擴展現實（XR）教育應用通常與實體教學中難以實現的動機激發、參與度提升及知識經驗獲取相關聯。此類知識在軍事教育中的典型案例即武裝沖突中基于威脅導向的平民保護策略。挪威國防大學學院（NDUC）采用該策略培訓軍官，其挑戰傳統軍事實踐，提出軍隊保護平民免受暴力侵害之可為與不可為的新思維方式。當代軍隊依照國際人道法被賦予更廣泛職責，需保護平民免受戰爭中有意針對他們的施暴者侵害。這種任務拓展對多數軍官構成"疑難知識"，要求深入理解施暴者針對平民的動機機制與策略。為攻克此教學難題，我們開發融合沉浸體驗與教學法的XR教育項目——結合360度全景視頻與數字具身化技術、虛擬人類對話系統及協同式VR場景，推動沉浸式同儕學習。初步成效顯著：學員對威脅導向概念接受度高，有效激發批判性討論，且對XR輔助學習反饋積極。

本文闡述挪威國防大學學院（NDUC）在高等軍事教育中運用擴展現實（XR）技術教授復雜概念的實踐。該學院開設本科與碩士課程，涵蓋防務安全政策、軍事領導力、戰史及軍事行動研究。盡管軍事教育與普通教育遵循相同教學標準，仍存在顯著差異：軍事教育日益呈現多學科融合特征，涉及武器操作、戰術推演、編制管理、領導力培養、談判技巧及文化認知等領域。核心挑戰在于將戰場實戰經驗轉化至課堂教學。軍事教育者如同普通教育領域，運用教學方法論與現代技術（如擴展現實（XR））提升教學成效，但部分復雜概念（如武裝沖突中基于威脅導向的平民保護策略）的教學解釋仍具挑戰。

該概念旨在協助軍事策劃者認知武力保護平民免受暴力侵害的作用邊界與應用邏輯[6,7]。然而鮮有政策條令明確指導軍事人員如何應對不同類型平民威脅。威脅導向方法通過具象化威脅場景與工具，助力軍事學員理解并探討武力在不同情境下的功能邊界。其模型涵蓋近30年平民遭遇的典型暴力場景。

該方法基石在于基于歷史戰爭實證研究系統化理解施暴者行為邏輯。唯有軍事策劃者透徹掌握施暴者針對平民的動因、手段及效果，方能設計及時精準的軍事保護方案[32]。該概念從五維度分析平民威脅：施暴主體類型、行為動機、策略戰術、相關軍事能力、預期人道后果。據此五維指標，通過八類基礎場景劃分平民威脅類型——每類場景描述本質迥異的威脅態勢，要求差異化軍事響應。

此概念不僅是提升軍事人員情境認知能力的思維工具，更重新定義武裝力量超越國際人道法傳統框架的"保護者"角色。當學習內容與學員既有認知沖突時，即形成"疑難知識"。其教學挑戰源于多重因素：

• 平民保護被視為武裝力量"過于柔性"的職能，常被視作人道組織職責范疇

• 其顛覆軍事力量職能的傳統認知，構成學員知識、職業及文化維度的"認知閾值"

• 保護對象差異（陌生平民vs本國同胞）引發教學張力

• 威脅導向方法的多維復雜性形成新知識層面的理解壁壘

這些挑戰促使NDUC啟動專項研究，開發針對性教學工具。基于教育學、技術理論與學習科學的三維整合，項目確立三大核心要素：

沉浸式擴展現實技術（XR） 作為虛擬/增強/混合現實（VR/AR/MR）的總稱，可生成多模態數字體驗。XR在教培領域的獨特賦能優勢[19,36]使其成為構建現實難重現的計算機模擬場景的理想載體。XR教育項目能刺激感官反射并鏡像行為模式，從而強化多視角共情理解，使學員決策前充分考量多元因素——這對理解威脅導向方法至關重要。

