這篇論文考慮的情況是，一架無人機保衛一個高價值的目標，以抵御一些入境的攻擊無人機。防御性無人機配備了短程武器，必須以最有效的方式摧毀每一架攻擊性無人機。這個問題是應用數學中幾個開放性問題的交匯點，例如在有損耗的情況下的最佳行動規劃，以及解決有移動目標的 "旅行推銷員問題"（TSP）。我們研究的目的是通過將該問題分解為各組成部分的問題，然后提出各組成部分的概念驗證方案來分析該問題。這篇論文的主要成果包括一個建模框架，在這個框架中，可以在不需要約束的情況下進行優化；比較使用不同類型的成本函數進行優化的優勢（例如，最小化高價值單位被摧毀的機會與基于防御者相對于攻擊者的路徑的度量）；以及通過將其映射到標準TSP或使用機器學習來解決某些限制下的移動目標TSP。

1.1 戰斗中的自主系統

自動化系統，特別是無人駕駛飛行器（UAVs）的迅速增加，改變了現代戰場。美國已經率先在整個作戰范圍內開發和實施無人機，從信號情報到無人機精確打擊[1], [2]。然而，我們的對手繼續取得有意義的進展，最近的例子是俄羅斯在烏克蘭使用中國制造的無人機[3]，無人機可能參與了最近對北溪管道的破壞[4]，甚至恐怖組織的小規模、低技術的無人機攻擊[5]。

美國繼續按照無人駕駛航空系統（UAS）路線圖[6], [7]發展其無人機能力，該路線圖規定了無人機平臺的幾個重要任務，包括情報、監視和偵察（ISR）、壓制敵方防空（SEAD）、電子攻擊、網絡節點/通信中繼和空中投遞/補給。然而，這份清單中明顯缺少的是無人機系統的防御。無人機戰爭的一個新的和發展中的方面，即無人機對無人機的交戰，迫在眉睫。有許多無人機防御系統正在開發中，包括地面激光系統，如海軍陸戰隊的緊湊型激光武器系統（CLWS）[8]和導彈系統，如陸軍的KuRFS和Coyote Effectors[9]。然而，新的反無人機系統（C-UAS）無人機正在開發中，如洛克希德-馬丁公司的MORFIUS[10]，它使用高功率微波（HPM）武器系統，使敵方無人機在飛行中失效。

美國軍方和國防部（DOD）總體上對其無人機能力進行了大量投資，這不僅包括人員、設備和武器，還包括對無人機和蜂群的戰術運用的大量研究，而這些研究超出了最近取得巨大成功的ISR和精確打擊能力[11], [12]。在2019年的指揮官規劃指南中，海軍陸戰隊指揮官大衛-H-伯杰將軍要求建立一個 "適合偵察、監視和提供致命和非致命效果的強大的無人系統家族"，以及 "大大增加我們在其他領域成熟無人駕駛能力的努力" [13]。正是在這些其他領域，我們必須繼續創新，特別是在我們對抗對手在無人機/無人機系統開發方面的成果的能力方面。

2021年，美國防部發布了其C-UAS戰略，確定了其核心挑戰：小型無人機系統（sUAS）的指數級增長給美國防部帶來了新的風險。技術趨勢正在極大地改變小型無人機系統的合法應用，同時使它們成為國家行為者、非國家行為者和犯罪分子手中日益強大的武器。當被疏忽或魯莽的操作者控制時，小型無人機系統也可能對國防部在空中、陸地和海洋領域的行動構成危害。國防部必須在越來越多的小型無人機系統與國防部飛機共享天空、在國防部設施上空運行以及被我們國家的對手使用的環境中，保護和捍衛人員、設施和資產[14]。

雖然該戰略要求在理論、組織、訓練、物資、領導和教育、人員、設施-政策（DOTMLPF-P）等方面應對這些挑戰，但必須做更多的工作，將研究/開發與戰術層面的使用結合起來，并使之同步。這篇論文的目的就是要彌補這些領域之間的差距。

1.2 目前的工作

為了提高ISR能力，無人機技術早期發展的大部分學術工作都致力于各種學科的最佳路徑控制，但具體的軍事應用包括為ISR任務避免碰撞/雷達[15]。這項工作的成功從美國的無人機精確打擊能力中可見一斑。在海軍研究生院（NPS），Kaminer等人就大型蜂群的動力學和行為開展了大量的工作[16]-[20]。盡管有很長的工作歷史，這些最近的論文提出了高價值單位防御中的一個新的最佳控制問題，開發了具有損耗建模的最佳控制問題的計算框架，并開發了高效的數值框架來解決最佳控制問題中的不確定參數

許多文獻都涉及到減員模型。蘭徹斯特損耗模型使用微分方程來研究敵對部隊的依賴性損耗，自第一次世界大戰（WWI）以來，該模型被有力地運用于戰斗研究[21], [22]。一些工作已經確定了需要并解決了明確結合最優控制和損耗建模的問題[23], [24]。然而，并不存在將這些領域有效地結合在一起的一般框架或理論，當它們被解決時，其結果往往是高度特定的場景。

本論文的大部分內容將關注旅行銷售員問題（TSP）在動態環境中的應用。最佳控制和TSP在物理學和工程科學中經常有交集。例如，一個這樣的問題可能是由航天器以最佳方式訪問木星的所有79顆衛星[25]。Moraes和Freitas通過比較幾種啟發式算法來解決移動目標TSP（MT-TSP），并應用于人群和無人機檢測[26]。

1.3 開放式問題

耦合蘭徹斯特損耗模型、最優控制理論和TSP的問題對于大領域的超級蜂群是難以解決的。然而，無人機防御研究必須關注這三個領域的交叉點，以便適當地解決這一領域現存的軍事戰術和戰略問題。超級蜂群系統的基本特征還沒有得到很好的理解，盡管隨著我們擴大小型蜂群參與戰略和框架的規模，它們的屬性可能會出現。

圖 1.1 一般研究問題的解決框圖

本論文從這個有利的角度來探討這個問題，從小型蜂群開始，開發新的方法來解決更多可解決的系統，然后可以擴大規模。

每一種方法都考慮到sUAS有限的機載計算能力和作戰期間有限的可用時間。如圖1.1和1.2所概述的一般研究問題，首先是估計諸如武器類型、武器效能、無人機群類型等參數。本論文將把所有的參數視為常量、已知量。關于參數的不確定性分析見Walton等人[17]。

圖1.2 研究問題的場景可視化

其次，一群防御性無人機必須決定如何分割即將到來的攻擊者集合，以便以最佳方式與他們交戰，使高價值單位（HVU）的生存概率最大化。本論文將這一場景限制在單一防御無人機上。關于多重TSP（MTSP），見參考文獻[27]-[29]。

1.4 提綱

剩下的幾塊，決定攻擊順序和路徑優化，將在下面幾章討論。第二章假設已經知道或選擇了合理的攻擊順序，并解決相關的科學問題，即如何使HVU的生存率最大化。我們偏離了最優控制的路徑優化，而是致力于建立全新的、無約束的優化框架的可行性，在這里我們討論了各種成本函數的優點和缺點。第三章和第四章分別從TSP和機器學習（ML）的有利角度解決攻擊順序問題。

第三章試圖消除MT-TSP的時間依賴性，以證明動態版本的TSP仍然可以在轉換的空間上采用傳統的TSP算法，第四章為ML的應用建立了一個概念證明。最后，第五章展示了我們開發的圖形用戶界面（GUI）的功能，作為無人機防御任務規劃的輔助工具。

中國的軍事現代化，包括其海軍現代化，是美國國防規劃和預算的首要焦點。中國的海軍現代化自20世紀90年代初至中期以來已進行了25年多，并已將中國的海軍轉變為一支更加現代化和有能力的部隊。中國海軍在中國的近海地區是一支強大的軍事力量，它在西太平洋、印度洋和歐洲周邊水域等更廣泛的水域開展了越來越多的行動。

