這本技術手冊涵蓋了對抗全方位的無人駕駛飛機及其各自系統組件的所有方面。它應該通過啟動思考和強調北約對打擊無人駕駛飛機系統的全面解決方案的方法，來幫助匯集民間和軍事專家。這本書很有用，是對聯合空軍和空間力量委員會出版的學術著作的寶貴補充。

 圖1.3提供了無人機系統組件及其相對空間排列的概況。根據組件本身、它所處的領域以及它與北約部隊的潛在距離，有不同的攻擊點作為采用反措施的選擇。雖然這些攻擊點可以由以下各節描述的任務來解決，但所有的攻擊點都應相互補充，并有助于全面的、多領域的C-UAS努力。

部隊保護

LSS無人機系統作為COTS產品，任何人都可以輕易獲得，并對關鍵的公共基礎設施和軍事設施構成迫在眉睫的威脅。確保友軍和關鍵基礎設施安全的部隊保護措施通常集中在需要保護的區域。自然和人為的障礙物，如樹木或建筑物，可以覆蓋LSS無人機系統的接近，并大大延遲對該地區這些物體的探測，進一步縮短可用的反應時間。力量保護措施的主要目的應該是拒絕UAS進入保護區域。然而，出于情報目的安全捕獲UAS可能也是可取的。

空中防御

較大的無人機系統可以在高達30,000英尺的高空運行，在某些情況下甚至更高。這些無人機系統的雷達截面（RCS）與任何其他傳統的飛機相當，因此可以被大多數空中和導彈防御（AMD）系統探測到并參與。然而，現代地對空彈藥并不便宜，而且是為打擊高價值目標而設計的。大量或成群的低成本無人機系統可能會迅速顛覆傳統AMD的成本效益比，并使目前的系統效率降低。短程防空（SHORAD）、反火箭炮、火炮和迫擊炮（C-RAM）系統，甚至是傳統的防空炮可能提供有效的，但也是高效的，對無人機系統的防御。

近距離空中支援和空中攔截

大型無人機系統的發射和回收通常從任務區內部或附近的地面控制站（GCS）進行。地面控制站可以是移動的，安裝在卡車上，也可以是固定的，放在地面上，例如靠近機場。在任何情況下，大型無人機系統的發射和回收元件（LRE）是一個高價值的目標，因為它通常負責發射和回收幾個無人機。消除一個LRE可能會使無人機系統的操作在相應的地區停止，因為新的無人機系統不能再被發射，空中的無人機可能無法被安全回收。因此，人工智能可能會在對手的無人駕駛能力甚至可以用來對付友軍之前，破壞、降低、拒絕或摧毀它們。

特別行動

一旦升空，大型系統通常可以從LRE移交給MCE，并通過衛星通信（SATCOM）進行BLOS操作。MCE可以位于任務區以外的地方，可能是在對手的領土深處，并利用一個加固的基礎設施。北約特種作戰部隊（SOF）可能被用作攻擊敵方MCE本身的手段，摧毀對無人機系統BLOS操作至關重要的SATCOM地面節點，甚至在無人機系統機組成員下班后殺死他們的戰斗人員。

網絡戰

無人機系統完全依賴于其計算機系統、信息技術和網絡連接。控制站，特別是在固定裝置（如MCE）內的控制站，有可能通過網絡空間受到攻擊，利用其硬件和軟件的安全漏洞，也可以利用人為的故障、疏忽或易感性。通過GSM網絡運行的COTS無人機系統很可能只能通過網絡空間領域進行訪問，因為電磁頻譜中的對抗措施可能是禁區，例如，如果頻率被公開使用。

電磁戰

無人機系統的C2是通過LOS或BLOS無線電傳輸進行的，通常也依賴于定位、導航和定時（PNT）信號。電磁作戰（EMO）可用于所有層級的UAS，以阻礙和破壞C2和PNT傳輸，甚至欺騙PNT信息以轉移或降落UAS。然而，"傳統 "的電子戰（EW）有其局限性，現代型號的UAS能夠自主飛行，不再依賴連續的數據鏈。然而，即將到來的定向能武器（DEW），如高功率微波（HPM）或高能激光（HEL），可能會給EMO組合增加動能，并可用于使傳感器有效載荷無法使用或摧毀無人機本身。

