行動進行建模、模擬和分析，重點是有人駕駛和無人駕駛飛機的情報、監視和偵察（ISR）任務。這為與執行 ISR 任務的一個或多個 DMO 組織進行比較確立了基線。這也為與其他任務（如打擊、防空、水面戰）進行比較建立了基線。第二階段接著對一個或多個備用 DMO 組織進行建模、模擬和分析。

在本技術報告的其余部分，首先概述了 POWer 計算實驗環境，并列舉了一個實例，以幫助界定 DMO 組織和現象的計算建模。依次總結了研究方法。最后，總結了沿著這些方向繼續開展研究的議程。這些成果將極大地提高理解和能力，使能夠為 DMO 實現戰斗員與傳感器的集成，并為集成實施所需的系統能力和行為建模和概述。

自拿破侖于 1805 年建立軍團以來，世界各地的軍隊都在尋求提高組織的同步性和整合性。從這個角度來看，融合也不例外。然而，在戰場上實現這一目標取決于開發一個知情、協作和有目的的聯合部隊 C2 系統。為開發具有這些特征的 C2 系統設定條件，首先要重新構想聯合部隊的組織、訓練方式以及領導者培養方式。通過這些努力，聯合部隊可以實現全域的統一努力——通過一個知情、協作和有目的的 C2 系統實現——這將使其能夠在當今和未來的復雜作戰環境中有效地競爭、威懾和取勝。

引言

在這個大國競爭的時代，美國的對手尋求在低于戰爭門檻的情況下實現其目的。然而，如果與近鄰對手的武裝沖突確實發生，他們將尋求在所有領域--陸地、海洋、空中、太空和網絡空間--以及作戰環境（OE）的電磁頻譜（EMS）中對聯合部隊的行動提出競爭，以創造條件實現既成的攻擊。一個有爭議的作戰環境將包括多個對峙層，由許多敵方的反介入和區域拒止（A2/AD）能力來實現。這些旨在造成不可接受的損失的能力，也將尋求在 "時間、空間和功能上分離聯合部隊的要素"，從而防止統一的努力，并迫使其能力的偶發承諾。

為了克服這些挑戰，聯合部隊正在發展 "聯合全域作戰"（JADO）的聯合作戰概念，該概念旨在通過整合各軍種及其任務伙伴的能力，在決定性的空間內迅速運用動能和非動能效應。這些融合效應將穿透敵人的對峙層，并使他們的A2/AD能力失去整合，從而使聯合部隊得以利用（見圖1）。然而，實現融合需要有效的指揮和控制（C2），它跨越所有領域，并能夠獲得各軍種及其任務伙伴的統一努力。本研究探討了C2滿足這一要求所需的那些特征。

圖 1. MDO 解決方案。改編自美國陸軍訓練和條令司令部 (TRADOC)，TRADOC 小冊子 525-3-1，美國陸軍 2028 年多域作戰（弗吉尼亞州尤斯蒂斯堡：TRADOC，2018 年），26。

自2012年發表《聯合行動的頂點概念：2020年聯合部隊》（CCJO 2020）以來，聯合部隊已經逐步向JADO的概念過渡。雖然 "聯合 "的概念已經存在了幾十年，但美國防部（DoD）和各軍種只是在最近才將目光投向偶發的跨域同步和能力整合。自2012年以來，各軍種在與其他軍種不同程度的合作下，制定了通過跨域能力作戰的概念性作戰方法。然而，正如美國陸軍未來和概念中心前主任埃里克-韋斯利中將所說，"你就是不能讓不同的軍種擁有自己的MDO[多域作戰]概念并將它們聯合起來......這必須是一項自上而下的努力"。在這一點上，出現了一個不可分割的緊迫問題：如何有效地C2跨領域和跨梯隊的能力融合，以確保聯合部隊在有爭議的OE中的優勢。

方法論

盡管幾十年來，聯合部隊以服務為導向的C2方法成功地實現了能力的同步和整合，但為了實現跨域能力的融合，有必要采用涵蓋所有領域的聯合C2方法。這項研究評估了有效的聯合部隊C2的特點，這些特點能夠在JADO期間實現融合。這項評估首先回顧了導致JADO概念的概念性框架。然后概述了兩個歷史案例研究--1982年英國福克蘭群島戰役和1989年美軍執行的 "正義事業 "行動--其中C2有效地實現了跨領域和跨梯隊的能力運用。然后，本研究通過系統理論的視角來評估這些案例研究，以回答研究問題，并得出組織、培訓和領導者發展對聯合部隊的影響，因為它在JADO期間完善了其C2融合的能力。