到目前為止，中國的海軍是東亞任何國家中最大的，在2015年和2020年之間，它在戰斗力艦艇（指算作美國海軍報價的艦艇類型）的數量上超過了美國海軍。美國防部指出，中國海軍 "是世界上最大的海軍，擁有約340個平臺的戰斗力，包括主要的水面戰斗艦、潛艇、遠洋兩棲艦、水雷戰艦、航空母艦和艦隊輔助艦....。這個數字不包括大約85艘巡邏戰斗艦和攜帶反艦巡航導彈（ASCM）的飛船。到2025年，[中國海軍]的總體戰斗力預計將增長到400艘，到2030年將增長到440艘。" 相比之下，美國海軍在2021財政年度末包括294艘戰斗力艦艇，而海軍2023財政年度預算報告預計，到2030財政年度末，海軍將包括290或291艘戰斗力艦艇。美國軍事官員和其他觀察家對中國海軍造船的速度以及由此產生的關于中國海軍和美國海軍的相對規模和能力的趨勢線表示關切。

中國海軍的現代化包括一系列廣泛的船舶、飛機、武器和C4ISR（指揮和控制、通信、計算機、情報、監視和偵察）采購項目，以及后勤、條令、人員素質、教育和培訓以及演習方面的改進。中國海軍目前有一些限制和弱點，它正在努力克服。

中國的軍事現代化，包括其海軍現代化，被評估為旨在發展能力，除其他外，在必要時以軍事手段解決臺灣局勢；實現對中國近海地區，特別是南中國海的更大程度的控制或支配；捍衛中國的商業海上交通線（SLOCs），特別是那些連接中國和波斯灣的交通線；取代美國在西太平洋的影響；以及宣稱中國作為區域領導力量和世界大國的地位。觀察家們認為，中國希望其海軍有能力作為反介入/區域封鎖（A2/AD）力量的一部分--這支力量可以阻止美國在中國近海地區因臺灣或其他問題而發生的沖突中進行干預，如果不能，則可以延遲美國軍隊的到來或降低其干預的效果。

美國海軍已經采取了一些行動來對付中國的海軍現代化。除其他事項外，美國海軍已將更大比例的艦艇轉移到中國。美國海軍已將其艦隊的更大比例轉移到太平洋地區；將其能力最強的新艦艇和飛機分配到太平洋地區；維持或增加一般存在行動、訓練和發展演習，以及與盟國和其他國家海軍在印度-太平洋地區的接觸和合作；增加海軍的未來計劃規模。啟動、增加或加快了許多開發新軍事技術和獲取新艦艇、飛機、無人駕駛車輛和武器的計劃；為對抗中國海上A2/AD力量制定了新的作戰概念；并表明海軍在未來幾年將轉向一個更加分散的艦隊結構，將大大增加對無人駕駛車輛的使用。國會面臨的問題是，是否批準、拒絕或修改拜登政府為應對中國海軍現代化努力而提出的美國海軍計劃、預算和方案。

美國海軍陸戰隊必須以最低的成本用新興技術解決材料準備的挑戰。使用機器學習的預測性維修是一個不斷增長的領域，可以使用免費或商業化的現成軟件來應用。海軍航空組織已經維護了一個數據儲存庫網絡，收集和儲存可維修的飛行關鍵部件的當前和歷史數據。許多部件在其制造商公布的預期結構壽命之前就失效了，這導致了昂貴的非計劃性維修。預測部件故障并計劃其更換或維修的能力可以大大增加操作的準備性。本論文開發并分析了機器學習模型，利用現有的海軍航空資料庫的數據來預測各種MV-22B飛行關鍵部件的故障條件概率。數據預處理、模型訓練和預測使用了現成的商業軟件。這項工作可以幫助提高材料的準備程度，并使軍事-航空人員適應決策中的新興技術。

引言

這篇論文研究了機器學習算法在改進以可靠性為中心的維修（RCM）和基于條件的維修（CBM）以提高海軍航空的飛機可靠性方面的潛力。

A.維修方面的背景

海軍陸戰隊司令說，該部隊收集和保留的許多數據沒有被新興技術充分開發（美國和Berger，2019）。國防部（DOD）的飛機平臺一直在努力實現年度戰備目標，盡管為其項目分配了大量預算（Crusher，2020）。使用新興技術的預測性維護可以利用這些大量的數據，為提高航空準備狀態提供一個具有成本效益的方法。指揮官還強調，由于可用資金有限，解決方案必須使用現有的軍事數據存儲庫。海軍航空系統司令部（NAVAIR）的數據庫--后勤分析和技術評估決策知識編程（DECKPLATE），每月上傳的記錄超過400億條，可以成為機器學習應用的一個良好來源。

雖然在解決飛機準備不足的根本原因方面正在做出重大努力，但指揮官們現在需要部分解決方案來完成他們的任務。幾年來，指揮官們采用了高拆解率（從一架飛機上拆下零件裝到另一架飛機上）以及將完全具備任務能力的飛機從部署后返回的中隊轉移到準備部署的中隊。盡管 "只有在滿足作戰目標的必要情況下才是可接受的管理選擇"（海軍部，2021年），拆解和中隊轉移已經成為常態。在2011年和2017年之間，由于缺乏現成的基本飛機（RBA），海軍陸戰隊在各中隊之間轉移了超過650架MV-22B Ospreys，以滿足飛行時間和行動要求（Eckstein，2017）。同時，需求也在增加。由于個別飛機的過度使用或使用不足，以及轉移和接受飛機所花費的額外工時，這些臨時解決方案損害了未來的準備工作。

維修行動分為計劃內和非計劃內（Susto等人，2015）。計劃內的維護是主動的，在一個部件退化或運行到故障之前完成。一個部件的定期維修頻率通常是基于供應商或原始設備制造商（OEM）公布的結構壽命限制和推薦的維修時間表。非計劃維修是在一個部件退化或失效時進行。圖1比較了海軍陸戰隊MV-22B飛機用于計劃內與非計劃內維修的維修工時（MMH）的數量。在2021年3月至2022年2月期間，計劃外維修比計劃內維修的頻率高5至6倍。這個比率表明飛機部件的嚴重不可靠，以及預測非計劃維修的困難。

圖 1. 計劃與計劃外維護工時。資料來源：NAVAIR 準備分析報告 (2022)。

定期維修是預防性的，或旨在持續檢查和維護部件，使其達到其使用壽命。對于美國海軍航空的 "型號系列"（TMS），部件的檢查和拆卸時間表公布在《檢查要求手冊》（海軍航空部隊指揮官，2021）的相關定期維修信息卡（PMIC）中。所有強制性的檢查、拆除或更換事件都包括在該手冊中，該手冊規定了定期維修計劃。間隔由供應商或工程可靠性和可維護性分析，以及RCM計劃的故障管理策略決定（國防部，2011，國防部，2020a）。由他們制作的PMIC卡規定了機群或部件的預定維修。這樣做的一個問題是，每架飛機或部件的維護間隔是相同的。這些間隔沒有考慮到一個獨特的部件或飛機的使用、服務歷史或歷史數據。

海軍航空業可以從基于需求證據的維修創新實踐中獲益，或對個別部件進行預測。近年來，RCM采用了基于狀態的維修+（CBM+）戰略來提高可靠性。CBM+戰略的一部分是使用機器學習，根據歷史證據預測一個部件何時會失效。由于海軍陸戰隊的航空屬于海軍航空的范疇，任何MV-22B RCM或CBM+活動都屬于艦隊準備中心指揮官（COMFRC）。東部艦隊戰備中心（FRC）的V22艦隊支持小組（FST）一直致力于通過許多舉措提高飛機和部件的可靠性。