情報、監視和偵查

檢測飛行中的UA通常是防御它們的第一步。較大的UA甚至可以用傳統的雷達系統探測到，而LSS UA需要更多的專業設備將其與雜波，如樹葉和鳥類區分開來。然而，除了空域監視之外，可靠地識別入侵的無人機系統及其能力，以及識別C2傳輸的來源，對于選擇適當的反措施至關重要。這包括關于UA的能力和自主水平、對手LRE和MCE的位置，以及SATCOM資產和使用的頻率的信息。C-UAS系統必須得到這些信息，最好是實時的，以處理一個合適的目標定位解決方案。

空間領域

SATCOM是BLOS無人機系統操作的一個重要部分。但COTS UAS也利用各自衛星群提供的PNT信號。在 "外空條約 "的限制下，針對天基通信和PNT的反措施可能是一個合法的選擇，以抵御對手UAS的整個艦隊。這不一定需要反衛星武器的動能交戰。事實上，地面或天基干擾能力可能是有效的，而不需要冒產生大量碎片的風險，這些碎片可能使整個軌道無法為人類所用。

近年來，美海軍對無人系統的綜合衛星-地面網絡（ISTN）架構表現出興趣。隨著衛星網絡的發展和越來越多的無人系統網絡的連接，安全和隱私是ISTN的主要問題。在這篇論文中，我們專門為ISTN開發了一個網絡入侵檢測系統（NIDS）。我們確定了NIDS在ISTN架構中的關鍵位置，并使用決策樹機器學習算法對各種威脅載體進行網絡攻擊檢測，包括分布式拒絕服務。決策樹算法被用來對攻擊流量和良性流量進行分類和隔離。我們使用文獻中提供的開放源ISTN數據集來訓練我們的算法。決策樹使用不同的分割標準，不同的分割數量，以及使用主成分分析（PCA）來實現。我們操縱訓練數據的大小和數據特征的數量以達到合理的假陽性率。我們表明，我們基于決策樹學習的NIDS框架可以有效地檢測和隔離不同的攻擊數據類別。

本論文利用軸向動量理論（AMT）的修改版本和計算流體動力學（CFD）來模擬具有類似的簡化流動的多個螺旋槳，以估計小型無人飛行器（UAVs）的空氣動力恒定力。利用AMT的修改版本，對一個現成的商用垂直起降（VTOL）平臺和一個為向前飛行而優化的新設計進行了比較。

目標

本論文利用軸向動量理論（AMT）的修改版本和計算流體動力學（CFD）來模擬具有類似的簡化流動的多個螺旋槳，以估計商業現貨（COTS）垂直起飛和降落（VTOL）平臺上的空氣動力和重力作用。利用AMT的修改版本，對COTS平臺和為前向飛行優化的新設計進行了比較，以研究VTOL飛行器的潛在改進。

能源

美國國防部（DOD）有興趣在軍隊活動的地方開發和部署能源解決方案，而不是遠距離運輸燃料[1]。使用移動手段在當地生產氫氣可以使任務更加安全，并改革能源供應鏈[1]。由于氫氣的高燃燒熱和高比熱，它是傳統飛機燃料的一個有利的替代品[2]。

與傳統的化石燃料相比，"氫氣的體積密度明顯較低，但重量密度是其兩倍以上" [3]。在Sarkar和Banerjee對氫氣儲存方案的分析中，他們得出結論，氫氣 "似乎對長期可行性最有利"，"[壓縮方案]所需的總能量最低" [3]。壓縮氫氣增加了其體積能量密度，使其成為立即用于燃料電池或渦輪機的可行選擇[3]。氫氣有可能以有效和具有成本效益的方式得到適當的利用，通過水解使可再生能源的可能性變得無限大[4]。

一個小規模的、可靠的氫氣站在船上或部署，加上持久的無人指揮、控制、通信、計算機、網絡、情報、監視和偵察（C5ISR）資產，由當地生產的氫氣驅動，可以滿足全世界對自我維持和高度移動資產的需求[5]。由于氫氣可以使用任何可用的電能來源從水中制造出來，它幾乎可以在世界任何地方就地生產[2]。一種清潔、可持續和可移動的氫氣生產方法是電解水[3]。如果利用海水，每艘海軍艦艇都可以生產無人駕駛航空器（UAV）、無人駕駛水面艦艇（USV）或無人駕駛水下艦艇（UUV）所需的壓縮氫氣。這種能源獨立的海軍部隊將改革目前需要的供應線，并增加戰區資產的駐扎時間。

