美國海軍陸戰隊正在建設反水面作戰領域的能力，特別是在獲得地基反艦導彈（GBASM）及其相關發射平臺方面。研究為分析與這種新能力相關的部隊結構提供了一種方法。研究方法使用離散時間馬爾可夫模型對GBASM炮組和敵方水面艦艇之間的戰術級決斗進行建模。這些模型有足夠的復雜性來解決關鍵的部隊設計問題，并且對決斗的關鍵特征進行了參數化，以便進行強有力的敏感性分析。

在海軍導彈作戰中，重要的是確定所需的炮彈規模S，以使炮彈有足夠高的概率殺死敵艦。GBASM概念的獨特之處在于，與從水面艦艇上發射導彈相比，它能夠將這種炮彈分散到幾個平臺上，并以更適合特定戰術場景的方式進行發射。在這種情況下，如果有一個大小為K的禮花彈，并將該禮花彈分散到N個平臺上，那么每個平臺在特定的禮花彈中發射?枚導彈，這樣K × N = S。有了這個公式，就能夠分析平臺數量和每個平臺發射的導彈數量在這些配置的殺傷力和生存能力方面的權衡。這為成本-效益分析提供了基礎。

對GBASM炮臺與敵方水面艦艇發生接觸的情況進行模擬。從簡單的場景開始，然后逐漸復雜化。讓GBASM發射器與一艘敵方水面艦艇進行決斗。GBASM一方被稱為藍方，水面艦艇被稱為紅方。最初假定雙方都有足夠的導彈供應，并且交換的時間是有限的，因此可以把供應視為無限的。GBASM以彈丸為單位進行發射，每個彈丸至少包括一枚導彈。在藍方的炮擊之后，紅方的水面艦艇有機會進行還擊。

在所描述的環境中，假設藍方具有首發優勢。鑒于GBASM的引入在沿岸地區造成的不對稱情況，首發優勢的假設并不是不合理的。GBASM是移動的，有可能移動到難以探測的地方，只有在準備開火時才出來。GBASM的目標是保持不被紅方船只發現，直到它成功瞄準紅方船只。一旦紅方船只成為目標，GBASM系統就會開火并移動到一個新的位置。如果沒有關于GBASM移動的完美信息，紅方艦艇將持續處于不利地位。

此外，該模型捕捉到了紅方對藍方的炮擊進行防御措施的能力。這些防御性的反措施是用參數λ來說明的，這個參數是紅方根據泊松分布可以攔截的藍方導彈的平均數量。以這種方式對紅方采取反措施的能力進行建模，說明了隨著藍方導彈規模的增加，紅方采取反措施的能力也在減弱。同樣，也說明了紅方針對藍方分布式發射器的能力下降。紅方殺死藍方分布式平臺的能力用參數?表示，根據泊松分布，紅方在還擊中可以殺死藍方平臺的平均數量。這再次說明，隨著藍方平臺數量的增加，紅方瞄準和殺死藍方的效果有限。

在對該模型的分析中，遇到了幾個關鍵的發現。首先，最重要的是確定理想的炮擊規模S，以提供足夠高的殺死敵艦的概率。這不是一個簡單的 "越多越好 "的問題，因為炮擊規模有一個收益遞減點。正如人們所期望的那樣，還得出結論，增加平臺的數量K可以提高生存能力，從而提高GBASM炮臺的殺傷力。然而，改進的幅度對其他參數很敏感，當炮彈規模足夠大時，改進的幅度通常很小。

該研究的主要產出是創建的模型和對它們進行進一步分析的能力。本論文中任何地方使用的參數值都不是由具體的GBASM系統或潛在的敵方水面艦艇的能力來決定的。因此，結果應該被看作是對參數空間可能區域的探索的概括。這些模型提供了根據有關特定系統的能力進行具體分析的能力。

美國國防部（DOD）使用漏洞評估工具來確定其許多網絡系統的必要補丁，以減輕網絡空間的威脅和利用。如果一個組織錯過了一個補丁，或者一個補丁不能及時應用，例如，為了最大限度地減少網絡停機時間，那么測量和識別這種未緩解的漏洞的影響就會被卸載到紅色團隊或滲透測試服務。這些服務大多集中在最初的利用上，沒有實現利用后行動的更大安全影響，而且是一種稀缺資源，無法應用于國防部的所有系統。這種開發后服務的差距導致了對進攻性網絡空間行動（OCO）的易感性增加。本論文在最初由海軍研究生院開發的網絡自動化紅色小組工具（CARTT）的自動化初始開發模型的基礎上，為OCO開發和實施自動化后開發。實施后開發自動化減少了紅色小組和滲透測試人員的工作量，提供了對被利用的漏洞的影響的必要洞察力。彌補這些弱點將使國防部網絡空間系統的可用性、保密性和完整性得到提高。

1.第二章：背景

第二章詳細介紹了CO中后開發的重要性，并通過分類法解釋了后開發的影響。它還研究了現有的后開發框架和工具，它們試圖將后開發自動化。本章還強調了其他工具和框架的不足之處，并討論了本研究如何在以前的工作基礎上進行改進。

2.第三章：設計

第三章介紹了CARTT是如何擴展到包括自動后開發的。這項研究利用了CARTT客戶-服務器架構的集中化和模塊化來擴展后開發行動。本章還詳細討論了發現、持續、特權升級和橫向移動等后剝削行動。

3.第四章：實施

第四章介紹了CARTT中實現的代碼、腳本和工作流程，以實現自動化的后剝削。它詳細描述了Metasploit框架（MSF）資源腳本的重要性，以及CARTT服務器、CARTT客戶端界面和CARTT操作員角色之間的通信。

4.第五章。結論和未來工作

第五章對所進行的研究進行了總結，并討論了研究的結論。它還提供了未來工作的建議，以進一步擴大CARTT的可用性和能力。

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。

2019年，美國海軍陸戰隊（USMC）開始進行組織變革，目的是成為西太平洋地區卓越的偵察和反偵察部隊。為了實現這一目標，海軍陸戰隊公布了《2030年部隊設計》，目前正在采購新的作戰系統，并創建一個新的組織表，以便在地理位置偏遠、環境惡劣的地方獲得并保持殺傷力。

