本研究的主要目的是為太空力量軍事理論奠定基礎。本研究進而確定軍事理論的普遍邏輯基礎必須如何與每個獨立戰爭領域的不同假設相結合，以建立該領域獨特的戰爭理論。一個領域的軍事理論不能簡單地嫁接到其他領域。海軍和空軍理論并不也是太空力量理論。相反，過去的軍事理論作為研究戰爭領域獨特性的起點。

本研究首先考察了陸、海、空三軍的歷史戰爭理論，從而確定了四個基本問題，這四個問題的答案促成了獨立的海空戰爭理論的產生。這四個問題分別圍繞著國家或軍事力量的四個要素：集中、交通線、攻防和政治目標。本著作的主要內容就是針對太空力量的具體情況詳細回答和研究這四個問題。

為了解釋太空力量集中的概念，引入了積極（有益）和消極（剝奪）太空力量這兩個術語。分別為正太空力量和負太空力量提出了相應的競爭和沖突連續體。關于太空通信線路，發現太空的廣袤和對光子（光基）通信及地面補給的依賴為太空領域帶來了一系列奇特的動態。這些動力--頻譜優勢、自適應后勤、太陽能--以意想不到的方式影響著太空戰的進行。為避免太空理論過于復雜化，將克勞塞維茨以陸地為中心的攻擊和防御定義重新應用于非地球環境。運用這些更新的定義，本研究表明，通過不對稱戰爭剝奪太空力量是目前最有效的戰略。反過來，也表明，通過對稱的方式，即大多數國家都建立類似的太空資產，獲得有利的太空力量通常是最有效的。最后，確立了太空力量在國家整體政治和軍事戰略中的重要性。本文認為，太空專業人士既要認識到太空為其他領域的戰爭提供了關鍵的聯系，又要認識到太空戰的計劃和實施必須有別于其他領域的沖突。

最終，本著作得出結論，太空力量的最佳尋求方式是了解國家力量從太空中的剝奪和衍生。在不久的將來，無論是小國還是大國，太空力量都將成為經濟和軍事話語中日益重要的組成部分。因此，本著作摒棄了對其他領域軍事理論的簡單套用，而是將太空作為一個獨立、獨特的作戰領域進行研究，力求使太空領域的軍事理論規范化、嚴謹化。

圖 2. 以航天器為目標的常見天基或地基武器（改編自國防情報局《太空安全面臨的挑戰》，10）

無人飛行器（UAV）圖像的目標分類對于軍事偵察和監視越來越重要。深度神經網絡（DNN）是改進無人飛行器圖像目標分類的一項很有前途的技術。然而，DNNs 可能由大量參數組成，這使得操作人員難以理解 DNNs 在目標分類中使用了哪些圖像特征。這種缺乏透明度的情況對于將 DNNs 應用于目標分類的軍事應用來說是一個挑戰，因為由于武器交戰的高風險，操作員最終要對所有決策負責。因此，操作人員也需要 DNN 分類的解釋，以評估其可靠性。

本報告介紹了一項實驗，參與者在實驗中對低空無人機圖像中的軍用車輛進行目標分類。實驗的目的是評估對 DNN 分類的支持和對 DNN 分類的突出圖解釋（突出 DNN 分類最重要的特征）的支持是否能提高目標分類的準確性。顯著性地圖解釋是用隨機輸入采樣解釋（RISE）方法生成的。受試者在三種不同的條件下完成目標分類任務：無 DNN 分類支持、有 DNN 分類支持和有 DNN 分類的 RISE 顯著性地圖解釋支持。

結果表明，與預期相反，在有 DNN 分類支持的情況下，參與者的目標分類準確率會降低，而在有 RISE 突出圖解釋支持的情況下，準確率會進一步降低。在 DNN 分類和 RISE 突出圖解釋的支持下，參與者的目標分類準確率較低，這可能是由兩個原因共同造成的：對自動決策輔助工具的依賴和難以評估 DNN 的可靠性。結果表明，當 DNN 分類正確時，參與者對其依賴性不足；而當 DNN 分類不正確時，參與者對其依賴性過高。

實驗的結論是，要提供 DNN 分類和 DNN 分類解釋，以實際支持操作員的目標分類，并非易事。如何呈現 DNN 分類信息，以及其他有前途的 XAI 方法是否能改善操作員的目標分類，還需要進行更多的實驗。

第 2 章從參與者、車輛圖像、DNN 分類和突出圖解釋等方面介紹了實驗方法。第 3 章從調查因素如何影響目標分類性能、響應時間和對 DNN 分類的依賴性等方面介紹了實驗結果。第 4 章總結了實驗結果，并描述了取得目標分類性能的可能原因。第 5 章介紹了實驗結論，并提供了一些用于圖像分類的 XAI 方法建議，以便在未來的實驗中進行評估。