商業平臺

多旋翼飛機，如四旋翼飛機，正在成為軍事應用中更相關的平臺。由于多螺旋槳的設計，用計算便宜的方法對這些平臺進行建模被證明是一個挑戰。所選擇的COTS平臺將基于復合材料的結構與壓縮氫氣儲存和燃料電池技術相結合。像Intelligent Energy和HES Energy Systems這樣的公司已經證明了他們的燃料電池無人機在續航能力上可以超過只有電池的單位[5]。當操作氫燃料電池時，唯一的副產品是電能、熱量和水蒸氣。

海軍研究生院從HES能源系統公司獲得了一個名為 "Hycopter "的COTS平臺[6]。這個氫燃料電池驅動的系統具有以下飛行特性[7]。

• 在12升氫氣罐加壓到34.5兆帕（5000磅/平方英寸）且無有效載荷的情況下，飛行時間為3個多小時

• 宣傳的最大有效載荷為2.5公斤

• 最大起飛重量（MTOW）為16.5公斤

根據宣傳材料，"Hycopter無人機可以覆蓋6倍于當今大多數電池無人機的表面積，使大規模檢查更快、更便宜、更容易完成" [7]。在有人落水或海上搜救的情況下，這種增加的續航能力可以定位目標，彌補部署載人飛機進行救援所需的時間。圖1顯示了COTS平臺與市面上的附件。

"為安靜的長續航時間（LE）多旋翼飛行、可靠性和高性能而設計"，這種飛行器可能的軍事應用包括C5ISR或搜索和救援（SAR）任務，與有人駕駛的飛機行動一起或代替有人駕駛的飛機[7]。所宣傳的2.5公斤的有效載荷能力限制了將該平臺用于戰斗行動或營救受傷或被困人員的可能性[7]。

本研究的COTS平臺是一種VTOL飛行器，可在10分鐘內由一個兩人小組輕松部署，是當前技術的代表[7]。該COTS平臺的設計飛行特性包括最大橫向速度為15.6米/秒，最大輔助速度為3米/秒，最大傾斜角度為32度[7]。Yang為Aqua-Quad提供的稀少數據表明攻角和真實空速之間存在線性關系[8]。圖2顯示了Aqua-Quad的數據。

圖 2. Aqua-Quad 真實空速與平臺俯仰。

推力換算

COTS氫氣平臺與類似尺寸的電池動力飛機相比具有明顯的優勢，但由于該平臺專注于懸停飛行，因此在飛行包絡上受到限制。"為了實現最小重量的目標，VTOL飛機的設計應優化為向前飛行"[9]。"有四種技術可以將系統從垂直推力模式轉換為水平巡航飛行模式：傾斜飛機、傾斜推力、推力矢量和單獨（雙）推力" [10-12]。從概念上講，這些技術可以使飛機在相同的燃料量下，比同等大小的直升機多走一倍的路程，多走一倍的速度[13]。例如，V-22鶚式飛機的飛行包絡線超過了直升機，也超過了渦輪螺旋槳飛機的大部分[13]。

對懸停飛行的關注以類似于直升機和其他VTOL平臺的方式限制了多旋翼飛機。由于多旋翼飛機通常是無人駕駛的，所以沒有像V-22鶚式飛機那樣可以攜帶貨物或人員的駕駛艙的設計要求。設計方案將是一個傾斜的飛機，這大大降低了工藝復雜性，但保持了V-22所看到的類似優勢。與目前的COTS氫氣平臺相比，V-22的一個優勢是V-22有可變距螺旋槳。變距螺旋槳允許在所有的飛行模式下高效飛行。圖3顯示了飛翼方案的起飛配置。

圖 3. Bluff Body Flying Wing建議起飛配置

"飛機的航程取決于諸如空速、燃料容量、載荷、懸停要求和起飛/降落配置等因素" [13]。傳統的飛機在起飛時的推力值是被提升的總重量的百分之三十到四十[11]。對于VTOL飛機，垂直升降模式下的推重比必須超過工作重量一定的幅度[14]。圖4顯示了V-22飛行包絡線與傳統飛機相比的優勢。

圖 4. V-22 與直升機/渦輪螺旋槳飛行包線的對比。

在巡航飛行中，有人駕駛的直升機和旋轉型VTOL飛機的效率比管道風扇或渦輪風扇和渦輪噴氣機要差[12]。傳統飛行的續航能力和航程優勢使得從旋翼飛行過渡到固定翼飛行非常可取。保持旋翼飛機的配置限制了速度，因為在前進的葉片上會產生沖擊波，在后退的葉片上會出現失速情況[15]。這些跨音速問題嚴重限制了載人旋翼平臺的最高速度；然而，旋翼飛機在需要快速橫向運動和快速盤旋上升/下降程序的機動中速度較快[15]。對于較小的無人駕駛平臺來說，這些限制中的一些可能沒有那么重要。圖5顯示了V-22與傳統飛機相比在燃油經濟性方面的優勢。

