摘要

由于智能人機結合作戰系統將成為未來武器系統的核心資產，我們開始對其開發和利用進行政策研究。作為7月研究的一部分，舉行了DnA(Defense & AI)論壇，有來自政府、武裝部隊、武器制造商、大學和負責開發未來武器系統的研究機構的80多人參加。當地面控制站、軍艦、直升機和戰斗機等有人系統試圖與無人飛行器、無人地面車輛和無人地面車輛等無人系統合作時，未來將有許多挑戰需要解決。美國國防部宣布，互操作性、自主性、安全網絡和人機協作是實現無人系統使用的最關鍵技術。隨著這些技術的同時發展，越來越多的智能無人武器系統將被創造出來。然而，由于技術成熟的速度不同，預計將逐步發展，將其分為可遠程控制的簡單任務系統、低成本的便攜式無人系統、擴大作戰范圍的無人系統和保護有人系統的無人系統。

I 引言

美國陸軍表示，有人-無人系統編隊可以提高態勢感知、殺傷力和生存能力，并擴大傳感器探測的空間和時間范圍[1]。美國國防部宣布，有人-無人系統編隊可以消除更遠的爆炸物，并為投射進攻行動提供所需的移動和機動性[2]，使之成為可能的技術列于圖1[3]。為了將無人或自主系統作為一種有效的武器，除了技術問題外，還有許多非技術方面的考慮，但在這里我們將主要關注技術問題。為了更好地解釋，本文的其余部分將組織如下。第二節描述了有人-無人系統發展的挑戰，第三節討論了有人-無人聯合作戰系統的發展方向，最后，第四節總結了一個簡短的結論。

圖1. 美國國防部宣布的對有人無人系統的挑戰[3]。

II 有人-無人系統發展所面臨的挑戰

A 互操作性

互操作性是一種技術，它使人類或有人系統能夠輕松地與水中、海上、陸地或空中的任何無人或自主系統進行通信和控制，共享信息，并進行協作。為了實現互操作性，通用頻率、安全系統、通信方法、信息規則和數據模型的標準是必不可少的。此外，為了能夠使用整個自主系統或由不同工廠生產的部件，無論制造商是誰，都能立即投入戰斗，必須從設計階段保證共同的開放結構、模塊化和部件兼容性，并規定一致的測試和評估方法。

• 共同的頻率： 選擇頻率是一個政策問題，但如果除了低軌道衛星通信頻率外，地面頻率的空間不大，那么預測20或30年后的頻率政策是必要的。有必要考慮是否在海、陸、空使用相同的頻率更好，或者是否應用一種有效分享頻率的技術更好。如果圖1中無人系統與有人系統之間的無線通信頻率（a）和無人系統與地面控制站（GCS）之間的頻率（b）彼此不同，可能會成為減少無人系統的重量、功耗和成本的障礙。與其他領域相比，水下通信將需要更多的長期和突破性投資[4]。

• 消息規則和數據模型：從有人系統或GCS向無人系統發送的重要信息是用于指揮和控制，在相反的情況下，無人系統的當前位置和狀態、從傳感器獲得的信息、認可的戰場情況、要求人類操作決定的報警信息、視頻數據等。因此，如果無人系統的自主性水平較低，無線通信的負擔就會增加，因為必須向人提供更多的信息，需要更多的控制。另一方面，如果自主性水平高，無人系統將需要更多高分辨率的傳感器和高計算能力。與導航路徑上沒有太多障礙物的無人系統（如無人機和無人船）所發送和接收的消息相比，在田野而非道路上運行的無人地面系統需要更頻繁地發送和接收消息和數據，以避免眾多障礙物和選擇路線。目前，世界范圍內公布的消息規則和數據模型有北約的STANAG，它是無人航空器（UAV）和無人地面車輛（UGV）的互通和數據鏈接協議，JAUS（UGV的聯合架構），IOP（互操作性配置文件）等[5]。然而，由于很少有可以指揮和控制UGV和UAV的指揮和控制（C2）鏈路標準，而且STANAG之間的數據鏈路協議也沒有公開，因此有必要建立一個標準。

B 安全的網絡

由于使用無人系統的一個最重要的目的是增加作戰范圍，所以無人系統必須設計成能夠穩定地完成原來的任務并返回，除非它被敵人基地深處危險區域的物理攻擊所摧毀。敵人會試圖干擾無人系統的無線通信，窺探無人系統獲得的信息，或操縱指揮和控制信號。如果自主性水平高，并且即使無人系統被敵人劫持也能應用保護信息的技術，那么自主系統將能執行更多不同的操作[6] [7] [8]。

C 自主性

由于無人飛行器領域是無人系統研究和使用最活躍的領域，美國國防部已經在2001年定義并公布了無人駕駛飛行器自主控制等級（ACL）[9]。特別是UGV，作為地面區域的無人武器系統，需要更高的自主性，因為它必須能夠在有障礙物的場地而不是道路上行駛，而不像民用車輛那樣在道路上行駛[10]。在GCS中使用少量的無人機進行偵察，只需遠程控制就可以了。為了增加空中的作戰范圍和保護有人駕駛的飛機，人類控制的直升機和戰斗機應該能夠直接指揮和控制無人飛行器。因此，在這種情況下，需要無人機有很高的自主性。在一個不可能有低軌道衛星通信的地區，需要高水平的自主性來擴大無人地面飛行器的操作范圍，因為沒有任何通信技術可以從遠距離傳輸和接收高質量的視頻[11]。由于無人潛水器很難接收到全球定位系統（GPS），因此需要進行大量研究，考慮到海中的海流，通過慣性導航來識別位置[4]。為了研究和發展無人武器系統的自主性和智能性，有必要從無人系統中獲取大量的、高質量的傳感器數據。然而，也存在著這樣的困難：武器制造商的研發人員需要系統的、政策性的規定和程序來獲取軍事數據。

D 人機協同

為了降低飛行員的工作量，飛行員必須能夠用人類語言指揮和控制無人機[12]，無人機必須具備探測、識別、跟蹤和打擊任務目標所需的智能，以及進入飛行所需的路線選擇和改變。此外，它還必須能夠自行應對任務中出現的各種特殊情況。

III 有人-無人聯合作戰系統的發展方向

第2節中描述的眾多挑戰將同時逐步發展，并成為有人和無人的聯合作戰系統的核心技術。然而，由于每種技術的發展速度不同，各種類型的過渡性無人駕駛武器系統可以為獨立的目的而開發。我們預計這些用途有四類，如表1所示。

表1 有人-無人作戰系統的發展方向。

A 用于簡單遙控任務的無人系統

監視和偵察在一定程度上可以通過遠程控制來實現。遙控無人系統不需要很高的自主性，可以快速部署。為這一目的開發的無人系統預計將更多地投資于目標探測、識別和跟蹤任務所需的情報，而不是自主性。

B 低成本的便攜式無人系統

對于地面部隊來說，用于各種用途的小型、輕型和廉價的無人駕駛系統將對提高他們的力量有很大幫助。偵察或搜索建筑物內、墻壁上或山丘上的敵人是典型的，尋找或清除爆炸物的無人系統也將是有用的。用于這一目的的無人系統將被盡可能地制成廉價和便攜。

C 可以增加各種作戰范圍的無人系統

長距離通信對于無人系統增加其作戰范圍是必不可少的。在無法進行低軌道衛星通信的地區，需要在敵區進行通信中繼，因此有必要考慮通信中繼無人機等。在足夠的低軌道衛星通信之前，提前實現更高的自主性，就可以用最少的通信來實現各種行動。

D 保護有人系統的無人系統

為了使無人系統能夠保護有人系統，它不僅要有高水平的自主性，而且要有快速準確的戰場識別能力，以及準確執行目標探測、識別和跟蹤任務的能力。然而，即使幾乎所有的無人系統技術都得到應用，技術和市場也需要成熟，因為只有當它比有人系統更便宜時才有意義。

IV 結論

武器制造商在收到軍方的詳細要求后，會投資開發未來無人系統所需的核心技術。然而，在軍方，有必要了解公司能夠制造的無人系統的技術水平，以建立相應的操作，并準備具體的無人系統生產計劃。因此，要開發一個需要先進技術的無人系統，軍方和企業緊密合作的聯合規劃是必要的。而為了明確溝通，需要在自主性、智能、通信和安全方面有系統的標準和共識。要建立這些標準，不僅需要軍方和公司，還需要對國防工業有高度了解的研發專家，同時也需要政府有建立標準的意愿。出于這個原因，今年我們開始了一項關于開發和利用有人-無人聯合戰斗系統的政策研究。主要目的是確定政府、軍方、武器制造商、大學和研究機構如何共同溝通，頒布各種政策和標準，以促進國防工業的發展。在本文中，我們討論了有人-無人聯合作戰系統的發展和利用的當前挑戰和未來方向。

本文重點介紹了適用于開放天空和城市作戰的蜂群和成員的先進絕對和相對導航方法，并討論了基于蜂群成員之間的認知（即基于感知和知識的適當和適應行動）和協作（即基于信息交流和空間分布的改進的推理和互動能力）原則的新型絕對和相對PVA估計方法的發展。本文概述了基本方法、一些仿真結果和平臺硬件組件（三架多旋翼飛機和一個地面站）。它還進一步分析和討論了使用在開放天空中收集的無人機系統飛行測試數據和城市環境模擬性能。

圖1-1:四個sUAS蜂群幾何形狀隨時間的變化

感知、理解、預測和決策

圖3-1顯示了所提出的蜂群認知和協作導航方法的基本框圖。這個框圖類似于Endsley[17]所介紹的動態決策系統中的態勢感知模型。盡管Endsley的工作側重于人為因素，但人的態勢感的概念可以很容易地轉化為蜂群成員和整個蜂群的態勢感知模型。圖3-1所示的決策循環也顯示出與博伊德的觀察、定向、決策和行動（OODA）循環以及感知-行動循環[18]有很多相似之處。

圖3-1:認知和協作過程。

在決策回路中，蜂群及其成員正在提高對周圍環境的認識，不僅是為了實現其任務目標和目的，也是為了滿足所需的（嚴格的）絕對和相對導航性能要求。就像在人的因素中一樣，存在三個層次的態勢感知。在第一層，即感知，蜂群成員評估從機載導航傳感器中獲得了哪些相關信息并存儲在機載長期存儲器中（如地圖等）。此外，蜂群成員還評估什么樣的信息在蜂群中可能是可用的（記憶和傳感器），如果其他成員還沒有廣播的話，可以請求提供。然后，評估結果被理解模塊用來了解當前的態勢，最后，預測未來的情況。就導航性能而言，這可以分別指當前的絕對和相對導航性能以及未來的導航性能。基于這些知識和任務目標，蜂群成員將就其計劃的行動（例如，運動變化、新的軌跡、新的蜂群配置）做出決策。表3-1顯示了蜂群成員上可能存在的一些與導航有關的傳感器。請注意，蜂群不一定要由相同的SUAS組成。這可以降低平臺的成本和重量。