圖 2 車輛類別示例（上排）和 DNN 對車輛類別分類的 RISE 突出圖解釋（下排）。

空對空作戰背景下的戰斗識別（CID）是一項高度復雜的認知任務，要求操作員迅速做出后果嚴重的決策。為了完成 CID 任務，戰斗機機組人員必須在建立態勢感知（SA）和執行其他任務的同時注意和感知大量信息。雖然現有的智能體可以幫助戰斗機機組人員完成這項 CID 任務，但它們是針對整個任務中非常狹窄的子集而設計的，不太適合人類與智能體的協同工作。對人類操作員和支持該任務的智能體的相互依存關系進行的分析表明，“觀察-方向-決定-行動”（OODA）循環中的 “方向 ”步驟對提高 CID 任務執行的可靠性或效率最有影響。通過建模對現有系統架構中的 CID 任務進行了研究，以了解在此任務中加強人類-智能體團隊設計的潛在改進措施。更具體地說，探索了主觀邏輯，將其作為提高多智能體界面可觀察性的一種可能手段，以支持 CID 用例中的決策制定。這種方法已被納入模型，以展示其潛在的實用性。初步研究結果表明，應進一步研究主觀邏輯，以了解這一工具對提高國防部門未來系統中多智能體系統性能的影響。

鑒于致命自主武器系統（LAWS）所依賴技術（通常具有雙重用途）的可用性，以及此類系統被認為能為某些用戶帶來的優勢，能夠提供致命自主能力的系統的擴散是不可避免的。致命性自主武器系統會給武裝部隊帶來問題，但由于缺乏一個商定的定義，使規范和控制其擴散的努力變得更加復雜。

致命性自主武器系統并不是一種單一的能力。因此，本文根據致命性自主武器系統擴散的可能性和影響，考慮了與之相關的三大類風險：最小可行產品（MVP）、軍用現成產品（MOTS）和高精尖產品。這些系統的復雜程度大不相同，各自造成的風險和對用戶的要求也大不相同，所有這些都對擴散風險產生影響。

MVP LAWS 涉及自制和商業上指定和可用的技術。開發最小功能致命性自主武器系統所需的軟件、硬件和專業知識可廣泛獲得，非國家行為者只要看到采用這種系統的好處，就可觸手可及。這些武器具有最大的擴散風險，尤其是對非國家行為者而言，但它們往往很脆弱，而且單獨考慮的話，并不能改變現代軍隊的游戲規則（就影響而言）。然而，即使是大規模使用的相對簡單的系統，也會給往往缺乏大規模的西方軍隊造成問題。

MOTS具有高度自主性，正在迅速擴散到任何有足夠資金的人，包括非國家行為者。然而，雖然許多是進攻性能力，但也包括防御系統，如防空武器，它們通常是自主的，但不具有進攻性。可以說，MOTS LAWS 造成的風險受限于可負擔性，但采用這種系統可能有明顯的優勢，包括可實現戰場大規模化。MOTS 極有可能擴散，而自主性軍事進步與其說是技術障礙，不如說是意愿和道德問題。因此，雖然擴散的可能性很高（雖然略低于 MVP），但影響卻更大，尤其是在系統可以大規模使用的情況下。

高精尖LAWS 是少數幾個國家正在開發的精湛能力。它們是非常昂貴的復雜系統，專為對付明確的威脅（如對手戰略防御網絡或威懾能力中的某一特定要素）而設計，因此最具破壞性（影響大）。它們的采用優勢很高，但開發和維護成本意味著目前不太可能擴散到最富裕的國家之外。

致命性自主武器系統的擴散需要采用優勢，在許多領域，如 MVP 和 MOTS 模式，先進的常規能力仍比致命性自主武器有優勢，盡管這種情況可能會改變。隨著支持致命性自主武器系統的技術逐漸成熟并得到驗證，擴散風險將會增加。軍方有機會，也可以說有責任領導關于擴散問題的對話并影響其結果。

該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

旨在爭奪聯合部隊作戰準入的武器系統的出現，為許多國家提供了防止入侵其周邊領域的低成本選擇。由于認識到這些武器對美軍構成的威脅，參謀長聯席會議制定了 "聯合作戰準入概念"。該概念的第一個子概念是 "空海一體戰"，即使用空軍和海軍資產擊敗復雜的A2/AD系統的聯合概念。按照JOAC的初衷，本文考慮了使用美國陸軍和美國海軍陸戰隊炮兵和防空炮兵資產的跨域能力來對抗反介入威脅，同時為聯合部隊的利益再現相同的能力。它解釋了炮兵資產作為一種可快速部署、靈活的威懾選擇為聯合部隊指揮官帶來的戰略利益，以及在爭奪制海權的戰斗中為海上部隊指揮官帶來的作戰利益。最后，它向聯合部隊提出了整合功能和發展未來能力的建議，以便有效地使用這些資產來支持海上部分。