本專著分析部分所采用的系統理論透鏡，采用了賈姆希德-加拉吉達吉（Jamshid Gharajedaghi）在其作品《系統思考》中概述的迭代調查過程。Gharajedaghi認為，當試圖理解一個系統內復雜的相互作用時，這個過程能夠實現 "令人滿意的整體視野"，就像那些在戰斗行動中實現C2的系統。這一理論的核心是，通過評估一個系統的結構、功能和過程以及它所處的環境，"對整體的理解是可能的"。每個案例研究以及文獻綜述中概述的信息都涵蓋了這些領域，為評估C2的特點提供了一個整體的視角。

由于持續的旅行和檔案訪問限制，本專著中進行充分評估所需的研究主要來自于數字資源。然而，與陸軍未來司令部（AFC）和聯合武器理論局（CADD）的密切和日常協調促進了關于C2理論和未來操作概念的主要和次要來源研究。此外，聯合武器研究圖書館（CARL）提供了對執行這兩個案例研究至關重要的歷史學和理論研究的機會。為了集中研究，本研究通過定義一個研究問題來設定參數，以解決之前確定的問題。

研究問題

隨著聯合部隊為JADO開發支持性概念和系統，解決以下問題很重要。在穿透和瓦解對手的A2/AD陣列時，有效的C2有什么特點，能使多個領域和梯隊的能力融合在一起？正如每個軍種的未來作戰概念中所概述的那樣，目前的文獻從每個軍種的角度提供了一個基礎性的理解，但對過去跨域作戰的C2的歷史分析對此進行了補充。這一歷史分析通過兩個互補的案例研究進行，將回答以下的附屬問題。在滲透和瓦解敵人的A2/AD陣列過程中，歷史上有哪些C2特征促成或阻礙了跨領域和跨梯隊能力的同步和整合？該研究通過回答這些問題，解決了當前文獻中關于有效C2的哪些特征能夠在JADO期間實現融合的空白。然而，在繼續研究之前，重要的是要解決在文獻回顧中詳細討論的術語的定義，這對本研究至關重要。

范圍和限制

本專著的范圍涵蓋了JADO概念組成部分的背景發展，同時特別關注C2的那些特征，這些特征將有效地實現對敵人A2/AD陣列的融合。本專論的發展有兩個重要的限制--時間和分類。由于完成的學術時間要求，本研究的研究只延伸到2020年10月底。第二個限制是一些文件的分類，如《國防戰略》（NDS）和《CCJO 2020》，這使得我們無法進行全面的文獻審查，而只能依靠未分類的總結。此外，由于聯合參謀部和各軍種仍在開發JADO概念的許多方面，對一些概念材料的發布有限制，這限制或阻止了本專著對其的引用。

鑒于對手軍事能力的威脅和擴散的增加，這項研究試圖開發合理準確和可計算的模型，以最佳方式操縱航空器攔截巡航導彈攻擊。該研究利用數學編程對問題進行建模，并以代表（時間）差分方程系統的約束條件為依據。研究首先比較了六個模型，這些模型對速度和加速度約束有不同的表述，同時分析了靜止目標的情況。多航空器、多固定目標交戰問題與箱體約束條件（MAMSTEP-BC）模型產生了卓越的整體性能，并通過替代數學編程模型的增強進行了進一步分析，以便在利用有效的機動序列方面創建可行的飛行輪廓。最后，對MAMSTEP-BC模型進行了修改，以操縱飛機來對付移動目標。

在優化交戰所需時間時，該模型被證明對多架航空器和多個目標有效。MAMSTEP-BC通過考慮航空器和飛行員的局限性，能夠保持高水平的顆粒度，同時設法為靜止和移動的目標快速生成最佳解決方案。

本論文的其余部分組織如下。第二章討論了與國防、飛行器路由問題和涉及差分方程的數學編程公式有關的文獻，以操縱或路由實體。下面的研究分三個不同階段進行。第三章介紹了第一階段所研究的工作，該階段開發并測試了操縱多架航空器來對付靜止目標的替代模型。在第四章中提出，第二階段的研究探討了替代的數學編程模型的增強，以創建研究第一階段的可行的飛行輪廓。在第五章中，介紹了第三階段研究的工作，其中開發和測試了一個最終模型，以操縱多架航空器來對付移動目標。第六章以工作的主要成果對論文進行了總結，并介紹了未來關于時空網絡路由模型主題的可能研究途徑。