對蜂群機器人的研究已經產生了一個強大的蜂群行為庫，它們擅長確定的任務，如集群和區域搜索，其中許多有可能應用于廣泛的軍事問題。然而，為了成功地應用于作戰環境，蜂群必須足夠靈活，以實現廣泛的特定目標，并且可以由非專業人員配置和使用。這項研究探索了使用基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）來開發特定任務的戰術，作為更普遍的、可重復使用的規則組合，供高級機器人系統工程實驗室（ARSENL）蜂群系統使用。開發了三種戰術，用于對一個地理區域進行自主搜索。這些戰術在現場飛行和虛擬環境實驗中進行了測試，并與預先存在的完成相同任務的單體行為實現進行了比較。對性能的衡量標準進行了定義和觀察，驗證了解決方案的有效性，并確認了組合在可重用性和快速開發日益復雜的行為方面所提供的優勢。

1.1 動機

美國軍方對無人駕駛飛行器（UAV）的研究和利用有很長的歷史，早在第二次世界大戰之前就有了。最近，"捕食者 "無人機的推出，首先作為偵察平臺，后來作為武裝戰斗成員，徹底改變了現代戰爭。使用 "捕食者 "型無人機的優勢很多，而且有據可查，但是這類系統并不能為每一類任務提供通用的解決方案。系統的可用性、便攜性、后勤和維護要求、人力專業化和道德問題只是限制無人機向各級作戰部隊傳播的部分因素。一些人認為，戰爭的下一次革命將來自于蜂群技術：大量低成本的自主系統采用合作行為和分散控制來實現任務目標[1]-[3]。

在過去的十年中，已經進行了大量的工作來擴展無人機群的行為、能力以及指揮和控制（C2）。海軍研究生院先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）小組以前的研究推動了以任務為中心的C2方法的發展[4]，并通過分散的動態任務分配實現了蜂群自主[5]。然而，在描述高層行為和目標以及在機器人代理的強大分布式系統中實現這些目標方面，設計蜂群系統仍然存在獨特的挑戰。目前的行為實現往往是單一的，而有效的設計需要專家編程。這項研究探索了在一個面向任務的分層框架內組成原始蜂群行為的方法，以自主實現復雜的任務目標。在面向任務的框架內應用行為組合技術，可以促進簡化行為開發和重用，并有可能加速創建復雜的以任務為重點的蜂群行為，用于軍事應用。

1.1.1 蜂群案例

蜂群飛行器并沒有提供將完全取代目前無人駕駛航空系統（UAS）的好處和能力，但它們確實有可能吞并許多目前的能力。然而，更有趣的是，蜂群有可能迫使戰爭行為的技術轉變。在[1]中，Arquilla提出蜂群是一種建立在高度連接和機動能力的小型單位上的戰爭形式，這些小型單位可以快速分散和聚集在一起。Scharre[2]和Hurst[3]通過分析機器人群的屬性及其對現代戰場的潛在影響，闡述了群戰的概念。與目前的無人機系統相比，蜂群通過飛行器的異質性使自己與眾不同，這種異質性提供了單一無人機所不具備的廣泛能力。特別是，合作行為和分散控制所帶來的決策和執行速度，可能再加上人工智能（AI），使蜂群系統具有潛在的決定性作戰優勢。或者正如[2]中指出的，"擁有最智能的算法可能比擁有最好的硬件更重要"。

美國防部已經認識到蜂群技術的內在可能性，并將蜂群行為列為具有 "推動無人系統的巨大潛力 "的人工智能技術之一[6]。這種認識進一步體現在國防高級研究計劃局（DARPA）的項目中，如進攻型蜂群戰術（OFFSET）[7]。各軍種也在各自探索蜂群技術[8]，成功的概念驗證包括海軍研究辦公室（ONR）的低成本無人機蜂群技術（LOCUST）[9]，海軍航空系統司令部（NAVAIR）的Perdix系統[10]，以及NAVAIR對DARPA的CODE計劃的收購[11]。這些計劃不僅探討了自主協作系統的發展，而且還探討了與這些系統相關的C2和人機界面（HSI）要求。蜂群C2和HSI已被確定為建議研究的核心，以使該技術進入軍事應用范圍[2]、[6]、[8]。

1.1.2 蜂群特征

蜂群機器人的研究源于早期的元胞自動機領域的研究。元胞自動機通常可以被描述為一組細胞的數學模型，其中單個細胞的狀態由其鄰居的狀態隨時間變化的某些函數決定[12]。細胞本身的效用是有限的，但一組細胞可以有效地模擬自然和生物模式，而且一些細胞自動機已被證明能夠模擬任何計算機器[12]。

貝尼[13]的早期工作將自動機的概念應用于機器人學。他和Wang[14]的工作創造了"蜂群智能 "一詞，即 "非智能機器人系統表現出集體的智能行為，表現為在外部環境中不可預測地產生特定的有序物質模式的能力。" 該定義后來被完善，指出智能蜂群是 "一群能夠進行普遍物質計算的非智能機器人" [15]。這種蜂群智能的概念是蜂群的一個基本屬性。對于這項研究來說，這個概念可以簡化為：蜂群是一個無人機的集合，這些無人機單獨只能夠進行簡單的行為，但當它們聚集成一個集體系統時，能夠產生特定的額外和更復雜的行為。

確保蜂群中的集體行為產生最終的預期行為是蜂群工程的一個基礎概念[16]。蜂群行為通常依賴于涌現，被定義為由單個智能體構成集體行為，進而產生全系統行為[17]。雖然涌現是蜂群的一個理想和基本特征，但它并不容易預測。意外的涌現行為會表現出潛在的負面后果，降低對系統的信任度[16], [17]。涌現行為不僅在蜂群智能方面得到了廣泛的研究，而且在多Agent系統的背景下也得到了更廣泛的研究，包括經濟、物流和工程等廣泛的應用。因此，有大量的行為問題的涌現算法解決方案，已經成為該領域的基礎。直接適用于機器人群領域的是基于生物的行為集合，如成群結隊[18]，螞蟻和蜜蜂群優化[19]，以及粒子群優化[20]，[21]。在這些問題中的每一個，單個智能體，即本研究中的單個無人機，根據本地知識和對蜂群其他部分的有限知識決定自己的最佳行動。

分散控制和集體行為使關鍵蜂群屬性成為可能：適應性（靈活性）、穩健性和可擴展性[22]。適用于蜂群機器人和蜂群智能的這些屬性的精確定義在[22]-[24]中提供。一般來說，適應性是突發行為的結果，是蜂群在動態環境中實現一系列任務的能力。穩健性源于分散控制，即無論其他智能體是否失敗，單個蜂群智能體仍然可以做出適當的決定；也就是說，即使單個智能體失敗，蜂群仍然可以集體完成行為。可擴展性與此類似，即蜂群的規模應根據需要進行調整，以便在約束條件下完成特定目標。

1.1.3 機器人群

在過去的十年里，隨著低成本機器人和通信組件的普及，蜂群的實現已經取得了快速進展。像Kilobot[25]這樣的開源機器人很容易獲得，而像海軍研究生院（NPS）ARSENL的Zephyr II固定翼和Mosquito Hawk四旋翼無人機這樣更先進的平臺也很容易制造[26]。仿真環境，如Autonomous Robots Go Swarming（ARGoS）[27]、Open Robotics的Gazebo模擬器[28]和ArduPilot的軟件在環（SITL）環境[29]，可免費用于測試與物理系統相結合的行為，以加快開發速度。

物理機器人群的C2系統并不像模擬器那樣發達，而且很少有管理機器人群的總體框架。值得注意的框架包括用于無人機的Aerostack[30]和ARSENL的基于任務的蜂群可組合性結構（MASC）[4]框架。此外，C2要求與蜂群的HSI研究密切相關。鑒于蜂群的潛在規模和相對于人的認知能力而言的行為復雜性，蜂群對人類互動提出了獨特的挑戰[31]。由于集體行為的突發性質與軍事環境中固有的嚴格的操作控制結構相匹配，HSI對軍事應用具有特別的意義[32]。在進攻性機動中使用無人駕駛車輛已經引起了倫理方面的爭論，而蜂群的自主性質只會使這個問題更加復雜[33]。

1.1.4 技術現狀

目前對多機器人系統和多機器人任務分配（MRTA）的重要研究工作集中在實現機器人群中復雜行為的規劃和執行。多機器人系統通常依靠任務分配技術和高層規劃來確定實現整體蜂群目標所需的單個平臺行動。有任務的機器人可以利用蜂群智能和涌現來實現子任務目標，但也有可能采用更多慎重的方法。Khaldi[23]和Arnold等人[34]對多機器人系統和蜂群機器人技術進行了比較和分析，重點是蜂群智能的應用。

MRTA的進展通過考慮時間和任務優先級限制的綜合能力匹配，使越來越復雜的任務領域成為可能[35], [36]。例如，NPS的ARSENL小組以前的研究推動了分散的、基于市場的任務分配的發展[5],[37]，并在復雜的多域蜂群行動中成功地進行了演示[26]。ARSENL已經成功地采用大型蜂群來合作執行定義明確的復雜任務。對這些系統的有效控制仍然需要操作員的實時監督。

最近的論文如[38]將機器學習和人工智能技術應用于蜂群系統以實現行為發展。在這一領域的工作相對較少，實現先進的蜂群自治的目標，即通過 "提供指揮官的意圖，系統能夠從該指揮官的意圖中找出系統能夠做什么"[11]，仍然是相當遙遠的。

1.2 研究目標

這項研究的目的是實施和評估基于MASC的分層解決方案，將能夠自主搜索和調查任務的不同規則組合成更強大的戰術，在異質蜂群上執行。基于市場的任務分配被調整為向參與戰術的平臺分配行為角色。本論文假設，以這種方式組成的簡單行為可以實現與更多單一行為相媲美的性能特征，并且該方法廣泛適用于創建面向任務的一般戰術。這一目標為實現MASC的目標提供了一個步驟，即促進簡單行為的設計和重用，并為任務應用創建越來越有能力的戰術。

對所開發的解決方案進行分析，以驗證復合任務分配方法的使用，并為未來實施和研究異構多無人機群的性能和C2提供建議的基礎。特別是，本論文討論了以下研究問題。

• 使用組合行為的蜂群與使用單體行為的蜂群相比，其性能是否具有可比性？

• 在有效性和可用性方面，可組合行為比單體行為有哪些好處（如果有的話）？

• 哪些性能指標適合于比較行為的實現？

• 如何將建議的行為開發方法擴展到支持適用于任意任務的行為開發？

• 所開發的方法是否提供了所需的靈活性和接口，以納入更大的任務控制框架中？

這項研究的范圍僅限于利用原始的規則和算法來組成強大的戰術。它沒有探索或開發在單個平臺上執行行為的算法。

1.2.1 方法

開發了三個符合MASC戰術理念的蜂群行為，該戰術由[4]中描述的更原始的規則組成。這些戰術是作為現有ARSENL規則的組合來實現的。每個戰術都由一個搜索規則和一個調查規則組成，前者指導平臺參與協調的區域搜索，后者指導平臺協調調查一個或多個感興趣的聯系體。這兩種戰術都利用以前開發的拍賣算法進行任務分配[37]。戰術動態地將每個平臺分配到其中一個規則中，并且在任何給定的時間，只有被分配的規則被用來控制平臺。