《2030年部隊設計》中的主要行動單位之一是海軍陸戰隊濱海團（MLR）。MLR包含步兵、火箭炮、防空、后勤、指揮和控制單位，用海軍陸戰隊司令的話說，是 "為在有爭議的空間進行海軍遠征戰而優化的，專門用于促進海上封鎖和保證進入以支持艦隊"（Berger 2019, p.5）。然而，第一個MLR最近才被激活，因此關于MLR的能力和限制的問題層出不窮。

特別令人感興趣的是在海軍陸戰隊濱海團安全區域內進行偵察和反偵察的海岸警衛隊的使用。這項研究的目的是研究海軍陸戰隊濱海團在各種實際環境中的能力，以及應對當代同行的海軍威脅，以幫助為海軍陸戰隊濱海團的警衛部隊最致命的組成和使用方法提供決策依據。為此，作者試圖回答以下問題：

• 1.將自主和半自主艦艇組成的警衛部隊納入海軍陸戰隊濱海團的縱深防御，是否會提高友軍陸基部隊的殺傷力和生存能力？此外，哪些友好因素有助于警衛部隊的生存能力和殺傷力？
• 2.警衛部隊的哪些因素對海軍陸戰隊濱海團在敵方水面部隊能夠探測和交戰之前探測、報告和交戰的能力影響最大？
• 3.使用自主和半自主艦艇來探測和打擊敵方水面部隊，能否提高海軍陸戰隊濱海團損耗敵艦的能力？

利用海軍水面作戰中心開發的建模與仿真工具箱（MAST），我們使用最先進的實驗設計，有效地執行了27250次海軍陸戰隊濱海團和中國海軍（PLAN）水面行動組（SAG）之間的模擬戰斗。圖1描述了建模環境和模擬中的一些智能體。

圖 1. MLR 警衛部隊和解放軍水面戰斗人員之間的模擬交戰

在每次模擬交戰中，MLR 的任務是執行海上拒止任務，他們試圖在保持戰斗力的同時最大限度地摧毀敵艦數量。 MLR 使用了一支具有以下基線組成的警衛部隊：四艘輕型載人自主作戰能力（LMACC）艦艇、五艘中型無人水面艦艇（MUSV）和 15 艘遠程無人水面艦艇（LRUSV）。在整個實驗過程中，每次數量都不同，以評估不同組合的功效。警衛部隊的任務是“通過戰斗以贏得時間，同時觀察和報告信息，保護主力免受攻擊、直接火力和地面觀察”（MCDP 1-0，第 11-13 頁）。為了評估警衛部隊對友軍生存能力和殺傷力的影響，我們改變了船只類型的數量、每種船只類型的位置以及船只的傳感器能??力。我們使用有效的實驗設計來探索上述因素的各種組合的影響。

從 27,250 次模擬交戰中，觀察到一些趨勢，這些趨勢不僅回答了研究問題，而且提供了為 2030 年部隊設計決策和倡議提供信息的機會：

• 警衛部隊組成：LMACC 數量是預測生存能力和殺傷力的主要因素。LMACC 是一種小型導彈戰艦，載人較少，擁有高度自主的艦船系統。它可能被配置為許多角色，但在這種情況下，攻擊。對實驗輸出的分析表明，警衛部隊應該有不少于六個 LMACC。

• 殺傷力：在更靠近海岸（10-15 海里）的地方使用 LMACC，將 LRUSV 部署在更深的位置（100 海里），導致摧毀的 GBASM 發射器更少，摧毀更多的海軍艦艇。

• 將 LMACC 與可以充當 LMACC 偵察員的較小平臺配對會產生更有利的友好結果。為此，為 LRUSV 配備探測敵艦的能力——使用被動或視覺傳感器——在更遠的范圍內使 LRUSV 能夠更早、更準確地傳達有關對手的組成和部署的信息。

• 現代沖突中的雙方都可能出現高損耗。由于戰斗的固有不確定性，確切百分比的可變性很高，但在實驗中摧毀的 GBASM 發射器的平均數量是 36 個中的 15.62 個。

本研究的目的是進一步討論 MLR 的組成、能力和使用，同時激發新的研究，為未來的部隊設計決策、實彈試驗和戰術提供信息。

摘要

在過去的幾十年里，美國海軍庫存中只保留了少許類型的海上水雷，且戰術理論研究停滯不前，而主要優先考慮反雷能力。本論文通過一個現代的視角來審視水雷戰（MIW），使用建模和仿真（M&S）來捕捉圍繞水雷戰環境的更廣泛的因素，除了水雷的性能特點和使用參數外，還包括根據最新的任務成功標準來衡量敵方的反應概率。本論文探討了三種通用的非保密實驗方案，得出了對水雷成功影響最大的因素的廣泛結論，并為未來探索具體水雷用例的演習奠定了基礎，以便為下一代水雷及其使用提供信息。分析表明，在影響敵方行為結果方面，空中投送策略通常優于水面、潛艇或無人水下航行器（UUV）投送。請注意，UUV的投放與較低的水雷總量有關，其影響可以通過UUV的移動速度和單個水雷的探測和交戰概率來減輕。

執行摘要

有許多歷史實例證明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍在反水雷（MCM）領域的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，目前用于進攻性水雷能力的支出與這些防御性工作的投資相比相形見絀。進攻性水雷理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點又有了新的興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是當它涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。

該項目尋求更好地了解在不同的水雷作戰框架內可以利用的關鍵性能驅動因素，以最大限度地提高雷場的有效性。在傳統的進攻性水雷有效性措施（MOE）的基礎上，增加了愛德華茲（2019年）定義的四個以任務為中心的MOE，即轉向、阻斷、固定和破壞，定義了一種新的進攻性水雷思維，稱為進攻性拒止水雷（ODM）。ODM可以與現代戰爭的殺傷鏈相結合，對不需要的海上交通提供戰略威懾，在這樣做的同時也被動地釋放了海軍的關鍵資源，否則將支持戰略目標。這個項目的重點是使用概率行為模擬對ODM進行定義、建模和分析，以比較這些更新的MOE下的雷場有效性。

