城市戰爭是今天和明天的戰爭。過去三年中最重要的戰爭都是在城市地區進行的，這也是未來戰爭的先兆。

2020 年 9 月 27 日至 11 月 10 日，阿塞拜疆在第二次納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中與亞美尼亞兵力交戰，阿塞拜疆特種部隊和輕步兵在大炮和無人機的支援下成功實施滲透攻擊，奪取了納戈爾諾-卡拉巴赫的決定性地形舒沙市，取得了軍事勝利。2021 年 5 月 11 日至 21 日的以色列-哈馬斯戰爭是現代城市作戰的典范，因為這場戰爭是在加沙城和城下的隧道中進行的。

加沙估計有 75 萬人口，世界人口評論網站將其評為地球上人口最稠密的城市之一。俄羅斯于 2022 年 2 月 24 日對烏行動，揭開了俄烏戰爭的序幕。圍攻馬里烏波爾等戰役只是現代戰爭中城市戰斗的一個例子，人數和武器均處于劣勢的烏克蘭士兵從 2 月 24 日開始守衛這座城市，直到 2022 年 5 月 20 日他們在亞速爾工廠的最后據點投降。在軍事領導人和系統設計人員調查這些沖突時，研究、訓練、裝備和準備城市戰的迫切需要是顯而易見的，也是迫在眉睫的。

圖：無人機正成為戰爭中必不可少的武器，在城市作戰中更是如此。在這張圖片中，一名以色列士兵展示了一種專為城市作戰設計的游蕩彈藥。 圖片來源：埃爾比特系統公司

對俄烏戰爭中的城市行動進行深入研究后會發現，圍攻大城市（如馬里烏波爾，俄軍用了 86 天時間，在炮兵和空軍的配合下，用 14 000 名兵力擊敗了大約 4 500 名烏克蘭人組成的守城部隊）是很困難的。另一種選擇是攻擊守城，這是一種混亂而血腥的行動，就像我們 2022 年 2 月在基輔看到的那樣，而且會以兇猛的速度消耗軍事力量。在 21 世紀打贏城市戰斗需要新思維，但最重要的是需要有效的情報監視和偵察（ISR），用于確定傳感器、射手和干擾器的目標位置。

不僅僅是傳感器，而是 "感知-打擊"系統

ISR 傳感器在開闊的地形中效果最佳。建筑物和鋼筋混凝土結構阻礙了城市環境中的視線傳感器。一些新技術將提高傳感器系統在城市環境中克服這一問題的能力。傳統的殺傷鏈使用單獨的傳感器和射手系統，存在時間差，使目標無法躲避打擊。在前面提到的三場戰爭中，殺傷鏈的時滯都降低了動能打擊的效果。為了減少這種時間差，人們開發了 "從傳感器到射手 "系統，使用戶能夠迅速確定目標的合法性，然后使用一系列可能的武器對其實施打擊。這些系統可將殺傷鏈縮短到幾秒鐘。為縮短殺傷鏈所作的進一步努力導致傳感器和效應器合二為一。

以色列的技術公司在開發機器人系統和隱蔽彈藥方面已顯示出領先地位。例如，以色列制造的 Harop 和 Orbiter 空對空彈藥在阿塞拜疆第二次納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭的 44 天決定性勝利中發揮了關鍵作用。總部位于以色列的防務公司埃爾比特系統公司（Elbit Systems）在此經驗的基礎上，正在開發網絡化自主機器人，以主宰戰場。

埃爾比特公司的 Legion-X 系統將各種類型的多領域機器人傳感器連接成一個網絡蜂群。根據埃爾比特公司的說法，"Legion-X 是一種基于機器人平臺和異構蜂群的自主網絡化作戰解決方案......Legion-X 在同級/近似同級對手作戰場景中具有優勢，能夠協調部署由連接的異構自主平臺和有效載荷組成的蜂群"。

Legion-X 網絡實現了對空中和陸地機器人武器的'一對多'控制（一名操作員控制數十個系統）。無線局域網（Wi-Fi）用于交換語音、數據和流媒體視頻。在沒有 Wi-Fi 的地區，Elbit 的寬帶戰術數據通信網絡可通過陸地或空中系統提供軟件定義無線電 (SDR) 網絡。為了增強彈性，該網絡覆蓋北約所有移動頻段，不依賴全球定位系統（GPS）。

Legion-X概念的一個關鍵要素是專為城市作戰設計的LANIUS隱蔽彈藥。LANIUS 是一種超視距 (BLOS) 游蕩彈藥，具有自主感知和攻擊能力。該系統通過 Wi-Fi 或 SDR 網絡與網絡中的其他連接系統進行通信。機載計算和人工智能（AI）可幫助 LANIUS 避免與其他物體碰撞，并同時進行定位和繪制環境地圖。LANIUS 是一種短程武器，飛行時間為 7 分鐘，可攜帶致命或非致命有效載荷，飛行速度可達 20 米/秒，或在一個地方懸停。微型無人機還可以從一個更大、射程更遠的無人機母艦上發射。在清理建筑物時，十幾架裝有高爆彈頭的 LANIUS 迷你無人機可以從母艦上自主發射，搜索并摧毀目標。在未來的城市戰斗中，士兵們很可能會使用 LANIUS 這樣的無人機，就像二戰中清理房間時使用手榴彈一樣，只不過這些智能無人機在提供爆炸效果的同時，還能提供建筑物內情況的實時視頻。

蜂群ISR和打擊

每次作戰行動都需要找到敵人，然后對其實施打擊。無論武器多么先進，在城市戰斗中將人類作戰人員置于危險境地都會造成人員傷亡。烏克蘭城市地區的戰斗表明，城市是一個復雜的戰斗空間，難以駕馭，難以征服。城市地形為防御兵力提供了隱蔽、堅固的陣地，以及在每棟建筑和每條道路上埋伏的機會。在正在進行的俄烏戰爭中，俄軍在出兵之前就用各種形式的火炮摧毀了大片城鎮。要避免出現這種情況，需要新的思維，而美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正在努力提供一種解決方案。

DARPA 決心開發并利用人工智能來增強用于城市 ISR 和作戰行動的軍用機器人系統。2021 年 3 月，DARPA 信息創新辦公室副主任 Matt Turek 博士在國防戰備研討會上宣布，人工智能對 DARPA 120 多個最重要的項目至關重要。圖雷克補充說，DARPA正在開發一項 "可解釋人工智能 "計劃XAI，以實現 "第三波人工智能系統，在這一系統中，機器理解其運行的背景和環境，并隨著時間的推移建立底層解釋模型，使其能夠描述真實世界的現象"。"這將創建人工智能系統，使其能夠學習環境以執行各種任務。第三波人工智能讓計算機成為人類作戰人員的得力伙伴，而不僅僅是工具。2023 年 2 月，DARPA 的 "空戰進化 "計劃展示了人機合作的一個實例，該計劃使 F-16 "獵鷹 "戰斗機能夠在人工智能的幫助下獨立運行。該飛機更名為 X-62A 或 VISTA（可變飛行模擬器測試飛機），在人工智能的控制下進行了多次飛行。這種人工智能將使無人駕駛飛機成為有人駕駛飛機的 "忠實僚機"。當與閑逛彈藥一起使用時，人工智能將增強無人機群的自主和協作能力。這些測試使網絡化自主無人機成為美國空軍資助和開發的重中之重。

2021 年 11 月 16 日，在 "進攻性蜂群戰術"（OFFSET）項目的最后一次實地實驗中，一群無人機掃描了坎貝爾堡的卡西迪靶場綜合體。DARPA 的研究人員設計的 OFFSET 允許步兵部隊使用多達 250 架以上的無人機群來完成城市環境中的各種任務目標。圖片來源：美國陸軍/Jerry Woller

DARPA 的 "進攻性蜂群戰術"（OFFSET）計劃利用無人機群解決城市作戰中的 ISR 和打擊問題。DARPA 網站稱，OFFSET 計劃 "設想未來小股步兵部隊使用多達 250 架以上的無人機系統和/或無人地面系統組成的蜂群，在復雜的城市環境中完成各種任務。通過利用和結合蜂群自主和人類-蜂群團隊合作方面的新興技術，該計劃旨在實現突破性能力的快速開發和部署"。

