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地理定位精度測試報告介紹了當前戰術優勢網絡指揮與控制(TEC3)系統的地理定位精度研究結果。該文件由加拿大萊茵金屬公司提交給加拿大國防研究與發展,任務TA-04。

萊茵金屬加拿大公司于2018年2月至2021年3月為加拿大國防研究與發展部(DRDC)開發了戰術邊緣網絡指揮與控制(TEC3)技術演示器。TEC3展示了網絡和安全態勢感知以及網絡指揮和控制功能在一個示范性的下馬士兵網絡中的應用。根據核心工作成果,TEC3包括本地組中節點之間的移動特設網絡(MANET)通信,以及估算、地理標簽和顯示目標發射器位置的地理定位功能。

本報告詳細介紹了通過任務授權(TA)實施的進展情況,以測量TEC3系統對無人機系統(UAS)進行地理定位的性能,使用本報告的測試計劃中記錄的特定拓撲結構和距離。這些拓撲結構取決于最大距離參數,該參數本身也是一個實驗測量的對象。最大距離參數是軟件定義無線電(SDR)能夠接收UAS傳輸的最長距離。除了掃描頻譜進行地理定位外,SDR還記錄了地理定位過程中的通信頻段,以便將來分析。

實驗被成功執行,在某些情況下,UAS可以通過三個TEC3節點的不同城域網拓撲結構和距離來進行地理定位。例如,在某些情況下,它可以在直徑為420米(平均)的圓形/橢圓形區域內進行一定精度的地理定位。在其他情況下,橢圓覆蓋了TEC3的部署區域;在這些情況下,準確性差是由于SDR和全向天線輻射模式之間對同一發射器/位置的測量功率不一致。

探測發射器的最大距離估計約為600米。 實驗產生了108份60秒的記錄,將用于未來的分析。

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美國國家科學、工程和醫學研究院成立了用于收集科學質量的海洋和海岸數據的小型衛星系統的伙伴關系選擇評估委員會,以解決任務書中的以下目標。

該研究將對建立和利用伙伴關系的可行性和意義進行獨立評估,以開發、部署和運行一個衛星系統和支持性基礎設施,能夠傳感具有足夠科學質量的海洋、沿海、大氣和水文數據,以建立預測模型并支持國家利益的近實時應用。它將盡可能地確定和描述這種系統的有希望的選擇。委員會將確定并考慮潛在的公共和私人合作伙伴,以開發這樣一個系統或主要的子系統,同時考慮到以下因素。

  • 哪些國家的任務可能會從小型衛星數據收集系統的使用中獲得實質性的好處,以及該任務如何取決于數據收集的頻率和地理范圍?這些利益可以被廣泛地定義為包括軍事、經濟、科學、教育和環境利益。

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  • 現有的基礎設施是否足以支持所需的空間平臺開發和制造、系統集成、發射、通信、測試、數據分配和維護功能?為了縮短從構思到在軌的時間,應該加強或創建哪些基礎設施組件?基礎設施被廣泛地定義為包括工業制造能力、空間系統支持結構和通信信息系統。

  • 可以采用什么程序來加強技術發展管道、標準制定、以及識別和采用最佳做法?

  • 開發所需技術、基礎設施和程序的預期時間表是什么,這些技術、基礎設施和程序將使所需的衛星系統得到發展?

在進行這項研究時,委員會將審查提供一些所需系統組件的現有系統,以及處于不同開發階段的系統,以便在未來進行部署。在可能的范圍內,委員會將收集和分析關于公共和私人組織的預期相關未來需求的信息,以及學術研究人員的相關觀點。

在履行其任務說明的職責時,委員會的評估方法依賴于其成員的經驗、技術知識和廣泛的專業知識。委員會并沒有試圖報告對每一個潛在的伙伴關系選項或每一個可用的實施方法的詳盡評估。委員會的第一個目標是通過確定和關注哪些政府任務領域可以最多利用和受益于商業新空間的空間接入能力(定義見下文方框S.1),從而提供持久的價值。它的第二個目標是確定當前的挑戰和未來的機會,以重新定義空間基礎設施,以便更有利于可持續的伙伴關系,同時確定能夠為多個利益相關者服務的采購方法。

總體觀察結果

本報告所討論的機會來自于服務于商業和政府部門的新空間技術的爆炸性增長(在第2章討論)。小衛星技術(在方框S.1中描述)已經極大地改變了政府機構采購、開發和發射商業衛星的模式。該技術和相關的空間發展繼續迅速發展,在本報告中一般被稱為新空間生態系統。預期的定義是仿照 "硅谷 "生態系統,其中政府是一個重要的合作伙伴,與商業部門建立一個健康和自我維持的關系,提供空間產品以及空間業務本身的相關創新。正如人們所預期的那樣,有許多與這種模式轉變相關的新術語,這意味著本報告中關于當前和未來趨勢的討論的術語需要仔細和具體的定義。為了保持一致性和清晰度,委員會在整個報告中使用方框S.1中列出的以下術語。

在過去的十年里,越來越多的新空間組織已經出現,它們不受傳統做法和限制的束縛。通過重新想象、創造和不斷改進小衛星空間技術,一個新的和不斷增長的空間生態系統現在已經到位,能夠為傳統用戶和新的或非傳統用戶的廣泛利益相關者群體服務。就本報告而言,傳統用戶主要包括政府部門和機構,他們的任務是支持情報、國防和民用空間,這些任務通常局限于由政府承包商采用昂貴但成熟的開發方法開發的大型航天器。新的或非傳統的用戶通常是較小的科學任務、技術成熟計劃或其他應用,以前往往由于缺乏經驗或資源而無法進入太空。這些用戶的空間準入要么不可用,要么通過依賴傳統的空間伙伴而受到限制。

目前的商業實踐正在擴大能力,包括技術和商業驅動的應用,為一個廣泛和充滿活力的生態系統打開大門,提供廣泛的解決方案,能夠支持越來越多的利益相關者。在傳統方法的同時,與制造有關的空間基礎設施,如定制的航天器總線、儀器和傳感器--包括與傳統系統性能相匹敵的高分辨率成像和雷達系統--正在出現,數量不斷增加,能力不斷提高。在運營的商業地面上,現在已經有了常規的站點,數據管理和分析也是如此,包括用于數據訪問和歸檔的云計算。因此,如果得到適當的鼓勵和滋養,一個具有廣泛能力的生態系統就會出現,包括數據融合、分析和數據購買的新商業機會,以及可以使傳統和非傳統用戶群體同樣受益的地面/空間通信。