海軍水面作戰中心達爾格倫分部在過去十年中一直在開發通過建模進行協調模擬（OSM）框架。目前，利用OSM框架的JAVA GUI軟件的迭代被稱為MAST，是建模和仿真工具包的簡稱，是專門為這種類型的海軍系統的作戰研究和任務工程分析而創建。該團隊開發了三個實驗場景，定義為探索非保密級別的ODM考慮之間的關系。這些場景分別被指定為空中、艦艇和UUV投送，其中藍色為友軍，紅色為敵軍。為了便于比較和大致了解與這些替代場景有關的作戰考慮因素，每種場景一般都以投送平臺的速度、水雷部署能力、利用的投放點數量和部署水雷的相對能力為特征。空中投送實驗是一種高速、中等能力的飛行器，在單一地點部署能力較弱的水雷。艦艇投送實驗是一個中等速度、高能力的飛行器，在多個地點部署普通水雷。而UUV投送實驗則是一個慢速、低容量的飛行器，能夠使用高能力的水雷，如表1所示。

表1. 基準實驗方案假設

如圖1所示，所有的模擬考察都利用了在50 x 50海里的雷場區域內隨機分配的雷場投放點，目的是影響兩艘紅色船只從部署區以東的設定起始位置向西的預期航點過渡。紅色船只的邏輯實現了概率行為決策，以模擬敵人對其探測到的水雷的反應，或者改變其路線，固定在原地，或者繼續其路徑，并以 "逃離"信息傳達危險。

為了評估行動的重要性，我們開發了五個MOE。主要的MOE，稱為 "紅色影響"，是指雷區影響紅方船只駛向預定航點的能力。如果紅色船只都沒有決定轉向或固定，那么紅色影響在該次航行中為零。如果兩艘紅方船只都被抑制，紅色影響為2；如果只有一艘船只受到影響，紅色影響為1。Agent的終止被指定為次要的MOE，用來捕捉傳統思維的MOE，最后部署的水雷被指定為次要的MOE，以更好地通知各實驗的決策點。MOE表見表2。

圖1. ODM移動場景(MAST)

表2. ODM MOEs

輸入變量的定義是為了檢查對藍軍行動、藍軍系統設計特征和紅軍行為邏輯的變化的影響。在空中實驗中定義了21個變量，在艦艇和UUV實驗中定義了25個變量。一個近乎正交的拉丁超立方實驗設計（DOE）在所有三種情況下運行。為空氣實驗確定的21個變量產生了128個獨特的偏移運行，為船舶和UUV確定的25個變量各產生了256個偏移。然后，在與NPS SEED中心的合作下，利用Hamming超級計算機復制了這些DOEs，為空氣產生了3780次偏移，為船只和UUV產生了5000次偏移，以供分析。研究小組發現，與紅色船只的概率決策邏輯有關的變量通常比那些具有物理價值的變量（如速度、范圍或水雷數量）更具影響力。在所有三種情況下，紅色影響的主要MOE也是如此。

為了降低紅色行為在模型中的相對重要性，進行了細化分析，特別關注對作戰效能影響最大的藍色配置特征。初級MOE（紅色影響）、傳統MOE（Agent終止）和次級MOE（部署時間）的結果顯示在圖2。盡管三個實驗似乎都顯示出類似的主要MOE結果，但結果差異在模型中是有統計學意義的。空中投送在 "紅色沖擊 "方面是最有效的，而且部署的速度比船只或UUV投送都快得多。這一點特別重要，因為在只關注紅色制劑死亡的傳統思維模式下，空中投送的單點播種將被歸類為最不有效。同樣，緩慢但有能力的UUV水雷投送，在使用毒劑死亡的情況下，也只是略微有效，但在使用ODM紅色影響MOE的情況下，其評級僅次于空中。

圖 2. ODM場景的結果

該模型為ODM的運行分析提供了一個起點。雖然模擬中的系統故意是通用的，以避免分類，但該模型的設計允許快速引入特定的系統數據。未來的工作可以更全面地實現任務目標（Edwards 2019）的MOE，或增加紅軍決策邏輯的復雜性。然而，即使在這個較高的水平和早期成熟階段，在這個項目中應用ODM概念的意義可以應用于集中開發和采購努力，并更好地告知未來戰斗空間的使用戰略。

I. 簡介

A. 背景情況

有許多歷史實例表明了海上水雷的價值和通過水雷戰（MIW）取得的勝利。美國海軍對其反水雷(MCM)社區的大量投資說明了海軍水雷的致命功效。然而，對防御性努力的投資使目前對未來進攻性水雷能力或國家研究委員會所說的進攻性拒止水雷（ODM）（2000）的支出相形見絀。從歷史上看，進攻性水雷的理論、熟練程度和使用已經停滯、倒退，甚至被忽視，直到沖突迫在眉睫或已經開始。

最近，人們對利用水雷的成本效益和力量倍增的特點重新產生了興趣。美國海軍正在重新調整其任務重點，以包括這些潛在的好處，特別是涉及到無人水下航行器（UUV）能力的進步、探測傳感器技術，以及未來水雷的自主性、半自主性和可編程性的實際可行性。ODM是為海軍作戰司令部（CNO）項目 "超配 "挑戰做出貢獻的自然選擇，即通過 "提供同步的致命和非致命效果"（2020年），"支持將使我們的持續海上主導地位的作戰......環境"。實現CNO建立未來部隊的海軍作戰架構的目標所必需的信條是由他在2020年10月的A Novel Force備忘錄中定義的 "一個綜合的任何傳感器/任何射手的殺傷鏈 "來建立。ODM能夠通過積極參與這些殺傷鏈來加強這一目標，對不受歡迎的海上交通提供戰略威懾，并在這樣做的同時也被動地釋放了原本支持這些戰略目標的關鍵海軍資源。

B. 項目目標

一般來說，進攻性水雷和具體的ODM是可以提供不對稱戰略優勢的領域，但對其研究不足，因此也沒有得到充分的利用。這就提供了一個機會。目前的ODM理論和戰術需要通過現代有效性措施（MOE）進行分析，以量化保護性（藍水）和進攻性（敵對海岸線12英里內）的潛在水雷環境，并確定任何不足之處（Edwards 2019）。在以前的研究中，"重點是孤立地檢查雷場的部署和特點，這項研究......檢查了能夠部署和支持雷場的替代無人和有人系統，作為聯合進攻行動的一個組成部分......[通過]考慮多個候選操作區域和替代交付平臺"（Beery 2020）。給予該小組探索的具體任務是。

