本報告調查了 "低密度戰場 "以及在這種環境下使用武裝無人機的情況。低密度戰場是指規模不大的地面部隊在廣闊的地理區域內作戰，沒有連續的戰線，通信線路脆弱，可以選擇何時和在何種情況下參戰。

報告以現實世界中的 "巴伊拉克塔爾"TB2、"灰鷹 "和 "死神 "無人機類型為基礎，定義并討論了一種通用武裝無人機類型。報告在北歐-波羅的海地區構建了四個低密度戰場場景，評估了武裝無人機在其中的使用情況，并定義了武裝無人機的任務。報告概述并討論了武裝無人機的要求、概念、能力、優缺點，同時就未來發展提出了一些最終建議。

本文所定義的武裝無人機作為一種有效的能力，在低密度戰場環境下，特別是在較低沖突級別和面對模糊不清的情況下，具有巨大的潛力。其主要優點是簡單、低成本和耐用。其主要弱點是火力和生存能力。這種不成熟的概念需要融入當前的部隊結構，而且還有其他改進的余地，但逐步增加但昂貴的改進帶來了功能膨脹和成本爆炸的危險。

文中涉及多個主題：

• C4ISR、有效載荷恢復、許多不同平臺的通信干擾、
• SAA 和導航功能及其在 NAS 中的相互作用（即漏洞）
• 保護無人機系統免受網絡領域敵對意圖的影響，以及
• SCADA 系統以及如何在無人機系統飛行器中利用和保護這些系統。

在第一節 "無人機系統的競技場 "中，讀者將了解無人機系統作為一種技術的歷史和范圍，并將對無人機系統市場和政策有更深入的了解，這些政策既支持也抑制了該技術在 NAS 中的部署。第三章是第一節的最后一部分，介紹并討論了與無人機系統相關的一些關鍵漏洞。

在第二節 "無人機系統信息安全、情報和風險評估 "中，讀者將更詳細地了解無人機系統運行所需的信息漏洞，從而了解顯性、隱性和衍生安全要求之間的差異。第四章最后一段提到 "通信可能需要保密性、完整性和可用性保護"。如何將其融入無人機系統的設計至關重要。第五章探討了情報數據的類型和來源，并討論了無人機系統常見的攻擊/防御情況。最后，第二節以案例研究作為總結，強調了無人機系統在網絡領域的脆弱性。

第三節主要介紹防撞系統，該系統是無人機全面集成和有用系統的 "心臟和靈魂"。本節深入討論了感知和規避（SAA）系統，以及 SAA 系統的一個重要對手--"隱形設計"。最后，本節詳細討論了一個相關系統，即 "智能天空 "合作商業項目，SAA 是該項目的一個重要組成部分。

第四節主要涉及情報、監視和偵察（ISR）的國防應用、武器系統安全、電子戰考慮因素以及其他以信息為中心的行動。不關注軍事應用的人員不應忽視這部分內容，因為鑒于其所處的動態作戰環境，往往是軍方首先遇到技術漏洞。

第五節探討了各種系統組件的數據漏洞，并探討了系統內部通信途徑的關系和相關漏洞。第 14 章從詳細的角度深入探討了電子戰領域，包括對情報信息周期以及 "干擾 "作戰脆弱性的討論。本節最后討論了當前的國際威脅，以及與仍在出現的無人機系統技術處于前沿和中心位置的政治形勢相關的考慮因素。

第六節探討UAS / UAV敵對使用和對抗措施。

第七節探討技術更新。無人機系統在導航、武器、監視、數據傳輸、燃料電池、隱形、重量分配、戰術、GPS/GNSS 元素、SCADA 保護、隱私侵犯、恐怖主義用途、專用軟件和安全協議等方面的新發展。