盡管這些不斷發展的系統還沒有進入完全可運輸的商業技術狀態--例如,航天器系統仍然缺乏互操作性--這些能力和服務仍然為所有類型的用戶的空間業務開啟了越來越多的可能性。公私合作伙伴關系(PPPs)和其他創新的采購方法可以加強以通信、遙感和軍事情報為重點的國家任務,以及以海洋學、水文學、大氣層、氣候、監測自然和人為災害、成像和導航等科學數據收集為重點的新任務領域,以及尚不清楚的新的和機會主義的應用。

從2011年到2020年,全世界發射的所有航天器中有75%(2972個)是小型衛星。在此期間,美國國家航空航天局(NASA)和美國國防部(DoD)在全球所有政府機構中引領了小型衛星發射的擴散。此外,商業組織在這十年間發射了2972顆小型衛星中的2013顆,為開發者提供了大量的服務,是運營小型衛星數量最多的組織。Planet公司擁有這些年發射的所有遙感小型衛星中的22%,而SpaceX公司擁有所有通信小型衛星中的47%。這兩家公司目前都在低地球軌道(LEO)上飛行大型星座。第二章的表2.2提供了商業能力趨勢的時間表和發展預測。

認識到這些新的進展,國防部建立了混合空間架構(HSA)作為其主要的哲學框架,以評估吸收商業系統或采購國防部獨特系統之間的平衡。HSA是一個綜合的基礎設施,由空軍研究實驗室(AFRL)在2014年首次研究,并通過美國太空部隊(USSF)和情報界利益相關者所做的工作進行擴展。這種新方法的目標是超越傳統的項目爐灶,使各個政府利益相關者能夠使用該框架來實現其獨特的需求。它正在開辟新的可能性,通過利用聯合和綜合方法產生的協同作用,從傳統空間與新空間的結合中獲益。正如第3章所討論的,HSA是一個多層系統架構,提供了從多個商業和政府系統整合能力的靈活性,以滿足各種不同的和不斷發展的政府用戶需求。雖然仍處于早期階段,但它已開始提供具有成本效益和彈性的空間能力,以支持廣泛的國家安全任務,包括科學和技術(S&T)以及研究和開發(R&D)工作。(關于科技/研發的具體定義,請參考第3章的方框3.1)。

HSA的前提是對新空間創新的廣泛利用,為第4章討論的潛在科學機會和第五章討論的新商業模式打開大門。當政府管理人員能夠使他們的采購方法與這個新的框架保持一致時,將從美國政府和商業部門的新伙伴關系中受益。隨著小衛星能力的發展和HSA的深入人心,用戶將需要了解小衛星系統的優勢和劣勢,以確定它們在特定任務中的效用,特別是對于科學目標。對于海洋科學和沿海數據任務來說,雖然使用小衛星來測量海洋變量對于某些應用來說是一個真正的優勢--例如,通過海洋模型的數據同化進行短期預測--但并不是所有的目標都可以用小衛星來實現。將大型專用任務與小型衛星群結合起來,可能是監測海洋中發生的所有過程的最佳策略。第四章概述了小型衛星的具體優勢和劣勢,并對其潛在的任務應用提供了指導。

商業空間和技術提供者也將受益于新的商業模式,考慮到合同安排、相互責任和伙伴關系的條款和條件,以及所提供服務的范圍和程度。同時,目前缺乏綜合商業服務(將能力打包以滿足特定任務的需要,并包含可互操作的組件,以促進系統之間更大的適應性),阻礙了使用政府承包工具來支持任務開發和運營過程。私營部門和美國政府可以共同鼓勵商業服務的整合,以促進政府任務目標和商業能力在可接受和可管理的風險態勢下更好地結合。

為了實現一個有用的生態系統,政府的空間采購和管理文化需要促成一個環境,使政府管理人員能夠對快速變化的環境作出快速和有效的反應。根據研究委員會成員的經驗,在許多情況下,政府管理人員傾向于更大的控制;他們不愿意通過依賴商業資源或通過快速適應不斷變化的生態系統中的機會來冒他們的項目和國家安全任務的風險。除了討論新空間范式的潛在風險和感知到的挑戰外,第五章還識別和討論了與不同的組織慣例、知識產權和合同障礙有關的風險,這些障礙抑制了可以從使用創新的商業能力中獲得的全部利益。在目前的環境中,政府管理人員不僅要考慮商業供應商的技術性能,而且要考慮商業可行性風險,這一點很重要。從積極的一面來看,大多數產品和服務的多個商業供應商正在出現,這使得在商業采購決策過程中可以考慮雙重來源的選擇(如多個供應商)。

因此,為了充分受益于新空間生態系統,政府機構將需要制定收購和采購的做法和方法,既能使管理人員與商業服務合作,又能激勵他們為其項目獲得最大價值。創造一個允許伙伴關系發展的環境也有好處,例如通過將商業和政府利益相關者與中介代理聯系起來,他們可以通過將用戶的需求與商業供應商的能力相匹配來促成這種伙伴關系。這種中介伙伴關系的結果將是一個 "雙贏 "的合同安排,使供應商和用戶都受益。利益相關者的工具,如商業服務管理庫,可以改善利益相關者的協調,并加速有效的伙伴關系進程。

在這樣一個動態和不斷發展的環境中,靈活性是關鍵,因為工具和方法將繼續適應、增長和發展。為了使一個PPP商業安排成功和可持續,它需要有一個保護雙方的合同,并使公平的緩解選擇得以行使,以處理利益相關者的利益變化。第5章討論了近期內一些可適應的PPP選項,這些選項可以包括一個完整的空間系統解決方案,或根據具體的用戶需求提供的選項菜單。替代模式的例子可以包括部署商業空間組件公司,它們將提供空間系統的不同元素,或者在某些情況下,簡單地購買數據。正如將要討論的那樣,所有這些選擇都是可能的,而且對于擬議的HSA和新空間生態系統內的傳統和非傳統的利益相關者都是可以支持的。