這一概念將協作、聯網的無人機群和 UGS 與士兵結合起來，為城市作戰提供無與倫比的感知和打擊能力。無人機群將同時充當傳感器和射手，隔離城市戰斗空間中的建筑物或區域，并實施城市突襲。未來的城市戰斗將由飛行和滾動的機器人系統取代士兵蜂擁進入城市并接受由此帶來的重大人員傷亡。總之，使用網絡化的自主無人系統，以蜂群的方式進行作戰，將改變戰爭的方式。

主宰天空和平流層

實時態勢感知是城市戰斗中的戰斗力倍增器，而 ISR 無人機是當今每支現代兵力的基本工具。只要有幾千美元，任何人都能買到價格低廉的一次性小型無人機（sUAV）。幾乎每個國家都在制造無人機，其中最昂貴、能力最強的系統由中國、美國、歐洲、以色列、土耳其和伊朗制造。無人機在俄烏戰爭中發揮了巨大作用，烏克蘭 Aerorozvidka（烏克蘭語：Аеророзв?дка，"空中偵察"）使用的大部分無人機都是DJI無人機改型。Aerorozvidka 是一支由烏克蘭軍隊無人機操作員組成的部隊，他們在戰前是無人機愛好者，但現在已成為無人機駕駛專家。

烏克蘭正在使用無人機執行情報、監視、偵察（ISR）和打擊任務，以擊敗俄羅斯入侵者。圖為 2020 年，一架 R18 無人機在 "Shyrokyi Lan "靶場進行轟炸測試。圖片來源：Aerorozvidka 無人機部隊

無人機以低成本提供軍事能力。成本從幾百美元到幾千美元不等的小型四旋翼無人機可以用來觀察城市街區，并能在建筑物內機動，但從中高音觀察城市作戰空間也是城市作戰所必需的。從高空作業的系統提供了一種手段，可以揭露不在建筑物內或隱藏在地下的敵方兵力。有人駕駛飛機可以提供中高空 ISR，但在高威脅環境中，這一任務由高空長航時（HALE）和中空長航時（MALE）無人機完成。然而，當考慮在大城市或特大城市進行城市作戰時，中高空 ISR 是不夠的。需要持久的 ISR。為了提供持久的 ISR，需要采取多層次戰略，包括利用衛星的空間層、平流層層和中高大氣層。

在地球靜止軌道或低地軌道（LEO）上環繞地球運行的衛星可從太空提供 ISR。有人駕駛飛機以及 MALE 和 HALE 無人機提供大氣層覆蓋。缺口似乎在第二層，即平流層，從海平面以上 7-20 千米（取決于緯度）延伸到大約 50 千米。

為了突破這一缺口，美國陸軍一直在試驗無人平流層 ISR 系統。從平流層運行的飛行器可以拍攝高分辨率圖像，以相對較低的延遲傳輸和中繼通信，加速視頻饋送和數據處理，提供敵方威脅的早期預警，并能干擾敵方的雷達和通信系統，其效果優于太空中的衛星。這些能力對于大城市的作戰行動至關重要。2021 年，美國中央司令部（CENTCOM）和美國海軍水面作戰中心（NSWC）發布了一份使用平流層氣球和太陽能滑翔機無人機的解決方案請求（RFS），美國軍方強調了他們對平流層的興趣。過去五年中進行的測試主要集中在平流層的操作上，以便在不允許的環境中進行持久作戰。

在平流層站穩腳跟的一項努力是開發一種名為 "Zephyr "的平流層高空無人機，該無人機由歐洲空中客車公司制造，英國奇奈蒂克公司（QinetiQ）設計。空中客車公司稱 Zephyr 為 "太陽能高空偽衛星"（SHAP-S），幾乎可以從任何地方按需發射。Zephyr-8 是美國陸軍正在測試的這種超輕型碳纖維無人駕駛飛機的最新型號之一。它的重量不到 75 千克，翼展可達 25 米。機翼和尾翼表面裝有大型太陽能電池板，白天為飛機供電，夜間為鋰硫電池充電。由于 "澤法 "非常輕巧，6 到 8 個人就可以將其抬起來發射，由兩個螺旋槳驅動的發動機將其升入空中。

美國陸軍的 "澤法爾"-8 原型機于 2022 年夏天在 18288 米（60000 英尺）的高空飛越了美國南部、墨西哥灣和南美洲，飛行了 64 天，直到 2022 年 8 月 8 日在亞利桑那州沙漠墜毀。美國陸軍沒有透露墜毀的確切原因，只是說 "澤法 "號經歷了 "導致其意外終止的事件"。澳大利亞也購買了一架 "澤法"，它于 2019 年 9 月 28 日墜毀，當時它上升到 2438 米（8000 英尺），執行了一系列不受控制的轉彎，但因空氣湍流而失效，螺旋式下降，并在下降過程中解體。官方確定墜機原因是大氣條件不穩定。未來的城市行動不僅包括以傳統的空中優勢主宰空中，還包括主宰平流層。

美國軍方多年來一直使用航空浮空器提供實時、持久的情報監視和偵察 (ISR) 信息。在這張照片中，第 84 雷達評估中隊（RADES）于 2019 年 11 月 13 日在亞利桑那州瓦丘卡堡對系留航空浮空器雷達系統（TARS）進行了分析和優化，以支持國土安全部（DHS）和海關與邊境保護局（CBP）。 圖片來源：USAF/GS-11 Deb Henley

在平流層放置傳感器和干擾器是一項日益增長的軍事需求。在大多數軍事行動中，"Hi-Lo "組合（將昂貴的高端系統與價格較低但功能強大的低端系統結合起來）提供了一種制勝的平衡。氣球可作為城市行動 "Hi-Lo "解決方案的一部分，可配置為支持具有 Wi-Fi 連接的無人飛行器群，在城市峽谷等死角將無人機聯網。這種 "Hi-Lo "組合可提供冗余和彈性，成本也低于有人駕駛或 HALE 和 MALE 無人系統。最新的 "輕于空氣"（LTA）系統可攜帶大型復雜的 ISR 和通信包，為城市上空提供持續監視、網絡連接和電子戰（EW）支持。軍用 LTA 飛行器被稱為 "平流層飛行器"，可在平流層運行，為反無人駕駛飛行器（C-UAV）防御提供 ISR。

航空氣球既可以系留，也可以自由飛行。這些高空氣球的飛行高度高于飛機，但低于衛星，距離地面 18 288 米（60 000 英尺）至 30 480 米（100 000 英尺）。美國洛克希德-馬丁公司（Lockheed Martin）是參與軍用航空氣墊的主要國防公司之一。洛克希德-馬丁公司在二戰前就與美國海軍合作研制軍用氣球。美國曾在低空使用系留戰術航空浮空器，用于監視美國南部邊境，打擊販毒活動。自2013年以來，洛克希德-馬丁公司的420K航空氣球系統一直是美國日常使用的唯一ISR和通信氣球，直到拜登政府切斷資金并決定在2023年底將其停飛。洛克希德-馬丁公司的另一種戰術氣球型號是洛克希德-馬丁 74K 氣球，專門用于低空軍事持續監視和通信。該飛行器長 35 米，系有光纖傳輸電纜。它可以攜帶 500 公斤的有效載荷。

飛行高度較高的飛行器可為城市作戰行動提供顯著的廣域監視和通信優勢。洛克希德-馬丁公司的高空飛艇（HAA）可在平流層中運行，為城市上空的無人持久和持續地球靜止 ISR、EW 和通信提供了能力。由于它在典型的高度上運行，大多數短程防空（SHORAD）系統都無法將其擊落。由于 HAA 可以在地面站或衛星中繼站的指揮下在空域內機動，因此不需要系繩。氣球通常的有效載荷包括監視雷達、慣性導航系統、熱成像和日間照相機以及電子情報和通信情報包。雖然美國沒有武裝氣球，也無意這樣做，但其他國家可能不會這么猶豫。在平流層運行的武裝氣球可以成為進行精確轟炸的武器平臺。