其中一項舉措是利用統計模型估計MV-22B部件的故障概率。利用現有的海軍航空企業（NAE）數據庫中的歷史維修記錄，使用Weibull概率密度函數（PDF）來估計一個部件經歷特定故障模式之前的時間。圖2是一個失敗時間（TTF）的例子，顯示了MV-22B塔架轉換執行器（PCA）因密封損壞而失敗的百分比。對于PCA模型，預測機隊庫存的70%在3326個飛行小時前因密封損壞而需要拆除，而80%在3696個飛行小時前會失效。第五章討論了模型的準確性，但這種方法為利用相關故障數據改進預防性維修政策邁出了一步。

圖 2. Pylon 轉換執行器的 Weibull 模型。資料來源：FRC East V22 FST 維護優化 (2022)。

這個統計模型是根據定義的故障模式前的組件群的真實使用壽命來計算可靠性。圖3顯示了FRC East V22 FST所考慮的所有PCA故障模式的Weibull分析結果。

圖 3. 飛行小時數中預測的 PCA 故障率。資料來源：FRC East V22 FST 維護優化 (2022)。

當考慮到所有的故障模式時，一個部件的估計可靠性可以決定一個更好的計劃維修間隔。平均而言，70%的機隊庫存預測在大約3700飛行小時前需要拆除，而80%的機隊預測在大約4500飛行小時前會出現故障。項目領導層可以根據一個置信區間做出決定，以取代PMIC卡中公布的當前計劃維修間隔。這個間隔將適用于機群中的部件，并提高在評估的任何故障模式發生之前更換部件的可能性。通過真實的服務數據來改進預定維修，并且隨著數據的不斷收集，可以很容易地重新計算。

不幸的是，這種方法只提供了組件的累積故障概率。一個更好的方法是估計一個部件隨時間變化的條件性故障概率，也稱為危險率。機器學習模型，如Cox比例危險（CPH）模型和人工神經網絡（ANN）可能是有用的，因為它們最近被用于醫學研究，預測死亡率（Spooner等人，2020）。類似的工作可以使用DECKPLATE中保存的數據。

B.研究問題

本論文將重點討論以下研究問題。

主要問題。什么樣的機器學習算法能夠為飛機部件的預防性維護產生最佳的生存模型？

次要問題。DECKPLATE和其他資源庫中的哪些特征可以在預測部件存活率中得到利用？公布的PMIC要求和生存模型之間的平均故障時間（MTTF）有多大差異？對于適當的數據，Weibull等經典分布是否能很好地適應數據以估計未來的故障？

C.總結

第二章介紹了機器學習和可靠性分析的基本概念，并研究了以前使用機器學習進行預測性維護的嘗試。第三章更精確地描述了本論文所要解決的問題，以及所采用的一般方法。第四章描述了本論文所使用的方法以及其結構的合理性。第五章和第六章討論了本論文的結果和得出的結論。

什么是多域作戰？

以下定義摘自美國陸軍訓練與條令司令部：

多域作戰（MDO）描述了美國陸軍作為聯合部隊[陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰隊和太空部隊]的一部分，如何在競爭和武裝沖突中對抗和擊敗能夠在所有領域[空中、陸地、海上、太空和網絡空間]與美國抗衡的近鄰對手。該概念描述了美國地面部隊作為聯合和多國團隊的一部分，如何在2025-2050年的時間框架內威懾對手并擊敗能力強大的近鄰對手。

MDO為指揮官提供了許多選擇，以執行同時和連續的行動，利用出其不意以及快速和持續地整合所有領域的能力，給對手帶來多種困境，以獲得物質和心理上的優勢以及對作戰環境的影響和控制。

多域作戰的關鍵元素

• 滲透敵方的反介入和區域拒止（A2/AD）系統（分層和綜合遠程精確打擊系統、沿岸反艦能力、防空系統、遠程火炮和火箭系統），使美軍能夠進行戰略和作戰機動。

• 破壞--擾亂、降低或摧毀A2/AD系統，使美軍能夠進行作戰和戰術機動。

• 利用由此產生的機動自由，通過擊敗所有領域的敵軍來實現作戰和戰略目標。

• 重新競爭--鞏固各領域的成果，迫使其以對美國和盟國有利的條件恢復競爭。

需要什么樣的軍備解決方案?

• 戰爭的速度和決策的速度可以說從來沒有像今天這樣快過，而且明天可能也會這樣。

• 在陸、海、空、天，甚至網絡領域運作的資產的密切協調，以促進ISR活動和對敵對目標的殺傷鏈，需要精確性，以及在各種平臺上 "蓄勢殺傷 "的能力。

• 系統的通用性可以減少后勤的負擔，簡化培訓和維護，并有助于確保各平臺的性能一致、可靠。

• 基于成熟技術的解決方案能夠迅速投入使用，并為作戰人員增加更多的靈活性和選擇，是一種力量的倍增劑。

在聯合全域指揮與控制（C2）傳感器網絡和美海軍的 "超配項目"中，無人系統（UxS）是一種共享能力，它擴展了軍事力量的范圍和能力，以加強在有爭議空間的戰術。這增加了對可互操作的網絡框架的研究，以安全和有效地控制分布式無人系統部隊。迄今為止，陳舊的技術、分離和專有的商業慣例限制或掩蓋了對新興產業技術的追求，這些技術提供了當今現代化部隊所需的安全功能，留下了更多的問題而不是事實。此外，UxS的功率和處理限制以及受限的操作環境禁止使用現有的現代通信協議。然而，消息層安全（MLS）的發展，一種安全和高效的團體通信協議，可能是UxS團隊的理想選擇。這篇論文記錄了從一項定性研究中收集到的結果，發現MLS是UxS小組安全和效率的最佳選擇。它還記錄了MLS與ScanEagle無人機（UAV）和海軍信息戰太平洋CASSMIR無人水面艇（USV）的整合。該實施方案提供了一個作戰概念，以證明使用MLS在多域特設網絡配置中為無人機和USV之間提供安全和高效的C2和數據交換。所進行的實驗是在一個虛擬環境和物理UxS中進行的。

引言

對聯合全域指揮與控制（JADC2）架構至關重要的是多樣化的無人系統（UxS）和傳感器。這些不同的設備將使以人機協作為中心的未來海上力量相互連接。

例如，考慮一個聯合全域用例，即無人系統提供針對近距離對手的能力。UxS的指揮和控制（C2）依賴于通信鏈路--其安全性和設計決定了在對手攻擊的情況下的速度、互操作性和傷害能力。相反，在相同的C2通信鏈路中的不足或使用傳統的架構會轉化為戰術和戰略上的劣勢，有可能將傳統的作戰部隊置于危險境地。我們的研究旨在確定和實施一個可行的C2鏈路安全方案，該方案有可能為分布式多域環境中的UxS提供一個安全、可擴展和可互操作的解決方案。

目前，美國防部（DOD）和美海軍部（DON）正在取得重大進展，以利用整個企業的獨特任務和機會[1]。這些新的可能性包括增加對無人系統和傳感器的使用，使之超越目前的使用案例平臺。在實現無人平臺和系統的數據共享時，網絡安全必須被視為眾多核心技術中的重中之重。這些努力必須考慮確保關鍵的推動因素，如網絡、基礎設施和C2，以及強大的安全協議和認證方法。這些考慮將變得至關重要，因為JADC2企業試圖從分離轉向更統一的數據環境，在對手已經開發出高度復雜的反介入和區域拒止（A2/AD）能力的情況下，所有的人都可以訪問[2] 。

在今天的現代戰爭中，作為分布式力量倍增器的UxS將取決于安全和高效的C2。隨著UxS發展的成熟，對互操作性的需求將增加。這項研究分析了當前和新興的安全協議，并將其與JADC2和 "超配項目"的要求相匹配，以評估和確定支持這些要求的最佳屬性和協議。然后，這項工作根據所需的安全排列選擇消息層安全（MLS）協議，以便在UxS平臺上實現可行性，特別是記錄程序ScanEagle無人駕駛飛行器（UAV）。