該戰術是為使用由具有獨特特征的平臺組成的異質群而開發的，這些特征影響了它們執行搜索和調查行為的適宜性。該戰術利用基于市場的方法（即拍賣算法）來考慮單個平臺的能力，具體描述如下。

• SearchTacticStatic。一種戰術，在行為初始化時，搜索者和調查者的角色被靜態地分配給特定平臺。分配規定了搜索者的最低數量，并有效地按飛機類型優先分配（例如，更快的固定翼無人機被分配為搜索者）。

• SearchTacticDynamic。采用這種戰術，所有平臺開始時都是搜索角色，但隨著行為的進展，可以在搜索者和調查者角色之間動態切換。當遇到聯系人時，一個單項拍賣被用來重新分配角色。需要改變角色的車輛會推遲執行向新角色的轉換，直到當前分配的任務完成之后。

• SearchTacticImmediate。這個戰術實現了與SearchTacticDynamic戰術相同的分配方法；但是，搜索者和調查者角色之間的轉換會立即發生，而不是在當前分配的任務完成后發生。也就是說，如果平臺需要轉換角色，一個正在進行的搜索單元或調查任務將被中止。

1.3 論文組織

本論文分為五章。第一章討論了空中蜂群系統的現狀，它們與美國防部的相關性，以及這項研究的動機。第二章對相關的蜂群研究領域及其與本研究的關系進行了更詳細的討論。第三章描述了組成行為的實現，并將其與之前實現的單體行為進行了比較。第四章描述了所利用的實驗過程，并討論了所收集的數據，以提供實施的戰術性能和理論上的最佳性能之間的比較。最后，第五章提供了這項工作的結論和對該領域未來工作的建議。

美國長期以來一直依賴大量復雜的傳感和通信基礎設施，以便在發生核攻擊時接收警告并執行核指揮。這個指揮和控制網絡高度依賴天基資產來運作，并在發生核危機時向決策者提供可靠的信息。本文旨在全面概述衛星在美國核指揮和控制網絡中的貢獻，分析核現代化進程中的太空資產，探討隨著太空環境變得更加有爭議，它們所面臨的脆弱性和風險，并提出政策解決方案以加強和保護這一重要的基礎設施。這些信息應作為學者、從業人員和決策者的資源，以更好地理解這一復雜的系統和它在今天的太空環境中所面臨的獨特挑戰。

1 美國核指揮與控制網絡

美國的核指揮、控制和通信（NC3）網絡是一個由許多關鍵部分組成的復雜系統，旨在支持美國的核威懾力量。國防部將NC3定義為使總統能夠行使核權力的設施、設備、通信、程序和人員。下面的圖形顯示了這個網絡的組成部分的簡化效果，包括核平臺本身、傳感器、通信基礎設施和決策人員。

圖 1：天基核指揮與控制。

《核態勢評估》（NPR）是美國每屆政府核政策的指導性文件。最新的《核態勢評估報告》發表于2022年，概述了核指揮和控制系統的五個關鍵功能：探測、警告和攻擊特征；適應性核計劃；決策會議；接收和執行總統命令；以及促成部隊的管理和指揮。這些功能是通過一個相互連接的系統來實現的，其中包括預警衛星和雷達、通信衛星、飛機和地面站、固定和移動指揮所以及核系統的控制中心。目前的系統通常被稱為有兩層："粗線"，包括標準的操作和危機架構，以及 "細線"，為總統、國防部長和作戰指揮官提供可生存、安全和持久的連接。NC3是核力量和總統權力之間的聯系。

核指揮和控制網絡需要高度的生存能力，即使在最壞的核戰爭情況下也能繼續發揮作用。它被設計成可在各種極端條件下生存，并納入了加固、移動、冗余和隱蔽措施。

2 NC3中的天基資產

NC3的天基部分是美國國防的組成部分，因為它是 "傳遞總統使用核武器命令的首選手段，并將為即將到來的核攻擊提供第一個警告"。衛星提供安全通信；情報、監視和偵察（ISR）；導彈發射預警；定位、導航和定時（PNT）功能，以及NC3系統和網絡的同步。這些系統包括一顆衛星或由許多衛星組成的星座、地面站、傳感器和用于發射和接收數據的上行/下行鏈路，以及最終用戶的終端。 此外，地球觀測、電子情報和氣象預報也是有助于NC3的天基功能。根據空軍負責戰略威懾和核整合的副參謀長杰克-溫斯坦中將的說法，"我們需要一只不眨眼的眼睛來發現正在發生的事情。這只不眨眼的眼睛是由太空提供的......[NC3網絡]完全依賴于太空。"

2.1 通信

主要的NC3衛星通信（SATCOM）基礎設施是由六顆衛星組成的地球同步高級極高頻（AEHF）星座，它是1990年代MILSTAR計劃的后續。AEHF由極地軌道上額外的受保護的SATCOM單元支持，目前包括兩個增強型極地系統（EPS）托管有效載荷和支持系統，提供65度以上緯度的覆蓋。AEHF是一個多服務的通信星座，旨在保護其免受某些形式的反太空攻擊。AEHF為NC3網絡以及其他陸地、海洋和空中資產提供抗干擾通信。

值得注意的是，AEHF為位于北緯65度和南緯65度以內的緯度提供服務，這涵蓋了從北極圈底部到南極洲北部的所有地區。AEHF的通信也與選定的盟友和合作伙伴共享。AEHF在整個核戰爭期間為總統、國家安全高級領導人以及軍事戰術和戰略部隊提供可靠的通信。 AEHF是少數幾個公開承認的可以傳送行政授權命令的途徑之一。AEHF星座為陸戰、空戰和海戰；特種作戰；戰略核作戰；戰略防御；戰區導彈防御；以及太空作戰和情報提供支持。六顆老化的MILSTAR衛星，其中第一顆于1994年發射，此后被較新的AEHF星座所補充，現在已經退役并遠離了地球靜止軌道。最后一個AEHF有效載荷于2020年3月作為第一個太空部隊任務發射，六顆衛星的計劃總成本為150億美元。

2.2 導彈告警

天基紅外系統（SBIRS）是主要的預警衛星群。由六顆帶有核加固部件的衛星組成，SBIRS由高橢圓軌道上的兩個托管傳感器有效載荷和地球同步軌道上的四個專用有效載荷組成。SBIRS使用探測熱信號的紅外傳感器來監視地球，提供用于導彈防御、戰斗太空感知、導彈預警和戰術情報的大量數據，通過五個獨立的下行鏈路向地面發送未經處理的原始數據。作為國防支持計劃（DSP）星座的后續項目，SBIRS被設計為滿足系統生存能力和耐久性要求，并對太空中的核電磁爆炸進行加固。截至2022年8月4日，所有六顆衛星都已成功發射到地球同步軌道。 空軍最初的預算計算預計SBIRS六顆衛星的費用為50億美元--目前的數字顯示SBIRS六顆衛星的費用為192億美元。

圖 2：SBIRS 導彈預警衛星

2.3 核爆炸

雖然預警和安全通信衛星因其在國家安全中的作用而眾所周知，但其他執行更平凡任務的衛星受到的關注較少，但對國家安全行動仍然很重要。這些衛星系統和它們各自的地面站是更大的NC3系統的組成部分。

全球定位系統（GPS）、國防支持計劃（DSP）和其他機密的地球同步軌道星座上的主機傳感器也為NC3做出了貢獻。 這些衛星承載著美國核爆炸（NUDET）探測系統（USNDS）的太空部分，根據空軍的說法，該系統 "提供了一種近乎實時的全球高生存能力，以探測、定位和報告地球大氣層或近太空中的任何核爆炸。" 這些傳感器自1978年首次發射GPS以來一直在運行，并向國家指揮局、美國戰略司令部、美國太空司令部和空軍技術應用中心提供核力量管理、技術情報和條約監測，資金由空軍和國家核安全局提供。太空部隊在其2023財年預算中要求700萬美元用于繼續采購NUDET系統。

2.4 NC3現代化

正在進行的核現代化進程始于2000年代初對下一代B2轟炸機的升級，并如奧巴馬總統領導的2012年《核態勢評估報告》所概述的那樣更廣泛地繼續進行。 目前的現代化推動得到了政治妥協的支持，并與2010年批準新的《削減戰略武器條約》同時進行。它是由幾個因素驅動的，包括隨著俄羅斯等對自己的戰略武庫進行現代化改造，與這兩個國家的對外競爭加劇，以及需要更換老化的武庫和支持性基礎設施，并利用當今的數字技術升級核基礎設施。美國戰略司令部前指揮官理查德上將最近作證說：現在的戰略安全環境是一個三方核近似的現實。今天的核力量是實現我們國家戰略的最低要求。現在，我正在歷史性的壓力下執行我的戰略威懾任務，危機級別的威懾，危機威懾的動態，在我們國家的歷史上我們只見過幾次，而我正在用80年代和90年代建造的潛艇來執行。我正在做的是80年代和90年代建造的潛艇，80年代建造的空射巡航導彈，70年代建造的洲際彈道導彈，60年代建造的轟炸機，我們在互聯網之前的部分核指揮和控制，以及可以追溯到曼哈頓時代的核武器群。

NC3架構是為應對蘇聯的導彈威脅而設計的，最后一次大幅更新是在20世紀80年代。在此后的幾年里，美國一直面臨著新的核威脅，而沒有推進NC3系統以應對這些威脅。先進的技術也使NC3的要求復雜化，對系統本身造成了新的威脅。 現代化進程也延伸到天基資產和一個日益擁擠和競爭的太空領域。國家安全太空企業已經轉向調整架構和采購做法，以適應日益競爭的環境。前代理國防部長帕特里克-沙納漢在一份特許成立太空發展局的備忘錄中寫道：一個國家安全太空架構，提供阻止，或在阻止失敗時，擊敗對手行動所需的持久、有彈性、全球、低延遲的監視，是保持我們長期競爭優勢的先決條件。如果我們仍然受到傳統方法和文化的束縛，我們就無法實現這些目標，也無法與我們的對手設定的步伐相匹配。

現代化包括升級和更換衛星，以減少陳舊的設備和拆除老化的系統，為新的有效載荷配備更先進的傳感器，擴大容量，并設計系統的生存能力和彈性。需要現代化的具體系統包括各種導彈發射預警和通信衛星，包括SBIRS和AEHF。隨著開發新的星座以跟上導彈技術的步伐，更多的現代化可能包括傳感器、地面站、終端以及整個網絡的彈性、生存能力和硬化的升級。

國會預算辦公室的最新預測估計，2021-2030年要求的核現代化預算中約有15%專門用于指揮、控制、通信和預警系統。

3 下一代OPIR

SBIRS將得到補充，并最終被下一代高空持久性紅外（Next Gen OPIR）星座所取代。該星座的第一塊將包括三顆覆蓋中緯度地區的地球同步軌道衛星和兩顆覆蓋高緯度地區的極地高橢圓軌道衛星。洛克希德-馬丁公司在2018年獲得了價值29億美元的非競爭性唯一來源合同，以開發這三顆下一代OPIR地球同步衛星，后續合同為49億美元。第一顆地球同步軌道衛星計劃于2025年首次發射，而由諾斯羅普-格魯曼公司建造的第一顆極地衛星可能將于2028年發射。整個衛星群預計在2028年交付。另一項舉措，即 "未來操作彈性地面進化"（FORGE），將使該系統的地面站部分現代化，并處理來自SBIRS和下一代OPIR的數據。2023財年該系統的預算研究和開發要求為35億美元，包括地面、地球同步軌道和極地部分，預計項目總成本估計為144億美元。