圖 5. 到真實空速的特定航程（NM/LB 燃料）

論文大綱

第一章討論了燃料選擇的考慮，介紹了目前市售的無人機，并討論了推力轉換技術。

第二章討論了AMT和多項式速度分布的創建。

第三章討論了AMT在自由空間的圓盤上的應用，它在CFD建模中的應用，以及對自由空間的圓盤建模的結果。

第四章討論了COTS平臺的基本空氣動力學特征，用于創建飛行翼方案的設計特征和方法，工藝品的CFD建模，以及CFD建模的結果。

數字孿生有可能支持設計、建造、運營和維護美海軍部（DON）賴以開展海軍行動的平臺的決策者。然而，由于數字孿生的應用范圍和與之相關的風險仍不清楚，因此關于數字孿生的知識體系很薄弱，這給美海軍部帶來了挑戰。本論文進行了定性的技術評估，以確定采用數字孿生對DON的企業架構的影響。對企業范圍內采用的分析確定了數字孿生在DON的戰略、流程、人員、技術、網絡安全和風險管理方面的機會和風險。數字孿生提供的商業價值主要取決于物理平臺的總風險值和數字孿生同步的度和頻率。

海軍服務是基于平臺的（美海軍部，2020c）。在戰術層面上，海軍行動是由艦艇、飛機和潛艇等平臺進行的（海軍部，2020c）。這些海軍行動是為了履行海軍的持久職能。

海軍對復雜系統的依賴，如艦艇和潛艇，來進行海軍行動，這就要求有效地管理和開發這些產品及其相關的信息。這些產品的開發采用了設計、開發、運行和處置四個階段的過程。這個過程被稱為產品生命周期管理（PLM）。DON開發和維持有效的PLM是至關重要的。沒有足夠的PLM，國防部不可能開發、部署和維持滿足不斷變化的海洋環境需求的平臺。海軍作戰部長（CNO）2021年的NAVPLAN進一步強調了PLM對海軍的重要性。在他對美國海軍的指導中，CNO解釋說，"專業地照顧我們的平臺是我們的DNA"，"維持我們的船舶和飛機對滿足未來的需求絕對是至關重要的"（海軍作戰部長[CNO]，2021，第7頁）。

為了維持所需的PLM，DON必須發現和利用減少不確定性的手段。不確定性限制了決策者在他們管理的產品中避免風險和利用機會的能力。不確定性表現為知識不足的結果（Kramer，1999）。因此，不確定性可以通過決策支持工具來減少，這些工具可以為決策者提供及時和相關的信息，以做出更明智的決策（Kramer, 1999）。數字孿生是一種新興技術，能夠在PLM過程中支持DON決策者。數字孿生是現實世界系統的數字表示（Gartner，n.d.-a）與數字建模等類似概念不同，數字孿生是完全集成的，數據在物理產品和虛擬產品之間雙向常規流動（Grieves & Vickers，2017）。對產品數據的常規捕獲和分析可以支持對物理產品的決策。然而，在DON背景下，采用的好處和風險并沒有明確界定。本論文旨在探討數字孿生如何以及為什么可以在產品生命周期管理（PLM）的背景下被DON采用。

A. 問題陳述

美國防部的運作需要協作、復雜和昂貴的系統。國防部產品生命周期管理（PLM）中的挑戰導致操作能力下降以及財政需求增加。數字孿生有可能幫助國防部克服這些挑戰，保持國防部系統狀態的最新數據，并進行自動數據分析以幫助決策。然而，關于數字孿生的知識體系對國防部來說是一個挑戰，因為整個應用范圍和與數字孿生相關的風險仍不清楚。隨著國防部繼續尋找能夠延長其系統使用壽命的方法，由計算機支持的收集和響應通過數字孿生提供的數據變得越來越可取。因此，需要研究如何在DON企業內采用數字孿生，以及與這種潛在采用相關的商業價值。