1.定義一個候選的進攻性水雷戰行動概念（CONOPS）。

2.界定一個可供審查的作戰活動和相關系統的系統結構，以確定其對雷場部署有效性的影響

3.開發和分析作戰模擬，以便：a. 確定關鍵的性能驅動因素；b. 為作戰框架的比較提供依據（Beery 2020）。

C. 過程

為了實現這些廣泛的項目目標，團隊開發了一個項目瀑布方法，以定義主要的門和里程碑，如圖1所示，首先是文獻回顧，以熟悉MIW、其附屬元素和相關主題。目前的MIW分析員、操作員和專家被確認，他們幫助確定審查的范圍，并闡明了一些圍繞它的歷史。該小組與顧問合作，以確定MIW領域的適用資源和其他專家。項目發起人和顧問團的投入被用來為小組規劃提供信息和貢獻專業知識，以確保小組的產出為海軍提供價值。最初的文獻審查發現了涵蓋MIW CONOPS的材料和分析MIW操作的技術報告，但它未能產生一個普遍可用的ODM實用指南。為了填補現有文獻的空白，項目工作的重點是開發一個操作模擬，可以用來確定關鍵的性能驅動因素，并最終就如何最大限度地提高雷場部署的有效性提出建議。

圖1.BCM論文項目方法論

為了開發將要使用的作戰模擬模型，該小組采用了自上而下的系統工程（SE）方法，如圖2所示的修改后的軟件工程Vee。通過將通用的高層軍工項目分解為其系統需求的組成部分，團隊設計了一個仿真模型，產生了與這些需求相對應的數據，如修改后的Vee方法的左側所示。模型的輸出數據被收集和分析，驗證其與系統設計要求的適當映射，并驗證建議以滿足操作框架的比較。

此外，團隊每季度向社區利益相關者和感興趣的NPS教師介紹情況，以征求所有相關方的額外意見，并提供一個合作論壇的機會。最終的結果和建議在本報告中正式公布，并在畢業前的進度審查中提出。

圖2：BCM修改后的Vee方法。改編自Buede（2009）。

D. 團隊組織

團隊成員被分配了責任，以確保公平分工，充分考慮技術能力和行政后勤。盡管所有的團隊成員在每個階段都是積極的貢獻者，并幫助確保SE原則在每個步驟中得到遵循，但指定的牽頭人在其主題領域的執行方面保留了打破僵局的投票權。

• 首席程序員和軟件開發人員。負責模型設計架構、模擬開發，以及與軟件（SW）開發人員和團隊外部的SW項目主題專家（SME）的聯絡。

• 海上環境專家和UUV社區聯絡員。負責識別環境變量和考慮因素，并將其納入模型，通過無人潛航器社區的聯系和無人潛航器測試的個人經驗進行驗證。

• 艦隊聯絡和安全經理。負責與美國海軍運營商和社區經理互動，以確保在整個模型開發、數據生產和分析報告中充分納入適當分類級別的CONOPS和技術規范。

• 首席編輯和數據分析師。負責所有團隊交付成果的最終審查、格式化和提交。對報告的格式和內容的決定擁有最終決定權。

野外火災對國土安全構成直接威脅，因為它們造成嚴重的個人、經濟和社會壓力。隨著無人駕駛飛行器（UAV）蜂群的使用越來越普遍，它們很可能作為一線消防航空資產，提高空中滅火飛行的操作速度，從而提高消防員的安全。這篇論文探討了使用無人機蜂群作為火災撲救方法的概念，在一個現實的火災場景中，將理論上的無人機蜂群與傳統的航空資產進行比較，然后使用系統工程方法來定義在林野空間實施無人機蜂群的壓力點。這項研究的結果支持無人機蜂群的繼續發展，并明確界定了在實施大規模無人機蜂群飛行之前必須解決的領域。滅火無人機蜂群系統顯示出巨大的前景，因為它具有相對的便攜性，并且能夠為無法隨時獲得傳統滅火飛機的地區提供空中滅火選擇。然而，在實施之前，解決無人機蜂群系統的后勤和通信限制，將是至關重要的。

執行摘要

野外火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。認真對待野地火災的威脅，并尋求實施增加安全和保障的技術進步是至關重要的。荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用成群的無人駕駛飛行器（UAVs）對荒地火災進行火力攻擊。

隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進荒地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。在一項回顧性研究中，巴特勒發現，從2000年到2013年，有78名野外消防員的死亡，即26.2%，與航空有關。國家機構間消防中心報告說，在過去10年中，"每年平均有62,693場野火，每年平均有750萬英畝受到影響。"國家消防局估計，現在每年用于撲滅野火的費用為16億美元。盡管有所有這些事實，這些年用于撲滅這些火災的資源基本上保持不變。由于野外火災的威脅使公民面臨財產損失、高額的撲滅費用和潛在的生命損失，目前有必要探索基于無人機的火災撲滅。無人機群可能比目前的航空資產更有效地執行空中滅火的關鍵任務。

無人機蜂群是在特定參數下部署的半自主的航空器群，以完成一項任務。這些飛機在發射和回收時得到人類控制器的協助，但隨后被允許在特定參數下完成任務。無人機蜂群可以被證明是快速部署的空中資產，可以在地面部隊到達之前找到并壓制火勢。利用無人機群進行滅火行動可以提高消防員和公眾的安全，使火勢保持小規模和可控，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火場。

使用傳統的固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機無法在濃煙條件下、天氣事件和黑暗的夜晚飛行。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。由于無人機和無人機群有能力在夜間和許多有機組人員的飛機無法做到的條件下飛行，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。致力于使用無人機群進行空中滅火可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，同時使火勢更小、更容易控制。

這篇論文旨在回答這樣一個問題：新興的無人機群技術如何在野外環境中作為一種火災攻擊方法來實施。研究設計采用了一種三管齊下的方法。首先是概念驗證法，通過參與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究集團的實際無人機群飛行任務來促進。在測試過程中，我們飛行了多種類型的無人機群，并將無人駕駛的地面車輛整合到群中。實際測試表明了在荒地部署無人機群的可行性，并強調了在全面部署前必須解決的問題。

第二種方法是對50架無人機群和傳統的單引擎空中加油機（SEAT）進行比較分析，攻擊理論上的火災。該分析允許對無人機群和傳統飛機在特定時間內攻擊火災進行比較。衡量標準包括投放的滅火劑數量和每種資產的預計運營成本。這些信息被用來完成無人機群和傳統飛機之間的成本比較。最后，Innoslate 4（V 4.5.1.0）基于模型的系統工程軟件和建模系統被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。這些飛行方案允許(a)確定實施的壓力點，(b)了解無人機群和SEAT飛機的限制和好處，以及(c)確定無人機群操作和確保成功任務所需的地面支持人員之間的關鍵關系。