2017年，前參謀長聯席會議副主席約翰-海滕將軍稱老化的SBIRS衛星為 "大的多汁目標"，指其缺乏對反衛星武器的防御能力，并批評了開發下一代替代品的時間表。這促使空軍加快了系統的開發，并整合了更多的先進功能，從更好的傳感器到彈性措施。下一代OPIR計劃對威脅有更強的彈性，這也是SBIRS星座的一個問題。據洛克希德-馬丁公司的一位代表稱，"如此規模的太空項目--包括開發兩個全新的導彈預警有效載荷--從未進展得如此之快"。

下一代OPIR星座的開發正在由兩個承包商分擔，以加強敏感的國家安全有效載荷的冗余度。例如，如果其中一個承包商出現延誤或其他問題，整個計劃中的星座不會受到影響，可以繼續按計劃進行。從有效載荷要求到架構設計，開發過程中的每一步都在處理彈性問題，空軍上校布萊恩-德納羅將下一代OPIR描述為美國綜合導彈預警、跟蹤和戰斗太空感知的基石，他說："下一代OPIR旨在提供彈性的天基全球導彈預警能力，以應對新出現的導彈和反太空威脅。"

3.1 太空開發局

太空開發局也正在開發一個在低地軌道和中地軌道上的全球高超音速和彈道導彈跟蹤層，作為其國防太空架構的一個關鍵組成部分，將與更廣泛的NC3網絡相結合。 首批8顆衛星將在第0階段發射，下一波將由28顆額外的低地軌道衛星組成，在2025年發射。 最終的目標是在低地軌道和中地軌道上的整個衛星群相互無縫連接，并能進行助推階段的導彈探測和跟蹤。 SDA最近宣布，它已經授予L3Harris和Northrop Grumman總共13億美元的合同，以開發能夠跟蹤飛行中的高超音速導彈的原型衛星。這個更大的太空導彈預警架構背后的主要動機是在較低的軌道上有衛星，能夠為高超音速導彈和滑翔機提供增強的跟蹤能力，同時也有增加冗余度的額外好處。

3.2 超AEHF

AEHF的現代化計劃包括用新的進化戰略衛星（ESS）星座來補充和取代它，這是一個空軍計劃。它將提供擴大的全球戰略和安全通信能力，以支持NC3功能。洛克希德-馬丁公司、波音公司和諾斯羅普-格魯曼公司正在為未來幾年的ESS計劃開發競爭性設計。整個ESS系統的合同預計將在2025年授予。AEHF最初打算由轉型衛星通信系統（TSAT）計劃取代，但由于成本超支和延誤，該計劃在2010年被取消，取而代之的是再發射兩顆AEHF衛星作為臨時措施。

增強型極地系統資本化工作，被設計為增強型極地系統和即將到來的極地部分之間的權宜之計，目前正在開發中，計劃于2022年發射。極地部分的4.29億美元的合同被授予諾斯羅普-格魯曼公司。

4 AEHF案例研究

通常情況下，雖然這些衛星系統的大部分技術規格都是高度機密的，但在先進極高頻（AEHF）星座上有各種公開的信息。作為MILSTAR通信星座的后繼者，該計劃始于1999年，于2001年開發，于2018年達到初始運行能力，目前由太空部隊運營和維護。六顆衛星中的第一顆于2010年發射，最后一個單元于2020年發射。其運行時間表面臨一些挫折，包括AEHF-1的技術問題導致其在軌擱淺，后來被回收，以及AEHF-4的進一步延遲。AEHF提供極高頻（EHF）上行鏈路和交叉鏈路能力以及超高頻（SHF）通信。它的容量是MILSTAR的10倍，其特點是增加了覆蓋區域。它的抗干擾有效載荷包括機載信號處理、無線電頻率設備、跨頻段的EHF/SHF通信天線，發射時質量為6,168公斤。它的加固和可生存的任務控制和終端部分由固定和移動的地面、空中和海上終端組成，有利于數據傳輸率從75 bps到8 Mbps。空軍最初對整個AEHF系統的成本估計為60億美元，而總成本則為150億美元。

4.1 挑戰和政策建議

隨著現代化進程的繼續，隨著美國在太空領域面臨越來越多的威脅，維持和發展強大的天基NC3能力有幾個挑戰。圍繞網絡安全、部隊設計和擴散、升級和威懾以及防御的問題正在推動當前的政策討論。

2022年國防戰略的特點是 "綜合威懾 "的概念--按照負責政策的國防部副部長薩沙-貝克的說法，這是 "一個與所有國家力量工具以及美國盟友和我們的伙伴合作，跨作戰領域、戰區和沖突范圍的框架"。天基資產將是美國在常規和戰略任務中繼續整合部隊和網絡能力的一個關鍵部分。"國防部長勞埃德-奧斯汀說："綜合威懾是關于使用技術、作戰概念和能力的正確組合--所有這些都以一種網絡化的方式交織在一起，它是如此可信、靈活和強大，將使任何對手暫停。綜合威懾不是依靠純粹的軍事力量來威懾對手，而是設想拉動每一個可用的影響杠桿，以達到預期的外交政策和軍事效果。

4.2 網絡安全

由于太空系統的數字性質，網絡干擾和攻擊仍然是國家安全空間企業的首要關切，事實上，"NC3復原力的許多最艱巨的挑戰在于網絡空間和外空領域的交匯處，網絡攻擊是針對基于太空的NC3資產。供應鏈上的漏洞和通過承包商的漏洞也可能為壞人或其他失敗者破壞復雜的網絡提供了機會。根據太空信息共享和分析中心（ISAC）執行主任艾琳-米勒的說法，"由于企業和政府內部使用不同的法規和要求，很難確保來自供應鏈各個層面的組件具有相同質量的網絡保護。" 一份2019年DOT&E網絡評估報告強調了這種擔憂，對NC3能力的評估結果 "向國防部最高領導層進行了通報，并導致對這一重要領域的關注度大幅提高"。

在采購方面，2021年SpaceNews的一篇專欄文章解釋了為什么網絡安全和供應鏈管理必須齊頭并進。"鑒于目前的資源限制，新的美國太空部隊的精簡，以及對敏捷性和快速采購的推動，對商業的依賴可能會增加。在這種環境下，提供數據、軟件、硬件和服務的供應商激增，給對手帶來了一系列的機會和連帶影響，這突出了立即提升網絡衛生和供應鏈風險管理（SCRM）的重要性。"

太空部隊也站在認識這些風險的最前沿，并更加注重準備應對這些風險，組建了太空三角洲6號網絡安全中隊，以及新的太空部隊基礎設施資產預評估計劃（IA-PRE），旨在 "為國防部推進當前和未來商業衛星通信采購的安全態勢"。

為了減輕這些挑戰，政府和行業應繼續關注彈性設計，在流程的每一步都關注網絡安全，并防范從研發到發射的供應鏈攔截。由于網絡反衛星行動是專家們最擔心的反太空威脅之一，在現代化進程和類似工作中為衛星有效載荷和地面站建立強大的網絡安全措施應該是一個優先事項。承包商和商業公司應確保在該過程的每一步進行網絡安全加固，以幫助減輕系統的弱點和漏洞。此外，正如2022年俄羅斯對烏克蘭商業衛星運營商Viasat的黑客攻擊所顯示的那樣，衛星地面站通常是這個系統的一個薄弱環節，在沖突中可能成為相對容易的目標。 2020年網絡空間Solarium委員會報告的一項重要建議指出：更令人擔憂的是，面對全方位的網絡威脅，美國的核威懾力以及NC3系統和NLCC項目的生存能力和復原力受到了潛在的網絡威脅。這些威脅特別令人震驚，因為它們可以破壞核威懾的穩定性，并為無意中的核戰爭創造條件。最大的風險是，正因為網絡互動發生在武裝沖突的門檻之下，網絡風險和NC3系統的結合實際上可以降低這個門檻。考慮到這一點，國會應指示國防部對NC3和NLCC企業的每一個部分進行例行評估，以確定是否遵守網絡安全的最佳做法、脆弱性和妥協的證據。

4.3 激增

此外，將太空架構設計從少數需要長時間建造、發射和定位的昂貴衛星，轉向由較小、較便宜的衛星組成的更大的星座，可以幫助提高彈性，并防止當一顆衛星受到干擾而導致整個星座被削弱的共同模式故障。這種新的基礎設施還可以包括一個精簡的發射計劃，以迅速更換損壞的衛星，并投資于空中或地面的冗余系統。由于星座的建造、發射和就位需要很長時間，許多系統在數年內都不會滿負荷運行，因此建立額外的空中、地面通信或導彈預警支持是一個重要的考慮因素。太空發展局處于這一努力的前沿，將擴散和螺旋式架構發展模式作為其國防太空架構的兩大支柱方法，允許更高的彈性，更多的靈活性，以及 "快速轉向以應對甚至先發制人地應對威脅的進展 "的能力。 此外，高級官員已經強調了擴散性部隊設計的必要性，包括前太空部隊空間作戰主管雷蒙德將軍。"我們必須轉變我們的空間架構，如果你愿意的話，從少數難以防御的精致能力轉變為一個更強大、更有彈性的架構。"

4.4 糾纏、升級和威懾

太空資產的破壞可能通過影響導彈預警和安全通信能力以及破壞關鍵的太空基礎設施而對美國的核態勢和一般部隊準備狀態產生嚴重影響。這些影響在美軍受到攻擊的沖突情況下可能被放大。如果一個對手想要破壞美國的核安全，這些特性將使天基NC3部分成為一個有吸引力的目標。

軍事衛星可以是糾纏的系統，這意味著一些衛星同時履行戰略和戰術任務。雖然糾纏的好處包括降低成本和操作上的好處，但一個令人關切的問題是，如果這些系統成為目標，可能存在意外升級的可能性。如果戰略天基NC3能力作為附帶損害受到影響，對手瞄準美國常規太空能力，試圖在常規沖突中獲得優勢，可能對美國對其核力量的信心產生不穩定的影響。 太空中可能的進攻行動的多樣性也可能影響到對某些資產的某些攻擊模式將造成升級的關切的程度。在常規沖突期間干擾兩用衛星通信可能引起不同的反應，而干擾導彈探測衛星或探測影射這些系統之一的同軌飛行器。攻擊方式和目標，以及可能發生的沖突的背景，都可能影響某些攻擊引起戰略關切的程度。然而，一些學者認為，NC3衛星的戰略和戰術功能的糾纏是對侵略行動的一種威懾，而不是一種潛在的絆腳石。敵人可能不想為戰術目的而冒險瞄準這些資產，因為有可能出現意外的升級。因此，解除糾纏可能會對威懾努力產生反作用。因此，解除糾纏可能與威懾努力背道而馳。糾纏戰略可能因此而更加可取，如果是這樣的話，也有可能減少太空中這種類型的意外升級的可能性。