近鄰的對手繼續追求A2/AD能力，以擊敗傳統的美國軍事力量。假設UxS的網絡和物理安全屬性沒有得到解決或設計得不好。那么其他的核心技術，如定位、導航和定時、可靠性、互操作性、通信以及平臺的感知和決定能力都會退化或受到損害。從目前孤立和陳舊的認證過程遷移到一個有效的集成開發、安全和操作環境，對于成功地將用戶體驗平臺和傳感器納入JADC2環境是至關重要的。這種遷移也受到了挑戰，因為需要從傳統的技術和開發框架迅速發展到快速出現的技術，這些技術更有能力在近距離威脅的進展中保持相關性[3]。解決這一挑戰將需要將技術障礙與文化、財政、程序和政治上的孤島融合起來[4]。一旦美國防部解決了這一挑戰，它將有能力實現無縫整合、同步和安全，這對無人機成為多領域作戰的力量倍增器是必要的。

1.1 問題陳述

在一個技術競爭迅速的時代，JADC2基礎設施依賴于20世紀90年代構思的技術（如IPSec[互聯網協議安全]和TLS[傳輸層安全]），同時被限制在美國家安全局（NSA）制定的通用協議和標準下進行安全通信[5]。這些網絡安全協議是點對點的，每增加一個新的網絡設備，都需要與每一個現有的網絡設備建立單獨的信道，這就是指令概述。盡管在成立之初是最前沿的，但值得注意的是，幾十年后的今天，我們仍然依賴這種點對點的安全連接，在動態自治設備網狀網絡之上強行建立一個高延遲和過時的安全覆蓋層。整合改進不僅需要評估適當的現代替代方案，還需要一個能夠及時有效地用新興的行業解決方案解決UXS安全挑戰的操作授權（ATO）程序。

為了解決這些問題，我們提出了以下研究問題：

• JADC2和Overmatch項目的C2協議安全要求是什么？

• 根據在JADC2相關領域工作的國防部主題專家，現代C2安全協議需要哪些功能來滿足JADC2環境的需要？

• 哪種安全協議能最好地滿足所有這些需求，以及UxS C2鏈接的使用可行性是什么？

1.2 范圍

這項研究支持整個美國防部和美海軍部關于當前規范的討論，不充分的網絡安全做法和認證程序決不能阻礙無人駕駛系統的通信安全的未來狀態。這些方法必須不斷發展，以充分解決我們的傳感器和無人駕駛資產在高度技術性的同行競爭威脅中對速度和安全的日益增長的需求。

這項研究支持整個美國防部和美海軍部關于當前規范的討論，不充分的網絡安全做法和認證程序不得阻礙未來的無人機通信安全狀態。這些方法必須不斷發展，以充分解決我們的傳感器和無人駕駛資產在高度技術性的同行對手威脅中對速度和安全的日益增長的需求。

基于研究結果，一個選定的協議在受控的實驗室環境中被實施、測試并進行虛擬基準測試。在成功完成受控的虛擬測試后，虛擬實施過渡到在NPS自主飛行器研究中心（CAVR）ScanEagle無人駕駛飛行器（UAV）和海軍信息戰中心-太平洋（NIWC-PAC）合作自主系統對峙海上檢查和響應（CASSMIR）無人地面飛行器（USV）上的實際應用。

在本論文中，無人系統和無人車之間沒有任何區別，不分領域，即空中和水面；都被稱為UxS。

然而，在實驗過程中，測試將發生在無人機和USV上。這項研究的目的是解決對不依賴平臺的C2鏈路安全協議解決方案的需求。

通過混合方法（定性和定量）的研究工作，實現以下主要目標是本論文的貢獻：

• 進行定性研究，確定JADC2和Overmatch項目的UxS安全協議需求。

• 將定性研究結果與對當前軍事和工業安全協議選項的評估結合起來。

• 為多域作戰（MDO）UxS用例選擇一個可行的安全協議選項。

• 在最佳網絡條件下實施和評估選定的安全協議，用于UxS模擬。

• 在ScanEagle和CASSMIR上實施和評估所選擇的安全協議。

1.3 相關研究

UxS的研究空間是巨大和不斷發展的。正如本節所討論的，UxS安全的主題已經在各個研究領域得到了研究和記錄。然而，將不同的協議與軍事要求進行比較，以制定C2協議標準，提高安全性、效率和互操作性的研究有限。盡管如此，選定的先前研究提供了與我們的研究有關或支持我們研究的見解。

來自俄勒岡大學、南佛羅里達大學、海軍研究生院和凱斯西儲大學的研究人員，專注于建立基于性能和安全之間平衡的最有效的密碼文本算法或密碼框架[6]-[8]。這些論文解釋說，我們目前最常用的密碼套件對于小型UxS來說，計算量和功率都太大，例如Craziefile 2.0，它使用ARM Cortex M-4架構，工作頻率為168 MHz。其他研究則是研究用于開發UxS的軟件的安全基元，如機器人操作系統（ROS），并解釋了安全漏洞和緩解措施，以實現無人系統的安全、可靠部署[9]。最后一項研究揭示了這些基礎技術的脆弱性和保護它們的必要性。

從相關的研究來看，重點是尋找最佳的拓撲結構、路由協議或數據信息傳遞，以支持越來越多的無人駕駛系統和傳感器一起工作和運行[10], [11]。這些工作大多旨在通過將傳輸的開銷成本降到最低，找到維持C2的最有效方法[10], [11]。其他的UxS研究課題側重于網絡安全的最佳實踐，強調在無人系統中發現的漏洞到可能的新攻擊載體和可能的緩解技術之間的范圍[12]。

有過多的指導和研究概述了要求和解決方案；然而，沒有一個真正量化了國防部和海軍內部無人系統平臺和傳感器的C2鏈接安全的重要性。更少的指導和研究將協議和算法與這種需求相匹配。相關研究表明，這些觀點并沒有直接涵蓋選擇和使用標準化協議的整體性，以提高UxS C2鏈路安全、效率和互操作性。這些方法考慮了密碼器的內部性能、ROS軟件的安全服務和能力、UxS的脆弱性和整體網絡性能。本論文旨在研究一個標準化安全協議的實施，該協議可以作為應用層的安全軟件，與設備和互聯網協議網絡無關。

有大量的指導和研究概述了UxS的安全需求；然而，沒有一個真正量化了這些軍事用途的安全需求。從美國防部和海軍部的UxS平臺和傳感器的C2鏈路安全的重要性的現實世界經驗。

1.4 論文組織

本論文的其余部分組織如下。

第2章概述了JADC2和Project Overmatch倡議，以了解這些倡議的安全協議要求。本章還討論了美國國家標準與技術研究所（NIST）和美國國家安全局在加密協議的標準化和選擇方面發揮的作用。它回顧了安全通信協議的工業和軍事安全方法、相關性能以及通過使用專有和基于標準的安全協議解決的安全問題。

第3章提供了一個定性研究，包括面向網絡安全的訪談問題。研究的對象是在安全、自主設備和傳感器網絡、獲取或重疊方面有經驗的軍事、民事和承包商人員。從訪談中收集到的數據為國防部和國防部深入了解UxS的通信安全現狀以及相關的網絡安全和認證程序提供了更深的理解。

第4章根據第3章和第2章的結果進行交叉分析，提供了協議的比較和選擇。它討論了專有的和標準化的安全協議，這些協議是第2章中討論的網絡和倡議的關鍵網絡安全組成部分。它還將美國防部和美海軍部的UxS安全要求與定性研究的結果以及所討論的當前和新興的安全協議相匹配，以選擇UxS平臺的C2所需的最有能力的安全協議。

第5章概述了MLS在MDO UxS情況下的方法和實施。它描述了MLS和ROS的結構。它概述了協議功能概述，代碼開發階段，以及為支持實施而創建的核心功能。它還涵蓋了用于創建MLS指揮和控制（C2）應用程序（MLS C2）與ROS接口的分步方法概述。