作為這項研究的結果，我們相信無人機群可以對野外環境中的空中滅火做出重要貢獻。無人機群因其相對的便攜性和對防火區有限的進入障礙而顯示出巨大的前景。雖然50架無人機群對每個森林保護區來說可能并不可行，但即使有幾架滅火無人機，在地面部隊可以攻擊它們之前，也可以控制低至中強度的火災。然而，在這之前，必須解決許多壓力點，以全面實施基于無人機群的火災撲救。其中一些問題包括制定和實施明確的無人機群飛行政策和程序，審查聯邦航空管理局關于無人機群行動的現行規則，制定支持無人機群行動的后勤最佳做法，并確保積極的通信聯系以保證對無人機群的完全控制。最后，如果美國接受了將無人機群用于野外消防和其他商業行動的概念，那么支持無人機和無人機群的基礎設施以及專注于建造、編程和操作的無人機具體教育就至關重要。

在野外環境中使用無人機群的概念對于提高消防行動的安全性和生產力有明確的價值。雖然有一些障礙需要克服，但未來的野外消防工作將大量涉及無人機群。預計多個運營商將尋求進入無人機群建設和運營的最前沿，這既是一個商業機會，也是一個協助解決日益嚴重的野外火災問題的機會。雖然無人機滅火不太可能很快取代傳統的空中滅火，但使用無人機群作為另一種空中滅火工具的能力，特別是在傳統飛機不飛行的夜間，應該為火災管理人員提供另一種快速和更安全地緩解火災的手段。

I. 引言

荒地消防戰術的下一個重大進展可能是使用無人駕駛飛行器（UAVs）群，在荒地火災失去控制之前對其進行火力攻擊。蜂群是在特定參數下部署的無人機自主團隊，以完成一項任務。無人機群被允許在任務參數范圍內做出自主和合作的決定，同時由一個操作員進行監督控制。這種能力與目前的無人機操作形成對比，后者需要每架飛機都有一個飛行員。利用無人機群進行滅火行動有可能提高消防員和公眾的安全，提供早期探測和撲滅野地火災，并釋放傳統的航空資產以部署到關鍵的火災。

A. 研究的動機

野地火災對美國國土安全構成了明顯的威脅，因為它影響了自然資源，降低了以森林產品工業為生的人們的經濟穩定性，造成了財產和房屋的損失，并可能造成生命損失。大規模的野地火災所代表的危險是如此嚴重，以至于火災管理人員必須嘗試使用所有可用的戰術來抑制它們，包括直接和間接的火災攻擊方法。這些技術需要將消防員置于危險之中，以減緩或阻止火災的發展。2010年至2019年期間，134名消防員在撲滅野地火災時因公殉職。"國家機構間消防中心 "報告說，在過去10年中，"平均每年有62693場野火，平均每年有750萬英畝受到影響。 "然而，這些年來，對抗這些火災的資源可用性保持不變。隨著全球變暖和火季延長的趨勢，促進野地消防領域的創新至關重要，以確保消防部隊的最大影響，同時提高消防員的安全。

1. 用蜂群技術增強消防戰術

使用單個無人機來協助收集野地火災的情報的概念是熟悉的領域。對于大多數大型野地火災，單個無人機可用于觀察火災的位置和運動，或監測已逃離控制線的火災。無人機產生的情報成為火災預測和即將到來的行動期的行動規劃的一個關鍵因素。然而，無人機還沒有被部署用于直接滅火活動，也沒有在野地火災中部署無人機群。蜂群技術正處于起步階段，需要更多的開發才能成為應用于滅火行動的可行選擇。

術語 "無人機群 "是指由一個控制器操作的多個無人機。受控蜂群是為特定任務編程的無人機團隊，由一個控制器操作。半自主的蜂群是一個由控制器協助發射和回收的無人機團隊。半自主蜂群有特定的任務參數，據此它可以識別任務，決定哪些成員將完成任務，完成任務，并恢復到基站，同時在成員之間進行分工以確保成功完成。

由于必須在火場上放置大量的水或阻燃劑的滅火有效載荷，使用單個無人機進行直接滅火攻擊的概念既沒有被大力探索，也沒有被研究。然而，隨著無人機群技術的潛力，允許在站點上放置許多較小的有效載荷，以及攜帶多達100磅的重型無人機系統的進步，許多無人機群可能會有效地壓制火災。使用無人機群而不是傳統的飛機，可能是野火撲滅的下一個巨大進步。執行這項工作的技術正在開發中，然而，目前它既不實用，也無法擴展。

2. 野地火災越來越普遍，破壞性越來越大

野地火災必須作為國土安全問題用廣角鏡頭來看待。許多行動方案可以同時進行，以減少野地火災的頻率、嚴重程度和強度。有必要不把一個解決方案作為解決野地火災問題的萬能藥，而是擁抱創新和技術，以應對減少這些破壞性火災的挑戰。

由于大火對經濟、社會和情感的影響極大，野地火災直接威脅到美國的國土安全。撲滅這些火災的成本在貨幣支出和人力成本方面繼續增加，包括消防員和死于野地火災的市民的生命。國家消防局估計，現在每年用于撲滅野地火災的費用為16億美元。歷史上，有一個指定的 "火災季節"；然而，損失巨大的野地火災發生在一年中的所有月份，導致西部一些州放棄火災季節的概念。

由于野地火災繼續給消防員和生活在城市-野地交界處的人們帶來挑戰，探索更有效和更具成本效益的方法來對抗這些破壞性的火災變得至關重要。人們無法逃避的事實是，全球變暖正在改變森林的易燃性，使其更容易燃燒。這些煤渣干燥的條件造成了由于火勢發展速度太快而導致多人喪生的情況。一個明顯的例子是2018年加利福尼亞州的營地大火，85人喪生，18,804座建筑被燒毀，主要是在火災發生的前五個小時。一個更近的例子是2021年12月30日科羅拉多州丹佛市外的馬歇爾大火，在短短幾個小時內，有兩人喪生，991座建筑被燒毀。這場大火是由干燥的條件和超過每小時90英里的風助長的。加劇這些火災的事實是，在人員、飛機和雇用額外援助的資金方面，打擊這些火災的資源有限。資源的稀缺已經成為一個重要的問題，特別是在火災季節的中心地帶，多個火災正在燃燒并迅速擴大。在過去的幾個火災季節，有的時候根本沒有足夠的資源投入到消防工作中。當這種情況發生時，火災管理人員必須做出艱難的決定，注銷有時數千英畝的土地或數百個房屋。