此外，由于這些太空系統是核指揮和控制網絡的一部分，一些專家提議，最依賴其衛星的國家在彼此的高空衛星周圍談判 "禁止進入 "區。這種類型的國際規范或條約的建立有希望減輕威脅，盡管像美國、俄羅斯等這樣的主要核大國是否愿意加入這樣的協議是值得懷疑的。一個潛在的挑戰是，簽署該協議的國家必須愿意披露其哪些衛星執行此類操作以及它們在軌道上的位置，因為人們擔心這種信息共享會增加這些資產的脆弱性。

根據專家Ankit Panda的說法，"在2018年NPR擴大了核使用的條件之后，天基NC3資產值得特別考慮"。 在2018年的NPR中，美國 "只有在極端情況下才會考慮使用核武器，以捍衛美國、其盟友和合作伙伴的重要利益。極端情況可能包括重大的非核戰略攻擊。重大的非核戰略攻擊包括但不限于對美國、盟國或合作伙伴的平民人口或基礎設施的攻擊，以及對美國或盟國的核力量、其指揮和控制、或預警和攻擊評估能力的攻擊。" 通過將對NC3的 "非核戰略攻擊 "列入美國可能考慮使用核武器的情況清單，這發出了干擾NC3可能越界的信息。它還提出了一個問題，即哪些類型的侵略活動可以被稱為 "非核戰略攻擊"--特朗普政府從未對這一術語進行充分定義。在2022年的《國家行動計劃》中，拜登政府又恢復了奧巴馬時代更模糊的語言，只是說 "美國只有在極端情況下才會考慮使用核武器來捍衛美國或其盟國和合作伙伴的重要利益"。 長期以來的理解是，針對這些系統可能是高度升級和破壞穩定的，因此保持強大的NC3能力并保護它們不受干擾是至關重要的。

4.5 太空防御

NC3衛星也可以從被動和主動保護措施中受益。被動措施包括分解、分布和擴散的星座，創建更大的小型衛星群，執行關鍵功能。分解戰略可以幫助減輕兩用基礎設施的糾纏問題--例如，"進化的戰略SATCOM（ESS）系統將支持戰略用戶的任務，如核指揮和控制，而受保護的戰術服務（PTS）系統將支持需要高度抗干擾的戰術SATCOM用戶。這可以通過迫使對手明確它在攻擊中所針對的能力來減少無意升級的可能性"。然而，對于某些太空系統來說，分解戰略可能并不可行，也不是最佳選擇，這取決于技術或預算限制或戰略關切。當然，"對手可能無法區分用于不同任務的衛星，而且即使這種差異被披露，對手可能不相信這種區分，無論如何都會攻擊這兩個衛星。"

其他被動措施包括冗余、移動和加固的地面站，在這種情況下，衛星運行不依賴于單一的、固定的和脆弱的地面站來接收和傳輸關鍵數據，而是可以得到其他地面站或空中接收機的支持。像先進的太空態勢感知、電磁屏蔽、快速部署和重組衛星有效載荷，以及使用加密和空中封鎖系統等防御措施，是NC3太空系統保護自己免受事故或干擾的額外方式。主動的衛星防御措施可以采取干擾和欺騙、激光、以網絡攻擊為目標的反太空系統、或發射彈丸或實際扣押威脅物體的形式。雖然這些防御方案中的一些會增加衛星有效載荷的成本或重量，但這些方案的組合有可能為重要的核指揮和控制衛星提供強有力的防御。

也存在減少擁擠和有爭議的軌道環境的影響的國際選擇。創建一個強大的全球太空交通管理系統將有助于所有國家獲得強大的太空態勢感知能力，并減少意外碰撞所帶來的風險。最近的倡議也促進了圍繞負責任的太空行為建立國際規范，其最終目標是指導行為并創造一個安全和可持續的太空環境。2022年5月聯合國減少太空威脅不限成員名額工作組的第一次會議討論了這些規范，而未來的會議顯示有希望圍繞太空安全開始討論。以美國為首的暫停破壞性動能反衛星試驗最近以154比8的投票結果被采納為聯合國決議。九個國家承諾單方面暫停試驗，而中國和俄羅斯投票反對該決議，印度棄權。美國、俄羅斯、中國和印度是唯一試驗過反衛星武器的國家。這項決議可能預示著在政策選擇方面出現了一定程度的勢頭，可以努力減少太空中的風險。未來的一種可能性是，在太空中有強烈國家安全利益的國家開始談判，以談判一項禁止有目的地干擾或瞄準關鍵衛星的條約條款，包括那些參與彼此戰略力量的衛星。然而，任何這樣的外交努力必須努力實現所有國家都能同意的解決方案，并引導太空資產所固有的敏感的國家安全關切，這一點迄今已被證明具有挑戰性。

5 總結

美國核指揮和控制網絡的太空部分是一個高度復雜的系統，軌道環境的性質給其安全帶來了獨特的挑戰。這個項目的開源性質自然限制了它能回答高度敏感的國家安全基礎設施的內容，但它有望為研究人員、分析人員和政策制定者提供關于這一重要議題的資源。關于這一主題的下一階段研究應該包括以下問題：國家偵察局和其他情報界架構在NC3系統中的作用，鑒于快速變化的太空威脅環境，軍方如何在未來10-20年內改變能力和生存能力要求，如何在生存能力需求增加和由此導致的有效載荷復雜性和成本增加之間決定權衡，以及隨著其他核國家投資于他們自己的先進太空核指揮和控制資產對國際安全的潛在影響。總之，發展NC3太空項目的強大后繼者和適應新系統對于跟上快速變化和日益危險的太空環境至關重要。

（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。

首先，美國軍隊所支持的作戰任務范圍涵蓋了在日益困難的作戰環境下的廣泛作戰需求。第二，對手的性質和普遍性，不僅包括主權國家，而且包括非國家恐怖組織，威脅到美國利益的關鍵地區穩定和美國在國內和國外的利益安全。 第三，當前和未來行動范圍和速度對及時有效地適應和應對局勢的能力提出了挑戰。預測對手的行動并以否定或最大限度地減少這些行動的影響的能力仍將是發展軍事能力的首要目標。 最后，技術的進步不僅提高了自身支持軍事行動的能力，也提高了敵人的技術先進性。他們在自己的行動中利用越來越多的新興技術能力的能力，或者，可能更具破壞性，利用技術漏洞來對付美軍，增加了新出現的威脅。

雖然美國繼續享有對那些威脅美國和盟國的重大技術優勢，但這種優勢永遠處于危險之中。隨著美國防部試圖處理其目前和未來行動中日益增加的復雜性，自主性的發展、部署和利用被吹捧為擴大作戰能力的基本手段。

盡管幾十年來，自動化一直是軍事和工業應用的主要內容，但自動化系統的早期應用也面臨著類似的挑戰。自動化的可靠性已大大改善，并繼續推進適應不確定和模糊的作戰環境動態的能力。然而，這些同樣的技術，像大多數技術進步一樣，導致了意想不到的，而且往往是不理想的后果。大量的研究致力于了解適應性自動化和人類-自動化協調在校準自動化系統以適應復雜環境中的動態情況方面所發揮的作用。 復雜環境中的動態情況。

第711人類性能聯隊的協作交互和團隊處發起了一項計劃，調查與先進人類自主性互動相關的問題，特別是與現有的人類-自動化協調研究的對比。決策優勢行動工具（COATDS）任務的啟動是為了調查人機交互的問題，了解自主系統發展的原則，并利用這種理解來指導交互的發展，以支持和加強復雜工作領域的人機協調。

這份最終報告總結了 COATDS 工作的整體文獻綜述部分。有關文獻綜述工作的更多信息也可在兩份早期出版物中找到（Hooper 等人，2015 年；Duffy 等人，2016 年）。本報告的主要目的是為讀者提供有價值的信息，讓他們了解算法和技術的工作知識，以及迄今為止為將其應用于集成的人類自主系統而開發的最佳實踐。除非另有說明，否則信息來自普遍接受的知識或人工智能的主要教科書“人工智能：現代方法”（Russell Norvig，2003 年）中的著作。由于本節的目的是收集和呈現為了讓讀者對這些技術有一個粗略的了解，許多示例直接取自本文，沒有明確引用以提高可讀性。此外，我們為這項工作開發的分類法中包含對方法的審查，包括介紹性材料定義關鍵術語并提供統一的框架和描述符。該報告最后對許多解決問題的方法進行了簡短的分析總結，以提供一個方便的參考工具，交互開發人員可以使用該工具快速檢索關鍵信息。

無人機技術的快速發展已經將蜂群機器人技術從科幻小說領域轉變為現實。今天，學術和軍事機構正在研究如何將現有的無人機技術發展成一個蜂群。問題是，在未來十年中，什么是技術上可行的，指揮官如何在戰場上使用這種技術？通過整合現有的無人機技術，就有可能開發出一種由數百架無人機組成的蜂群武器，這些無人機利用突發行為整合它們的行動。通過利用蜂群通過機動迅速集中的能力，就有可能同時對數百個點進行大規模打擊。

這提供的優勢是能夠進行約翰-沃頓上校定義的并行攻擊，且規模空前。為了論證這一點，本文將首先通過回顧現有的研究和文獻，分析未來十年在技術上的可行性。接下來，這項研究工作將開發一個使用并行攻擊概念的蜂群武器概念。然后，本文將在計算機模擬中展示這項研究工作設計的蜂群智能算法。本文將表明，在未來十年內，開發一種能夠進行并行攻擊的蜂群武器是可行的。通過在其他相同的武器中加入蜂群智能，蜂群算法使這些武器更加高效和致命。這項研究工作的結果可以為蜂群武器的多種新的使用概念奠定基礎，包括蜂群突破、蜂群區域防御、蜂群并行攻擊和蜂群在有爭議環境中的廣域偵察。

引言

在過去的五年里，人工智能研究出現了爆炸性增長，而蜂群機器人技術已經上升為其最有前途的領域之一，學術和軍事機構在實驗室內外演示了無人機群。在去年，美國和中國都展示了由一百多架無人機組成的蜂群，與此同時，中國和俄羅斯都提出他們將把無人機武器化，用于攻擊。2017年，中國還發布了國家人工智能發展計劃，將蜂群智能作為一項優先發展工作，力爭在2020年之前實現可操作的蜂群智能算法。每個國家都認為蜂群技術將對戰場產生顛覆性影響；要真正理解這項新技術帶來的能力，必須將科幻小說與現實分開。在一個資源有限的時代，軍事領導人應該問的問題是，蜂群武器能提供什么能力，更重要的是，這種能力是不是已經存在了。要理解這個概念，你必須超越蜂群武器的數量優勢或其壓倒敵人先進武器系統的能力。蜂群武器提供的不僅僅是數量上的優勢，它們代表了一個相互關聯的武器系統，能夠反應性地適應環境和動態的敵人。