結論與對策建議

以下結論和建議是按照報告各章的順序排列的。

第2章:結論和建議

結論:商業航天工業的巨大增長和快速演變已經產生了引人注目的成功,而且有跡象表明,這一趨勢將繼續加速。美國政府,包括傳統的政府空間用戶,可以從不太傳統的關系中大大受益,如公私合作關系,使工業的技術和批量制造能力得到采用。

建議:美國政府應鼓勵發展公私伙伴關系,可能包括主要租戶,以促進一個新的國家空間生態系統,支持工業、政府和學術目標。

結論:現有的互操作性標準主要是由傳統的系統結構驅動的,阻礙了政府獲得靈活和可適應的商業服務。美國政府和商業利益相關者將越來越多地依靠綜合商業服務和推進標準來建立一個基礎廣泛的生態系統,使航天器開發、有效載荷集成、測試、發射服務、運營管理和數據產品生產之間的過渡路徑更加順暢。由獨特的商業新空間需求和關鍵系統的設計實踐所驅動的互操作性標準的開發和采用,將增加競爭,并為當前和未來的政府用戶的廣泛的空間任務和操作需求實現有效的執行和管理。

建議:關鍵系統--那些最適合標準的系統--應該被聯合開發和積極管理,以支持新空間公私伙伴關系,促進未來系統的最大接受和使用。標準和最佳實踐可以在空軍研究實驗室的AFWERX、國家航空和航天局的小型航天器系統虛擬研究所和小型有效載荷共享協會等組織內制定,以促進新空間商業產品能力的采用。

結論:政府協調努力,促進和監督現有的政府項目,加上利用雙重用途的技術(從汽車、醫療、游戲和其他行業演變而來),可以加強現有的技術管道,并有利于所有的國家空間活動。空軍研究實驗室的AFWERX、國家航空和航天局的小型航天器技術計劃、政府的小企業創新研究計劃和政府的小企業技術轉讓計劃是這種技術注入和示范的適當場所。

建議:海軍研究局應充分利用參與現有政府技術開發計劃的機會,如空軍研究實驗室的AFWERX、小型航天器技術計劃、政府的小型企業創新研究計劃和政府的小型企業技術轉讓計劃,來注入雙重用途的技術。

結論:空間系統和操作知識在整個商業空間產業的迅速擴展,為混合空間架構和其他美國政府空間倡議提供了許多機會。明確的標準和最佳做法,結合解決和加快決策速度的采購機制,解決任務風險,并調整激勵機制,將允許美國政府有效地獲得這些新能力。針對商業模式的采購機制可以進一步支持從倡議開始到在軌能力的響應時間表。

建議:美國政府的采購機制應該進行調整,以接受不斷發展的商業實踐和適當的標準,以解決和加快決策速度,管理任務風險,并調整激勵措施,以迅速實現政府的空間倡議。

第3章:結論和建議

結論:混合空間架構顯示出巨大的潛力,作為一個新的空間生態系統的框架,整合及時、傳統和新空間產業,以提供成本效益和靈活的空間能力,支持廣泛的國家任務和目標。這個生態系統可以使海軍研究辦公室既追求其技術示范倡議,又追求其長期應用。

建議:海軍研究辦公室(ONR)應考慮將混合空間架構框架作為實現其長期海洋科學目標的一個機會。ONR應該與美國空軍合作,調整其基于HSA的方法,作為其他美國政府和非政府用戶的試點項目。

第4章:結論和建議

結論:小型衛星在國家民用任務中展示了它們在海洋學、氣象學、水文學、災害評估和其他與地球科學有關的應用方面的效用。在適用的情況下,它們通過提供更高的時間和空間分辨率以及更短的規劃周期來補充混合空間結構中的傳統系統,這使得新技術能夠比傳統方法快速插入。預計小型衛星的技術和傳感器能力,以及相關的服務,將在未來擴大。

建議:美國政府應積極定位,充分利用商業空間部門不斷發展和增長的能力,為最廣泛的傳統和非傳統用戶提供服務,將海洋學和沿海數據的應用作為試驗新過程和程序的初步努力。

結論:美國政府和學術機構之間的小衛星任務伙伴關系已經在空間科學和技術方面產生了高價值/低成本的進步,包括衛星平臺和有效載荷、地面部分通信、任務和有效載荷操作,以及科學數據產品的生成和分配。

建議:作為其與學術機構持續關系的一部分,海軍研究辦公室應檢查新出現的先進傳感器和相關技術機會,以有利于未來的海洋科學目標和任務。

第5章:結論和建議

結論:支持新空間生態系統中所需要的服務所需的技術基礎設施目前已經存在,或者如果通過擴大政府采購機會而積極啟用的話,預計將會出現。然而,美國政府空間界目前和未來可能對該基礎設施的利用,由于缺乏對現有技術能力以及從商業空間產業的快速增長中演變出來的新能力的熟悉而受到阻礙。就海軍研究辦公室而言,空間科學采購做法受到傳統方法的人為限制,限制了他們充分利用現有的新空間機會,這些機會與正在為國家海洋學伙伴關系計劃開發的海洋和沿海傳感器技術的快速示范有關。

建議:海軍研究辦公室與國家海洋和大氣管理局,作為國家海洋學伙伴關系計劃(NOPP)的聯合管理者,應該探索廣泛的現有合同機制,使商業空間能力能夠快速部署,以實現國家海洋學伙伴關系計劃的技術演示目標。它應該授權其采購人員充分利用快速發展的商業空間系統機會。

結論:聯邦采購制度--包括法定和監管計劃--提供了足夠的靈活性,以利用不斷發展的商業市場,并采用創新的方法,如公私伙伴關系(PPP)和其他形式的合同關系,包括其他交易授權(OTA)和空間企業聯盟(SPEC)。

建議:美國政府應采用一系列可用的合同機制,并積極支持使用創新的商業模式,以充分參與傳統空間和新空間商業產業。這包括從公共-私人伙伴關系和商業服務合同中的一系列選擇,以及在快速原型和快速投入使用類別中的較新的中層采購選擇。