3. 全球變暖和對荒地的威脅

以前被認為是史無前例的火災和火災行為，現在似乎已經成為每年夏天的常態。全球變暖極大地影響了荒地環境，創造了更熱和更干燥的氣候，使火災持續增長。目前和遺留的關于在何處、如何以及何時滅火的政策增加了美國森林的燃料負荷。森林管理政策需要幾十年才能趕上美國森林目前的燃料負荷。全球變暖和氣候變化倡議可能需要幾十年才能對森林產生積極的影響。根據保險信息協會的數據，2020年美國大約有1010萬英畝的土地被燒毀，美國處于野火高風險或極端風險的房屋共有450萬。

必須承認全球變暖和氣候變化對野外環境的負面影響。全球變暖對森林最重要的影響是干旱和更高的日平均溫度。這些較高的溫度對植被有兩個重大影響。第一是創造較低的長期燃料濕潤度（從燃料中帶走水分）。第二，在環境中造成蒸汽壓力不足（帶走空氣中的水分），使植被更容易著火。11 燃料越干燥，受熱時越容易著火。這兩種氣候變化影響共同作用，使燃料干燥，然后保持干燥。

全球變暖的第二個影響是氣候變化促成的不穩定的天氣模式，在雨季帶來大量的雨水，在夏季帶來更熱和更干燥的條件。雨水在春季促進了輕型植被的生長，增加了總體燃料負荷。當更熱、更干燥的夏季到來時，新生長的植被很容易干燥。這些植被現在已經 "固化"，并準備好攜帶火種，特別是當暴露在風中時。如果該季節的植被沒有燃燒，那么下一個火災季節的燃料量就會增加。全球變暖影響的天氣模式對野地火災產生了指數級的影響，首先是增加了燃料負荷，然后是嚴重干燥的地區，使其更容易發生火災。森林管理政策允許嚴重的灌木叢積累，在森林環境中創造了促進火災更熱、更快、更強烈的條件。

能否準確地界定什么是導致全球變暖和氣候變化對野地火災的具體影響，在未來幾年將繼續吸引公眾的關注。全球變暖的影響每年都隨著美國西部和全球其他地區的大型野火燃燒而顯示出來。這些大火將要求消防管理人員接受有可能限制未來大火增長的技術和政策。莫里茨指出，國家對野火在全球變暖中的作用的理解正在改變。他說，在2003年至2007年期間，在大型野地火災期間，通常問的問題是 "這里該怪誰？" 相反，現在問的問題是："這些火災是由于氣候變化造成的嗎？"也許認識到野火是全球變暖的一個極端結果將影響到對全球氣候變化產生積極影響的政策。

4. 野地環境中航空資產的利用

隨著野地火災的威脅使公民面臨潛在的生命損失，高額的貨幣成本，以及無人機研究的其他領域的新興潛力，探索基于無人機的火災撲滅，在這個時候是有必要的。了解飛機在撲滅野地火災中的作用是至關重要的。使用消防直升機和固定翼飛機已經成為當前整體滅火計劃的一個組成部分，特別是在大型快速移動的野地火災中。一般來說，消防管理人員利用飛機的速度和能力，在火勢擴大為重大火災之前迅速撲滅。很少，如果有的話，飛機能夠完全壓制火災。最終需要地面上的消防員來完全控制野地火災。從本質上講，飛機是用來 "爭取時間"，以便獲得和部署其他消防力量。

然而，使用飛機是一種極其昂貴的救火方法。美國林務局（USFS）按類型和能力確定了飛機的合同費率。在2018年至2021年的合同期內，1型直升機（動力最強，能夠投下最多的水）的合同費率在每飛行小時4000美元至8000美元之間，這取決于飛機類型。固定翼飛機投放緩釋劑的成本可能在每飛行小時7100美元至13500美元之間，不包括緩釋劑成本。美國聯邦調查局在2018年 "約6.07億美元的合同飛機，"包括旋翼和固定翼飛機。在預算緊張的時代，人們必須考慮使用飛機滅火的成本效益。如果使用無人機滅火可以證明成本較低，而且與傳統航空資產一樣有效，甚至比傳統航空資產更有效，那么就應該深入探索無人機的使用。

使用固定翼和旋轉翼飛機來撲滅火災有其局限性，即飛機不能在濃煙條件下飛行，天氣事件，夜晚的黑暗，飛行員飛行時間的限制，能夠駕駛這些飛機的人有限且專業，以及在需要維修時無法進入飛機。在不受控制的環境中，在靠近活躍的野地火災時駕駛飛機，不允許有任何誤差，其結果可能是災難性的。大量的消防員在從事滅火行動時因飛機事故而死亡。在一項回顧性研究中，巴特勒、奧康納和林肯發現，從2000年到2013年，有78名野地消防員的死亡與航空有關，占26.2%。19在這種情況下，高度熟練的消防員和飛行員喪生，他們駕駛的機體通常被摧毀。雖然消防管理人員試圖將消防員和機組人員的風險降至最低，但不幸的是，將男女人員置于危險境地以減緩或阻止野地火災，仍然是一種有效的策略。

在未來幾年，無人機和無人機群可能會取代載人航空資產進行火情識別和直接滅火。由于無人機和無人機群有能力在夜間和多種條件下飛行，而有機組人員的飛機卻不能，因此利用無人機和無人機群可以實現更高的操作速度。此外，無人機理論上可以飛行整整24小時，只受制于所需的維護、飛行員的休息要求，以及嚴重到不允許飛行的火災條件。致力于無人機和無人機群可能會減少消防員因空中事故而死亡的人數，并使火災更小、更容易控制。

B. 研究問題

如何將新興的無人機群技術作為野外環境中的一種火災攻擊方法來實施？

C. 方法和研究設計

本論文探討了無人機群如何成為直接滅火行動的一種新方法，即抑制或延緩火勢發展到初期階段，使常規消防部隊有時間在火勢發展到重大荒地火災之前到達、控制和壓制火勢。通過與先進機器人系統工程實驗室（ARSENL）和海軍研究生院的機器人和無人系統教育與研究小組一起參與實際的無人機群飛行任務，使用了概念驗證方法。這些飛行為情景研究的有效性提供了依據，這些研究用于開發在荒地環境中實際應用的任務。實際測試告知了部署的可能性，并強調了全面部署前必須解決的問題。此外，我們分析了商業無人機群用戶的當前利用模式，以確定他們的應用與他們可能融入荒地消防行動的關系。