閾值概念 指學科核心的突破性認知節點，要求學習者重建知識框架[11]。其涉及學習軌跡中需突破的認知障礙、世界觀重構（本體論轉變）及既有概念體系解構[11]。該教學框架精準契合平民保護新方法中與傳統軍事認知沖突的"疑難知識"，可深化知識邏輯理解并轉變職業實踐態度。當學員成功內化疑難知識，即實現認知躍遷。這種蛻變過程伴隨專業身份與個人認同的重構[17,28,56]。

共情培養 作為第三支柱要求理解受害者、施暴者及保護者三重立場。共情不僅關注情緒識別，更需洞悉情感動因（如經歷、文化背景、倫理觀念）[48]。本項目采用具身化設計[40]促進視角切換與角色轉換。

本文核心研究命題為：XR技術如何輔助軍事參謀人員掌握武力保護平民的新型疑難知識？為解答該問題，本研究通過準實驗設計檢驗融合閾值理論與共情機制的XR教學方案。NDUC聯合挪威科技大學（NTNU）及產業伙伴Fynd Reality與Try公司，共同開發整合前沿技術的VR/XR教育系統——融合360度全景視頻與數字具身化、虛擬施暴者對話系統及協同式VR場景，推動沉浸式同儕學習。創新性XR方案有效協助軍事學員理解武裝沖突中武力保護平民的核心要素。

全文結構如下：后續章節呈現相關研究、教學化XR應用設計方案，以及2022年5-6月原型系統評估結果。

核武器是否可用于脅迫？若可，何種因素能提升核威脅的可信度與效力？盡管托馬斯·謝林等知名學者主張"核邊緣政策"（即操控核風險）可有效威懾對手，亦有觀點認為核武器并非有效脅迫工具（尤其針對進攻性與修正主義目標）。與此同時，人工智能（AI）融入軍事系統（特別是核指揮控制體系）引發廣泛爭議。本文提出理論觀點：相比模糊核威脅或非自動化實施的明確核威脅，依托自動化核發射系統的明確核威脅具有更高的潛在可信度。通過削弱人類對核使用的控制，決策者可更有效地傳遞堅定決心信號。盡管自動化核武發射系統看似科幻產物，但蘇聯曾在冷戰時期部署此類系統，且近年來AI技術進步大幅推動武力自動化技術發展。針對英國國會議員精英樣本與兩個英國公眾樣本的預注冊調查實驗支持此預期，表明在特定情境下，AI整合支持的核威脅存在可信度優勢（無論其潛在危險性如何）。本研究對強制談判、大規模殺傷性武器與新興技術領域研究具有貢獻。

本研究實現多項關鍵突破：首先，推進關于核武器是否具備及在何種條件下具備脅迫效用的辯論。研究表明，核武器確實可為國家提供國際爭端籌碼。自動化作為技術工具與明確性作為修辭工具，可被國家用于提升核威脅可信度與效力。其次，盡管自動化核系統可能具有穩定潛力，但研究顯示其亦能被用于高度破壞穩定的進攻性修正主義脅迫。第三，鑒于現實中缺乏自動化核脅迫的歷史數據，實驗方法通過更可靠的因果推斷提供獨特洞見。實驗手段為構建微觀基礎提供有效途徑，但在我們強調的兩大核心爭議中尚未充分應用。第四，本文參與關于AI與自主系統進步如何塑造戰爭形態的廣泛討論（多數軍事應用將發生于非核領域）。若自動化威脅在核領域產生可信度效應，其對常規威懾與脅迫的啟示或成未來研究方向。

盡管研究發現核自動化可能提升脅迫效用，但這絕不意味著國家應采納此類系統。此舉可能增加核使用風險并加劇危險的安全困境。然而，各國須防范對手基于提升脅迫籌碼考量而將核指揮控制要素自動化的可能性。

潛在對手很可能已經得出結論，要想贏得戰爭，就必須在美國及其盟國向特遣隊所在戰區或戰區增援之前贏得戰爭。因此，在發出明確警告與增援部隊到達之間的空窗期，使用新技術的新概念可能是戰爭勝負的關鍵。