數字工程和數字設計是美國空軍（USAF）的一個新興重點領域，特別是用于現代復雜系統。高復雜度系統的一個例子是網絡合作自主彈藥群（NCAM），它優先考慮廣域搜索和多視角目標確認。首先，本研究討論了在基于模型的系統工程（MBSE）工具中建立行為模型的方法。然后，本研究介紹了NCAM在兩個環境中的并行建模工作：Cameo系統建模器中的MBSE模型，以及仿真、集成和建模高級框架（AFSIM）中的基于物理學的模型。每個數字模型在其環境中都為設計過程中的利益相關者提供了不同的好處，所以這些模型必須呈現出一致和平行的信息。因此，這項研究也提出了在模型之間翻譯設計信息的自動化方法。總的來說，這對協同工作的模型通過系統認知和數字場景模擬對自主過程的理解，與決策部門建立信任關系。

引言

1.1 一般問題

在始于1903年萊特兄弟首次飛行的重于空氣的飛行歷史中，美國軍隊促進了空對地攻擊能力的持續和快速發展。最初，飛行在軍事上的應用僅限于1909年美國陸軍信號部隊的偵察和監視；然而，第一次世界大戰和后來的第二次世界大戰的爆發創造了軍用飛機技術和理論的繁榮。到1946年，簡單的偵察雙翼飛機被可以超過音速的噴氣機所取代。美國看到了這種快速發展的技術的可行性，并在1947年創建了獨立的美國空軍（USAF）服務。空中力量的勢頭一直持續到現在，現代美國空軍的飛機可以隱藏他們的雷達信號，并精確地投擲制導彈藥，在地面上的同一個洞里投擲5枚炸彈！這就是美國空軍。

在美國空軍這個令人難以置信的組合中，一個合乎邏輯的下一個能力是合作和自主的彈藥，它利用相互通信來尋找、識別和打擊一個目標，同時評估對目標的損害。國防部研究與工程助理部長（USD(R&E)）對這種能力有兩個關鍵定義。

• "自動化。該系統的功能沒有或很少有人類操作者的參與。然而，系統的性能被限制在它被設計為做的具體行動上。通常，這些都是定義明確的任務，有預先確定的反應（即基于規則的簡單反應）。

• 自主性。系統有一套基于智能的能力，使其能夠對系統部署前沒有預先編程或預期的情況做出反應（即基于決策的反應）。自治系統具有一定程度的自治和自我指導行為（由人類代理決策）"。[4]

目前的制導彈藥非常嚴格地遵循自動化的定義。通過激光或全球定位手動指定目標，然后彈藥執行程序化的行動以擊中指定位置。在這種情況下，控制權被操作者緊緊抓住，對目標開火的決定需要多個人為步驟。這些人為步驟使操作者對自動化有一種信任感，因為扣動扳機時風險最小化；與操作者使用無制導彈藥相比，彈藥利用其自動化技術更準確地擊中目標。當討論下一步的自主化發展時，人們有一種理性的擔心，即人類通常控制的決定將由自主系統的機器大腦來代替。這種不信任導致人們對部署旨在自主摧毀目標的武器猶豫不決。

理解與系統自主決策相關的行為是建立對自主性信任的絕佳方式。有多種方法可以將行為理解傳達給人類評估者：首先是提供描述系統各個方面的正式文件，接下來是創建一個數字模型，用圖表表示系統結構和行為，另一個是運行涵蓋廣泛場景的模擬，最后演示可以證明物理系統在測試和評估中的能力。文檔方法一直是所有國防部采購的標準，可以追溯到手繪示意圖的設計時代。然而，最近，國防部對使用建模和仿真來記錄和管理系統表示了興趣。已經出現的一個概念是數字孿生，系統的每個方面都被虛擬建模，以實現快速的修改原型和精確的配置控制。[5]這種數字孿生的焦點也為它所代表的系統的物理結構和行為創造了清晰的、可瀏覽的數據，從而使系統得到合理的理解。