第6章討論了在5中開發的各種MLS應用程序的實驗，并分析了其對研究用例的影響。這一章包括對測試過程的描述和對結果的描述。

第7章提供了一個結論，涵蓋了本論文研究的意義，對研究進行了總結，并推薦了繼續工作和替代方法的選項。

本報告著重于2025年混合部隊的任務工程過程。來自OPNAV N9I的最新任務強調了關注使用成本保守的無人系統的必要性。具體來說，重點放在近鄰的競爭對手大國以及在南海的反介入/區域拒止（A2/AD）情況下可能出現的問題。海軍水面作戰中心的任務工程方法被用來確定擬議的替代艦隊架構的具體事件，然后使用作戰模擬和優化模型進行分析。對目前的無人系統，特別是那些正在開發的高技術準備水平無人系統的性能特征和成本的研究進行了匯編。提議的無人系統架構是作為A2/AD問題的解決方案而開發的。然后，無人系統架構通過優化模型運行，以最大限度地提高系統性能，同時最小化成本。然后，架構優化的結果被輸入到建模和仿真中。然后比較每個架構的整體有效性，以找到最有效的解決方案。對結果進行了分析，以顯示預期的任務有效性和利用擬議解決方案的無人架構的擬議成本。最有效的架構包括搜索、反蜂群、運送和攻擊系統。

執行總結

A 引言

系統工程分析31組由美海軍作戰司令部戰爭整合處（OPNAV N9I）負責確定一個解決方案，以彌補與大國在2025年的預期能力差距（Boensel 2021）。該解決方案系統必須具有成本效益并能在2025年之前交付。SEA團隊利用任務工程過程來確定候選的未來艦隊架構來解決問題（工程副主任辦公室2020）。

B 問題陳述

到2025年，如何才能有效地對抗近鄰對手的反介入和區域拒止能力？

C 能力需求

以具有成本效益的方式調整目前的能力，并創建一個未來的架構，以加強美國海軍的作戰能力，包括存在、欺騙、ISR以及在反介入和區域拒止環境中的防御和進攻能力。

D 任務描述

利用任務工程流程，總體情景被設定在2025年的南海。大國已執行了其九段線的領土要求，并建立了一個反介入/區域拒止（A2/AD）區。大國不斷擴大的艦隊、對人造島嶼的使用、遠距離ASCMs以及對無人系統的擴大使用使美國的水面作戰艦艇處于高風險之中。總體任務是美國海軍DDG通過提高其殺傷力和生存能力，在A2/AD區域內進行FONOPS。在整個方案中，有三個小場景被開發出來。OTH ISR、目標選擇和交戰，威脅無人機蜂群，以及提供目標選擇的威脅無人機ISR資產。

E 任務衡量

衡量任務成功與否的總體標準是美國海軍部隊在近乎同行的反介入區域拒止環境中的作戰能力。有助于衡量成功的有效性的措施是DDG的生存能力和殺傷力的提高程度與解決方案系統的成本相結合。

F 分析設計

為了分析擬議的系統解決方案（SoS）是否能達到既定的成功標準，設計了一個價值體系。利用通用的海軍任務列表，項目組確定了擬議的系統解決方案需要完成的三個二級任務，以完成任務（海軍部，2008）。

對三個選定任務下的后續任務進行了評估，以確定擬議系統需要完成的具體功能。通過這次審查，確定了候選無人系統需要完成的四項高級功能。這些功能是交付、搜索、通信中繼和打擊。為每項功能選擇了性能措施，以用于多屬性價值分析。

多屬性價值分析被用來比較完成四個功能中一個或多個功能的候選系統。一個系統的價值是根據每個性能指標對完成一個特定功能的重要性，給每個性能指標分配一個權重而得出的。權重從1到5不等，其中5表示最重要的MOP。計算MOP和權重的乘積，并將每個乘積相加，以獲得系統的價值。

為了確定可行的候選系統，項目組成員各自研究了一個不同的無人系統，并收集了每個候選系統的性能衡量標準。如果一個特定的無人系統的MOP值不知道，則推斷其值與一個類似的系統相同。如果不存在這樣的類似系統，則使用啟發式方法估計該值。對于每項功能，至少有一個系統符合技術成熟度，可考慮用于2025年的混合部隊。

F.1 建議的系統簇

為了實現所有四個功能，候選系統的組合被排列組合成16個系統簇。每個備選方案的系統價值和成本都被計算出來。系統價值的計算方法是將每個備選方案中的每個系統的價值相加。

F.2 優化

為了產生用于比較的替代方案，該團隊使用整數線性規劃生成了架構。這是用Pyomo的優化功能完成的。線性規劃被創建、約束以更好地表示現實，并被解決以生成分別針對性能、預算和替代合約選項進行優化的替代架構。

F.3 使用炮擊作戰模型計算MOE

現代導彈戰可以使用炮擊作戰模型進行評估。這個模型被用來計算每個小場景中的每個SoS備選方案的有效性。結果顯示了超視距ISR平臺的重要性，一個獨立的武器系統來對付敵人的無人機，目前IAMD作戰系統的有限防御能力，以及超視距搜索和瞄準能力。

F.4 基于電子表格的戰斗模擬

“大國”和美國都擁有深入的綜合空中和導彈防御。為了證明這種互動，在微軟Excel中使用反二項式函數對不同的交戰進行了建模。每一個擬議的艦隊架構都被輸入到三個小插曲的戰斗模擬中。為了獲得隨機的結果，試驗的數量被設定為300次，每個概率都有一個可能的值范圍。該模型中的自變量可分為防御性或進攻性變量。防御性變量是每個單位的綜合防空和導彈防御武器的殺傷數量和殺傷概率。PLAN的進攻性變量是YJ-18 ASCM和Harpy無人機的命中數。美國海軍的進攻性變量是海上攻擊戰斧、ASCM和特定攻擊無人機的進攻性命中數量。

模擬的結果顯示了擊中敵方水面平臺或美國海軍水面部隊的數量。通過比較建議的系統與基線的命中率，可以得出變化的百分比。在我們的分析中，進攻和防御的有效性被平均加權，允許將進攻和防御百分比變化的高值相加，以計算出高低變化的總百分比。

F.5 使用基于智能體的建模和仿真進行模型驗證

基于智能體的建模和仿真（ABMS）被用來驗證每個設想的系統架構與所需的MOE。ABMS旨在通過對智能體之間的相互作用進行建模，來捕捉戰爭交戰的隨機性，但又很復雜。進行了蒙特卡洛分析，以收集每個系統性能的個體層面的數據。隨后的統計分析提供了一個途徑，以確定和量化每個擬議的系統架構所實現的改進。為此目的，指揮部：現代行動（CMO），是一個跨領域的現代兵棋推演計算機軟件，旨在模擬戰術到作戰水平的行動，被用作仿真引擎。CMO模擬的是基于規則的智能體，它們相互之間以及與環境之間的互動，包括感興趣的場景中的武器系統（Coyote, YJ-18, Chaff）和平臺（例如PLAN DDG, Luyang）。與多屬性價值分析方法相比，CMO允許對定量的系統MOP進行建模，并在模擬結果中觀察其相對差異。

G 電子表格作戰模擬結果

電子表格戰斗模型模擬的第一個結果是解放軍DDG在三個不同的迭代中對美國海軍DDG的命中率，即只用YJ-18攻擊，只用哈比攻擊，以及YJ-18和哈比同時攻擊。同時使用YJ-18和Harpy的命中率被作為防御性MOE的基線值。接下來，兩種不同的防御性無人機系統被分別加入到作戰模型中。對只有哈比的攻擊和YJ-18與哈比的同時攻擊進行了重復模擬。每個系統的防御性百分比變化是用前面描述的公式計算的。