本研究的目的是構想第五代（5G）生態系統技術的創新用途，這些技術有可能提供新穎或顯著改進的軍事能力。研究了廣泛的新興無線技術，以開發解決復雜作戰問題的新概念。

為了突出概念開發工作的重點，將如何在短時間內擊敗俄羅斯對波羅的海地區的行動作為一個高度優先的作戰問題進行了評估。具體來說，重點是找到并解除俄羅斯人在行動期間用來保護其地面部隊的防空系統。選擇這種情況有多種原因，包括以下幾點：

• 俄羅斯攻擊鄰國的意愿；這種行為威脅到美國的盟友和利益，并有橫向和縱向升級的風險。
• 威懾大國仍是國防的首要任務。這將限制遏制俄羅斯的可用兵力--需要技術解決方案來彌補可用兵力的減少。
• 俄羅斯必須穿越大約 200 公里的距離才能到達里加和其他重要港口。這為利用技術地形幫助保衛友軍提供了機會。
• 本文提出的概念的某些方面可能有助于遏制對日本、韓國及其他盟國和合作伙伴的行動。

在本分析構想的作戰概念中，試圖采用整個 5G 生態系統的技術。新興設備體積小、通信速率高，再加上傳感器和先進算法的擴散，可以為快速、精確、高效地定位和瞄準防空雷達提供選擇。因此，有可能剝離俄羅斯陸軍的防空系統，使其暴露在北大西洋公約組織（NATO）數量和質量均占優勢的空軍的毀滅性反擊之下。

根據本報告的定義，5G 生態系統不僅僅是使用 5G 協議的蜂窩設備。它是整個新興的陸地移動網絡，以及越來越多的太空網絡。在陸地上，這包括從第四代 (4G) 演進到 5G 及更先進的網絡，以及所有運行或可改裝以運行這些網絡的設備和系統。在太空，這包括連接孤立的蜂窩基站、設備和用戶的傳統衛星網絡。它還包括可連接普通 5G 手持設備的新型增殖星座。這兩種衛星系統都開始作為 5G 非地面網絡（NTN）的一部分發揮作用。

作為一個整體，5G 地面和 NTN 生態系統有可能在今天提供一些有用的功能，并在不久的將來提供一些革命性的功能。但是，該生態系統需要持續改進。

主要結論

• 5G 生態系統提供的技術可支持保衛盟國的各種作戰概念。
• 到達時差 (TDOA) 技術是定位和瞄準防空雷達的一種特別迅速而有效的方法。
• 除使用智能道路或智能塵土外，本報告中評估的每個概念都可進行大規模實地試驗。
• 本研究中提出的每個概念的核心都是一個能夠在惡劣條件下獨立運作的小型人類團隊。這些團隊的大部分成員應來自部署地所在國。

建議

• 國防部門應開始試驗安裝在基站塔上的 TDOA。
• 除 TDOA 網絡外，國防部門還應嘗試在人員、攝像機和無人機網絡之間傳遞信息。
• 國防部門應責成各軍種和美軍歐洲司令部制定包含無線邊緣網絡的殺傷區作戰概念。
• 戰術邊緣網絡應接入作戰網絡，以維持俄羅斯的電子戰秩序，并保持對俄羅斯雷達、電子戰資產和其他發射器的全戰區信號監控。
• 國防部門應責成各軍種和美國特種作戰司令部組織、訓練和裝備能夠操作邊緣網絡的原型團隊。

自 2008 年以來，已進行了多個階段的研究，以開發和評估網絡測試（前身為信息與通信技術素養測試，簡稱 ICTL），該測試被各軍種用作入伍前評估，并預測網絡相關軍事職業入門級培訓的成功率（Trippe 等人，2014 年）。直到最近，網絡測試一直采用靜態管理格式；也就是說，每個完成特定測試表格的考生都會以相同的順序看到同一組項目。2018 年，人力資源研究組織（Human Resources Research Organization，HumRRO）開展了支持向計算機自適應測試（CAT）格式過渡的研究，在這種格式下，每個考生都會收到一套獨特的題目，這些題目都是經過算法選擇的，以優化對考生個人能力水平的估計（Koch 等人，2018 年）。這項工作的成果包括將網絡測試項目庫分為三個平行的 87 個項目形式（即項目庫）的解決方案，CAT 算法可從中抽取項目，以及 215 個可用于試點測試的新項目。