結論:目前,沒有任何現有的機制允許預測未來的政府需求,以主動告知商業空間部門,使其能夠關注并優先考慮其未來的投資方向。美國國家航空和航天局的快速航天器開發辦公室已經通過開發其快速航天器目錄的衛星目錄,解決了這個與不定期交付/不定期數量的衛星總線采購有關的預測問題。

建議:海軍研究局應利用美國國家航空航天局的快速航天器目錄來滿足其目前的需求,并應與美國國家航空航天局的快速航天器開發辦公室和空軍研究實驗室的AFWERX合作,以納入其預測的未來需求。

結論:混合空間架構(HSA)框架的發展和采用提供了一個潛在的路線圖,為國家需求建立小衛星系統能力的時間表。然而,建設小衛星服務的能力可以通過將商業小衛星的能力與HSA的需求相一致來加速--這將減少達到一個完全有能力的空間生態系統所需的時間。同樣,市場驅動的力量和持續的政府投資項目也可以加速技術、基礎設施和流程支持,以響應客戶和社區的需求和要求。

建議:美國政府應該激勵私人投資,通過先進的采購戰略,如公私伙伴關系,與商業供應商建立無限期交付無限期數量的合同,以及政府作為穩定的促進者實現更快和更多的綜合成果的錨定租約,來實現更快和更多的綜合成果。

結論:商業空間部門似乎完全有能力滿足國家海洋學合作計劃(NOPP)的海洋傳感器技術示范飛行和發射需求,正如提交給委員會的那樣。今天,NOPP可以通過各種合同機制獲得許多這些能力。此外,這些能力預計將在未來5年內與混合空間結構驅動的美國空軍和其他政府采購一起增長和發展,與國家海洋伙伴關系計劃的目標保持同步。

建議:創新的采購做法在成本和飛行速度方面都有很大的好處,以滿足政府,特別是國家海洋學合作計劃(NOPP)的要求。根據技術準備情況和任務要求,NOPP應該考慮以下選擇:

1.讓新生的商業中介能力參與進來,探索并形成適當的伙伴關系,以匹配現有的和新興的商業能力,實現預期的技術成果。

2.探索現有的政府項目和聯盟,如美國國家航空航天局國際空間站或空間企業聯盟,以及其他支持技術原型和符合預期空間飛行目標的乘坐機會的項目。

3.聘請聯邦資助的研究和發展中心(FFRDC)或類似的公正機構作為感興趣的政府和商業實體之間值得信賴的中間人,以確定適當的公私合作機制,并構建這些機制以實現技術和采購能力的成功結合;以及4. 4. 同樣地,聘請FFRDC或類似的可信賴的代理機構來制定技術和商業參與的準則,以積極彌補政府和行業之間的現有差距和新差距。

圖2.4 支持小衛星開發、發射和產品采購的一般流程。對滿足客戶需求的商業服務的評估可能包括購買現有的數據產品或制定一個新的任務來創造這種產品。目前,進行商業數據購買的能力是有限的,然而可以支持任務開發各個階段的商業組織的數量正在迅速增加。了解橫跨儀器和航天器開發、系統集成、發射服務、遠程地面站(RGS)服務和任務運營的商業選擇的成熟度,對于使用商業服務來生產滿足任務要求的飛行系統至關重要。在本圖中,"獨立 "指的是獨立的商業產品--它們不與其他任務產品捆綁或集成;"增值 "包指的是商業產品,它是由多個任務段解決方案組成的更廣泛、更綜合的商業包的一部分。

圖4.7 HARP寬視場成像偏振計立方體衛星飛行驗證任務,展示了從空間進行的多角度氣溶膠和云屬性測量。這項技術已經從機載系統成熟到空間版本,在南美洲的的喀喀湖上空的400幅圖像的長數據采集被后處理成推波助瀾圖像。還顯示了由Aqua和Terra衛星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)儀器拍攝的類似圖像,證實了HARP數據中看到的大氣和陸地特征。的的喀喀湖是該偏振成像儀的一個很好的清潔空氣替代校準源,因為該湖的高海拔為太陽在表面的反射和大氣的偏振提供了很好的可見度。資料來源。馬里蘭大學巴爾的摩縣分校HARP團隊。

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對國防和安全的意義

本科學報告提出了新的收集任務決策支持技術概念,為實現數字化指揮和控制(C2)解決方案鋪平了道路,以支持戰術陸地指揮、控制、通信、計算機、情報、監視和偵察(C4ISR)。這種新的傳感器網絡收集任務概念,以保持持久的態勢感知,完全符合加拿大陸軍陸上需求局(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DLR 2和陸地情報、監視、偵察(ISR)現代化資本采購項目的定義階段通報戰術邊緣的新的自動化和優化收集任務技術概念,并確定有希望的研究方向。倡導的概念為敏感目標定位、動態收集任務重新分配、收集器集成以及新的自動化收集任務解決方案的可行性和價值帶來了新的視角。所提出的核心概念計劃在適當的國家和國際場合,如關鍵的選定的軍事演習和/或技術合作計劃(TTCP)中逐步和適時地展示。這將為其他 "五眼 "國家提供必要的能見度和適當驗證的機會窗口,同時獲得對加拿大感興趣的有競爭力的最新技術。

報告組織

該文件的其余部分分為以下幾個部分:

第2節介紹了傳感器網絡收集任務的問題。

然后在第3節中強調了一種新的收集任務的方法,以保持持久的態勢感知。第3節介紹了一種新的收集任務分配方法,以保持持久的態勢感知。該節提出了一個總體概述,并強調了其主要特征和相關的新穎性。然后分別進一步描述了一種創新的收集圖表示、一種新的連接性約束處理方法和一種管理臨時代理收集的數學決策模型表述。然后介紹了所促進的具有成本效益的通信規劃/路由方案的細節。