由于 Block 40 "全球鷹 "機隊在現代防空面前已無法生存，美國空軍預計將在 2027 年用更現代化、能力更強的系統替換 "全球鷹 "機隊。圖為2020年10月23日，一架RQ-4 "全球鷹 "被拖過北達科他州大福克斯空軍基地的飛行線。 圖片來源：美國空軍/高級飛行員 Elora J. McCutcheon

下一場城市戰役的 ISR 和打擊

世界正變得越來越危險。爆發大國戰爭的可能性似乎正在上升，而且有可能同時爆發多場大規模戰爭。在當前的俄烏戰爭中，城鎮中的戰斗是主要的作戰環境，從這場戰斗中得到的主要教訓是，城市戰斗是無法避免的。盡管希望避免在城市作戰，但這是不可能的，必須為此做好準備、進行訓練和裝備。技術無法單獨應對城市作戰的挑戰，但它為烏克蘭的血腥戰斗提供了另一種選擇。

未來城市作戰空間中的 ISR 將以蜂群式感知和打擊系統以及控制城市上空和平流層的手段為特征。在安全范圍內提供高精度多域 ISR 的平臺將改善網絡，提供干擾敵方系統的手段，并使無人機行動贏得城市戰斗。人工智能、微型化和自主無人系統正在推動戰爭發生這些變化。

未來十年，兵力將從現在的獨立能力網絡作戰轉變為系統群作戰。保羅-沙雷（Paul Scharre）在 2014 年發表的題為 "戰場上的機器人技術第二部分：即將到來的蜂群"（Robotics on the Battlefield Part II the Coming Swarms）的研究報告中預言 "新興的機器人技術將使明天的兵力以蜂群的形式作戰，比今天的網絡化兵力具有更大的質量、協調性、智能和速度。低成本的無人系統可以大量建造，'淹沒區域'，以其數量壓倒敵人的防御。網絡化的合作式自主系統將能夠實現真正的蜂擁--分布式元素之間的合作行為，從而形成一個協調一致的智能整體。

在城市作戰中，這些無人系統將提供大規模的偵察和打擊能力，這是在沒有過多人員傷亡的情況下贏得城市戰斗的必要條件。隨著兵力部署成群的聯網無人機，這些無人機將提供無處不在的 ISR 和打擊能力。戰爭的主導權很快將屬于成群的聯網機器人平臺，它們可以自主感知、打擊和干擾敵方兵力。這些武器的成本不會很低，但在下一場戰爭中，它們將引發一場變革，其意義不亞于機槍和坦克在 20 世紀所引發的變革。為了適應這些不斷變化的戰爭方式，我們必須換位思考，及時行動。

美國海軍陸戰隊司令于 2016 年 9 月提出了 "海軍陸戰隊作戰概念"（MOC），以引發對未來戰爭以及海軍陸戰隊將面臨的挑戰的深入討論。海軍陸戰隊未來面臨的挑戰源于需要將平民百姓與隱藏、窩藏或只是生活在他們中間的對手區分開來。人們期望使用精確和智能武器，盡可能減少對當地平民造成的附帶損害，正如二戰后全面戰爭時期的大多數歷史所表明的那樣。沒有理由認為未來的戰爭會有什么不同。正如自方陣揮舞長矛以來的歷史所證明的那樣，不斷發展的技術將使未來的戰爭更具殺傷力。2018 年《國防戰略》預言："成功不再屬于首先開發新技術的國家，而是屬于更好地整合新技術并調整作戰方式的國家"。這一宣言乍一看似乎顯而易見，但如果真正的問題不是單一的技術，而是新興技術與現有技術的結合呢？無人機系統、靜態照片和視頻保真度、面部識別算法和人工智能（AI）的能力不斷增強，而成本和獲取途徑卻在短短幾年內不斷降低，為前線部隊提供實時目標定位和信息，而數據的分類、整理和編目仍以人類的速度進行。隨著平臺和數據流數量的增加，機器必須取代人類，以提高處理能力和速度。由有限人工智能支持的小型無人駕駛航空系統（SUAS）群將改變未來戰爭的特征，并提供必要的生物特征定位信息，將敵方從尋求躲避子彈和炸彈的友軍或中立人群中分離出來并鎖定目標。

隨著美國海軍陸戰隊的重點轉向大國對手，它必須解決訓練和裝備方面的不足，以保持電磁頻譜（EMS）中的彈性通信，否則就有可能在未來的沖突中無法通信。

美國海軍陸戰隊的行動依賴電磁頻譜來支持關鍵功能，包括指揮、控制、通信、情報、監視和偵察。在最近的大規模作戰行動中，美國海軍陸戰隊面對的敵人在干擾或爭奪電磁頻譜的技術能力方面相對較低。隨著大國競爭的興起，這種威脅已經發生了變化。同行對手已準備好挑戰美軍在有爭議的電磁環境中作戰的能力。美國海軍陸戰隊在關注同級對手的同時，需要提高對這種有爭議環境中作戰的理解和熟練程度。美國海軍陸戰隊應研究戰爭博弈技術的進步，并投資于抗電磁干擾能力更強的通信系統，以訓練和裝備部隊應對同行競爭。戰爭博弈技術的進步為海軍陸戰隊提供了一個寶貴的學習工具，使未來的領導者做好準備，在這個不明確、不熟悉的環境中開展行動。設備投資將實現一個多樣化、有彈性的通信系統，能夠在與同行國家的沖突中幸存下來。

美國海軍陸戰隊目前缺乏在有爭議的電磁頻譜環境中開展軍事行動的訓練或裝備。重新審視舊的理論，并將電磁頻譜作戰引入戰爭游戲和軍種演習，將提高美國海軍陸戰隊與同級對手競爭的能力。

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。

對使用無人駕駛飛行器（UAV），即無人機，在不同的應用中，如包裹遞送、交通監測、搜索和救援行動以及軍事戰斗交戰，有越來越多的需求。在所有這些應用中，無人機被用來自主導航環境--沒有人的互動，執行特定的任務和避免障礙。自主的無人機導航通常是通過強化學習（RL）完成的，智能體作為一個領域的專家，在避開障礙物的同時導航環境。了解導航環境和算法限制在選擇適當的RL算法以有效解決導航問題中起著至關重要的作用。因此，本研究首先確定了主要的無人機導航任務并討論了導航框架和仿真軟件。接下來，根據環境、算法特點、能力和在不同無人機導航問題中的應用，對RL算法進行了分類和討論，這將有助于從業人員和研究人員為他們的無人機導航用例選擇合適的RL算法。此外，確定的差距和機會將推動無人機導航研究。

引言

自主系統（AS）是能夠在沒有人類干擾的情況下執行所需任務的系統，如機器人在沒有人類參與的情況下執行任務、自動駕駛汽車和無人機送貨。自主系統正在侵入不同的領域，以使操作更加有效，并減少人為因素產生的成本和風險。

無人駕駛航空器（UAV）是一種沒有人類飛行員的飛機，主要被稱為無人機。自主無人機由于其多樣化的應用而受到越來越多的關注，如向客戶交付包裹、應對交通事故以滿足傷員的醫療需求、追蹤軍事目標、協助搜索和救援行動，以及許多其他應用。

通常情況下，無人機配備有攝像頭和其他傳感器，可以收集周圍環境的信息，使無人機能夠自主地導航該環境。無人機導航訓練通常是在虛擬的三維環境中進行的，因為無人機的計算資源和電源有限，而且由于墜毀而更換無人機部件可能很昂貴。

不同的強化學習（RL）算法被用來訓練無人機自主導航的環境。強化學習可以解決各種問題，在這些問題中，代理人就像該領域的人類專家一樣。代理人通過處理環境的狀態與環境互動，用行動作出回應，并獲得獎勵。無人機相機和傳感器從環境中捕捉信息，用于表示狀態。代理人處理捕捉到的狀態并輸出一個行動，決定無人機的運動方向或控制螺旋槳的推力，如圖1所示。