接下來的結果是美國海軍DDG在三次不同的迭代中擊中PLAN DDG的次數。模擬了僅用MST攻擊、僅用ASUW無人機攻擊以及MST和ASUW同時攻擊的結果。只用MST攻擊的命中率作為進攻性MOE的基線值。接下來，七個不同的運載系統被分別加入到作戰模型中。對僅有ASUW無人機攻擊和同時進行的MST和ASUW無人機攻擊進行了重復模擬。每個投送系統的進攻百分比變化被計算出來。

將同等權重的進攻和防守百分比變化相加，計算出高和低的總變化百分比。根據該模型，期望值是這樣的：在0.95的置信度下，增加SoS將使水面部隊的有效性增加一個介于高值和低值之間的百分比。

H. 基于智能體的建模和仿真結果

總的來說，從ABMS觀察到的性能與從電子表格模型觀察到的性能MOE相關。在所有提議的架構中，都觀察到了防御和進攻MOE的明顯改善。這是預料之中的，因為在DDG上增加任何防御性武器系統應該減少艦隊DDG的直接命中數量。同樣，增加一個具有增強OTH感知能力的進攻性武器系統會增加對目標直接作用的武器數量。

對防御性和進攻性MOE與每一方所消耗的平均武器數量的比率的進一步分析顯示，由于美國海軍DDG上增加了反群武器系統，防御性MOE得到了改善。這種增加被證明是對所有架構的一種有效的廣泛改進。三種提議的架構之間最明顯的差異來自于進攻性MOE（%），其中性能系統優于其他架構。與發射的武器總數相比，預計一個性能更好的系統會向目標發射更少的武器，同時造成更多的命中。

I 結論

這項工作證明了低成本的無人駕駛威脅系統給傳統水面戰艦帶來的危險，這些系統可以在幾乎沒有警告的情況下進行協調和攻擊，并為船員提供很少的反應時間。為了避免強制增加對峙距離以提高生存能力，有必要使用增程傳感器系統和反無人機系統來彌補預期的能力差距并提供進入被拒絕區域的機會。為了使這些系統可行和安全，高帶寬的通信系統將是必需的。

為了滿足這些需求，建議的解決方案系統利用Dive-LD來運送Coyote無人機平臺。搜索和通信中繼將由兩個VBAT無人機平臺提供。這種平臺組合為每一美元的系統成本提供了最高的進攻和防御能力的提高。叢林狼 "無人機也將作為一個蜂群來防御威脅性無人機群和威脅性無人機ISR資產。增加解決方案系統的采購將提高艦隊的生存能力和殺傷力，并允許在其他艦隊優先領域進行額外投資。

建議通過為無人機平臺配備額外的無源傳感器來改進該系統，以利用電磁頻譜的所有部分，從而提高在所有天氣和戰斗條件下探測敵方威脅的能力。此外，擬議的解決方案系統可以擴展到許多其他領域和任務區，如港口防御和反對出口。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中作戰，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以支持在非許可環境下的任務。將自動化和人機協作納入現有的防御能力，可以減少威脅的反應時間，提高有人和無人飛機配置的防御機動的有效性。這篇論文研究了作為威脅反應一部分的飛機機動的價值，以確定人類干預對時間和準確性產生負面影響的情況。它還考慮了復制Merlin實驗室的飛行自動化方法和將能夠進行防御性機動的機器訓練系統納入現有飛機的機會。分析表明，飛機的機動性對于有效的威脅反應至關重要，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。這篇論文建議重新關注特種部隊飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以提高防御性威脅反應。它還主張繼續研究在SOF任務中使用可選的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。

美國軍隊繼續在日益復雜的安全環境中運作，不能再期望在每個領域都有無爭議的或主導性的優勢。由于地對空威脅已經擴散到在世界各地活動的敵對行為者，未來的作戰環境將以有爭議的空域為特征，這將對有人和無人駕駛飛機的操作構成挑戰。由特種作戰部隊（SOF）操作的飛機需要改進防御能力，以便在這些有爭議的地區進行機動，同時支持傳統SOF任務。這篇論文研究了商業能力的進步，以減少威脅的反應時間，提高有人和無人駕駛飛機配置的防御性機動的有效性。

通過與位于波士頓的飛行自動化初創公司Merlin實驗室合作，本分析探討了防御性機動的潛在自動化。飛機機動是對威脅作出有效反應的一個關鍵方面，自動選擇操作者的行動可以提高對某些地對空威脅的生存能力。通過確定AC-130J威脅反應中人為干預影響飛機操縱時機和準確性的步驟，這項分析揭示了復制梅林實驗室的飛行自動化方法和將能夠執行防御性操縱的機器訓練系統納入現有飛機的機會。

在威脅反應過程中確定的關鍵步驟包括威脅指示、威脅作戰識別和威脅反應配對。目前，機組人員手動執行這些步驟來完成防御性威脅機動。然而，這些步驟中的每一個都可以從自動化和人機協作中受益，通過三種明顯的方式提高整體性能。首先，生成簡化的視覺和聽覺威脅指示，確保及時通知威脅的存在。其次，自動識別過程以準確識別威脅的變體，減少了反應時間和人類識別錯誤的可能性。最后，將威脅識別與適當的飛機反應同步配對，減少了不必要的延誤，并提高了威脅操縱的準確性。

這篇論文建議重新關注SOF飛機的防御能力，并贊同將機載自主系統整合到傳統的載人平臺上，以改善防御性威脅反應。將人機協作和自主能力納入飛機防御系統，可以使防御機動性能優于傳統系統，并允許在更廣泛的環境中作戰。除了改善防御性機動，梅林實驗室的自動飛行甲板在各種不同的飛機和任務中提供了潛在的用途。繼續研究應該調查在SOF任務中使用可選擇的載人飛機，以完善其操作效用，并在各種任務平臺上擴大能力。最后，在整個特種部隊中采用梅林系統將顛覆既定的操作慣例，需要個人和組織行為的改變。為了緩解過渡期并提高采用率，AFSOC應采取步驟，盡量減少利益相關者的行為變化，同時最大限度地提高系統的操作效益。培養對人工智能、機器學習和自動化的理解，將使這些行為者為軍事技術的快速變化和戰爭特征的變化做好準備。

圖 9. AC-130 防御性威脅反應圖。

摘要

美海軍陸戰隊的遠征戰車（EFV）項目從開始到取消花費了超過30億美元。兩棲作戰車（ACV）試圖取代兩棲突擊車（AAV）并接替EFV的位置。一個項目的比較可以用來從以前的管理錯誤中學習并防止這種規模的失敗。通過分析這兩個兩棲車輛項目，對照現有的項目管理工具，包括決策科學原則，評估了相關的成功和失敗。本報告比較了兩個項目生命周期中的關鍵節點，并為未來兩棲作戰車輛的采購提供建議。結論顯示，不平衡的成本和進度的增加壓倒了EFV的性能目標，導致了取消。結果，ACV顯示出較低的性能，但相比之下，成本較低。通過研究，采購專業人員可以更好地理解監督的重要性，找到解決方案，并有效地裝備自己來管理主要的國防武器系統。

I. 簡介

A. 海軍陸戰隊的兩棲任務

美海軍陸戰隊旨在維持護美國遠征軍。雖然遠征任務隨著每個沖突的發生而變化，但海軍陸戰隊仍然保持靈活，并努力保持較高的戰備水平，以便在沖突發生時迅速作出反應。兩棲作戰是圍繞海軍陸戰隊遠征性質的基本能力之一。海軍陸戰隊理論出版物（MCDP）《遠征作戰》指出，"海軍陸戰隊遠征作戰的頂點作戰概念是海上作戰機動"（海軍部[DON]，2018年，第89頁）。自成立以來，進行艦艇到岸上行動的能力已經定義了海軍陸戰隊。通過1947年《國家安全法》的通過，國會將兩棲任務編入法典，并賦予海軍陸戰隊如何完成這些任務的自由裁量權：