第4節描述了自然問題模型的擴展,以處理連通性的不確定性,并隨時捕捉多個目標。

第5節簡要討論了問題復雜性的降低。

第6節報告了計算結果,并對各種基線問題解決技術進行了一些性能比較分析,以評估擬議方法的價值。

最后,第7節給出了一個結論,簡要總結了報告的主要貢獻和預期的未來工作。

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融合項目(PC)是一項美國陸軍學習活動,旨在整合和推進他們對聯合部隊(陸軍、海軍、空軍和海軍陸戰隊)的貢獻。根據研究和分析中心(TRAC)-蒙特雷的說法,"PC確保陸軍作為聯合戰斗的一部分,能夠快速和持續地整合或'融合'所有領域的效果--空中、陸地、海上、太空和網絡空間,以便在競爭和沖突中戰勝對手"(研究和分析中心[TRAC]2020)。目標是評估在PC21上展示的新的創新系統(SoS)技術是否滿足為聯合部隊提供必要的速度、范圍和融合所需的作戰能力,以產生未來的決策主導權和大國競爭的超能力。然而,鑒于PC期間各種現代技術的注入,TRAC-蒙特雷目前缺乏一種方法來衡量作戰效果以及作為軍隊和聯合部隊的融合是否正在實現。因此,本項目的重點是制定一個概念性的評估框架,以確定在PC21演習中測試的多域作戰(MDO)任務中SoS的作戰有效性。這個框架將集中在那些被證明可以減少傳感器到射手(S2S)時間的技術的行動有效性,以便在聯合MDO任務中消滅一個固定的目標。

該小組確定,對某一特定能力的功能分解,結合用于開發MOE的Langford綜合框架的修改版,將產生描述該特定能力的行動有效性的良好措施。為了將衡量標準轉化為價值分數,團隊使用了構建價值尺度的理想范圍方法,該方法為每個衡量標準建立了一個從最好到最壞的情況,使其具有適應任何能力的靈活性。帕內爾的搖擺加權法被用來量化利益相關者對每個蘭福衍生的MOE的重要性,以確定能力的每個MOE的加權價值分數(WVS)。WVS相加得出總分,這就提供了對運營有效性的最終評估。然后,該團隊產生了一個行動有效性量表,向利益相關者說明他們的能力在這個量表中的得分情況。

該項目最后針對概念評估框架應用了PC21用例,以衡量其在生成與用例中的能力最相關的MOE以及單一行動有效性分數方面的穩健性。該模型的最終驗證將在目前計劃于2021年10月開始的PC21期間進行。

總之,該團隊使用系統工程流程建立了一個概念性評估框架系統,該系統將使TRAC-Monterey有能力評估PC21期間展示的新的創新SoS技術的作戰能力。該團隊開發了一個利益相關者分析,一個由利益相關者衍生的目標層次,一個功能分解,以及一個創建良好措施的過程,將這些措施轉化為價值分數,量化措施的重要性,并將產生的價值匯總為一個單一的、行動有效性分數。該框架將為利益相關者提供信息,使他們能夠就進一步的技術開發做出明智的決定。TRAC-Monterey還可以將本研究中制定的衡量標準作為指南,在整個PC21和未來的PC活動中收集相關信息。

建議 TRAC 在 PC21 期間對照 S2S 用例 1-1 驗證概念性評估框架。還應采用其他用例來測試框架的靈活性和可用性。還建議進一步研究行動效率的認知方面,以及如何利用這些信息來擴大本評估框架的范圍。TRAC和JMC向團隊表示,PC的努力將有助于改寫聯合行動的理論。

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本研究是北美航空航天防御司令部(NORAD)現代化及其預計負擔分擔的大型項目的一部分。現代化并不局限于目前的47個雷達站網絡和相關的通信網絡的現代化,它超越了硬件,通過使用最新的數字技術來處理指揮官可用的大量數據,為他們提供及時的全域態勢感知,以做出更快、更好的決定。

本報告集中在這個大項目的兩個方面。首先,它擴展了聯合產品的基本軍事聯盟理論,并將其應用于加拿大和美國的長期兩國聯盟NORAD。 其次,它將這些經濟利益--聯合產品模式的一個重要組成部分--與加拿大的實際工業聯系起來,這些工業被正式指定為加拿大國防的關鍵工業能力(KICs)。 北美防空司令部現代化項目的利益也可能產生其他私人利益,但鑒于目前該項目預計帶來的威懾利益,關鍵工業能力的利益在未來會加強該國的國防工業基礎。 需要進一步的實證研究來精確地量化這些聯系。特別是在前向聯系的情況下,預計軍民兩用技術將通過對北部沿海地區的安全利益以及對本土人口的發展利益,在該國北部產生直接和外部的巨大利益。

該研究由三部分組成。第一部分是對現有北美防空司令部組織的描述,該組織由47個雷達站和相關的通信和指揮控制(C2)結構組成。

在加拿大與美國簽訂的北美航空航天防務(NORAD)協議中,我們正處于一個歷史時刻,不斷變化的氣候、不斷發展的技術、地緣政治和地緣戰略威脅要求我們全面地重新審視我們在聯盟中的發展方向。然而,變化并不是沒有代價的,因為這些情況可能要求加拿大重新審視現有的防務政策,在采購新的預警、監視和防御能力方面承擔更多的負擔,這些能力是克服我們不足的必要條件。

自1958年成立以來,北美防空司令部的宗旨一直沒有改變--美國和加拿大的防務。作為過時的遠程預警(DEW)線的替代品,新實施的北方預警系統,由47顆橫跨北極的長短程衛星組成的陣列,代表了北美防空司令部協議的核心。 9/11的意外和悲劇事件也迫使北美防空司令部改變并向內看,在美國大陸上戰略性地分配戰斗機的操作位置,以更有效地應對內部威脅。 北美防空司令部通過增加沿海雷達提高了對形勢領域的認識,這進一步證明了對大陸防務的持續評估對于解決技術缺陷和不斷變化的威脅領域仍然是必要的。