鑒于網絡知識的快速發展，目前的工作旨在審查、更新和擴展網絡測試項目庫，以保持測試的功能，并建立更大、更強大的 CAT 表單。為此，對 2018 年開發的 215 個項目進行了試點測試、校準、等效和篩選，以便納入新的 CAT 表格。還審查了 2018 年研究中被認為符合操作使用條件的所有項目，并摒棄了在不久的將來過時風險較高的項目。接下來，使用自動測試組件 (ATA) 制作了三份新的 CAT 表格，每份表格包含 112 或 113 個項目。這些表格在目標建構的覆蓋范圍方面具有可比性，并有力地證明了心理測量的平行性。此外，還進行了廣泛的篩選，以發現成對的項目敵人，或由于潛在的提示（即一個題目的內容提供或強烈暗示另一個題目的正確答案）而不應同時施測的題目，將所有成對的敵人在不同的 CAT 表格之間進行了劃分。還設計了一個自動敵情檢測程序，以補充人工對不斷增加的項目庫的審查，并最大限度地減少敵情審查過程中的假陰性。

除了開發新的操作表格，還采取措施進一步擴大網絡測試項目庫，為未來的測試開發工作做好準備。首先，與來自各軍種的網絡主題專家 (SME) 開展了一次大型審查活動，以更新測試藍圖。然后，招募了 SME 項目編寫人員，根據測試藍圖開發和完善新項目。這一開發和審查過程產生了 205 個新的實驗項目，將其交付國防測試評估中心 (DTAC) 進行試點測試。

電磁環境對于了解和開展多域軍事行動至關重要。因此，理解和管理這一物理層面至關重要。北約卓越建模與仿真中心（M&S CoE）開發了一個名為 “ELMO”（多域作戰電磁層）的項目，旨在為所謂的電磁頻譜作戰（EMSO）虛擬化創建一個合成環境。ELMO 的后續工作包括技術演進，在已開發的功能之外提供更多的功能。該系統提供干擾和雷達覆蓋區域的計算和可視化功能。ELMO 還可生成地理參照文件，與其他 M&S 系統共享，包括計算機生成部隊 (CGF) 工具。文件共享通過 “兵棋推演交互式場景數字疊加模型”（WISDOM）進行，該模型允許通過 HLA1516e 進行數據交換。已與 VBS4（也有直接插件）、JCATS 和 MASA SWORD 模擬器進行了連接測試。本文介紹了 ELMO 項目的成果，證明了 ELMO 在所有 M&S 支柱中的應用能力： 教育與培訓（演習）、行動支持--執行（決策支持）、概念開發與實驗（CD&E）--能力開發、任務演練--規劃（行動方案分析）和采購。

圖 1：典型的 ELMO 虛擬環境可視化。

“ELMO”（多域作戰電磁層）項目快速概覽

電磁環境是了解和開展未來軍事行動的一個基本要素。它的橫向特性從多領域的角度滲透到作戰場景中，因此，理解和管理這一物理維度至關重要。

北約卓越建模與仿真中心（M&S COE）開發了一個名為 “ELMO”（多域作戰電磁層）的架構，目的是為所謂的電磁頻譜作戰（EMSO）虛擬化創建一個合成環境。在這種情況下，M&S 具有實施復雜電磁多域場景的靈活特性，能夠在場景中顯示在真實世界環境中無法看到或檢測到的東西。這一特性將簡化對主要電磁頻譜參數的理解，并增強電子戰背景下電子資產所提供的作戰和信息特性。

電磁層是利用 AGI 公司開發的軟件工具包（STK）和 Mathworks 公司開發的 MATLAB 構建的。這兩個工具的集成被用來生成臨時合成的軍事組件，如干擾器和雷達預警接收器。