本 AGARDograph 的主要目的是概述航空系統頭盔式顯示器 (HMD) 的測試和評估，包括這些系統的典型問題和測試執行中的風險。此外，它還旨在提高人們對 HMD 系統進行飛行測試所需的初始鑒定活動的認識。雖然重點是頭盔式飛機顯示器，但本 AGARDograph 中描述的許多方面同樣適用于頭戴式顯示器，后者可能會更廣泛地應用于民用領域。其目的是為測試界提供一份長期參考指南，為未來的測試項目提供參考。本 AGARDograph 介紹了標準術語、評級標準、典型測試技術以及設計 HMD 和測試此類系統的注意事項。AGARDograph 探討了 HMD 開發和飛行測試的以下關鍵領域，包括兩個案例研究，這將進一步突出這些領域：

1. 航空醫學鑒定；

2. 人為因素挑戰和現象；

3. 圖像和符號開發

4. 測試和評估；

5. 臺風 "前鋒 "II 飛行測試案例研究；

6. AW101 搜索和救援案例研究；以及

7. 認證。

HMD 為人類操作員提供關鍵的飛機運行和任務關鍵信息。最重要的要求是向觀看者提供易于理解和明確的信息，傳達安全有效地操作飛機所需的重要數據。在開發 HMD 時，該系統必須滿足在飛機上使用該系統的所有人群的人體測量和生理影響范圍。此外，安裝 HMD 的飛機通常是現有設計。HMD 必須與現有的駕駛艙基礎設施和人機界面 (HMI) 配合使用。確保信息提供和顯示控制的一致性至關重要。

在設計和評估系統功能時，操作角色和如何使用 HMD 至關重要。開發人員和飛行測試團隊應研究 HMD 將支持的操作任務，以幫助定制顯示信息和測試方法，從而全面評估系統在預定操作使用案例中的安全性和有效性。測試團隊還應研究有助于支持評估的其他定量數據，以及如何在飛機上或從攝像機、雷達等外部來源記錄這些數據。在許多情況下，對飛行員視線的影響和更長的熄火時間往往是需要考慮的關鍵參數。

與所有飛行測試一樣，了解所測試的系統以及該系統如何與飛機上的其他系統進行交互并發揮功能非常重要。模擬和建模、試驗臺飛機的使用以及在飛機上的逐步使用，對于建立測試團隊對所測試的 HMD 系統的了解以及了解該系統如何影響飛機的安全運行都非常重要。飛行測試團隊需要確保飛機在測試期間能夠安全運行或恢復到已知的安全運行狀態。隨著對 HMD 系統及其提供的視覺提示場景的依賴程度越來越高，這一點變得更加重要。

隨著技術的進步，輕型可穿戴顯示器和簡化頭部跟蹤技術（如虛擬現實或增強現實）的使用將使 HMD 能夠用于越來越多的航空應用案例。事實上，該技術的發展如此迅速，以至于 HMD 的定義也在發生變化，現在已包括 HMD 及其在傳統飛行員/武器操作員角色之外的其他機組人員崗位中的使用。作為這種不斷演變的角色的一部分，頭戴式顯示器和頭戴式顯示器這兩個術語正逐漸成為非頭盔中心應用的通用術語。本 AGARDograph 中討論的許多方面仍將是有效的考慮因素，因為人類和他們使用這些系統執行的飛行任務在不斷演變，但從根本上講，仍與近代歷史和今天所看到的非常相似。

由于成本、能力、政策和法規等因素，美國海軍（USN）和美國海岸警衛隊（USCG）艦艇上無人機系統（UAS）的使用目前受到限制。本分析報告的主要目的是研究 1-3 類 UAS 在執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及后勤任務時對水面艦艇性能的影響，并考慮小型 UAS 系統的哪些性能參數可能對執行這些任務最有意義。本研究使用的數據包括公開的無人機系統規格、艦船規格和指標，以及以前進行的成本/預算分析。這些信息被用來為潛在任務的各種模型提供信息，這一工具有助于根據用戶需求和成本分析選擇無人機系統。這些分析結果表明，無人機系統有利于其可能執行的任務--即相對于其他機載資產而言，能夠支持其較短的作戰時間和航程的任務。對于 ISR/SAR 場景，分析表明，與沒有航空資產的艦船相比，無人機系統可增加識別目標的數量，并縮短完全搜索作戰區域的總體時間。在后勤運送場景中，無人機系統被用于從港口取回貨物，與完全轉向港口的船只相比，無人機系統減少了運送貨物所需的成本和時間。