本研究旨在解釋聯合產品模型在理解北美防空司令部當前和未來安全需求方面的相關性,重點是加拿大對該聯盟的負擔分擔激勵。鑒于各種復雜的運載媒介、高超音速導彈等威脅的速度以及全球氣候的變化使得環境更容易接近,加拿大可以利用我們的領土并加強陸地/海洋/空中/空間的存在,以有效地促進大陸的航空航天防御。 雖然鑒于美國強大的國防工業,新的、互補的預警技術在美國生產可能更具成本效益,但不斷調整的戰略環境為通過研究和開發、運營和維護現有/未來的基礎設施和國防生產來加強加拿大工業提供了激勵。 與國防采購相關的成本并不低,而且很難看到超越純公共視角的利益或投資回報。除了估計目前北美防務聯盟中的負擔分擔,以前的文獻已經詳細解釋了聯盟分析中的主力,即純公共物品模型。此外,一些人暗示了國防物品利益超越純公共的可能性,擴展到部分可排除和競爭,甚至通過搜索和救援以及對民間力量的援助,擴展到一個集體的私人。 目前的理論研究旨在詳細介紹聯盟的聯合產品模型(JPM),并通過納入各種聯盟技術(如最弱環節和最佳射擊)對其進行擴展,以適用于新北美防空司令部。此外,根據JPM,我們將確定加拿大潛在的私人和不純公共產品,為實證研究奠定基礎。

傳統上,加拿大在責任分擔關系中的主要作用是我們的地理。雖然這種貢獻在整個冷戰時期是有效的,但不斷變化的技術威脅環境,實際上是地球環境本身,將需要對未來的設計和負擔分擔的影響進行新的討論,以便加拿大適當地適應它在21世紀可能面臨的安全和繁榮的挑戰。

第二部分集中討論將北美防空司令部現代化項目的私人利益與加拿大的關鍵工業能力(KICs)聯系起來。這一部分建立在上一部分對北方預警系統(NWS)的描述之上,該系統是現有的北美防空司令部早期探測機制。 加拿大和美國在1957年同意建立北美防空司令部,作為一個兩國指揮部,集中控制大陸防空系統的運行,以應對蘇聯轟炸機的威脅。 由于威脅隨著時間的推移不斷演變,最近更是急劇變化,NORAD的能力必須現代化。"NWS現代化背后的基本邏輯相對簡單,該系統建于20世紀80年代,在冷戰結束后不久完成,橫跨加拿大北極地區和拉布拉多海岸的長短程雷達系統正在達到其壽命的終點。 然而,新的政治和戰略環境,有點類似于導致核武器公司更換遠程預警(DEW)線的環境,需要一個非常不同的方法。實際上,在簡單的一換一和北移方面,核武器的現代化不足以滿足新的威脅環境。"

本節的結構分為三個部分:誘發NORAD現代化需求的威脅、假定的NORAD新能力的結構和組成部分,以及根據加拿大的關鍵工業能力,加拿大工業參與的潛力。

本研究的第三部分集中討論了為此目的而開發的理論模型。特別是,我們擴展了Cornes和Sandler(1984)以及Sandler和Hartley(1995)的聯合產品模型,以允許兩種類型的國防投入和更普遍的聚合技術。然后,我們更詳細地考慮和分析了Leontief聚合技術,作為最適用于北美防空司令部的技術。我們的結果表明,當國防是由純和不純的公共投入生產的,它們是互補的,文獻中確定的標準搭便車問題得到緩解。

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本報告描述了北約STO RTG IST-149無人地面系統和C2內互操作性能力概念演示器的研究和實驗工作。無人地面車輛(UGVs)在現代戰斗空間中正變得越來越重要。這些系統可以攜帶大量的傳感器套件,從前線提供前所未有的數據流。另一方面,這些系統在大多數情況下仍然需要遠程操作。重要的是要認識到,如果沒有適當的方式在聯盟伙伴之間交換信息和/或將其納入C2系統,ISR數據在很大程度上將是無用的。該小組的主要目的是找到改善這種情況的方法,更具體地說,調查從操作員控制單元(OCU)控制UGV和接收數據的可能標準,并在現實世界的場景中測試它們。

該項目的努力有兩個方面。比利時的貢獻是在歐盟項目ICARUS中所做的工作。這個項目涉及一個用于搜索和救援的輔助性無人駕駛空中、地面和海上車輛團隊。互操作性在幾個不同的實驗中得到了驗證。ICARUS聯盟由幾個國際合作伙伴組成,其中比利時是這個小組的鏈接。第二項工作是該小組的聯合努力,在小組內進行實驗,展示UGV和OCU之間的互操作性。該小組于2018年在挪威的Rena進行了最后的演示。

這兩項工作都使用了無人系統聯合架構(JAUS)和互操作性配置文件(IOP),以成功實現系統間的互操作性。試驗表明,有可能相當容易地擴展系統,并在相對較短的時間內實現與部分標準的兼容。弗勞恩霍夫FKIE和TARDEC都開發了軟件,將信息從IOP域傳遞到機器人操作系統(ROS),并從該系統中獲取信息。ROS是一個廣泛使用的軟件,用于開發UGV和其他類型機器人的自主性,并被該小組的許多合作伙伴所使用。Fraunhofer FKIE和TARDEC提供的軟件對試驗的成功至關重要。

報告還討論了如何在采購前利用IOP標準來定義系統的要求。該標準本身定義了一套屬性,可以在采購新系統時作為要求來指定,可以是強制性要求,也可以是選擇性要求。這使得采購部門更容易定義要求,供應商也更容易符合要求,同時也明確了OCU在連接到系統時,在控制系統和可視化系統中的數據方面需要具備哪些能力。

該小組2018年在挪威瑞納的試驗重點是對UGV進行遠程操作,以及接收UGV的位置和視頻反饋。由于這是一次成功的試驗,下一步將是使用更高層次的控制輸入和反饋來測試互操作性,例如,向UGVs發送航點,并根據系統的感知接收系統周圍環境的地圖。

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報告探討了美國空軍在戰役層實施聯合全域指揮控制(JADC2)面臨的挑戰,分析了未來多域作戰中運用人工智能的機會,梳理了建設JADC2人工智能生態系統的最佳商業實踐。報告最后指出,指揮控制構造、指揮控制所需的數據和數據基礎設施以及利用數據來指揮控制所有領域部隊需要的工具、應用程序和算法必須調整以支持未來的多域作戰。JADC2應該以一種內聚、漸進、交互式的方式發展,美國空軍作戰集成中心應確保JADC2的指揮控制結構、數據管理以及工具、應用程序和算法開發的發展遵循統一的戰略。

作者研究并推薦了將人工智能(AI)以及更廣泛的自動化應用于美國空軍全域聯合指揮與控制(JADC2)。作者發現,為了支持未來的多域作戰,必須對三個主要的使能類別進行調整:(1)指揮和控制(C2)結構或部隊如何組織,當局在哪里,以及他們如何訓練和配備人員,(2)利用數據進行C2所需的數據和數據基礎設施,以及(3)利用數據進行C2全域部隊的工具、應用程序和算法,包括人工智能算法。轉向現代化的JADC2需要各利益相關者合作制定政策、指導、戰術、技術、程序、訓練和演習、基礎設施和工具,很可能利用人工智能,以實現概念。

研究問題

  • 多域指揮與控制(目前為JADC2)定義的共同要素是什么?
  • 實現JADC2的挑戰是什么?
  • 需要哪些技術和能力來實現JADC2?