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。

目前的效應任務分配方法經常考慮到基本的資產-任務分配，假設在有限的資源能力限制下進行同步交戰。然而，故意忽略由時間限制或交戰順序/序列可行性驅動的戰術復雜性可能會導致實踐中的解決方案不可行。在這份科學報告中，提出了一種適應復雜戰術武器-目標分配問題設置的創新效應任務分配方法。它定義了一個新的開環反饋調度決策模型問題表述，旨在異步分配n個效應器為m個任務/目標提供服務，以使預期任務（失敗）值最大化，但要遵守資源能力和邊際約束，時間范圍不斷縮小。因此，我們提出了一個新的近似二次規劃決策模型。它受傳入請求、累積預期目標值、正在進行的資源承諾、剩余資源能力和前一階段的計劃執行反饋的制約。該方法采用了一種新的緊湊的效應圖表示，以方便地捕捉可行的效應器路徑計劃。借用典型的高質量解決方案，近似決策模型特意限制了一個任務的訪問次數，大大減少了搜索空間的探索。所提出的數學公式也有利于自然利用權威的商業優化工具，在運行時提供有價值的優化差距信息，以便有效地指導問題的解決和減少計算。

對國防和安全的意義

本科學報告提出了新的效應任務決策支持技術概念，為支持戰術聯合火力的數字化指揮與控制（C2）解決方案鋪平了道路。這些新概念完全符合加拿大陸軍陸軍需求局（DLR）2的意圖，即實現戰術決策-行動周期的自動化和優化。這項工作旨在及時向DLR2和聯合火力現代化資本采購項目的定義階段通報戰術邊緣新的自動化和優化效應任務技術概念，并確定有希望的研究方向。新的預先規劃概念為敏感瞄準、動態效應任務/再任務、效應器整合以及新的自動化非近視效應任務解決方案的可行性和價值帶來了不同的視角。這種方法構成了對科學和技術的創新貢獻，最終推薦了具有接近最佳傳感器效應任務解決方案的使能者。擬議的核心概念計劃在適當的國家和國際場所，如關鍵的選定的軍事演習和/或技術合作計劃（TTCP），逐步和有機會地展示。這將為其他 "五眼 "國家提供所需的能見度，并為適當的驗證提供機會窗口，同時獲得對加拿大感興趣的有競爭力的最新技術。

美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的目的是 "創造和利用科學知識以實現轉型超配"（CCDC ARL 2020）。在這里，轉型超配的最佳解釋是軍事能力（部分通過創造和利用科學知識實現）大大超過了對手的相關能力，以至于美國陸軍在追求創新、轉型的作戰方式方面獲得了選擇。

大約兩年前，在準備一次公開演講時，我（作者，以下同）決定尋找一些鼓舞人心的例子，在這些例子中，陸軍科學家創造和/或利用了科學知識，從而實現了變革性的超配。我推斷，彈道研究實驗室（BRL）的歷史，特別是它對第二次世界大戰（WW2）的貢獻，將是這類例子的最佳來源。

事實上，BRL是DEVCOM陸軍研究實驗室（以及其他幾個實驗室）的一個顯著的雛形。到90年代中期，當DEVCOM ARL通過合并先前存在的幾個實驗室而形成時，BRL可能是這些實驗室中最大、最古老和最有成就的。而二戰是一個合適的歷史時期，可以尋求一個鼓舞人心的例子：它是人類歷史上最具破壞性和令人恐懼的沖突，是過去100年中美國與同行對手作戰的唯一重大沖突，也是美國最偉大的一代的崇高勝利。

考慮到這一切，我決定對現有文獻進行研究，尋找BRL在二戰期間表現出的明顯的超常發揮的科學工作。為了研究的目的，我只關注一個組織--BRL，原因如前所述。我的研究也只集中在一個特定的歷史時期--從1930年代中期到二戰結束，這也是出于前面所說的原因。在資料來源方面，我從兩本專門記錄BRL歷史的出版物開始（BRL 1995），以及其上級組織--軍械部（Green 1955）。我用其他可能找到相關信息的文獻來充實這些關鍵資料；見第5節。毋庸置疑，我將資料來源限制在公共領域的信息。雖然這種方法可能會忽略一些對超配的重要貢獻，但我沒有看到證據表明缺失的部分（如果有的話）是如此之大，以至于改變了我的發現和結論。

這項研究的目的有兩個方面。第一個目的是找出二戰期間BRL的科學努力和成就導致超額完成任務的例子。在每一個案例中，我都確保不會不加批判地接受關于這種成就的說法。我問自己，"我們是否有客觀、切實的支持，以及它是否真的代表了科學對二戰中公認的軍事超越的貢獻？" 特別是，即使BRL的技術報告中描述了某項研究工作，我也要尋找單獨的文件證據，證明該研究的結果確實對超額完成任務有所貢獻。第二，我想尋找可能為此類軍事科技組織的未來工作提供參考的見解和經驗教訓。

雖然我的一些發現是鼓舞人心的，但其他的發現并不完全令人欣慰。然而，我確實認為，它們值得公開和真實地討論。坦率地審視過去的挑戰有助于我們應對未來的此類挑戰。

本報告是我對這項研究的發現和結論的總結。本報告的其余部分組織如下。在第2節中，我討論了支持和反對選擇不同時間段和不同方法進行這種研究的論點。在第3節中，我回顧了BRL的多項成就，這些成就本可以是對軍事能力的不可或缺的貢獻，而且在許多情況下，實際上是對軍事能力的不可或缺的貢獻，包括二戰期間美國軍隊的超強能力。接下來是第4節的意見和結論。

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。