• “美國海軍陸戰隊隸屬于海軍部，應包括陸上作戰和服務部隊以及其中可能包含的航空部隊。海軍陸戰隊應進行組織、訓練和裝備，以提供聯合武器的海軍陸戰隊，以及支持性的航空部門，與艦隊一起奪取或保衛先進的海軍基地[強調是后加的]，并進行對開展海軍戰役可能至關重要的陸地行動。海軍陸戰隊的職責是與陸軍和空軍協調，發展與登陸部隊所使用的戰術、技術和設備有關的兩棲作戰階段[強調是后加的]。此外，海軍陸戰隊應提供在海軍武裝船只上服役的分隊和組織，應提供安全分隊以保護海軍駐地和基地的海軍財產，并應履行總統可能指示的其他職責。但這種額外的職責不應減損或干擾海軍陸戰隊主要組織的行動。海軍陸戰隊應根據綜合聯合動員計劃，負責擴大和平時期海軍陸戰隊的組成部分，以滿足戰爭的需要。(海軍陸戰隊大學[MCU], 2021) ”

此外，10 U.S.C. § 5063規定了海軍陸戰隊的組成和職能，合法地要求 "海軍陸戰隊將被組織、訓練和裝備，以提供兩棲和陸地作戰能力，奪取先進的海軍基地并進行海軍陸地作戰"（MCU, 2021）。

B. 解讀

美海軍陸戰隊通過繼續采購和維護兩棲車隊來響應這一號召。海軍陸戰隊在菲律賓、第二次世界大戰、越南和韓國的戰斗中使用這些車輛。自1971年以來，海軍陸戰隊使用了突擊兩棲車（AAV），正式命名為AAV-7A1。這些車輛的兩棲性質造成了昂貴的操作和維修周期。2020年提交給國會的一份報告指出，"AAV已經變得越來越難以操作、維護和維持......[其]兩英里的船岸距離被許多人視為一個重要的生存能力問題，不僅對車輛本身，而且對海軍兩棲部隊"（Feickert，2020，第2頁）。盡管有這些事實，軍團認為這種能力值得冒險。然而，多年來，政治、公共和軍事官員對海軍陸戰隊理論的某些方面表示反對，因此也反對兩棲車輛的相關性。例如，在1957年，克魯拉克準將給海軍陸戰隊司令佩特將軍寫了一封信，指出 "美國不需要海軍陸戰隊。然而，出于完全超越冷酷邏輯的充分理由，美國想要一支海軍陸戰隊"（丹尼，2021）。

盡管有政治壓力和與AAV兩棲能力相關的挑戰，海軍陸戰隊繼續其合法的歷史使命。兩棲需求仍然有效。盡管如此，鑒于圍繞著遠征戰車（EFV）開發的數十億納稅人資助的沉沒成本，海軍陸戰隊繼續其兩棲作戰車（ACV）的追求。然而，這種采購努力與海軍陸戰隊內部激進的部隊設計措施相吻合，強調了有關戰斗空間、設備和力量投射的作戰轉變。這項研究的目的是對未來兩棲作戰車輛的采購工作產生積極的影響。

C. 利益相關者

海軍陸戰隊的兩棲能力包括各種利益相關者，包括美國的納稅人、國會、參謀長聯席會議、海軍和海軍陸戰隊領導人、軍人、工業承包商（通用動力公司和BAE）以及各種研究組織，如政府問責辦公室（GAO）、國會研究服務部（CRS）和監督委員會。每個組織的目標和目的并不總是一致。相互競爭的利益，如工作、作戰準備、成本節約、互操作性和安全，都會影響到采購方案。這項研究并不深入關注每個利益相關者；相反，它將利益相關者的互動與項目結果聯系起來。

D. 范圍和效益

這項研究對于避免因采購計劃取消而導致的實際浪費和不支持的作戰人員的低效率是至關重要的。該報告對兩個項目進行了比較和對比，并觀察了四個方面的優勢和劣勢的項目證據：（1）強制性要求，（2）國防部決策支持系統（DSS）模型，（3）項目管理（PM）工具，以及（4）決策科學原則。通過比較分析，項目管理部門可以更好地了解決策的影響。分析了移位的關鍵性能參數（KPP）、計劃基線以及與工業界的協調。該分析遵循國防部決策支持系統（DSS）的結構，具體到主要能力獲取途徑。最后，試圖通過決策科學原則來分析組織行為。這方面可以使項目經理（PMs）認識到可能對項目產生負面影響的范式和認知障礙。

E. 分析技術

研究主要采用了公開來源的文件，包括美國防部的指導手冊、報告、計劃提交書以及各種書籍和文章。此外，還進行了硬拷貝和互聯網搜索，并通過國防采購管理信息檢索（DAMIR）系統訪問具體的項目數據。在整個文獻審查中使用這些來源，以建立與EFV和ACV比較有關的分析標準。

值得注意的是，在整個報告中，無法證明因果關系。然而，顯示了相關性，然后進行了觀察。這種外部觀察并不包含所有的計劃信息，也不支持完全全面的研究水平的意圖。有太多的變量存在于PM的控制范圍之內和之外，無法分析所有的風險來區分一個絕對正確的前進道路。同樣，項目的可變性也不支持推薦一個具體的規定性過程，只是建議。

F. 研究問題

EFV和ACV項目在以下關鍵國防采購領域的比較：（1）強制性要求，（2）美國防部決策支持系統（DSS）模型，（3）項目管理（PM）工具，和（4）決策科學原則。

這個問題可以用幾種方式來回答，特別是考慮到強制性要求、工具和專業的多樣性。盡管如此，說明了信息的數量和相互聯系性。接下來，第二章闡述了每個項目的歷史背景和時間線，引出第三章的文獻回顧和分析。然后在第四章中，總結了適用于兩個項目的聯系。

摘要

在多域作戰（MDO）中，特種作戰的作用正變得越來越重要。特種作戰部隊（SOF）是全球最主要的持久性軍事部隊。特種作戰部隊將繼續促進決策者對作戰環境的準確理解，塑造環境以防止武裝沖突，并在必要時為通用部隊提供相對于對手的明顯優勢，以迅速回到競爭狀態。此外，特種部隊仍然是美國防部打擊暴力極端主義組織的首選力量，必須平衡這一責任和他們在與近似對手競爭中的作用。目前，美國陸軍特種作戰和學校正在對每個資格課程進行現代化和優化。陸軍特種作戰（ARSOF）隊長職業課程（CCC）最近修改了其課程，包括SOF的具體培訓，以最好地準備未來的ARSOF領導人在MDO構建中運用特種部隊、民政和心理作戰。這個兵棋是為參加ARSOF CCC的ARSOF新軍官設計的。兵棋允許學生在一個模擬的多領域環境中工作，在有限的時間、資源和人員的限制下，應用課程和SOF的理論。兵棋推演的目的是協助SOF隊長準備帶領作戰小組到海外進行作戰和戰斗部署。

I. 前言

在多域作戰（MDO）中，特種作戰的作用正變得越來越重要。特種作戰部隊（SOF）是全球最主要的持久性軍事存在。SOF將繼續促進決策者對作戰環境（OE）的準確理解，塑造環境以防止武裝沖突，并在必要時為通用部隊（GPF）提供相對于對手的明顯優勢，以迅速回到競爭狀態。SOF仍然是國防部打擊暴力極端主義組織（CVEO）的首選力量，必須平衡這一責任和他們在與近似對手競爭中的作用。

SWCS必須確保未來的SOF領導人能夠滿足第一特種部隊司令部的要求，以進行上述的行動。在SWCS中每個資格課程的變化是持續的，因為SWCS的目標是快速配備部隊，同時確保畢業生為他們未來的責任做好準備。這些課程歷來以非常規戰爭為重點，并優先考慮直接行動（DA）任務，這也是過去20年內作戰部隊的優先任務。現在，全球反恐戰爭對國家來說是一個較低的優先級，而近距離的競爭是主要焦點。競爭主要發生在安全合作行動中，并創造了在第22章環境中針對穩定行動的訓練需求，如外國內部防御（FID）。