主要研究結果

  • 美國空軍空中作戰中心(AOC)制定的72小時空中任務周期,已經無法滿足當前數字世界的要求。在未來有計劃規劃與動態規劃之間的平衡點會發生變化,動態規劃的比重會加大。全域聯合指揮控制工具和流程要具備為這種變化提供支持的能力。

  • 將空軍作戰中心結構體系遷移到現代數字環境中面臨許多挑戰,包括對以人為中心的主題專家會議和委員會的依賴,“空氣隔離”系統中的數據分為多個保密級別;對商業服務產品的嚴重依賴等。

  • 其他限制多域作戰速度和范圍的因素包括:權力和指揮關系,跨域同步戰斗節奏,各域使用的程序不同,不同戰區和地區使用不同的指揮控制結構,靈活健全的通信系統和程序。

  • 要支持多域行動應協調一下三個范疇的內容:全域聯合指揮控制的指揮控制結構的確定,可用于多域作戰的數據源和計算基礎結構,以及實現多域決策者“在圈中”且支持機器對機器過程的算法開發。

  • 目前有多個未來多域作戰概念,需求也因戰役而異。未來的指揮控制結構應具有靈活性,能夠適應各種變化。

研究建議

  • 美國空軍綜合作戰中心(AFWIC)應與美國空軍太平洋司令部、歐洲司令部、非洲司令部合作,通過兵棋推演和桌面演練進行假設并繼續研究多域作戰概念,為國防戰略提供支持。同時他們應該將最終確定的多域作戰概念告知空軍以外部門,以便與其他軍種和美國國防部進行合作。

  • 美國空軍首席數據官應制定適用于整個作戰中心的數據管理政策,確保數據得到保存和適當標記方便之后使用,同時要保證有足夠的數據儲存能力。

  • 美國空軍綜合作戰中心應該與美國空軍作戰司令部(ACC)合作,評估各種能夠實現多域作戰的指揮控制結構。同時還要另外開展兵棋推演以及研討會來對比和比較各種替代方案。美國空軍作戰司令部后續應該進行的工作,還包括制定開發、組織、培訓和裝備方案。

  • 全域聯合指揮控制流程應該體現凝聚、漸進和交互原則。指揮結構、數據管理以及工具,應用程序和算法的開發都應根據總體戰略進行。

  • 美國空軍綜合作戰中心應確保戰略的實施,并向空軍參謀長報告相關情況。

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序言

指揮、控制和通信(C3)系統是所有軍事作戰的基礎,為國防部(DoD)的所有任務提供計劃、協調和控制部隊和作戰所需的關鍵信息。歷史上,美軍取得并保持了C3技術的主導優勢,但同行的競爭者和對手已經縮小了差距。國防部目前的C3系統沒有跟上威脅增長的步伐,也沒有滿足我們聯合作戰人員不斷增長的信息交流需求。聯合部隊必須配備最新的C3能力,為所有領域提供實時態勢感知和決策支持。

未來的沖突很可能由信息優勢決定,成功的一方將來自多個領域的分布式傳感器和武器系統的大量數據轉化為可操作的信息,以便更好、更快地做出決策并產生精確的效果。國防部(DoD)正在執行一項重點工作,通過綜合和同步的能力發展,在所有領域迅速實現靈活和有彈性的指揮和控制(C2),以確保對我們的對手的作戰和競爭優勢。這項工作被稱為聯合全域指揮與控制(JADC2),是決策的藝術和科學,將決策迅速轉化為行動,利用所有領域的能力并與任務伙伴合作,在競爭和沖突中實現作戰和信息優勢。JADC2需要新的概念、科學和技術、實驗以及多年的持續投資。

該戰略代表了國防部對實施國防部數字化現代化戰略中C3部分的設想,并為彌合今天的傳統C3使能能力和JADC2之間的差距提供了方向。它描述了國防部將如何創新以獲得競爭優勢,同時為完全網絡化的通信傳輸層和先進的C2使能能力打下基礎,以使聯合全域作戰同步應對21世紀的威脅。該戰略的重點是保護和保持現有的C3能力;確保美國、盟國和主要合作伙伴在需要的時候能夠可靠地獲得關鍵信息;提供無縫、有彈性和安全的C3傳輸基礎設施,使聯合部隊在整個軍事作戰中更具殺傷力。這一戰略的實施需要在作戰領域內和跨作戰領域內同步進行現代化工作,從完美的解決方案過渡到一個高度連接的、敏捷的和有彈性的系統。

本文件確定的目標為DOD的C3系統和基礎設施的現代化提供了明確的指導和方向。然而,現代化并不是一個終點,而是一項持續的工作。國防部將評估和更新該戰略,以適應在通往JADC2道路上的新的作戰概念和技術。

引言

美國防部正面臨著幾十年來最復雜和競爭激烈的全球安全環境。在這個大國競爭的新時代,國防部必須提高聯合作戰人員的殺傷力,加強聯盟伙伴關系,吸引新的合作伙伴,并改革國防部以提高績效和經濟效益。

當我們建立一支更具殺傷力的部隊并加強聯盟和伙伴關系時,DOD必須專注于關鍵的有利工具,以有效地運用聯合多國部隊對抗大國競爭。有效的部隊使用始于有效的C2,即由適當指定的指揮官在完成任務的過程中對指定和附屬部隊行使權力和指導。在現代戰爭中,這可能是人對人、機器對機器(M2M)的循環,或者隨著自主程度的提高,M2M的循環中也有人類。在其最基本的層面上,成功的C2需要有可靠的通信、發送和接收信息的手段,以及其他處理和顯示可操作信息的能力,以幫助指揮官進行決策并取得決定性的信息優勢。