無人機技術已經成熟到在未來十年內采用蜂群武器來獲得戰場上的作戰優勢在技術上是可行的。為了說明在未來十年內技術上的可行性，本文將首先回顧現有文獻，以確定研究人員在實驗室外已經展示了哪些技術。使用這種方法，它將表明，擁有100個智能體的較小蜂群武器所需的硬件今天已經可以實現，在未來十年，這種技術將擴展到多達1000個無人機的蜂群將成為可能。接下來，它將使用戰爭理論來介紹蜂群武器的使用概念，而不僅僅是數量上的優勢。最后，它將把這兩者聯系起來，通過展示一個使用計算機模擬來實現這一就業概念的蜂群智能算法。這種模擬將使我們能夠理解和分析蜂群武器使用本文提出的應用概念可能產生的影響。這個軟件還將促進對人類-蜂群組隊的優勢和劣勢的分析。通過將現有的硬件與戰爭理論和應用概念聯系起來，本文表明，蜂群武器可以成為一種極具顛覆性的技術。通過對蜂群武器如何利用蜂群智能算法實現適應性行為形成共識，它有助于啟動這一對話。

蜂群智能行為是一種自然發生的現象，幾個世紀以來，它提高了數百種不同動物物種的生存機會。你可以在鳥群、魚群、螞蟻群、蜜蜂群以及其他數百個物種中看到蜂群的概念。蜂群智能算法是在科學家試圖研究、理解和復制這些行為時出現的。計算機科學家和生物學家了解到，在每一種情況下，動物們都在以某種方式進行交流，沒有領導者，而且蜂群中的每個代理都遵循一套規則。通過嘗試復制這種行為，科學家們發現，每個蜂群都在優化行為，以最大限度地提高蜂群的整體生存能力。

許多人用來描述蜂群的一個常見例子是一群椋鳥，如圖1所示。雖然它們的同步飛行令人印象深刻，但在這個鳥群中發生的事情更令人印象深刻。鳥群正在實施一個復雜的問題解決過程，優化鳥群的行為以尋找食物和避免威脅。當一只鳥檢測到威脅時，整個鳥群就會做出反應，避開該威脅。當它們探測到食物或落腳點時，整個鳥群都會跟上。蜂群在沒有領導者的情況下完成了所有這些工作，它使用的是一個局部的、分散的通信網絡，每只鳥只與他的鄰居進行通信。蜂群是一種適應，它優化了蜂群分散和搜索大片區域的能力，同時仍然允許蜂群在一個代理人發現食物或威脅時迅速集中。這種分散和集中的能力將在后面討論蜂群通過脈動進行機動的能力時變得至關重要。

圖1. 一群椋鳥。珍妮弗-史密斯，"電群"，《每日郵報》，2013年11月，2017年9月12日訪問

科學家們將這種行為描述為蜂群智能，即一群智能體在決策中使用分散和自組織行為來適應環境變化和解決問題。幾十年來，研究人員從這些自然發生的蜂群中獲得靈感，開發了蜂群智能算法，如蟻群、蜂巢或粒子群優化算法。蜂群智能算法有成千上萬種不同的變化，這將超出本文的范圍，但所有這些算法的共同點是，每個算法都有一個代理群，使用本地規則集和分散的通信網絡來適應環境變化。今天，蜂群工程已經開始整合多種算法并修改規則集以解決新問題。例如，后面介紹的蜂群智能算法就是對粒子群優化的修改。因此，蜂群工程可以開發新的更復雜的蜂群行為。這種設計行為的能力對于后面討論戰爭理論和蜂群武器的使用概念也將是很重要的。

今天，無人機技術的成本降低，使這些蜂群智能算法能夠過渡到現實世界。中國和美國都已經展示了他們操作一百架無人機群的能力。例如，在2016年，美國戰略能力辦公室展示了從F-18飛機的飛行中發射的103架無人機群。現在，同一個小組正在開發一個1000架無人機群。本文將重點討論蜂群的武器化。由于該技術剛剛出現，研究人員對蜂群武器的論述非常少。這也是一個復雜的、有爭議的話題，但卻是一個重要的話題，因為這些武器有可能大大塑造戰場的優勢或劣勢。到目前為止，作者們所寫的關于蜂群武器的文章主要集中在蜂群的數量優勢或壓倒先進武器系統的能力上。盡管蜂群武器確實可以提供這種能力，但這只是觸及了其真正潛力的表面。蜂群武器對敵人動態行動的實時反應能力使蜂群能夠迅速改變狀態和行為。有了這一點，你可以設計蜂群的行為，使之與軍事理論和戰爭原則相一致。通過設計行為，你可以創造出一種蜂群武器，它能夠在搜索目標時保持分散狀態，然后根據敵人的行為迅速集中到一個、兩個、三個或數百個目標上（圖2）。在聯合作戰原則中，這種脈沖能力整合了機動性和質量原則，以便在深度和廣度上攻擊敵人。下面將論證這一概念是可行的，并可能在未來十年內對戰場產生顛覆性影響。

圖2. 蜂群武器。由作者創建。

方法論

要使蜂群武器在未來十年內為戰場提供作戰優勢，必須在技術上的可行性和提供作戰優勢的使用概念之間建立聯系。為了建立這種聯系，下面的章節將回答三個子問題。

首先，在未來十年，蜂群武器在技術上是可行的嗎？為了將科幻小說與現實區分開來，第1節將首先確定蜂群武器在技術上是否可行，以及它們可以提供哪些能力。為了回答這個問題，本文將審視今天的可能性，并推測十年內的可能性。所用的時間線是十年，因為它涉及到更多的近期能力和威脅。它還可以更準確地預測蜂群技術的可用性及其影響。對于這項研究工作來說，要考慮未來十年內技術上可行的東西，它必須是一種已證明的能力。因此，本分析沒有考慮理論技術。第一部分的產品將是一個蜂群武器的能力表，這些能力在今天或十年內是可行的。

第二個問題是軍隊應該如何利用蜂群武器的概念來獲得戰場上的作戰優勢？為了回答這個問題，本分析將從軍事和戰爭理論入手，以確定軍隊如何利用蜂群武器來發揮其優勢。盡管蜂群武器有成千上萬種用途，但本文將以軍事理論為基礎，提出蜂群武器的概念。第2節，將通過介紹建立在軍事理論基礎上的就業概念來回答這個問題。它將利用該軍事理論來論證蜂群武器提供了一種目前尚不存在的能力。

最后一個問題是，現有技術是否能夠提供第2節所述的能力，以及這種能力是否會帶來作戰優勢？為了回答這個問題，這項研究工作將開發一種蜂群智能算法，利用蜂群技術實現這一軍事理論，在十年的時間框架內是可行的。本節將通過計算機模擬來分析這種蜂群智能算法提供所需能力的能力（圖3）。蜂群中的每個代理將實施蜂群智能算法來攻擊這個敵方系統，目標是在120分鐘內盡可能多地找到并摧毀200個分散的目標。為了分析結果，這項研究工作將使用模擬技術來比較沒有蜂群的1000個智能體的質量和有蜂群的800個智能體的質量。如果其中任何一個能夠找到、固定并摧毀超過50%的指定目標，那么根據陸軍理論，本分析將認為敵方系統不具備作戰能力或作戰無效。使用這種方法，本文將比較每一個，以確定蜂群武器是否能夠在未來十年內提供這些能力。

圖3. 蜂群武器兵棋推演截圖。肖恩-威廉姆斯，用于模擬系統攻擊的蜂群武器戰爭游戲模擬軟件，Java，2017年

無人機群可以在海上、陸地、空中甚至太空中使用，從根本上說是一種依賴信息的武器。迄今為止，還沒有任何研究從信息戰的角度來研究無人機群。本文利用開源研究和定性推理，探討了這些蜂群對信息的依賴性以及由此產生的與信息戰領域--電子、網絡、空間和心理--的聯系。總的來說，文章對這一重要的新興技術如何融入更廣泛的國防生態系統提供了見解，并概述了加強相關信息戰能力的實用方法。

關鍵詞：信息戰、無人機群、無人系統、網絡戰、電子戰

無人機群來了。在以色列2021年與加沙的沖突中，該國軍隊成為第一個在戰斗中部署無人機群的國家。在俄羅斯和烏克蘭正在進行的沖突中，俄羅斯部署了卡拉什尼科夫KUB-BLA游蕩彈藥，據說這種彈藥能夠（或將會）形成蜂群。俄羅斯還擁有一種尚未部署的柳葉刀彈藥，具有創造空中雷區以瞄準無人機和其他飛機的潛在能力。

美國及其盟友和對手正在尋求合作性的無人機群技術。這種追求并不奇怪。無人機群在每個沖突領域的每個軍種都有應用，從步兵支援和后勤到核威懾。整個聯合部隊的軍事領導人必須考慮，隨著技術的成熟和進入戰場，無人機群與現有能力和戰爭形式的關系。這些想法應貫穿于未來的概念、采購決策、演習、訓練、計劃和行動，以考慮到友好和敵對的使用。本文研究了一個更大挑戰：無人機群和信息戰。

盡管無人機群可以在陸地、海上、空中甚至太空中行動，但它們從根本上說是依賴信息的武器。每個蜂群的共同點是需要在無人機之間保持穩定的通信聯系，確保信息得到有效和適當的處理。事實上，蜂群是 "能夠協調其行動以完成共同目標的多個無人駕駛系統"。 蜂群的許多獨特優勢也來自于信息共享。

無人機群的優勢來自三個關鍵領域：機群規模、定制化和多樣性。擁有更多傳感器和彈藥的大型機群能力更強，可以進行大規模攻擊；但是，機群必須處理來自更多無人機的輸入。靈活的蜂群可以增加或刪除無人機以滿足指揮官的需要，可以分成較小的群體，從多個方向攻擊或打擊不同的目標，并在增加或刪除無人機時處理信息輸入的變化。多樣化的機群可以納入不同類型的彈藥和傳感器，并允許緊密結合多領域打擊，增加新類型的信息源，并在無人機以不同的速度和不同的環境風險移動時產生協調挑戰。信息失效意味著碰撞的風險和能力的喪失。

這些能力使信息共享所支持的新型戰術成為可能。正如保羅-沙爾寫道："蜂群將是一種更有效的、動態的、反應迅速的戰斗組織模式。"蜂群可以集中火力攻擊目標，也可以分散和重組以反擊。實現這些壯舉需要高水平的穩定通信。

支持技術也依賴于信息。機器視覺--機器的觀察能力--需要大量的數據來訓練算法。感應器無人機使用這些算法來收集和分享關于敵方防御、可能的目標和環境危害的信息。與單個無人機一樣，蜂群作為一個整體或外部控制系統必須處理在現場收集的大量信息。處理速度會影響蜂群的戰場價值，因為較慢的算法速度意味著較慢的決策速度。雖然蜂群可能不包含機器視覺，但隨著蜂群規模的擴大，人類控制者將面臨類似的挑戰。

信息依賴性意味著必須在信息戰的背景下考慮無人機群。根據美國國會研究服務部的說法，美國政府對信息戰沒有一個正式的定義。實踐者通常將信息戰定義為 "使用和管理信息以追求競爭優勢的戰略，包括進攻和防御行動"。這種戰略包括電子戰、網絡戰和心理戰。也包括空間戰，因為位置、導航、時間信息和基于衛星的通信是無人系統的關鍵信息來源。