圖1：使用深度強化智能體的無人機訓練

研究界對不同的無人機導航問題進行了回顧，如視覺無人機導航[1, 2]、無人機植群[3]和路徑規劃[4]。然而，據作者所知，目前還沒有與RL在無人機導航中的應用有關的調查。因此，本文旨在對各種RL算法在不同無人機自主導航問題上的應用進行全面系統的回顧。這項調查有以下貢獻：

• 幫助從業人員和研究人員根據應用領域和環境類型，選擇正確的算法來解決手頭的問題。
• 解釋各種RL算法的主要原理和特點，確定它們之間的關系，并根據環境類型對它們進行分類。
• 根據問題領域，討論和分類不同的RL無人機導航框架。
• 認識用于解決不同無人機自主導航問題的各種技術和用于執行無人機導航任務的不同仿真工具。

本文的其余部分組織如下： 第2節介紹了系統回顧過程，第3節介紹了RL，第4節全面回顧了各種RL算法和技術在無人機自主導航中的應用，第5節討論了無人機導航框架和仿真軟件，第6節對RL算法進行分類并討論了最突出的算法，第7節解釋了RL算法的選擇過程，第8節指出了挑戰和研究機會。最后，第9節對本文進行了總結。

傳統遙控飛機界的許多內部和外部實體都熱衷宣傳MQ-9在全球反恐戰爭后的效用，然而該平臺已被積極地列為退役目標。一個兩階段的方法將調整MQ-9在其剩余壽命內的訓練和發展，以便從武器系統中獲取更多的價值，并加速變化以應對未來的挑戰。

在9/11恐怖襲擊之后，美國空軍發現自己沒有足夠的機組人員、飛機，也沒有開展大規模空中獵殺任務的方法，這成為全球反恐戰爭（GWOT）的特點。似乎是在一夜之間，通用原子公司的一架演示飛機被批量生產，即RQ-1。這個平臺與各種各樣的飛行員和情報分析員搭配，創建了世界上第一支遠程作戰航空部隊，負責滿足對機載情報、監視和偵察（ISR）以及精確打擊的近乎無限的需求。

近二十年來，大量資金填補了遙控飛機（RPA）武器系統的硬件和軟件方面的能力差距，空勤人員的繼續培訓也被作戰要求所取代。 同時，典型GWOT客戶的高度指令性和動態性質侵蝕了任務規劃技能和中隊層面的任務所有權文化。其結果是，部隊只精通范圍狹窄的任務，高度依賴外部采購、作戰設計、任務規劃、指揮和控制，但卻能熟練地適應變化。

美國2018年國防戰略在常規RPA部隊中受到熱烈追捧，預示著回歸到傳統設計的作戰能力任務，如空中攔截和打擊協調與偵察。 由于部隊在訓練資源匱乏的情況下，這支部隊除了空對地訓練任務，同時還肩負著全天候支持全球大戰的特種作戰任務，因此出現了摩擦。

隨著空軍慢慢轉向支持美國與其他強國的競爭，傳統的MQ-9試圖通過展示其在訓練環境中執行條令任務的能力來調整。決策者們提出了第四代以上的 "死神 "版本，試圖在適度競爭的地區生存。部隊外部的幾個人發表了關于MQ-9在國家競爭和新興任務中的可行性的有力論據。

然而，在很大程度上遇到了來自作戰指揮部客戶的不溫不火的熱情，而采購資金已經放緩。 空軍對無人駕駛飛機系統的設想似乎分化在少量昂貴的多任務飛行器上，這些飛行器以傳統的1:1機組人員/平臺的比例運行，而人工智能支持的團隊則與第五或第六代戰斗機組成。

克里斯蒂安-布羅斯描述了這一愿景的危險性，但也主張剝離傳統平臺，MQ-9屬于這一家族。 因此，今天的常規RPA部隊的前景是，當GWOT音樂最終結束時，他們將沒有椅子，留下經驗豐富的遠程戰斗人員--武器系統中最有價值的組成部分，在空軍執行MQ-9的2035年退役計劃之前，他們將處于困境。針對條令任務進行的訓練，等待 "MQ-next"，并希望它是作戰指揮部所需要的，這是否是對時間和精力的最佳利用？

本文提出了一條顯著提高MQ-9對作戰指揮部的價值的途徑，同時通過培養適應性強的領導-飛行員和利用武器系統設計的內在優勢，為未來的人員和程序做好準備。

第一階段:重新想象和重新聚焦

MQ-9支持者和反對者之間的差距在于，前者看到的是能力和潛力，而后者看到的是沒有好處的成本和脆弱性。對于任何任務，指揮官當然可以接受無人駕駛飛機的更高風險，然而，運營商似乎在推銷這樣做的好處方面有所欠缺。既然各種空中、陸地和地面發射的火力可以更快地達到效果，而且不會發生聳人聽聞的擊落事件，為什么還要讓一架MQ-9把幾千磅的彈藥帶到有爭議的空間的目標上？

雖然RPA訓練演習可能在一個具有操作代表性的背景下，展示執行條令性空中攔截任務，但對客戶的價值主張基本上是一個低速可重復使用的巡航導彈。MQ-9戰斗機也可以進行打擊協調和偵察，但普遍宣傳的優勢--脫離飛行環境的機組人員可以比有人駕駛的飛機更有效地組織、分類和分配目標--是沒有記錄的，而且可能不被RPA界接受。

一般來說，MQ-9在同行競爭市場中客戶需求疲軟的根源在于沒有接受其獨特的優勢，在某些情況下還壓制了它們。MQ-9應該在其剩余的服役期內作為一個靈活的遠程/續航尋找-修復-跟蹤（F2T）系統出現，而不是束縛在特定的條令性任務集上，提供適度的即時動能反應選項陣列。此外，需要探索而不是忽視地面駕駛艙的潛在優勢，以確定載人或無人系統背景下的超視距（BLOS）連接的成本和效益。

第一階段重新設想了目前MQ-9的操作，以內在的力量為基礎，打破了社區的身份是在全球戰爭中的概念，而實際上它是在沒有人能夠適應的情況下適應任務。將駕駛艙作為武器系統的核心來執行，重新將培訓重點放在空中技巧、ISR和任務所有權上，提供了一種手段來大幅提高任務的有效性，與情報生態系統相結合，并提高靈活的戰斗就業能力。

第二階段:加速變革

由于RPA社區仍然夾在滿足今天的任務要求和滿足明天的準備要求之間，該社區應該看到定期暴露在戰區的價值，接受剩余的GWOT行動作為戰術沙盒，并利用這些機會將先進的概念和能力帶到戰場上。

第二階段將MQ-9的“暮年”變成了一個孵化器和信息交流，通過將先進的能力暴露在作戰環境和經驗豐富的RPA機組人員面前來提升它們。這有一個周邊的優勢，那就是在今天教育和準備人員，這將是在未來平臺上全面推廣先進能力所需要的。簡而言之，傳統的 "死神 "部隊需要重新專注于發揮其今天的優勢，同時為未來準備人員和程序。

無人機系統（UAS）和其他相關技術（人工智能或AI、無線數據網絡、擊敗敵方電子戰的電子支援措施）已經發展到一個新的地步，無人機系統被認為原則上能夠執行目前由有人駕駛飛機執行的幾乎任何任務。

因此，許多武裝部隊正在積極試驗有人-無人編隊協作（不同的縮寫為MUM-T或MUMT）。通過將有人和無人資產作為一個單位而不是單獨部署，無人機最大限度地發揮了其作為力量倍增器的價值，提高了在高度競爭性空域的殺傷力和生存能力。無人機系統的直接控制權可由飛行中的有人單位或單獨的空中、地面或海上指揮中心掌握。隨著時間的推移，人工智能的進步將允許無機組人員的編隊元素自主地執行大部分任務。這最終可以將人類干預減少到最低，只保留任務目標的輸入、交戰規則的定義和武器釋放的授權。事實上，這種自主能力對于MUM-T概念來說是至關重要的，以防止人類飛行員被控制無人機的額外任務所淹沒。 無人機系統的主要應用包括：