B. 目的聲明

本研究的目的是探索如何在國防部內采用數字孿生。這項研究的重點是確定（a）數字孿生對國防部企業架構的影響，（b）采用數字孿生對美國防部PLM的好處和風險，以及（c）數字孿生能夠為國防部提供的商業價值。這項研究的目標很重要，因為美國防部PLM的不足對國防部的運營能力有直接的負面影響。這項研究的結果可以幫助國防部更好地了解如何采用數字孿生，最終目的是改善PLM，從而提供商業價值。

C. 研究問題

• 1.采用數字孿生如何影響海軍部的企業架構？

  • 1.1.業務流程是如何改變的？

  • 1.2.對海軍部的網絡安全有什么積極和消極影響？

• 2.如何采用數字孿生來支持海軍部的產品生命周期管理？

  • 2.1.數字孿生給組織帶來什么好處？

  • 2.2.數字孿生給組織帶來什么風險？

• 3.數字孿生能給海軍部帶來什么商業價值？

  • 3.1.所提供的價值是否值得采用？

D. 論文的組織

本論文又分為四章。第2章是文獻回顧，調查了數字孿生的背景、組成部分和應用。第3章解釋了分析的方法。第4章是基于研究問題的數字孿生的分析。第5章是結論，提供關鍵的見解、建議和未來研究的機會。

在談論網絡系統時，研究人員和決策者都廣泛使用 "可防御性（defensibility）"一詞，但沒有一個普遍的定義，也沒有觀察和衡量它的方法。本研究探討了在防御性網絡戰背景下如何定義可防御性，哪些關鍵因素構成了可防御性，以及如何衡量這些因素。為此，首先研究了學說和研究，為可防御性建立了一個意義框架。其次，該研究提出了防御者在防御性網絡戰中需要具備的七種基本能力，以及一套影響這些能力的系統屬性。最后，提出了一套對這些屬性的測量方法，以使可防御性得到觀察和測量。這項研究的結果是對防御性網絡戰背景下的防御性的定義，構成其防御性的系統屬性列表，以及對這些屬性的一套相關測量。利用這些，可以分析一個系統的可防御性，以表明防御者在系統中進行操作時可能有哪些限制，以及系統需要改進的地方。這項工作是將可防御性建設成一個有用的工具的第一步，它強調了在系統中進行動態防御行動的防御者的需求，而不是實施靜態措施以提高網絡安全的行為者的需求。

引言

根據美國陸軍理論，成功的防御行動的特點是 "破壞、靈活、機動、大規模和集中、深度作戰、準備和安全"（Department of the Army, 2019a, p. 4-1）。這些原則也可以適用于防御性網絡行動，但其在實踐中的應用還沒有得到廣泛研究。在討論信息技術（IT）系統和網絡能力時，可防御系統和可防御網絡這兩個術語經常被高級管理層用作戰略目標或要求（Cyber Operations，2015；Gorminsky，2014；Shachtman，2012；U.S. Strategic Command，2015；King & Gallagher，2020）。一個系統的可防御性通常包括的部分是與網絡安全領域相關的靜態措施，這個領域獲得了大量的研究。然而，第二部分則不太發達，是由與戰斗空間的準備有關的因素組成的，以實現或支持一個積極的網絡防御者。

本文作者作為一名網絡防御者已經度過了7年，在這期間，作者參與了與技術人員、系統利益相關者和高級管理層關于網絡防御性要求的一系列討論，在這些討論中，理論和研究都明顯缺乏對該術語的明確操作定義。只關注根據網絡安全的原則使系統安全，可能不利于成功利用網絡防御者的能力。流量加密是一個例子，它可以增加系統的安全性，同時也使防御者更難。在這個例子中，如果不采取措施讓防御者以可控的方式破解加密，他們檢查和修改網絡流量的能力就會受到限制，降低了他們的操作效率，使系統更難防御。

建立一個普遍的網絡可防御性定義，并將其操作化，以確定在藍色網絡空間開展行動時，哪些系統特征和相關變量對主動防御者有價值，這對于給防御者和系統利益相關者一個更好的機會來共同完成可防御的系統，從而提高防御行動的有效性并降低風險是非常重要的。例如，當被賦予防御系統的任務時，防御者可以使用這個定義來評估該系統在那里可能采用的能力，并將此傳達給利益相關者和決策者。如果系統的任何屬性阻礙了防御者的能力，這些都可以被指出并傳達。

A 問題與目的

問題是，在防御性網絡行動的背景下，網絡可防御性一詞定義不清，特別是在描述可防御的網絡或系統的特征時。這個詞經常在戰略層面上被用來表示意圖，但網絡防御者對指定系統的要求是什么的知識主要是默示的。此外，網絡防御者本身也缺乏一個共同和既定的詞匯來溝通和衡量這些要求。