當然，注意到信息依賴性并不意味著行為者會成功地認識或利用這種依賴性。盡管俄羅斯軍方早已認識到電子戰在對抗無人機方面的重要性，但在烏克蘭沖突期間，軍方似乎在落實這一知識方面遇到了困難。例如，社交媒體上發布的視頻似乎顯示，烏克蘭無人機在沒有俄羅斯電子戰保護的情況下靠近俄羅斯車輛。俄羅斯軍方和其他國家也可能在網絡、太空和心理戰領域努力實施這種知識。

本文研究了無人機群與信息戰四個方面（電子、網絡、空間和心理）的關系，并探討了人工智能（AI）和機器人技術，它們支持其他領域并影響無人機群的信息戰脆弱性。文章最后提出了政策建議。

電子戰

在巴德學院無人機研究中心對反無人機系統的審查中，電子干擾是最受歡迎的反無人機攔截系統。這種受歡迎程度并不令人驚訝；電子干擾代表了一種潛在的廉價、可重復使用的擊敗無人機的方法，不管是否是蜂群。人類必須向無人機提供任務參數、發射決定，有時還必須進行實際控制。中斷蜂群內的控制和信息共享會擾亂無人機。如果通信中斷，人類就不能設定或修改任務，或指揮打擊或發布撤退命令。無人機群更依賴于通信，特別是電磁波譜上的通信。

盡管無人機可以根據簡單的規則創建蜂群，但通信對于復雜的行為來說是必不可少的，特別是在軍事背景下的蜂群，因為戰場上的地形各不相同，戰斗人員的數量和配置也在變化，而且采用了一系列的戰斗戰術。因此，通信對于防止無人機-蜂群的碰撞以及協調運動和攻擊決策是必要的。如果無人機無法溝通，蜂群就不能作為一個統一的單位運作，不能協調搜索目標，也不能分享成功的識別結果。此外，無人機不能協調攻擊，即一些無人機攻擊一個目標，另一些則攻擊另一個目標。沒有通信，無人機群的價值就會喪失。

電子攻擊可以模仿友軍信號，操縱整個蜂群的通信。例如，據報道，2011年，伊朗通過干擾無人機的通信并操縱全球定位系統迫使其在伊朗降落，從而俘獲了一架洛克希德-馬丁公司的RQ-170 "哨兵 "無人機。如果一個國家允許無人機在沒有人類控制的情況下開火（這絕不是肯定的），對手也可以發送信號，表明對手在一個友好的位置，可能會導致蜂群向該位置開火。

蜂群通信架構--因此，破壞或操縱無人機蜂群的方法--在不同的蜂群中是不同的。蜂群通信通常依賴于電磁波--無線電波（例如Wi-Fi）、紅外線和光學--但聲學信號對于水下無人機可能是必要的，因為電磁信號在水下傳播得不好。因此，頻譜管理對于確保蜂群內部和蜂群之間以及任何控制站的信號是不沖突的非常重要。蜂群控制結構要求將信號傳遞給正確的無人機，如果蜂群中的無人機被禁用或破壞，這將是一個挑戰。

信息在整個蜂群中的傳播方式也可能不同，這可能會影響破壞或維持通信的機制。在集中控制的蜂群中，一個領導者可以協調分配給蜂群中每個成員的任務。在分散控制的蜂群中，無人機與離它們最近的無人機溝通，導致出現成群行為。從理論上講，這種行為消除了全球通信的需要。但是，實現分散控制的簡單算法可能不足以應對復雜、動態的軍事環境。

未來的發展可能會減少蜂群對電磁波譜的依賴。新技術根據不同的物理原理提供通信渠道，如量子通信。另外，無人機可以通過stigmergy間接地協調它們的行動。螞蟻等昆蟲會在潛在的食物來源上留下信息素痕跡，而跟隨的螞蟻如果也找到了食物，也會留下它們的信息素。先進的無人機群可以采用類似的方法。

螞蟻為無人機群提供了另一個教訓：角色的多樣性。蟻群中的螞蟻采用專門的角色，最明顯的是在蟻后和工蟻之間。同樣，蜂群可以納入通信無人機，將可用的機載功率用于加強信號，作為交換通信的備用節點，或使用不同的信號類型來發布撤退命令。無人機群還可以混合集中式和分散式的通信方法，以提高復原力。例如，蜂群可以依靠分散式通信，并有一個備用的集中式通信系統來對抗干擾。這種方法將需要大量的技術開發，以防止兩種通信方式之間的沖突。

隨著無人機群越來越自主，來自群外的基于電磁頻譜的信息就越來越少，對人類輸入的需求減少意味著對一些通信渠道的需求減少。然而，這種自主性是有代價的，那就是操縱或破壞自主系統的新機會。

從理論上講，先進的無人機群可以獨立于外部控制，但政策和技術上的挑戰給自主權設置了上限。美國防部目前的政策不允許無人平臺上的半自主武器在通信功能下降的情況下選擇和攻擊目標，也不允許自主武器在沒有有意義的人類輸入的情況下用致命武力攻擊人類。自主的、復雜的戰略決策，如評估目標對整個戰爭結果的價值，如果沒有通用的人工智能，可能是不可能的，而通用人工智能在短期內不太可能出現。因此，在可預見的未來，將需要一些電子通信。電子戰也越來越與網絡戰聯系在一起。

網絡戰

網絡攻擊可能試圖使無人機群失靈、控制、操縱或滲出信息。蜂群必然擁有單個無人機的所有網絡安全漏洞，包括容易受到反認證攻擊（阻止控制器操作無人機）、代碼注入和代碼更改、利用零日漏洞以及數據外流。更多的無人機也意味著有更多的機會來攻擊系統。

網絡攻擊可以通過反認證攻擊或代碼注入或更改來實現無人機控制系統。使人類控制失靈或改變代碼，使無人機引擎或螺旋槳不能動彈，可能會導致蜂群崩潰。墜落的無人機可能與其他無人機或其他友好資產相撞。禁用傳感器可能導致無人機群盲目飛行，導致碰撞或阻止識別對手的防御系統和其他感興趣的目標。作為一個民用例子，研究人員在2015年7月利用網絡漏洞使一輛吉普切諾基?的剎車失靈。限制無人機的移動為對手提供了戰場優勢。更巧妙的是，網絡攻擊可以利用無人機群的信息處理算法。通過提供不正確的數據、重放攻擊（重復或延遲有效的信息傳輸）、注入惡意的代碼或改變現有的代碼來實現對無人機控制和任務分配算法的簡單操縱，可以造成重大破壞。如果操縱使無人機無法檢測到彼此，它們可能會發生碰撞。如果不能檢測到環境危險，可能會導致崩潰，只需輸入舊的視頻或圖像數據，使蜂群不能 "看到"它前面的建筑物。由于錯誤是不可避免的，增加錯誤風險（但不一定導致錯誤）的代碼修改可能會在很長一段時間內沒有被發現。對手引起的錯誤可能會出現在正常的計算機錯誤中。另外，網絡操縱可能會減緩信息處理、決策或物體識別，使蜂群更容易受到反蜂群防御的影響。算法破壞甚至可能發生在生產過程中。

機器學習和相關技術的進步使對手能夠創建和傳播高度復雜的假圖像和視頻，或利用網絡滲透將其注入數據收集中。假數據可能導致圖像和視頻分析軟件得出錯誤的結論，錯過威脅，或將非戰斗人員作為目標。如果在多個無人系統中使用相同的軟件，對手可能會造成大規模傷害。

最重要的是，對手可以通過改變控制算法的代碼或提供不正確的數據，使無人機群認為一個友好的目標是一個對手，從而將無人機群的能力轉為自己的利益。另外，敵方可以命令蜂群離開受威脅的區域或進入敵方的火力范圍。對手也可能使蜂群安全地進行收集和研究，以獲得關于蜂群能力的獨特情報。對網絡操縱的脆弱性和自主性水平是相互關聯的。

更多的自主性意味著更復雜的計算系統，有更多的利用機會和更大的錯誤風險。具有自主導航、運動或瞄準系統的無人機可以在沒有人類控制的情況下運行，并可以被操縱。同樣，對于更大的、異質的蜂群來說，協調可能更加困難，這提高了災難性失敗的風險。識別滲透在大型蜂群中也更具挑戰性，因為對手可能只攻擊蜂群中的一架無人機。

最后，對手可以通過訪問無人機之間或無人機與控制站之間的通信鏈路或無人機本身的內部控制系統的軟件和固件，尋求從蜂群中滲出數據。這些策略可以讓對手收集關于蜂群位置和活動的情報，以改善防御，從預期的攻擊區域撤退，或酌情準備反措施。通過更好地了解使多架無人機以蜂群形式運作的算法和程序，數據滲出也可能促成更多的破壞性行動。這種理解也將更好地使行動者能夠創建他們自己的蜂群。

空間戰

無人機群通常依靠空間資產進行地理定位，而在地平線上行動的無人機群需要空間資產進行指揮和控制。如果衛星被禁用或摧毀，蜂群可能無法有效運作，或者根本無法運作。然而，最近的技術發展表明，隨著時間的推移，空間領域的依賴性可能會降低，而且信息戰的最有可能的層面不再是無人機群的要求。

許多無人機群依靠全球導航衛星系統（GNSS）來引導它們，GNSS航點可用于定義所遵循的路徑或要避免的區域，識別感興趣的目標（如用于情報收集的對手設施的位置），并引導機群返回發射位置。衛星也可以作為指揮和控制信息的中繼站。

目前，無人機群在相對較短的距離內運行，沒有必要進行衛星通信。隨著技術的發展，無人機群可能在更遠的距離上運行，這些更遠的距離可能需要基于衛星的通信來更新任務目標，給予許可，或提供其他命令。在未來，蜂群中無人機之間的通信甚至可能需要空間資產來覆蓋長距離。

停用或摧毀衛星將使依賴衛星進行地理定位或指揮命令的蜂群無法有效運作。無人機將變得無效，并開始徘徊而不知道該做什么或去哪里。在一個敵對軍事力量主要依賴無人系統的世界里，在大范圍內禁用地理定位可能被證明是毀滅性的。

技術的進步可能減少或可能減輕基于空間的風險。蜂群可以使用外部的全球定位系統節點來幫助定位。一個研究小組使用與全球定位系統相連的浮標，讓水下無人機在不直接進入該系統的情況下定位其位置。一個類似的概念可以通過使用從已知位置（如支持車輛）傳輸的信號來幫助地面或空中車輛進行地理定位。另外，新的導航概念可能會消除對全球導航衛星系統的需求，盡管這些概念在軍事上的成功程度還不清楚。與電子戰一樣，更多的無人機自主性降低了對外部、天基信號的需求。

心理戰

無人機群與心理戰的關系最小。但可能用于傳播宣傳小冊子是個例外，然而，與現有的宣傳手段相比，蜂群似乎沒有什么有意義的優勢。然而，無人機群和更廣泛的自主武器可能會成為錯誤信息、虛假信息和惡意信息的對象，因為全球和公共規范圍繞著機群和自主武器的使用形成。由于擔心對平民的風險和放棄人類控制的道德問題，越來越多的運動正在尋求禁止自主武器。越來越多的人支持這一運動，包括在一些北約成員國。例如，根據2019年1月的益普索民意調查，%的德國人反對使用自主武器。同樣，由于大規模傷亡的可能性和目前機器視覺系統的脆性，武裝的、完全自主的蜂群可能會帶來類似于傳統大規模殺傷性武器的心理影響和風險。"大規模殺傷性武器 "一詞帶有強烈的規范意義，圍繞其使用和擴散的污名。