• 目標偵查；
• 為有人駕駛飛機進行戰損評估；
• 電子戰；
• 各種有人或無人平臺之間的數據和通信中繼/接口；
• 武裝護衛。

在“武裝護衛”角色中，無人機系統可以在有人平臺執行任務之前壓制敵人的防空設施（SEAD角色），或者作為一個外部武器庫，使單一的有人駕駛飛機在每次任務中能夠攻擊大量的目標。

• 1 美國陸軍MUM-T
  • 旋翼系統
  • 推進能力建設
  • 下一代有人-無人編隊步驟
  • 韓國
• 2 美國空軍MUM-T
  • 美國空軍SKYBORG
  • SKYBORG 路線圖
  • 朝記錄項目發展
  • ATS/忠誠僚機
  • 英國皇家空軍“蚊子（MOSQUITO）”
  • FCAS - 未來戰斗航空系統
  • FCAS - 法國PANG
• 3 美國海軍MUM-T
  • 美國海軍MQ-25 STINGRAY加油機
  • 無人駕駛型F/A-18測試
  • 美國海軍的下一代空中優勢
• 4 其他國家發展狀況

由于沒有足夠快地開發和部署人工智能（AI），美國在常規戰斗中面臨被超越的風險。對手，特別是中國，正在擁抱人工智能，并試圖利用所認為的美國弱點。中國計劃到2030年成為人工智能的世界領導者，并繼續在其民用和軍用部門大量投資于人工智能能力。使用致命性自主武器（LAWS）是不可避免的，并正在所有領域發展這種能力。人工智能是一種力量倍增器，但美國對在戰斗中使用致命性自主武器感到不安。中國和美國對未來的人工智能應用有著截然不同的戰略。為了使美國軍隊既能最大限度地發揮人工智能的全部潛力，又能維護國際法治，在未來的大規模沖突中，人-智能體（H-A）編隊合作是必不可少的。

為什么需要人類-智能體編隊?

雖然人工智能是一種力量倍增器，但美國的政策制定者和軍事指揮官目前對在未來的戰斗中使用致命性自主武器系統感到憂慮。如果一個或多個對手對美國或其盟國部署致命性自主武器系統，這一政策可能會引起爭論。解決這個問題的一個潛在辦法是將人工智能與人類對應方組合起來。人-智能體（H-A）團隊是一個網絡，其中智能系統（智能體）和人在一個小組內有效合作，通過加強彼此的強項和預測彼此的弱點來創造協同效應。團隊合作的特點和屬性因模型而異，但貫穿始終的一個概念是相互依賴的重要性。H-A團隊合作取決于人與人工智能系統之間的這種相互依存關系，才能取得成功。

DeepMind之前提到的AlphaGo是一個完美的例子，說明如何有效地將人工智能與人類同行配對。2017年，也就是AlphaGo第二次擊敗圍棋世界冠軍的那一年，兩名人類專業人士與人工智能系統結成了伙伴。在 "配對圍棋 "中，人類和AlphaGo交替下棋，每個人都必須學習和適應他們的隊友正在下的棋。這種耦合使人類能夠從他們的人工智能對手那里學習，成為更好的棋手。與AlphaGo配對的中國圍棋大師連笑解釋說："AlphaGo非常自信，他也給了我信心。他幫助我相信我應該掌好舵"。雖然人類在AlphaGo手中的失敗讓一些人感到失望，但這實際上是一種變相的祝福。H-A組隊有可能增強，甚至可能改善人類目前的能力。

本文將試圖回答美軍將如何利用人工智能和H-A團隊合作，為未來10到20年的大規模戰斗做準備。為了使美國軍隊既能最大限度地發揮人工智能的潛力，又能維護國際法治，H-A團隊合作在未來的沖突中是必不可少的。通過理論、歷史、條令、已完成的研究項目和潛在的未來情景，這項研究將有助于回答人工智能在美國軍事行動中的未來是什么樣子。證據將集中在利用自主武器系統（AWS）和人工智能的積極和消極方面。

本文還將探討H-A組隊的能力，以及當兩者結合在一起時，性能是否會提高。研究結果將解決 "終結者難題 "的可能性，特別是在自主機器提供明顯優勢的情況下是否使用它們。雖然這個話題相對較新，但有許多關于人工智能研究和在美國軍隊中使用的書籍、期刊文章和新聞報道。研究將擴展這一主題，并提出在未來戰場上人工智能和人類合作的方式。人工智能有可能引領下一次軍事事務的革命（RMA）；然而，除非人工智能成為人類有效團隊的一部分，否則美國無法在大規模戰斗中充分發揮其潛力。

（2021年11月10日，在荷蘭弗里皮爾舉行的北約反無人機系統技術互操作性演習中，無人機在無人機群演示前處于起飛位置。）

美國防部（DOD）和美國政府在敵方使用小型無人駕駛飛機系統（sUAS）方面面臨著重大國家安全挑戰。創建集群能力的現有技術導致了多層次和無法管理的威脅。本文討論了如何準備和應對這一迫在眉睫的挑戰，俗稱“無人機蜂群”。傳統思維和實踐的基本挑戰推動了對無人機蜂群的關注。一些未解決的問題包括無人機蜂群對美國的潛在利益與威脅。迄今為止，沒有任何方法能充分解決美國對無人機蜂群的戰略風險。盡管美國防部戰略包括一些應對敵方無人機威脅的方法，但它并沒有完全面對挑戰，而要解決未來武裝無人機蜂群帶來的戰略問題，就必須面對這些挑戰。為了減輕這種新出現的風險，美國需要一個協調的方法來解決技術、法律和條令問題。

1 戰略環節

美國目前的戰略文件為確保和推進國家利益提供了總體要求。然而，新出現的威脅和潛在的無人機蜂群技術威脅著美國的安全態勢。例如，2017年美國國家安全戰略指出，“我們將保持一個能夠威懾并在必要時擊敗任何對手的前沿軍事存在”。隨著美國軍隊在全球范圍內的廣泛投入，對手可以利用無人機蜂群來挑戰美國在許多領域的利益；如果是這樣，美國軍隊就不能可靠地投射力量來威懾和擊敗這些同樣的對手。

此外，《美國國防戰略》認為戰爭的特點在不斷變化，行為者可以更迅速、更容易地獲得技術，包括人工智能（AI）、自主性和機器人技術。時任美國防部長詹姆斯-馬蒂斯在2018年說明了這種擔憂，他承認國土不再是一個避難所，必須預測針對“關鍵的國防、政府和經濟基礎設施”的攻擊。無人機蜂群構成了重大的國家安全戰略風險，應對這一新興威脅給美國帶來了三個關鍵領域的挑戰和機遇：技術、法律和理論。

2 奠定基礎:新興趨勢

關于作戰無人機系統使用的研究文獻揭示了以創新方式改變戰爭特征的潛力。技術革命使行為者能夠利用無人機來實現國家目標。最近發生在南高加索地區的納戈爾諾-卡拉巴赫爭議地區的戰爭說明了這一現實。阿塞拜疆對無人機系統的使用極大地幫助了它的勝利，支持了它對亞美尼亞的空中和地面作戰，而亞美尼亞擁有更多的常規空中和地面部隊，包括戰斗機和坦克。此外，這場戰爭說明了使用無人機系統來摧毀防空系統、地面部隊和裝甲車輛的優勢，包括空中能力成本相對低廉。這些系統可以憑借其相對較小的尺寸和較慢的速度避開敵人的防空系統，而且它們在常規沖突中為不太富裕的國家提供了潛在的軍事優勢。這種力量的再平衡表明，國家可能會在未來的沖突中更多地使用無人機系統來脅迫他們的敵人，促成外交上的讓步，并實現國家安全目標。遙控飛機是改變戰爭性質的工具，而小型無人機的創新使用說明了下一步的改進，其成本低，回報潛力大。