然后構建了一個特定場景，以模擬軍事電磁環境，其中 STK 合成資產（如衛星、雷達和通信系統）與 MATLAB 開發的軍事組件相互作用。MATLAB-STK 集成生成的電磁層成功地提供了戰場上整個電磁頻譜的綜合可視化。圖 1 是這種可視化的一個示例，其中電磁場區域清晰可見，并用與其功率密度相關的顏色表示。例如，在這種情況下，功率主要集中在敵方雷達上，以便更有效地進行干擾。

在演示場景中進行的測試證明，ELMO 有能力開發一個復雜的框架，不僅適用于指揮官的決策，還適用于能力開發和實驗、培訓、采購以及任何可能的 M&S 應用領域。

組織這些測試是為了包括任何類型的平臺、多領域和許多不同的行動，其中包括電磁頻譜的使用，如電子防御、電子攻擊、電磁頻譜測量。考慮到它們的作用，必須清楚地描述其中的一些組件，這些組件已用于進一步開發本文所述的系統。

首先，陸地平臺上安裝了一個通信干擾器，能夠抑制 2G 和 3G 通信，以保護高價值目標免受無線電控制簡易爆炸裝置的攻擊。該保護系統提供的 “安全氣泡 ”取決于許多因素，包括干擾器和通信系統的技術特性，考慮到天線的距離、地形、建筑物、天氣條件等。

此外，還有一種雷達用于引導從陸地炮臺發射的導彈，由對應方控制。可通過安裝在無人機上的特定干擾器對其進行干擾，該干擾器可通過合成天線將能量集中到雷達上。

此外，還有一個安裝在固定地點并由對口單位控制的定位、導航和定時（PNT）干擾器，能夠抑制行動區內大片區域的 GPS 和 GALILEO PNT 設備。

最后，由于在第二架無人駕駛飛行器上安裝了 ESM 設備，可以監測電磁頻譜。這對正確使用通信干擾器至關重要，不僅要在主動模式下使用，干擾上載到情報庫中的頻率，還要在被動模式下使用，利用測量到的頻率信息在這些頻率上傳播能量，從而大幅提高干擾活動的成功概率，這意味著恐怖分子無法在適當距離啟動遙控簡易爆炸裝置以造成破壞。

信息戰（IW）和類似的專業術語在美軍或美國空軍（USAF）的詞匯中并不陌生。然而，即使美國空軍高層領導數十年前就已認識到 IW 對空中作戰的各個方面都至關重要，但美國空軍實施 IW 的方法仍然相對較新。第十六航空隊（16 AF）是美國空軍當代 IW 方法的核心，該部隊成立多年后，美國空軍仍在為 IW 的可操作性而苦苦掙扎。正是在這種背景下，蘭德公司的研究人員承擔了為美國空軍如何組織、訓練和裝備 IW 提出可行建議的任務。

首先，研究人員描述了美國空軍目前的戰爭預警狀況，并將其與其他軍種和聯合部隊組織所采取的方法進行了比較。接著，他們確定了美國空軍 IW 團體應支持的角色、任務和使命方面的政策、期望和現實之間存在的差距。為了彌補這些差距，他們為美國空軍的 IW 部隊編制開發了替代構型，并描述了這些構型的優勢和挑戰。最后，研究人員提出了與這些概念相關的組織、訓練和裝備要求。本報告介紹了研究情況，并提出了主要發現和建議。