這是一個問題，因為如果沒有明確的定義，可防御性就成了網絡安全的同義詞，這最終會阻礙積極網絡防御的全部潛力的實現。如果沒有一個公認的通用詞匯來表達進行防御行動所需的能力，就有可能在防御者在理想條件下的能力與特定指定系統中可能實現的能力之間出現差距。這可能會導致系統無法得到充分的防御，領導層和利益相關者對網絡和系統的狀況產生誤解，以及網絡防御者的利用不足和挫敗感。

本研究的目的是開發一個框架，用于分析和測量網絡領域的系統防御性。這包括定義和操作關鍵因素，因為它們適用于為主動防御者準備戰斗空間。

B 影響

這項研究的主要好處是，它將為網絡防御性提供一個共同的定義，使領導層、網絡防御者和系統利益相關者之間能夠更好地溝通。隨著關鍵能力的操作化，它也提供了一個可觀察變量的框架，在評估網絡或溝通優先級時開始衡量防御性。

這項研究的其他好處包括：促進對網絡防御者的能力和他們在特定的指定系統中實際能夠實現的能力之間存在的差距的理解；創建一個標準的詞匯，以改善網絡防御者和IT系統利益相關者之間的溝通；給網絡防御者提供一個模型，以便在評估系統和向決策者報告防御狀態時使用；為決策者提供防御性的不同方面和因素的明確操作化定義，使其能夠更清晰地與系統利益相關者溝通意圖和優先事項。

C 研究的問題

• 如何在防御性網絡行動的背景下定義網絡防御性？

• 在一個分析框架內，哪些關鍵因素和相關變量構成了防御性網絡行動背景下的系統防御性？

D 定義

網絡空間："信息環境中的一個全球領域，由信息技術基礎設施和駐地數據的相互依賴的網絡組成，包括互聯網、電信網絡、計算機系統以及嵌入式處理器和控制器"（參謀長聯席會議，2021年，第55頁）。

藍色網絡空間："網絡空間中由美國、其任務伙伴保護的區域，以及國防部可能被命令保護的其他區域"（Joint Chiefs of Staff, 2018a, p. I-4）。請注意，雖然本研究是基于美國的理論和定義，但目的是為了讓更多人能夠使用該定義。在本研究中，藍色網絡空間將被用來表示要防御的整個空間，主要是在討論一般概念和廣泛能力時。指定系統將被用來討論藍色網絡空間中的單個系統，在特定情況下要進行防御。

美國國防部（DOD）參謀長聯席會議（2018a）在聯合出版物3-12：網絡空間行動（JP 3-12）中定義了不同類型的網絡任務和活動，這將被用來為本研究提供行動背景。防御性網絡空間行動（DCO），分為內部防御措施（DCO-IDM）和響應行動（DCO-RA）（參謀長聯席會議，2018a）。本論文的重點是DCO-IDM，它被定義為 "授權的防御行動發生在被防御的網絡或網絡空間的一部分 "的任務（Joint Chiefs of Staff, 2018a, p. II-4）。在JP 3-12中，參謀長聯席會議（2018a）也斷言了防御和安全之間的區別。

• 聯合理論使用 "網絡空間安全 "一詞來區分這種戰術層面的網絡空間行動與國防部（DOD）和美國政府（USG）政策中使用的政策和計劃術語 "網絡安全"。為了能夠有效地規劃、執行和評估，理論區分了網絡空間安全和網絡空間防御行動，這是國防部和美國政府的網絡安全政策中沒有的區別，因為網絡安全一詞包括安全和防御的概念。(第II-6頁)

E 局限性

由于全球定義需要廣泛傳播才能產生效果，本研究將保持在非保密級別。這限制了在操作網絡防御性時可以解決的深度，因為它必須關注廣泛的能力而不是具體的技術要求。這樣做的原因是，網絡防御者的具體技術要求將勾勒出他們的能力。

這項研究的重點是網絡防御者和主動防御，而忽略了僅以靜態網絡保護為目的的方面。兩者都是全面防御所需要的，主動防御措施往往建立在健全的靜態保護之上（Fanelli，2016）。

無人機系統（UAS）在美國軍事行動中越來越突出。作為其現代化戰略的一部分，美國防部（DOD）目前正在開發先進的無人機，以及可選的載人飛機。在過去幾十年中，軍隊使用無人機執行各種任務，包括：