除了目前無人機系統的應用，這些航空器的未來發展趨向于更加復雜，在人工智能、自主性和機器學習方面將取得更多進展。這些術語可能會使一些人想到虛構的作品，如《天使降臨》（2019），這部電影中，小型螺旋槳驅動的無人機從地面的管道發射，攻擊美國總統和他的特勤人員。然而，在現實中主要軍事大國目前都在追求這種能力。

中國電子信息技術研究院在2020年9月測試了從地面和空中發射器發射和使用多個sUAS的蜂群編隊。此外，美國海軍研究辦公室和國防高級研究計劃局近年來進行了廣泛的測試，使用大量的無人機相互協調進行偵察，編隊飛行，或可用于向目標投放彈藥。2020年9月的一次演習顯示，俄羅斯也在繼續追求用三種型號的無人機系統進行集成編隊，打擊地面目標。雖然這本身不是無人機蜂群，但一位俄羅斯專家指出：“在這一點上，俄羅斯有很多關于UAV蜂群使用的研究，并對這種概念進行了測試和評估。”

民用無人機蜂群的發展表明，這是一項雙重用途的技術。在過去的幾年里，對無人機能力的需求不斷增加，因為各公司為編排好的展示活動編排了數以百計，有時甚至數以千計的無人機系統。例如，英特爾在2018年創造了一次展示中無人機數量最多的世界紀錄，有2066架。英特爾特定型號的無人機在眾多活動中飛行，包括2018年冬季奧運會和2017年超級碗的半場表演。最近，無人機表演為當選總統喬-拜登的特拉華州勝利慶典展示了蜂群能力。可以想象，一個邪惡的行為者可能會控制大量無人機，對涉及國家元首或大量人群的活動進行破壞。伊朗在2019年9月對沙特阿拉伯最大的原油穩定廠之一進行了無人機攻擊，顯示出不同尋常的復雜性，并且還在試驗同時對50個目標使用大量無人機。無人機蜂群的軍事和民用趨勢預示著美國的力量可能會在未來受到挑戰。盡管各行為體尚未使用真正的小型無人機蜂群來對付對手，但該技術的攻擊應用并不遙遠。

3 戰略風險及影響

各國應在仔細考慮其風險和影響后，規劃使用無人機群。一些文獻承認無人機蜂群在某些戰略軍事背景下的概念性應用。例如，一位戰略專家認為，完全自主武裝型無人機蜂群（AFADS）是蜂群應用的一個子集，可以被視為大規模殺傷性武器（WMD）。美國陸軍應用兵棋推演方法證明了無人機蜂群武器如何在平行攻擊中提供作戰優勢。美國防部關于使用自主系統的發起人之一指出：部署完全自主的武器將是一個巨大的風險，但這可能是一個軍隊值得承擔的風險。這樣做將會進入未知的領域。敵對行動者正積極試圖破壞戰時的安全行動。而且在行動時，沒有人可以干預或糾正問題。

大國可能愿意承擔這種風險；正在開發能夠獨立于人類操作者做出決策的自主武器。前美國防部長馬克-埃斯佩爾指出了美國和其他大國在自主武器發展方面的這種區別。一些評論家斷言，自動防御系統提供了軍事優勢，包括自由打擊覆蓋戰略資產的傳統防空系統或對核和支撐能力進行監視。

各國必須考慮自主武器計劃的戰略影響。一個行為者向對手使用無人機蜂群可能導致意外升級，而一個意外的人工智能決策可能無意中導致敵人反擊或外交危機。國際上的討論還沒有涉及到使用完全自主武器在“危機穩定、升級控制和戰爭終止”方面的戰略考慮。許多專家同意，自主武器系統可能在危機或武裝沖突期間提供作戰優勢，特別是在灰色地帶或混合戰爭中，但戰略風險要求決策者現在就考慮這些危險，以避免以后出現災難性的結果。完全自主的武器系統增加了誤判和/或誤解的風險，這可能導致國家和非國家競爭者之間不受控制的風險升級。這包括使用大規模毀滅性武器的威脅增加。盡管采用自主無人機蜂群存在固有的風險和后果，但這些能力為行為者提供了實現國家目標的軍事和戰略選擇。有人類參與的半自主無人機蜂群武器也會給對手帶來風險，盡管程度較低。

4 重要術語

關鍵術語和分析的范圍將澄清誤解。歐文-拉肖在《原子科學家公報》中寫道，將蜂群無人機定義為“分布式協作系統......成群的小型無人駕駛飛行器，可以作為一個群體移動和行動，只需有限的人類干預”。蜂群的另一個定義規定了軍事應用，“大量分散的個體或小團體協調在一起，作為一個連貫的整體進行戰斗”。根據美國防部指令3000.09，自主武器系統，“一旦啟動，就可以選擇和攻擊目標，而無需人類操作員進一步干預”。美國國家科學、工程和醫學研究院規定，無人機蜂群是指40個或更多的無人機系統，該群體作為一個單位，有各自的行為，所有成員都不知道任務，成員之間相互通信，每個無人機系統“會相對于其他無人機系統進行定位”。這些創新包括人工智能、自主性和機器學習的應用，以及美國防部指定為1、2和3組的sUAS進步。sUAS作為一個整體執行任務，包括情報、監視和偵察以及進攻性攻擊。在本文的其余部分，這種威脅將被稱為無人機蜂群。

5 技術可行性

對抗（或稱反制）無人機蜂群提出了三個領域，這對五角大樓和負責保衛美國國土的國家機構來說既是挑戰也是機遇。第一個領域，即技術，美國防部的工作集中在硬件解決方案上。在2021財年，美國防部最初計劃“在反無人機系統（C-UAS）的研究和開發上至少花費4.04億美元，在C-UAS的采購上至少花費8300萬美元。”所有軍種都追求各種尖端技術解決方案來探測、跟蹤、識別和擊敗目標。用于探測的硬件解決方案包括雷達以及電子光學、紅外和聲學傳感器；所有這些都因小型無人機的表面特征和相對速度而限制了其有效性。另一種技術涉及操作員可能需要控制無人機無線電指令信號的探測。擊敗機制包括干擾、欺騙、槍支、網、定向能和標準防空系統等方法。然而，目前的能力給操作者帶來的結果是好壞參半的。目前的措施主要是針對數量較少的無人機，而這些無人機并沒有表現出蜂群行為能力。其他方法，包括美國空軍和國防部在作戰環境中測試的高功率微波（HPM），可能提供更有效的能力來對付無人機蜂群，但專利方面的挑戰可能會限制其有效性。誠然，美國防部可能正在追求更先進的HPM武器，其基礎設施足跡更小，如Leonidas系統，但目前的研究僅限于非保密來源。

美國防部的反無人機系統（C-sUAS）戰略承認了無人機蜂群帶來的戰爭特征變化，但并沒有提到具體的解決技術。考慮到對抗無人機蜂群的近期要求，當前技術的重大局限性給行業帶來了挑戰。此外，美國防部可能沒有關注無人機蜂群的新威脅。相反，開發和采購工作表明，重點是傳感器和武器，以擊敗目前的無人機系統。美國防部2021財年的C-UAS預算主要針對當前設備進行開發，沒有考慮滿足未來需求的技術創新。在COVID-19大流行期間和之后美國防部預算下降的環境下，這種方法可能被證明是低效的，并造成重大風險。各國開發無人機蜂群技術的速度表明，其成熟速度比應對此類威脅的設備成熟速度更快。

觀察家們注意到需要快速創新以減輕不斷上升的威脅，但目前的國防工業基礎面臨著變革的障礙，包括軍事文化和新的商業技術測試。快速創新的一個更常見的問題源于對商業產品的收購，其中知識產權成為系統部署使用的很大障礙。當公司的設備或軟件不一定能互操作時，這個問題就會變得很嚴重，使C-sUAS操作者無法獲得擊敗目標所需的融合、及時和有用信息。軍事文化不一定會獎勵創新的思想家，并且很可能成為快速變革的障礙。雖然美國防部目前的C-sUAS戰略確定了無人機蜂群的威脅，但它沒有充分解決國防部必須如何克服高成本和創新遲緩的技術風險。