無論這些公眾運動是否轉化為全球政策的變化，它們都可能為戰略信息行動創造機會，以播種分裂。例如，行為者可能會放大關于使用蜂群和自主武器的說法，以鼓勵內部和伙伴國家反對戰爭努力。反之，行為者可能會對他人進行虛假指控，以達到同樣的效果。核實自主武器是否真正自主的挑戰使得真相與虛構難以區分。無人機群的自主性可能更容易證明，因為一個人有可能控制一個由幾十架無人機組成的小群，但沒有人能夠合理地控制幾千架無人機。駁斥關于無人機群自主使用的錯誤說法則要難得多。

人工智能和機器人技術

人工智能和機器人技術的進步是無人機群所有方面的基礎，并影響到對信息戰的脆弱性和復原力。這些技術的改進可能會導致更好的瞄準算法、蜂群任務分配算法和更大、更復雜的蜂群，也會影響可能被蜂群使用或對抗的電子戰、網絡戰和空間戰系統。在戰場上更多地使用人工智能和機器人技術也可能為心理戰創造更多機會。

機器人和人工智能可以改善進攻性電子戰和網絡戰能力。機器學習可以加強電子戰的目標定位，創造更有效和自動化的網絡攻擊。例如，機器學習可以實現更好的頻譜和功率分配、網絡釣魚檢測、網絡入侵檢測和其他活動。事實上，據報道，中國人民解放軍戰略支援部隊正在將機器學習與網絡戰和電子戰相結合。此外，機器學習的進步可以使用戶通過網絡手段向友好或敵對的數據集添加更好的深度假象。研究人員也在探索使用機器人作為電子攻擊和網絡攻擊的平臺。

人工智能的進步也有可能改善電子、網絡和空間對抗措施。基于人工智能的網絡防御技術為網絡入侵檢測提供了巨大的好處，包括提高準確性、自動響應和吞吐量。另外，機器人系統可以被用來在其他系統退化或被破壞的地方形成一個臨時的通信網絡。例如，Swarm Technologies的SpaceBEE衛星為互聯網連接的設備形成了通信網絡。單個或多個機器人可以作為中間人，支持穩定的通信。

機器人系統非常適合太空戰；它們不需要維持生命的設備，這使它們的成本更低。天基機器人可以用來攻擊對手的衛星或收集信息。多個天基機器人可以操縱空間碎片進入軌道，以打擊對手的衛星或發動分布式的協調攻擊。當然，天基蜂群可能有不同于地面蜂群的技術挑戰，特別是成功的移動和協調。

戰場上更多的人工智能和機器人意味著有更多的機會指責對手違反新生的自主武器規范，因此，有更多的機會發動心理戰。人工智能的改進可能會抵消這種擔憂的一部分。活動家們的一個擔憂是，眾所周知，機器學習是很脆弱的，因為訓練數據可能是有偏見的或不完整的。加強測試和評估、合成數據和數據共享可能會減少風險，并提供反信息的機會。如果不仔細檢查訓練數據，就很難判斷機器學習系統有多強大，甚至不可能。敵人可能會謊稱機器學習系統未經測試且設計不良，導致平民面臨高風險，而反駁這種說法將非常困難，甚至不可能。因此，廣泛部署這些系統可能會導致對違反戰爭法的指控增加。

政策建議

無人機群對信息戰的依賴對軍方的成功行動有幾個影響。

對無人機群和信息戰之間的關系進行更深入的研究是必要的，應該探索信息互動的技術特征，信息環境如何影響戰術使用，以及戰術使用如何影響作戰和戰略環境。一些研究可以進行建模和模擬，以評估不同的無人機群配置對信息攻擊的復原力。模擬和戰爭游戲可以探索無人機群在特定信息相關角色（如電子攻擊）或作為反衛星武器的相對價值。

分析的重點應該是信息競爭在不同類型的沖突中如何變化（同行對同行，同行對近同行，以及不對稱），不同形式的通信對電子攻擊的彈性和無人機群如何適應更廣泛的頻譜分配，以及納入無人機群的新概念以及它們如何與信息戰互動。

友好無人機群的研究和開發必須包括對信息攻擊的加固。蜂群內的通信渠道、信息處理系統以及較遠距離的指揮和控制系統都必須得到保護。某些系統（如物體探測算法）將不針對蜂群。一些有希望的信息加固研究已經開始，如國防高級研究計劃局關于可在GNSS否認的環境中操作的蜂群的工作。無人機群的加固程度應取決于任務以及機群可能面臨的基于信息的攻擊的可能性和類型。

美國還應該對各軍種的信息戰能力進行全面審查。有跡象表明，美國空軍和美國陸軍面臨著電子戰的挑戰，盡管美國海軍沒有。美國陸軍卓越網絡中心的指揮官約翰-莫里森少將直言不諱地說："當涉及到電子戰時，我們的武器不夠用。我們被同行和接近同行的競爭者所淘汰。"最近的報告也描繪了軍事網絡安全的負面形象。2018年10月政府問責局的一份報告 "發現從2012年到2017年，[國防部]測試人員經常在幾乎所有正在開發的武器系統中發現關鍵任務的網絡漏洞。"國防部在招募網絡戰士方面的困難以及硅谷和該部門之間日益擴大的分歧加劇了這一挑戰。 美國在太空也面臨越來越多的反對。國防情報局最近的一份非機密報告發現如下。

• 俄羅斯等的軍事理論表明，他們認為空間對現代戰爭很重要，并將反空間能力視為降低美國和盟國軍事效力的一種手段。俄羅斯等都發展了強大和有能力的空間服務，包括天基情報、監視和偵察......。俄羅斯等都在發展干擾和網絡空間能力、定向能武器、在軌能力和地基反衛星導彈，可以實現一系列可逆轉到不可逆的效果。

該審查應評估軍事信息戰的真實狀況及其與對手發展的一致性，確定改善信息戰能力和組織的具體建議，并為國防工業和知識分子提供一套非保密的建議和指導，說明他們的努力如何能夠支持更廣泛的信息戰活動。

根據審查結果，美國軍方將能夠在研究和發展進攻性信息戰能力（例如，電子干擾和進攻性網絡武器）方面進行有針對性的投資，以擾亂、操縱或以其他方式擊敗可能被用來對付美國軍隊的對手無人機群。這種投資也將有利于未來戰爭的其他方面--從對抗無人系統和依賴信息的戰爭概念到破壞敵方的供應鏈。

相關的能力應該在組織上進行整合，機器人技術、電子戰、網絡戰和太空戰的發展應該為無人機群的獲取、研究和開發、戰爭游戲、概念和理論發展以及相關培訓提供參考。由于無人機群的信息挑戰對每個軍種都是一樣的，因此應盡可能在聯合層面開展活動。更好地整合信息領域的各個組成部分對非蜂群無人系統也是有用的，因為本文的許多分析也適用于它們。

對敵方無人機群和相關信息戰方面的情報收集也很重要。針對無人機群技術操作的情報收集將幫助軍方了解如何操縱或破壞對手的無人機群，并確定秘密行動的機會，如毒害用于機器視覺算法的數據收集。其他明顯的情報收集目標是結合信息戰能力的對手組織（例如，中國人民解放軍的戰略支援部隊）。收集到的信息將有助于軍方了解可能針對美國和戰略伙伴無人機群部署的能力。

在部署無人機群之前，未來的指揮官應評估戰場上的信息戰情況，以告知將使用的機群類型及其組成。例如，指揮官可以包括更多的通信無人機以提高生存能力。應該建立培訓、演習和戰爭游戲，以幫助指揮官發展和行使這種判斷。此外，將信息戰要素納入更廣泛的戰備和訓練活動中，將使指揮官了解失去對信息環境控制的挑戰。指揮官還可以考慮部署反電子戰武器，以支持無人機群在被拒絕的環境中使用。

如果美軍尋求大量使用無人機群，它還必須計劃減輕由此產生的心理戰風險，并采取措施使這些行動更加透明，確保適當的人力控制，前提是這種透明不會給對手帶來好處。例如，美國可以通過將國防部指令3000.09 "武器系統的自主性"下的現有限制變成具有約束力的法律，或通過關于自主武器能力的新的透明度政策，對自主武器采取更有力的限制。這些限制可以伴隨著昂貴的承諾，如投資于自主武器的核查措施。

結論

與其他任何武器系統相比，無人機群更依賴于信息。幾乎每一種與蜂群有關的能力都需要掌握信息流，使蜂群規模擴大，采取復雜的行為，并同時在多個領域運作。然而，這些優勢也構成了一個重要的弱點。癱瘓、破壞或操縱蜂群通信、信息處理和地理定位可以使蜂群喪失能力或被打敗。

沒有任何軍事技術存在于真空中。軍事是一個高度復雜的系統，許多技術領域是相互依存的。高級領導人必須考慮新技術在更廣泛的軍事生態系統中的作用，因為近視和失敗是快速的朋友。

扎卡里-卡倫伯恩

扎卡里-卡倫伯恩是沙爾政策與政府學院的政策研究員，是美國國家恐怖主義與反恐對策研究聯合會非常規武器與技術項目的研究成員，是ABS集團的高級顧問，并被正式宣布為美國軍隊的 "瘋狂科學家"。他是自主武器、無人機群、大規模殺傷性武器和涉及大規模殺傷性武器的恐怖主義方面出版物的作者。

態勢感知（SA）是海上信息戰（MIW）的一個戰略要素。本研究調查了MIW和SA以及它們與水上戰爭（AWW）中SA的關系。本研究對MIW和SA及其與水上戰爭中的SA的關系進行了調查，并進行了廣泛的文獻審查（超過340個來源）。在差異中收集整理的共識的基礎上制定了MIW和SA的新定義，傾向于加拿大皇家海軍（RCN）和其他加拿大來源，并傾向于實際應用。對MIW的普遍看法進行了描述，讀者可以根據自己對MIW的看法進行批評或確認。此外，MIW是部隊發展（功能或能力）和部隊使用（這些功能或能力的作戰使用）的組成部分。在MIW中考慮了SA的含義、要素和步驟，并在MIW和AWW的SA之間進行了類比。研究發現，早期的SA項目傾向于反射性地遵循傳統的操作觀點，即使不打算這樣做，其中操作者被隱含地限制在一個具有有限的封閉任務集的人機界面中，僅僅是因為這種任務適合由人類因素工程師（HFE）進行任務分析。這里為SA開發了一個新的高級任務特征，它基于任務的關鍵性（從非關鍵任務到關鍵任務）和任務的封閉性（從HFE任務分析要求的封閉任務到開放的責任，其中選項生成本身就是任務的一部分，這違背了傳統分析）。這說明了SA必須作為MIW的戰略原則，打破SA的傳統。

關鍵詞：海上信息戰、信息戰、態勢感知、信息環境、信息戰區