為了說明無人機群直接攻擊火災的潛在價值，本論文利用俄勒岡州西部的蒂拉穆克州森林的一場理論火災。使用50架無人機群和一架單引擎固定翼空中加油機對火災進行 "攻擊"。單引擎空中加油機（SEAT）是傳統上用來攻擊火災的常規飛機。對無人機群和傳統的SEAT飛機攻擊這場火災進行了比較分析。符合國防部建筑框架的系統工程建模軟件Innoslate 4（V 4.5.1.0）被用來模擬無人機群和空中加油機的飛行方案，使用準確的飛行、加油和重新裝載周期時間。為了進行比較，飛行受制于SEAT的一個正常燃料循環。通過對兩種資源所提供的總的消防產品和每加侖的比較成本，對火災攻擊方法進行了比較。這些信息導致了關于使用無人機群作為消防資產的可行性的結論，這些無人機群可以代替傳統的空中消防設備，也可以作為輔助設備。最后，對目前的空中野地滅火方法進行了定量分析，明確地側重于使用常規固定翼飛機與蜂群技術對付理論火災的成本。通過比較分析和實際測試，建立了一個理論部署模型，解決了利益相關者的擔憂和作為商業運作的無人機群行動的潛力。

D. 研究目標

• 檢驗利用無人機群進行野外滅火的可行性。

• 確定如何將無人機群應用于荒地消防工作。

• 識別目前特定于軍事的無人機群應用，這些應用可以適用于荒地消防。

E. 章節概述

這篇論文在很大程度上受到了城市-荒地交界處的消防員個人經驗的影響。第一章討論了這項研究的動機和它的關鍵性。野地消防是一個高度專業化的領域，帶來了自己的語言和行話，所以第二章定義了關于野地消防的背景信息，并介紹了與理解本論文有關的術語。第三章涉及與論文主題和研究問題相關的學術文獻。在第四章中，對比較分析的方法進行了描述和解釋。由于對蜂群技術的研究有限，第四章劃定了分析中的假設和限制。它還主要依靠Innoslate 4系統工程軟件來圖解滅火的過程。本章最后介紹了我們的實驗和建模的結果。第五章討論了傳統的固定翼空中加油機和50架無人機組成的蜂群飛行之間的比較分析結果。從這個比較分析中，設計出了對未來無人機群實施的建議。第六章回顧了這些結論，并建議進行后續研究，以進一步發展無人機群在野外環境中的使用課題。該研究應加強使用無人機群進行直接火力攻擊的可行性。雖然這項技術和研究的實際應用可能要在未來幾年才能實現，但這些發現應該為未來的研究人員提供一個起點。

現代綜合防空系統（IADS）所帶來的日益復雜的反介入區域拒止（A2AD）威脅，加上高端隱形平臺所提供的日益強大的優勢，促使美國空軍高級領導人投資于徹底改變2030年及以后的空中力量。這一新設想的一個突出因素是蜂群武器，其目的是通過用大量低成本、可損耗的航空資產來壓倒國際航空運輸系統，并通過自主能力來解決這一挑戰。這項研究提出了一個框架，按照三個獨立的維度對不同級別的自主能力進行分類，即單獨行動的能力、合作能力和適應能力。使用模擬、集成和建模高級框架（AFSIM）構建了一個虛擬作戰模型，模擬以有人駕駛的穿透式轟炸機和自主巡航導彈群為特征的友軍空襲包與以A2AD角色行動的敵軍IADS之間的交戰。通過使用自主性框架作為設計實驗的基礎，評估了不同水平的自主性對攻擊包性能的影響。對實驗結果的分析揭示了哪些方面和什么級別的自主性對促進這一模擬場景的生存能力和殺傷力最有影響。

1. 引言

1.1 動機和背景

戰爭的技術性質正在迅速發展，人們越來越重視對大量數據的收集、處理和決策。隨著指揮與控制（C2）決策空間的復雜性增加，指揮系統根據現有信息采取行動的速度越來越成為一個限制性因素。具有不同程度的人與系統互動的自主系統為緩解這一不足提供了機會。美國2018年國防戰略（NDS）[18]明確要求國防部（DoD）"廣泛投資于自主性的軍事應用"，作為促進大國競爭優勢的一項關鍵能力。

參與大國競爭的一個自然后果是反介入區域拒止（A2AD）環境在聯合沖突的所有方面擴散。從美國空軍（USAF）的角度來看，現代綜合防空系統（IADS）構成了卓越的A2AD威脅，這嚴重抑制了通過常規手段建立空中優勢的前景[2, 20]。這一挑戰促使部隊結構的優先事項發生了變化，因為將能力集中在相對較少的高端系統中的感知風險越來越大。美國空軍科學和技術戰略[26]設想，數量龐大的低成本、易受攻擊的航空資產將很快發揮曾經由數量有限的高價值資產完成的作用。這種大規模的蜂群的任務規劃和空戰管理（ABM）工作的規模可能很快超過人類的認知能力，這使得它成為非常適合自主性研究和開發的應用領域。

1.2 問題陳述

本研究試圖評估幾種自主巡航導彈群的行為對A2AD環境中藍方（友方）空中性能的影響。具體來說，所研究的A2AD場景考慮了紅方（對手）的IADS被藍方聯網的自主巡航導彈群吸引，以促進穿透式轟炸機的后續打擊。在任務規劃時沒有考慮到的突然出現的威脅，可能會進入該場景以增加紅色IADS的力量。蜂群必須在沒有外部反彈道導彈的幫助下，檢測并應對這些突發威脅以及任何其他對抗性任務參數的變化。A2AD場景的建模是使用模擬、集成和建模高級框架（AFSIM）完成的。