（2022年8月14日，在密歇根州格雷靈營地，分配給美陸軍第37步兵旅戰斗隊總部的上士Noah Straman 在北方打擊行動期間發射了DroneDefender）

6 合法的可接受性

C-sUAS戰略的第二個風險來源是在法律限制，特別是在國土上。現行法律為國土上的美國公民提供保護，同時也抑制了美國防部在軍事設施上保護無人機威脅的能力。鑒于無人機的威脅能力和檢測限制的多重影響，無人機蜂群加劇了這種限制所帶來的風險。C-sUAS戰略宣稱，美國防部的主要利益相關者必須與合作伙伴合作才能取得成功。這一當務之急應推動立法解決方案，以擴大這種反無人機設備運行的國內環境權限。

C-sUAS戰略強調了在國土上操作反無人機能力的重大法律挑戰，并斷言：“許多現有的法律和聯邦法規在設計時并沒有將無人機系統作為威脅來處理，而技術變化的持續速度使得法律當局很難跟上步伐。”目前的法律不允許及時發現潛在的無人機威脅，這些威脅可能來自軍事設施之外。《美國法典》（USC）第10條第130i款授權國防部長和武裝部隊指定人員采取所有動能或非動能行動，以“禁用、損壞或摧毀”對“所涉設施或資產”構成威脅的無人駕駛飛機系統。這一法律限制使操作者無法在潛在的無人機威脅到達目標之前將其擊敗。

盡管《美國法典》第10章第130i條授權國防部“在未經事先同意的情況下......通過攔截或以其他方式獲取電訊或電子通訊，探測、識別、監測和跟蹤無人駕駛飛機”，但它并沒有明確說明這一權力是否延伸到基地的邊界之外；如果可在邊界之外，就會給國防部提供戰術優勢。新的授權也不清楚美國防部是否可以在不違反情報監督指令的情況下，在其管轄范圍之外收集所需的無人機信息。此外，針對潛在的無人機蜂群威脅收集此類信息可能會擴大責任。探測目標還需要區分敵方和友方的無人機，鑒于目前的權限，處理與合法民用飛機有關的具體信息可能會有問題。

根據C-sUAS戰略，美國防部必須采取多邊行動，并與執法機構分享威脅信息，如10 USC 130i所允許的。這可能的一種方式是在國家安全特殊事件（NSSEs）期間，聯邦調查局（FBI）可以有臨時的權力來反擊無人機，而無需首先獲得授權。2018年《預防新威脅法》授權國土安全部（DHS）和司法部（DOJ）“通過基于風險的評估，減輕無人駕駛飛機......對設施或資產的安全或安保構成的威脅”。在最近的案例中，聯邦調查局與聯邦航空管理局（FAA）合作，在2020財政年度期間，包括2020年超級碗、2019年世界大賽、2020年玫瑰碗比賽、華盛頓特區的“A Capitol Fourth”和紐約市的新年慶祝活動中，成功對抗了超過200架無人機。聯邦調查局還與國土安全部以及佐治亞州的州和地方執法部門合作，在2019年超級碗比賽期間對抗54起無人機入侵事件；在體育場周圍的臨時飛行限制期間，至少有6架無人機被沒收了。

2018年《預防新威脅法》的描述內容與《美國法典》第10篇第130i條的授權非常相似，但仍不清楚國土安全部、司法部和國防部如何進行實際合作。首先，NSSEs是臨時性的，如果沒有永久性的授權，通過機構間的協調對威脅進行早期預警的優勢幾乎可以忽略不計。對手很可能不會在NSSE期間對國防部資產發動無人機蜂群攻擊。其次，如果國防部發現了其管轄范圍之外的威脅并警告國土安全部或司法部，聯邦、州或地方執法部門不太可能有時間和能力來攔截無人機蜂群威脅。

地方執法部門和私人實體有更少的權力來對抗無人機。根據國土安全部、司法部、交通部和聯邦通信委員會最近的咨詢，采用反無人機技術的非聯邦公共機構和私人可能違反聯邦法律。法律將無人機定義為飛機，任何破壞或摧毀無人機的工具都可能引發涉及《飛機破壞法》和《飛機海盜法》的責任。那些使用無線電頻率探測的人可能會涉及《竊聽/陷阱法》和《竊聽法》的訴訟負責，這取決于該能力是否記錄或攔截無人機和控制器之間的電子通訊。

最后，附帶影響可能導致當地執法部門或私人實體重新考慮采用這些能力。杰森-奈特對城市地區警察機構的考慮進行了分析，并提到了反無人機技術干擾合法地面和空中活動的例子。目前的授權并沒有為國防部對抗無人機群所需的預警能力提供全面的法律基礎。盡管在某些情況下，與東道國或在應急地點的多邊協調可能為防御者提供優勢，但鑒于美國防部的法律限制，在可能試圖使用無人機蜂群來對付關鍵基礎設施時，國土為對手提供了優勢。

（2022年3月30日，第3海軍陸戰隊第9工兵支援營沿海工兵偵察隊的戰斗工程師海軍陸戰隊下士Chance Bellas在菲律賓克拉韋里亞的Balikatan 22期間組裝了小型無人機系統VAPOR 55）

7 條令（理論）適用性

C-sUAS戰略的最后一個障礙是關于有效使用反無人機設備的一個重要但被忽視的方面。該戰略宣稱，隨著技術的成熟，需要制定條令，但僅僅承認企業的需求并沒有解決規劃誰可能操作這些設備的重大挑戰。現在確定條令上的需求將減輕未來的能力差距。美國陸軍必須在保衛空軍基地免受未來無人機蜂群威脅方面發揮更大作用。

采用反無人機能力的一個獨特方面是，它包括在所有領域的行動。具體來說，在空中瞄準和減輕對手的巨大挑戰，需要對三個主要任務領域的分工進行清晰的評估：防空、部隊保護和空域控制。從這些任務領域中提取部署原則對于規劃反無人機能力的戰略用途是有價值的。聯合條令是基于目前的部隊結構和幫助解決復雜問題的責任。規劃對抗無人機蜂群的方法需要對聯合條令中的角色和責任進行更深入的評估。

條令必須考慮到培訓未來在所有領域發揮作用的設備操作人員。在空中領域的操作需要對防空、部隊保護和空域控制有充分了解和精通的人員。設計一個與技術和設備同步發展的部隊結構并為其提供資源，將更有效地阻止和對付先進的威脅。這一發展推動了反無人機蜂群條令開發的權威指導，其也是C-sUAS聯合辦公室（JCO）作為國防部執行機構責任的一部分。此外，聯合辦公室將“協調C-UAS的聯合作戰概念和聯合條令的發展”。然而，這種責任描述沒有考慮到目前國防部各部門在空域控制、部隊保護和針對無人機蜂群威脅的防空方面的角色挑戰。專注于對抗地面威脅的部隊保護軍事人員并不具備對抗空中威脅同時避開友軍飛機的必要知識。對這些人員進行空域環境、電磁波譜、空間作業和天氣等相關培訓，將使他們更有效地運用能力來對付無人機蜂群。在防空方面重疊的責任，特別是美國陸軍和美國空軍之間的責任，可以解決此條令上的挑戰。然而，各軍種都依賴部隊保護專家，這給業務帶來了風險。

條令還包括對角色和任務的劃分，特別是在空軍基地的防空方面。越南戰爭和伊拉克戰爭迫使高級軍事指揮官和各軍種將能力分配給傳統任務，而犧牲了支持戰略和作戰目標的空軍基地防御。特別是陸軍和空軍，自二戰結束以來，一直在為地區和點狀防空任務的具體作用而爭斗。2020年蘭德公司的一項研究強調了目前的辯論：今天，美國陸軍負責為空軍基地和其他固定設施提供點式AMD（防空和導彈防御），但兩軍多年的忽視導致了能力上的不足......陸軍領導層將其機動部隊的移動式短程防空置于固定設施防御之上。