1.2 問題陳述

如Reed[6]所示，基于模型的系統工程（MBSE）已經迅速被美國空軍的數字工程工作所采用，用于程序和系統結構建模項目。然而，復雜系統的行為MBSE建模在美國空軍的相同項目中并不常見。對于自主系統，算法的復雜性和這些自主系統協作時出現的突發行為使得評估邏輯行為和性能影響變得困難。對系統行為進行建模的能力是MBSE過程所固有的，但MBSE模型通常缺乏提供詳細的基于物理學的模型的能力，無法對系統的運行情況進行性能評估。有一些專門建立的基于物理的仿真平臺，如高級仿真、集成和建模框架（AFSIM），就是為了這后一種目的而存在的，但它們往往與MBSE工具中的定義模型脫節[3]。一種將復雜系統的MBSE行為模型和同一復雜系統的基于物理學的仿真模型聯系起來的方法和工具是必要的。要確保這對模型之間的行為一致，需要有能力在建模平臺之間傳輸設計數據。

1.3 研究目標和問題

本研究的目的是建立一個復雜的合作彈藥系統的行為MBSE模型，并建立一個自動和可重復的方法，將數據從MBSE模型轉移到AFSIM場景中，以執行相同的合作彈藥行為的模擬。MBSE模型將足以驗證單個自主彈藥的邏輯行為，以及在合作概念中同一彈藥的數量。AFSIM模擬將反過來為建模者提供反饋，以便對彈藥模型進行潛在的修改，從而實現更高的性能。

合作彈藥模型的研究問題包括：

• SysML在行為建模中的優勢和劣勢是什么？

• 哪些MBSE元素和/或屬性適合翻譯成AFSIM的原生語言用于情景模擬？

• SysML數字模型在多大程度上可以代表AFSIM模擬中使用的合作彈藥的行為？

• 在SysML模型和AFSIM場景之間可以利用哪些自動和可重復的方法進行數據交換？

1.4 方法學總結

這項研究必須首先確定連接點和集成到AFSIM的所需變量，這將有助于定義合作彈藥的MBSE系統模型的邏輯接口。這些接口有助于定義合作彈藥的MBSE模型的邊界，并為整合到AFSIM的場景模型提供數據點。設計和測試的關鍵領域是：為AFSIM實體所需的變量和基本方程建模；提供從MBSE模型到AFSIM的彈藥和場景參數的自動導出可用性；以及確定MBSE模型中會影響模擬的可修改區域。基于對連接點的評估，研究將轉向創建一個MBSE模型，以保持連接點，同時建立與AFSIM模型平行的行為。MBSE模型中的行為將根據AFSIM模型的情況進行評估。

1.5 假設和局限性

本研究僅限于虛擬彈藥的建模和模擬。此外，本研究定義的合作彈藥概念是名義上的；因此，彈藥模型將由名義上的數據填充。

1.6 提綱

第2章是對與彈藥建模、AFSIM集成、自主無人機系統行為建模和美國空軍先進彈藥的歷史應用有關的出版物的文獻回顧。第3章介紹了合作彈藥概念的設計方法和將數據自動傳輸到AFSIM場景模擬的方法。第4章討論了已完成的網絡化合作自主彈藥（NCAM）MBSE模型的行為分析、自動轉換結果和平行模型之間的比較。第5章總結了研究的重要發現，并推薦了未來的研究課題。

本報告收集了為支持將固有曲面地球模型引入下一代巡航導彈（NGCM）高保真建模與仿真（M&S）工具而進行的分析結果。這些結果用于記錄已實施的算法，預計與其他電子戰應用有關。

我們引入固有曲面地球模型的技術方法的關鍵原則是：1）確定代碼庫中與地球表面有關的計算的位置；2）重構代碼庫，將這些計算遷移到一個新的地球表面軟件對象。在其他方面，這涉及到引入一個關鍵的概念區別：以前，基座標框架和地球表面是混在一起的（地球表面和基座標系統的X-Y平面是一樣的）；我們的改變要求把基座標框架和地球表面作為不同的角色分開。

不同的地球表面對象的實現可以模擬不同的地球表面形狀。對于開發和測試，我們的計劃是按照以下策略推出這些對象：首先是平面地球，以保留傳統的行為；然后是球面地球，最簡單的曲面，以支持暴露和消除整個代碼庫中隱含的平地假設，同時受益于盡可能簡單的幾何算法；最后是扁球體，該類包括WGS84，但其許多算法明顯比球體的算法更復雜。