1.3 研究問題

為了解決問題陳述，本研究將對以下問題提供答案：

1.具有自主反彈道導彈能力的巡航導彈蜂群能在多大程度上提高藍方空襲包在A2AD環境下的生存能力（即避免被紅方IADS發現和摧毀的能力）？

2.具有自主反彈道導彈能力的巡航導彈群能在多大程度上提高A2AD環境下藍方空襲包的殺傷力（即探測和摧毀紅方IADS元素的能力）？

1.4 論文的組織

本論文的其余部分包含四章，組織如下：第二章對包括自主性、A2AD環境、基于代理的建模和仿真（ABMS）以及實驗設計（DOE）等主題的參考材料進行了回顧。第三章建立了A2AD場景、AFSIM模型實現和實驗設計的結構，作為本研究的框架。第四章介紹了實驗模擬運行的結果和附帶的分析。最后，第五章討論了從這項研究中得出的結論，以及對未來研究方向的建議。

背景

聯合目標選擇（Joint targeting）從根本上說是一種整合功能，需要戰略和行動層面、所有聯合部隊參謀部和組成部分指揮部，以及各種非軍事組織，包括非政府組織、國際組織和非軍事政府組織的參與，這是北約全面方法的一部分。最近和正在進行的北約行動加強了從基線活動和當前行動（BACO）開始計劃的要求，以便為指揮官提供最廣泛的協調能力來創造效果。對AJP-3.9(A)的審查也應在北約目標選擇能力的重大改進背景下進行，包括在英國莫爾斯沃思空軍基地建立集中目標選擇能力（CTC）。CTC支持SACEUR，并為目標選擇提供實際的情報支持。CTC負責生產北約的目標材料，指導和協調盟軍司令部行動（ACO）的目標材料生產（TMP），并與北約國家協調，在BACO、危機和最大努力水平（MLE）行動中為北約提供國家目標支持。反恐委員會利用所有來源的情報，進行目標系統分析（TSA），制作目標文件夾并進行戰斗損傷評估（BDA），以支持北約的行動和演習。

聯合目標選擇將始終按照國際法、北大西洋理事會批準的交戰規則（ROE）和目標集所體現的作戰環境和現有授權，以及東道國和部隊派遣國的適用國家法律來進行。北約將不會單方面對盟軍的受眾進行聯合攻擊。東道國將對北約在其境內的所有目標選擇活動表示同意。將認知效應納入北約聯合目標選擇仍處于起步階段；SHAPE正在領導將認知效應納入北約聯合目標選擇的范圍和發展。

網絡防御是北約集體防御核心任務的一部分，北約已經明確表示，嚴重的網絡攻擊可能導致援引第5條。作為現代化的北約指揮結構的一部分，網絡空間作戰中心（CyOC）目前正在積極開展工作，以確保北約在網絡空間與在陸地、空中和海上一樣有效。這使北約能夠在網絡空間運作，提高聯盟在任何情況下開展行動的能力，并保持其行動和決策的自由。盟國還同意將其國家網絡空間能力納入北約行動。一些盟國已自愿向北約提供國家網絡空間能力。在北約任務或行動中使用其國家網絡能力時，盟國將始終保留對這些能力的控制。正如在所有其他領域一樣，北約在網絡空間的行動符合其防御性任務和國際法。

對AJP-3.9(A)的審查是由2018年2月發布的征求反饋意見（RFF）調查表啟動的。盟軍指揮部轉型（ACT）也開始初步規劃為期4天的數據融合研討會（DFW），該研討會由波蘭武裝部隊理論和培訓中心于2018年6月19日至22日在波蘭比得哥什主辦。數據融合研討會對文件結構提出了一些修改意見，根據研討會的結論增加了一些內容，包括對聯合目標定位的情報支持一章。

范圍

盟軍聯合出版物(AJP)-3.9(B)盟軍聯合目標選擇理論描述了聯合目標選擇過程中固有的政治/軍事戰略指導和監督的作用、責任、程序和產品，作戰級指揮部的聯合目標選擇，以及組成部分指揮級的目標選擇。本文件概述的程序不適用于近距離作戰、非常規手段，也不限制通過使用國際法、國家法律和政策規定的必要和相稱的武力，包括致命武力，來保護人員不受交戰或即將發生的交戰影響，行使自衛權。由于北約的組織變化，目標選擇是由聯合效應職能部門負責，由歐洲盟國最高總部的聯合效應處（JTE）管理。

目的

AJP-3.9(B)是北約關于聯合目標選擇的功能著作。該理論側重于，但不限于作戰層面。它反映了聯合目標選擇的演變，以納入一個全面的方法；即使用整個能力范圍（包括網絡空間和空間，可能受國家控制，不一定是軍事控制，但不包括非常規武器）來對付一系列的目標。

應用

AJP-3.9(B)旨在為北約指揮官及其工作人員提供指導。本出版物適用于北約在BACO期間和整個競爭過程中的行動，并為北約成員、合作伙伴和非北約國家進行的聯合目標選擇提供了一個有用的框架。武裝沖突或武裝沖突以外的情況的法律分類將為可用的目標選擇類型設定明確的參數。

目標選擇技術和程序的進步導致了目標選擇過程中越來越多的整合和包容，遠遠超出了簡單的用物理武器攻擊目標的范圍。在本出版物中，為了盡可能全面地了解情況，我們的理解是，聯合目標選擇包括使用所有可用的手段和能力。

關聯

AJP-3.9(B)是基于MC 471《北約目標選擇策略》。它直接隸屬于AJP-01《盟軍聯合學說》和AJP-3《盟軍聯合行動學說》，并應與之一起閱讀。目標選擇在很大程度上依賴于情報，并與AJP-2《盟軍情報、反情報和安全聯合學說》、AJP-2.1《盟軍情報程序聯合學說》、AJP-2.7《盟軍聯合ISR學說》和AIntP-24《聯合目標選擇的情報支持》保持一致。與AJP-3.10《盟軍信息作戰聯合理論》、AJP-3.10.1《盟軍心理作戰聯合理論》、AJP-3.20《盟軍網絡空間作戰聯合理論》、AJP-3.5《盟軍特種作戰聯合理論》和AJP-3.1《盟軍特種作戰聯合理論》都有重要聯系。 《盟軍電子戰聯合學說》、AJP-05《盟軍作戰計劃聯合學說》和美國參謀長聯席會議主席指令（CJCSI）3160.01C《不打擊和附帶損害估計方法》和CJCSI）3162.02《戰斗評估方法》。這些聯系并非詳盡無遺，北約工作人員應確定他們的具體作用如何與聯合目標選擇周期（JTC）相結合。

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。