在美國陸軍對海外和國內主要作戰基地的防空資源進行優先排序之前，戰略和戰役目標很容易被無人機蜂群影響。此外，空軍可能會繼續倡導和獲得C-sUAS的能力，而沒有條令上的決議。空軍可能會實現其長期以來的愿望，即在戰術防空方面發揮更大的領導作用——這將與聯合司令部的任務相矛盾，即避免重復工作并獲得效率。同樣，其他軍種可能會繼續購買設備進行試驗，如果沒有跨領域和職能協調，這可能不是最佳或有效的。

蘭德公司的報告還詳細說明了陸軍和空軍在防空方面的角色錯位。2020年的一份國會研究報告提出了一個重要問題：“計劃中的SHORAD（短程防空）部隊結構和能力是否足以應對預測的未來挑戰？”該報告表明，陸軍計劃在現役和后備部隊之間增加18個營的防空能力，這可能不足以滿足支持歐洲威懾倡議和太平洋威懾倡議的陸軍部隊需要。這些能力包括應對無人機系統的威脅，但不包括保衛空軍關鍵資產和主要作戰基地的假定任務。盡管聯合出版物3-0《作戰》要求整合進攻和防御能力，以實現對敵方無人機的空中優勢和部隊保護，但它并沒有明確規定各軍種的角色和任務。這種理論上的模糊性增加了SHORAD資源不足的危險，以應對未來無人機蜂群的倍增效應。

新興技術的發展和使用無人機蜂群可能性的增加使得有必要對條令和軍種的作用進行重新評估。事實上，空軍參謀長已經敦促國防部長辦公室對各軍種的角色和任務進行審查，以確定聯合作戰概念的領導組織，如遠程精確射擊和攻擊下的后勤。這兩個概念都與保護戰略資產免受潛在的無人機蜂群攻擊有關。此外，美國防部缺乏條令指導可能也表明需要評估機構間的概念和方法，以便在民事管轄范圍內采用類似的能力。JCO及其國防部戰略將為持續的條令開發提供基本要素，但更多的工作必須集中在調整各部門的角色和資源上。

8 建議

美國防部對抗無人機蜂群的新方法必須解決技術快速發展的風險，對手可能利用民用和國防部保護關鍵基礎設施之間的法律縫隙，以及防空、空域控制和部隊保護方面固有的條令挑戰。正如2018年美國國防戰略所指出的，國土不再是一個避難所，而是敵人無人機蜂群的目標，這些蜂群可能具有洲際范圍的能力。

（2021年10月14日，夏威夷波哈庫洛亞訓練區，海軍陸戰隊準下士德米特里-謝潑德在布干維爾II期間進行步兵排戰斗課程時發射無人機）

敵對趨勢必須推動國防工業基地采用相對低成本、快速和人工智能的技術解決方案。最初尋求納入未來技術的“第三次抵消戰略”，為減輕這種風險提供了一個特別有用的方法。該戰略探討了蜂群式無人機、高超音速武器、人工智能和人機協作的最佳組合方式，以在戰斗中提供獨特的優勢，但它并不只關注材料和設備。相反，它考慮了如何最好地將人類的創造力與技術的精確性相結合。當應用于對抗無人機蜂群時，人機協作的概念可以為防空事業提供優勢。解決方案應該包括一系列與人工智能軟件完全整合的傳感器，以便更迅速地識別潛在目標，并提高信心水平。美國陸軍的TRADOC小冊子525-3-1《2028年多域作戰中的美國陸軍》指出，這些特征是人工智能和高速數據處理所希望的，以提高“人類決策的速度和準確性”。

值得投資的人機技術項目包括由人工智能驅動的自主蜂群無人機，以通過斗狗來減輕或摧毀敵人的蜂群。喬治亞理工大學在2017年與海軍研究生院合作進行了這種實驗。此外，美國防部的低成本開發能力包括非動能直接能量武器，如戰術高功率微波作戰響應器（THOR）和混合防御限制空域（HyDRA）計劃。THOR為對抗無人機蜂群提供了一種特別有效的能力，因為與HyDRA激光器相比，其影響范圍更大。然而，如果與綜合指揮和控制（C2）界面連接部署并協調，將人工智能與人類結合起來，該系統可比標準防空能力更有效，成本更低。

C2能力必須能夠更快地確定目標，將傳感器與擊敗機制連接起來，并允許人類操作員迅速選擇更有效的武器。最近的報告表明，聯合司令部正在追求這些能力，并可能要求各軍種開發自己的C2系統，以便最終整合到美國陸軍的前線防空指揮和控制系統。其他C2系統包括美國海軍的CORIAN（反遙控模型飛機綜合防空網絡）能力和美國空軍的多域無人系統應用指揮和控制。然而，這些具體的系統目前似乎并沒有與先進作戰管理系統（ABMS）或擬議的聯合全域指揮與控制（JADC2）架構聯系在一起。最近和剛開始的工作表明，在北大西洋公約組織中將使用JADC2概念將傳感器與射手聯系起來以對抗無人機群的倡議。未來的JADC2架構在概念上可以使人類操作員為自己的目的控制敵方的無人機蜂群網絡。無論哪種創新，“第三次抵消戰略”都為應對未來致命的自主無人機蜂群問題提供了一個潛在的寶貴方法。

在不考慮未來無人機蜂群威脅或人工智能發展活動的情況下，追求不同的和針對具體軍種的C2能力將浪費時間和納稅人的資金。相反，美國防部應更快地將2021財年開發的反無人機蜂群C2能力納入JADC2架構。國會責成國防部長評估綜合防空和導彈防御C2系統，其中包括C-UAS能力，并確定它們是否與新興的JADC2架構兼容。這個框架符合國會對自主或半自主能力的偏好，而且操作和維持成本低。盡管互操作性、知識產權、數據管理和信息保障仍然是挑戰，但將C-sUAS C2系統整合到JADC2架構中，將產生更快的殺傷鏈和潛在更低成本的項目。JCO主任肖恩-蓋尼少將最近承認，這種開放的架構方法可能會在日后帶來巨大的安全紅利。 第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

（2021年4月18日，太平洋，分配到第21直升機海戰中隊的海軍二級空勤人員（直升機）丹尼爾-艾爾斯在與兩棲攻擊艦埃塞克斯號的實彈演習中用MH-60S海鷹GAU-21.50口徑機槍向目標無人機開火）

第二，在國土的現有法律框架內運作，美國防部必須倡導在固定地點有更多的權力來保衛關鍵基礎設施。國會必須在緊急情況下和和平時期授予國防部長更多的權力。該建議必須包括授權操作者在基地邊界之外確定潛在目標。運營商也應該有法律支持，以近乎實時的方式告警當地和聯邦執法機構。

幸運的是，聯邦航空局正在推行幾項舉措來對抗敵方無人機。這些計劃包括將無人機納入國家空域系統，以區分友軍和敵軍的無人機。國防部應積極鼓勵聯邦航空局和美國國家航空航天局繼續各自的無人機行業倡議，包括無人機系統交通管理研究，以“確定服務、角色和責任、信息架構、數據交換協議、軟件功能、基礎設施和性能要求，以實現對低空無控制無人機操作的管理”。這些增加的權力，再加上增強的能力，可以縮小民事和軍事管轄權之間的法律差距，以保護國家基礎設施和國防部的關鍵資產。

最后，美國防部必須通過兵棋推演和演習積極磨練理論，以確定空軍基地防空中最合適的角色和職能。隨著無人機技術的成熟和向友軍提出更復雜的問題，盡早建立正確的部隊結構將更有效地應對挑戰。這將需要進行必要的培訓和適當的資源配置，以滿足國會對有效和低成本設備的需求。正如蘭德公司的研究報告所指出的那樣，沒有單一的行動方案，而是通過組合來提供解決方案。然而，角色和職能的重新調整對于成功至關重要。追求適當的聯合討論將為未來對抗無人機蜂群的強大和基于風險的模式提供基礎，并避免過去的戰略錯誤。

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。