主要結論

• 人們普遍認為，美國空軍領導層沒有將綜合預警列為優先事項。
• 缺乏明確、正式的要求一直被認為是美國空軍實施綜合預警的最大障礙之一。
• 美國空軍的 IW 在組織和學科方面仍然是高度分散的。
• 眾多的 IW 組織，加上未確定的角色和責任，造成了混亂和挫折感。
• 所有飛行員都需要在某些時候考慮綜合預警問題，而某些飛行員則需要在所有時間考慮綜合預警問題。
• 盡管幾乎沒有接受過專門的戰爭遺留爆炸物培訓，但戰爭遺留爆炸物學科的飛行員仍被期望作為戰爭遺留爆炸物部隊開展行動。
• 戰爭遺留爆炸物人員積極性很高，對任務充滿熱情，他們將自己的時間都投入到任務的推進中，但他們認識到，這樣做幾乎不會帶來職業發展。
• 在 16 個空軍基地，雄心勃勃的 IW 人員除了履行正常職責外，還在開展創新性的 IW 活動，但現有資源無法擴大這些活動的規模。
• 一些人認為當局是制約因素，但幾乎所有人員都認為規避風險和嚴格控制權限是執行國際預警的核心挑戰。
• 美國空軍的 IW 社區并沒有一個專門負責 IW 的高級領導者來領導，他也沒有必要的權力來爭取資源。
• 美國空軍的綜合預警工作幾乎沒有正式的流程，因此造成了部隊內部、部隊之間以及美國空軍與部隊之間的摩擦。

建議

• 發布可操作的指南，確保將 IW 納入美國空軍制定具體要求的流程。
• 利用政治資本和軍種領導者的時間來展示 IW 的優先性，并在美國空軍和聯合部隊中實現 IW 的社會化。
• 重組 IW 部隊編制，著眼于解決已確定的程序、文化和結構性挑戰。
• 明確美國空軍所有 IW 組織的角色和職責。
• 根據 IW 的具體要求和文化特性開發課程，并根據所需的 IW 熟練程度進行分級。
• 利用他人的經驗教訓，制定衡量綜合預警效果的框架。
• 將現實的 IW 能力和任務納入全美國空軍的演習中，即使導致 “任務失敗”，也要允許參與者進行掙扎。
• 考慮建立正式的籌資機制，美國空軍人員可利用該機制申請和倡導更充足、更穩定的資源。
• 考慮系統地編列從競爭到沖突的所有 IW 任務所需的 IW 授權和許可。
• 通過路演、領導人演講和其他引人注目的活動，向所有空軍人員展示綜合預警的效用。
• 考慮為美國空軍所有 IW 人員建立一個全面的職業發展途徑，在建立一支美國空軍 IW 專業骨干隊伍的同時，保持學科的專業化。
• 設計專門針對戰爭遺留爆炸物的新的美國空軍內部流程，而不是改造那些為動能任務設計的流程。
• 在美國空軍內部建立綜合預警流程并使之常規化，以便美國空軍綜合預警人員能夠融入既定的聯合結構和流程。
• 在美國空軍各參謀部指定空中參謀部負責 IW。

在國防訓練中應用模擬器不僅具有經濟意義，而且還能顯著減少排放。然而，直到現在，人們還沒有對應用模擬器所帶來的環境效益進行深入研究。本研究旨在量化印度陸軍使用選定模擬器進行訓練所帶來的環境和經濟效益。研究的一些主要發現如下

• T-90 駕駛模擬器在 30 年的假定壽命期內，在團級和中隊級可分別減少碳排放達 1919 噸和 640 噸。在經濟方面，它可以幫助裝甲團和中隊每年分別節省 45.4 億印度盧比和 1.4 億印度盧比。
• 在假設的 30 年壽命期內，T-90 乘員射擊模擬器可分別為裝甲團和裝甲中隊減少高達 3676 噸和 1225 噸的碳排放。而在經濟方面，它可以幫助裝甲團和裝甲中隊每年分別節省 12.7 億印度盧比和 4.13 億印度盧比。
• 用于輕型四輪汽車駕駛培訓的自動駕駛模擬器在 15 年的假定使用壽命內可減少 103 噸二氧化碳當量。而在經濟方面，它可以為一個團每年節省 375 萬印度盧比。
• 先進武器模擬器（AWeSim）可在 10 年內減少 55 噸碳當量，從經濟角度看，每年可節省 2460 萬印度盧比。
• 由于某些尖端武器系統的彈藥價格昂貴，實彈射擊訓練受到限制。盡管如此，還是有必要對人員進行此類系統的培訓，以提高其熟練程度和熟悉程度。模擬器（如防空模擬器，或稱 "3ADS"）彌補了這一不足，同時還消除了大氣中有毒氣體的釋放。

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。

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。

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。