• 情報、監視和偵察；
• 近距離空中支援；
• 物資補給；
• 通信中繼。

分析人士和美國防部認為，無人機可以在許多任務中取代載人飛機，包括

• 空中加油；
• 空戰；
• 戰略轟炸；
• 作戰管理和指揮控制（BMC2）；
• 壓制和摧毀敵人的防空系統；
• 電子戰（EW）。

此外，美國防部正在開發一些實驗概念，如飛機系統體系、群集和致命自主武器，以探索使用未來幾代無人機的新方法。在評估潛在新的和未來無人機項目、任務和概念的撥款和授權時，國會可能會考慮以下問題：

• 能夠作為致命自主武器的無人機的擴散及其對全球軍備控制的影響；
• 與載人飛機相比，未來無人機的成本；
• 無人機對人員和技能的影響；
• 作戰和作業概念；
• 無人機技術的普及。

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。

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。

報告概述了反無人機技術及方法，介紹了美國國防部面臨的無人機威脅及反無人機投資計劃，以及美海軍、陸軍、空軍、海軍陸戰隊及國防部其它機構的反無人機武器研究進展情況，并指出了國會在監管方面可能面臨的問題。

1、報告發布背景

無人機系統技術迅速擴散，易被國家、非國家行為者和個人使用，這些系統可為美國對手提供一種低成本的手段，執行針對或攻擊美軍的情報、監視和偵察任務。大多數小型無人機尺寸小、使用特殊結構材料且飛行高度較低，無法被傳統的防空系統探測到。在2023財年，美國國防部計劃至少花費6.68億美元用于反無人機(C-UAS)技術研發，至少花費7800萬美元用于反無人機武器采購。隨著國防部繼續開發、采購和部署這些系統，美國會對其使用的監督可能會增加，也必須就未來的授權、撥款和其他立法行動做出決定。

2、反無人機技術概述

2.1 無人機探測技術

反無人機技術可以采用多種方法探測敵對或未經授權的無人機目標。一是使用光電、紅外或聲學傳感器分別通過目標的視覺、熱量或聲音特征探測目標；二是使用雷達系統探測，但由于小型無人機信號特征不明顯，該方法探測效果不佳；三是識別用于控制無人機的無線信號，通常使用射頻傳感器探測。這些方法通常被組合使用，以提供更有效的分層探測能力。

2.2 反無人機技術方法

各類系統探測到無人機后，電子戰“干擾”裝置即可干擾無人機與其操作人員的通信鏈路。干擾裝置通常可分為便攜式、固定式或可移動式，根據其類型的不同，重量可從幾公斤至數百公斤。除電子戰干擾裝置外，也可以使用槍支、網絡、定向能、傳統防空系統，甚至訓練有素的動物（如鷹）擊敗或摧毀無人機系統。目前，美國防部正在研發多種反無人機技術，以確保其具備強大的反無人機防御能力。

3、美國反無人機武器的研發進展情況

3.1 空軍

美空軍正在進行高功率微波和高能激光武器反無人機測試工作。2019年10月，空軍接收了一套車載高能激光反無人機武器系統 (HELWS)樣機。HELWS旨在在幾秒鐘內識別并壓制敵對或未經授權的無人機，幾乎可無限次射擊。此外，空軍還在尋求機載反無人機武器，目前工作狀態尚不明確。

圖1 便攜式反UAS技術

3.2 海軍

2014年，美海軍在“龐塞”號(LPD-15)上部署了第一款可作戰的激光武器系統(LaWS)，LaWS是30千瓦激光武器樣機，能夠執行反無人機任務。自那時起，美海軍就一直在開發和安裝更多的低、慢、小（LSS）無人機激光武器原型，以提高對抗水面艦艇和無人機的能力。

海軍正在研發部署的干擾無人機傳感器的光學致盲器“奧丁”（ODIN）及60千瓦“太陽神”（HELIOS）激光器，均旨在保護美海軍裝備和系統免受無人機襲擊。此外，在2019年3月28日的一份備忘錄中，海軍部宣布將與國防數字服務局合作，快速開發新的網絡賦能反無人機武器，以應對不斷演變的無人機威脅。