圖1:指揮、控制和通信現代化

該戰略的重點是支持有效的聯合和多國作戰的C3使能能力(圖1)。C3使能能力由信息整合和決策支持服務、系統、流程以及相關的通信運輸基礎設施組成,使其能夠對指定和附屬的部隊行使權力和指導。這些能力使指揮官和決策者能夠迅速評估、選擇和執行有效的作戰方案以完成任務。

具體而言,該戰略為2020-2025年的C3使能能力現代化提供了方法和實施指南。作為2018年國防戰略(NDS)實施的一部分,聯合參謀部正在制定聯合和任務伙伴網絡的工作概念,以便在有爭議的環境中執行全域聯合作戰。根據這些概念,負責研究和工程開發的國防部副部長辦公室(OUSD(R&E))正在開發和發展一個長期的(2024年及以后)全網絡化指揮、控制和通信(FNC3)架構。實施這些未來的概念和架構將需要時間來使得新的技術和多年的投資成熟可用。這個C3現代化戰略為彌合今天的傳統C3使能能力和未來的FNC3使能JADC2之間的差距提供了方向,以確保聯合部隊能夠 "今晚作戰(fight tonight)",同時為聯合全域作戰所需的未來技術創造一個可行的過渡路徑。

戰略目標

本戰略提出的C3現代化目標與國防部數字化現代化戰略(DMS)和其他更高層次的指導意見相一致,包括國家發展戰略、國防部2018年網絡戰略、聯合作戰的基石概念:《聯合部隊2030》和《國防規劃指南》。它實施近期的現代化作戰和創新解決方案,通過更安全、有效和高效的C3環境提供競爭優勢。為此,國防部必須解決這些C3現代化的目標:

1.開發和實施敏捷的電磁頻譜操作;

2.加強定位、導航和授時信息的交付、多樣性和彈性;

3.加強國家領導指揮能力;

4.提供綜合的、可互操作的超視距通信能力;

5.加速和同步實施現代化的戰術通信系統;

6.全面建立和實施國防部公共安全通信生態系統;

7.創造一個快速發展5G基礎設施和利用非美國5G網絡的環境;

8.提供有彈性和響應的C2系統;9.提供任務伙伴環境能力。提供任務伙伴環境能力和服務。

圖2:DOD數字現代化戰略

圖3:DOD C3現代化和數字現代化戰略的一致性

圖2和圖3分別顯示了本戰略中實施的DMS要素以及兩個戰略之間的目標和目的的一致性。

DOD C3依賴于一個復雜的、不斷發展的系統,從網絡基礎設施和核心服務到戰術邊緣的手持無線電和移動設備。本戰略中包含的九個目標是對圖2中強調的六個DMS目標的更細粒度的分解。C3現代化的其他關鍵因素包括聯合信息環境能力目標、數據中心化和數據分析,分別包含在DMS、國防部云戰略和國防部人工智能戰略中。有效的國防部事業管理將確保這些戰略的成功同步和實施。

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低速、慢速和小型 (LSS) 飛行平臺的普及給國防和安全機構帶來了新的快速增長的威脅。因此,必須設計防御系統以應對此類威脅。現代作戰準備基于在高保真模擬器上進行的適當人員培訓。本報告的目的是考慮到各種商用 LSS 飛行器,并從不同的角度定義 LSS 模型,以便模型可用于LSS 系統相關的分析和設計方面,及用于抵制LSS系統(包括探測和中和)、作戰訓練。在北約成員國之間提升 LSS 能力并將 LSS 擴展到現有分類的能力被認為是有用和有益的。

【報告概要】

在安全受到威脅的背景下考慮小型無人機系統 (sUAS)(通常稱為無人機)時,從物理和動態的角度進行建模和仿真遇到了一些獨特的挑戰和機遇。

無人機的參數化定義包括以下幾類:

  • 類型學,指的是無人機可以飛行的模式;
  • 用于制造無人機的材料;
  • 飛行性能;
  • 螺旋槳種類;
  • 分類;
  • 導航系統;
  • 遠程控制器特性(如果有);
  • 有效載荷,考慮自身傳感器和可能的危險;
  • 通信系統。

描述無人機飛行動力學的分析模型在數學上應該是合理的,因為任務能力在很大程度上取決于車輛配置和行為。

考慮到剛體在空間中的運動動力學需要一個固定在剛體本身的參考系來進行合適的力學描述,并做出一些假設(例如,剛體模型、靜止大氣和無擾動、對稱機身和作用力在重心處),可以為 sUAV 的飛行動力學開發牛頓-歐拉方程。

在檢測 sUAS 時,必須考慮幾個現象,例如可見波范圍內外的反射、射頻、聲學以及相關技術,如被動和主動成像和檢測。

由于需要多個傳感器檢測 sUAS,因此有必要考慮識別的參數以便針對不同類型的檢測器對特征進行建模。此外,對多個傳感器的依賴還需要在信息融合和集成學習方面取得進步,以確保從完整的態勢感知中獲得可操作的情報。

無人機可探測性專家會議表明了對雷達特征以及不同無人機、雷達和場景的聲學特征進行建模的可能性,以補充實驗數據并幫助開發跟蹤、分類和態勢感知算法。此外,雷達場景模擬的適用性及其在目標建模和特征提取中的潛在用途已得到證實。

然而,由于市場上無人機的復雜性和可變性以及它們的不斷增強,就其物理和動態特性對無人機簽名進行清晰的建模似乎并不容易。

sUAS 特性的復雜性和可變性使得很難完成定義適合在仿真系統中使用的模型的任務。這是由于無人機本身的幾個參數,以及考慮到無人機的所有機動能力和特性所需的飛行動力學方程的復雜性。

此外,sUAS 特性的復雜性和可變性不允許定義用于評估相關特征的參數模型。

圖1 無人機類別與其他類別/參數的關系(part 1)

圖2 無人機類別與其他類別/參數的關系(part 2)

圖3 參考坐標系

【報告目錄】

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