特種部隊司令部（SFC）對部隊的愿景是讓團隊作為綜合元素來完成這些任務，利用自衛隊、中央軍區和地面行動單位的能力和專業知識。隨著理論的發展，最近和未來的SWCS畢業生仍將期望使用一個綜合的結構來運作。各自的ARSOF部門需要充分了解彼此的角色和能力，并作為合作要素解決復雜的問題集。

增加或改變訓練的優先次序是具有挑戰性的。盡管如此，SWCS必須確定如何迅速為部隊提供完全合格的特種作戰士兵，同時確保他們接受所有必要的培訓，以成功地發揮其未來的作用，并承擔最少的風險。增加對這些學生將經歷的作戰環境（OE）因素的接觸，并加以重復，將強化訓練目標，促進批判性和創造性思維，以幫助提高準備程度和減少風險。學生較早開始分析他們未來的OE的資格課程將增加他們的經驗，并為未來的培訓提供背景，而他們在SOF之前的職業生涯或教育背景可能無法提供。將ARSOF課程整合到上尉職業課程中，在每個訓練管道的前端提供了這種機會。該課程提供了一個基礎，將在每一個資格課程中建立和加強。

A. 特戰中心、學校和多域作戰

美國特種作戰司令部司令博德特中尉在AFC Pam 71-20- 4 Concept for Special Operations 2028中指出，陸軍特種作戰部隊（ARSOF）需要提供 "獨特的能力來推進伙伴關系，影響對手的行為，執行特種作戰，并應對危機。"此外，ARSOF在敵對的、被拒絕的或政治上脆弱的地方提供這些能力，與當地軍隊一起或通過他們工作，需要文化熟練和高風險水平。

ARSOF在地理上校準的部隊態勢提供了快速了解作戰環境的能力，并通過與當地伙伴部隊、居民人口、政府機構和組織間合作伙伴的持久關系來施加影響，以利用軍事和民用網絡，改善實時情況的了解，放大作戰效果，并破壞對手的通信能力和決策過程。

這反映了美國政府的選擇，即在追求政策目標的同時，限制軍事行動，保持不發生武裝沖突。

競爭中的特種作戰的主要目的是幫助JFC在不升級為武裝沖突的情況下實現美國的戰略目標。

在競爭階段，特種作戰部隊評估所有相關的行為者和他們各自的關聯。部隊同時評估感興趣的領域，培訓合作伙伴，并促進與盟友和合作伙伴的合作，同時減少美國的人員和資源投入。"這種力量支持一個有利的環境，讓聯合部隊、機構間和合作伙伴努力通過非常規和信息戰來對抗對手的脅迫行為。"在復雜的混合威脅環境中，部署在全球的特種作戰部隊承擔著巨大的責任，由中級民政、特種部隊和心理作戰官員領導。特種部隊司令部必須確保未來的特種部隊領導人準備好完成國防部、USASOC和第一特種部隊司令部的期望。布倫南將軍（MG Brennan）在第一軍區司令部指出："我們（ARSOF）在整個沖突的范圍內是至關重要的。我們必須為大規模作戰行動（LSCO）進行訓練，即使我們努力防止它們。"這句話給特種部隊司令部，即部隊的創造者帶來了最大的挑戰，在有限的時間框架內優先考慮可以完成的訓練。

此外，ARSOF的三個分支在各自的資格課程中學習他們的專業。盡管如此，為了滿足第一SFC的跨職能團隊概念，為SOF提供競爭優勢，三個部門必須熟悉彼此的角色和能力。從戰術到行動要素的CFT結合了民政、心理作戰、特種部隊和使能者的能力，整合多領域的能力，為指揮官快速創造選擇。

特種部隊必須繼續發展資格認證渠道，以迅速向部隊提供完全合格的特種作戰領導人，同時確保他們接受所有必要的培訓，以在未來的角色中取得成功。目前的作戰環境（OE）要求行動單位為所有戰爭范圍內的行動做好準備。然而，大多數特種作戰部隊將被部署在支持作戰以外的安全合作方面。這種競爭空間主要發生在安全合作行動中，并創造了在第22章環境中針對穩定行動的訓練需求，如外國內部防御（FID）。正如布倫南將軍所說，訓練LSCO和執行ARSOF獨特的、可以說是最具挑戰性的非傳統戰爭任務的需要是最重要的。然而，這并沒有反映出SOF軍官一旦從他們的資格課程畢業后將會指揮的主要任務。

B. 兵棋推演作為一種訓練方法

鑒于上述的培訓需求，并考慮到有限的培訓時間，人員限制和資金限制，兵棋推演已被證明是解決這一問題的潛在辦法。大多數專業軍事學校的結業演習都集中在以PowerPoint為基礎的場景上，聚焦于一個特定的軍事行動。海軍陸戰隊指揮和參謀學院已經找到了一種新的方式來加強軍事教育，即擺脫歷史上的PowerPoint，轉向教育性的兵棋。

CSC的教育性兵棋推演為學生提供了 "快速失敗 "的機會，迭代，并從與同學和教師的多次嘗試中學習。為了培養指揮官對項目管理教育的指導所設想的創造性和靈活的頭腦，CSC將研討會內和研討會間的小組兵棋推演視為引導和鼓勵競爭的健康方式，讓學生有機會贏和輸，最終從每個結果中學習。通過將兵棋以及決策游戲和案例研究巧妙地融合到課程中，CSC正在培養具有智力和敏捷性的領導人，以便在這個快速變化和大國競爭的時期超越對手的思維。

數年來，兵棋一直被用于軍事結構中，以模擬現實情況，并在必要時提出想法。兵棋推演增強了軍事領導人的思維方式，使他們能夠根據阻礙軍事力量的制約因素，通過在假設情況下采取行動來做出決定。敘事經驗或講故事一直是向讀者介紹信息的一種方式。心理學家已經意識到，相對于僅僅通過閱讀來加強理解的歷史方法，新一代人可以通過親身體驗講故事來更好地學習。兵棋推演可以保持敘事方法，但游戲的使用將使一個新的工具為軍事人員提供更大的用途。彼得-佩拉表達了對兵棋的需求，以及為什么它能帶來創新的方式來找出解決問題的方法。

當我們玩的時候，我們也有一種緊迫的樂觀主義的感覺。我們全心全意地相信，我們可以應對任何挑戰，面對失敗，我們會變得非常有彈性。研究表明，游戲玩家平均有80%的時間在游戲世界中失敗，但他們沒有放棄，而是堅持面對困難的挑戰，并利用游戲的反饋來獲得更好的結果。通過一些努力，我們可以學習將這種復原力應用到我們所面臨的現實世界的挑戰中。

該兵棋將是一個競爭性的教育桌面棋盤游戲，讓學生分別指揮ODAs、CATs和MISTs。玩家必須在指定的行動區作為跨職能團隊一起工作，既要反VEO，又要在競爭中支持美國利益。該情景將模擬安全合作任務，并介紹團隊領導在與機構間伙伴合作、支持TSOC、管理與東道國的關系以及短期部署輪換時的挑戰。

C. 選擇合作伙伴的目的和設計

基于這些信息，建立我們的兵棋推演方法所要研究的問題是。在當前的多領域環境中模擬競爭的兵棋是否能提高ARSOF CCC畢業生的后續訓練，并提高他們行動單位的準備程度？為了回答這個問題，我們為分別指揮ODAs、CATs和MISTs的學生設計了一個競爭性的教育桌面棋盤游戲。游戲中的玩家必須在指定的AO中作為一個團隊共同工作，既要反VEO，又要在競爭中支持美國利益。該場景模擬了安全合作任務，并介紹了團隊領導在與機構間合作伙伴合作、支持TSOC、管理與東道國的關系以及短期部署輪換時面臨的挑戰。

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。