3.3 海軍陸戰隊

海軍陸戰隊通過其地基防空(GBAD)計劃辦公室資助了多個反無人機系統。2019年，海軍陸戰隊完成了海上防空綜合系統(MADIS)的海外測試，該系統采用電子干擾與炮彈相結合技術，可安裝在MRZR全地形車輛、聯合輕型戰術車輛和其他平臺上。2019年7月，拳師號USS BOXER LHD-4兩棲攻擊艦上的海軍陸戰隊員使用海上防空綜合系統壓制了一艘被認為在該艦“威脅范圍”內的伊朗無人機。作為地基防空計劃的一部分，海軍陸戰隊也在采購緊湊型激光武器系統(CLaWS)，該是美國防部批準的首個陸基激光武器，具有2千瓦、5千瓦和10千瓦三種型號，目前陸軍也在使用。盡管海軍陸戰隊已試驗了單兵攜帶反無人機技術，但海軍陸戰隊司令大衛·伯杰（DavidBerger）在2019年向國會作證時認為，由于重量和功率的要求，單兵攜帶反無人機技術沒有取得成功。

圖2 海上防空綜合系統

3.4 陸軍

2016年7月，陸軍發布了反無人機戰略，以指導其反無人機能力的發展。2017年4月，陸軍技術出版物3-01.81《反無人駕駛飛機系統技術》概述了作戰期間防御低、慢、小無人機威脅的規劃考慮，以及如何規劃并將反無人機士兵任務納入陸軍訓練活動。

反無人機是美陸軍作戰能力發展司令部的六層防空和導彈防御概念的一部分，六層概念包括：彈道導、低空無人機交戰(BLADE)、多任務高能激光(MMHEL)、下一代火控雷達、機動防空技術(MADT)、高能激光戰術車輛驗證機(HEL-TVD)、低成本增程防空(LOWER AD)。目前，上述系統仍在開發中，美陸軍已部署了一些便攜式、車載和機載反無人機系統。此外，美陸軍與國防數字服務局還在合作開發計算機支持的反無人機產品。

3.5 美國防部其他機構

美國防部正在研究和開發多種反無人機技術。聯合參謀部和其他國防部機構參與了反無人機研究工作，如“黑鏢”（Black Dart）演習，該演習旨在“評估和驗證現有和新興的防空和導彈防御能力及反無人機任務集特有的概念”和“倡導士兵所需的反無人機能力”。國防高級研究計劃局積極開展“反蜂群人工智能”等研究，為反無人機技術研發提供資金。2019年12月，國防部精簡了各種反小型無人機項目，指定陸軍為執行機構，負責監督美國防部所有反小型無人機的開發工作。

2019年12月，美國防部成立由陸軍領導的聯合反小型無人機系統辦公室(JCO)，負責監督美軍所有反無人機研發工作。通過與作戰司令部和負責采辦和保障的國防部副部長辦公室協商，該辦公室已評估了超過40種反小型無人機系統，并確定未來美軍反無人機項目的研發方向和標準，該辦公室還選擇了10種小型無人機防御系統和一個標準化的指揮控制系統，以進行后續研發工作。聯合反小型無人機系統辦公室還制定了一份聯合能力發展文件，概述了未來系統的作戰需求，并于2021年1月發布了《國防部反小型無人機系統戰略》。該辦公室還將制定另外一份國防部關于反小型無人機指揮和反小型無人機能力評估的文件。

根據計劃，美國防部將于2024財年在俄克拉荷馬州的福特希爾建立一個聯合反小型無人機學院，以在各軍種同步開展反無人機戰術訓練。

此外，美國會《2021財年國防授權法案》第1074節要求國防部向國會提交一系列報告，包括聯合反小型無人機系統辦公室開展的反小型無人機活動報告和獨立評估情況，以及無人機帶來威脅的報告等。

4、美國會面臨的潛在問題

伴隨美國防部開發、使用及部署反無人機系統武器，美國會需對其進行更多監管，并可能面臨如下潛在問題：

• 美國防部對反無人機系統的投資是否在研發和采購項目之間達到了適當的平衡；
• 為反無人機指定一個國防部執行機構在多大程度上減少了反無人機系統的冗余并提高了反無人機采購的效率；
• 在反無人機的開發和采購方面，國防部與其他部門和組織(如國土安全部、司法部和能源部)的協調程度；
• 為優化反無人機系統的使用并消除與其他美國軍事行動的沖突，是否需要對空域管理、作戰概念、交戰規則或戰術進行某些改變；
• 國防部在多大程度上開展了與聯邦航空管理局和國際民用航空局的協調，以識別和減輕民用飛機的反無人機操作風險。

參考來源：//mp.weixin.qq.com/s/XYS19BM8KakPEprF6fMLaw