盡管目前美國海岸警衛隊（USCG）和美國海軍（USN）艦隊在較小的水面艦艇上使用的有機（即從艦艇上發射和回收）無人機系統（UAS）有限，但海軍作戰部長（CNO）的 2021 NAVPLAN [1] 包括了到 2045 年實現混合艦隊的目標。許多無人機系統資產能夠執行情報、監視和偵察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及輕型補給任務。在合適的行動中利用這些系統替代有人駕駛系統，可以節省實現任務目標所需的關鍵時間和精力。本研究旨在確定可提高美國海軍和美國海岸警衛隊艦艇執行關鍵任務性能的無人機系統參數，建立無人機系統行為和影響模型，與目前采用的替代方案進行對比，并提出一種方法，用于對考慮集成到水面艦隊的無人機系統替代方案進行早期評估。

本研究總結了無人機系統在一般情況下和海上環境中使用的相關文獻。研究還總結了所收集的有關無人機系統和船只類型的信息，以及它們的相關參數、規格和能力。然后，將收集到的信息綜合成 "無人機選擇工具"，分析無人機系統要求與船舶制約因素之間的相互作用。這個基于 Excel 的工具考慮了

• 哪些通用無人機系統參數在作戰場景中最有價值。
• 特定的無人機系統在這些參數上能達到什么能力。
• 哪些艦艇可以支持特定的無人機系統。

然后，該工具會計算出每種艦船類型可運行的無人機系統，以及每種無人機系統的相對價值。該工具可根據無人機系統、艦船類型和利益相關者偏好的實際數據輕松更新。利益相關者可利用該工具指導對特定無人機系統解決方案的進一步研究。

無人機選擇工具開發完成后，將考慮無人機系統對作戰方案的影響。這是通過場景開發和建模來實現的。首先，為 ISR、SAR 和后勤任務制定了名義上的作戰方案。然后，描述每種情景的相關指標（例如，搜索一個區域的平均時間）。最后，介紹包絡計算以及通過 ExtendSim [2] 進行的高保真模擬建模。ExtendSim 由 Imagine That Incorporated 公司開發，是一套功能強大的仿真軟件，可以進行連續、離散事件和其他形式的仿真建模[2]。然后使用這些模型來考慮各種艦船和無人機系統參數（例如無人機系統速度）的變化如何影響通過相關指標評估的任務性能。

對于所考慮的 ISR 場景，分析表明，加入無人機系統能力可顯著縮短搜索區域的平均時間。由于無人機系統的航拍時間是有限的，而搜索時間會隨著搜索范圍的擴大而增加，因此對較小區域的影響更大。隨著場景中目標數量的增加，無人機系統對縮短時間的影響也會增加。關于執行 ISR 任務的無人機系統參數，無人機系統的速度是關鍵--如果無人機系統的速度接近艦船的速度，無人機系統的影響就會減小。

在搜索和救援分析中，當使用無人機系統增加傳感器寬度時，無人機系統的能力可顯著縮短搜索箱的時間。在此，分析表明，無人機系統的總飛行時間是一個關鍵因素，無論是通過增加無人機系統還是延長續航時間來實現。無人機系統的傳感器寬度也是一個關鍵因素，傳感器范圍越寬，搜索箱所需的時間就越少。不過，雖然無人機系統可用來縮短搜索時間，但無人機系統的假定探測概率也很重要。如果探測概率較低，這種使用模式可能會導致總體探測次數減少。

還考慮了一種情況，即使用無人機系統提高總體探測概率，而不是增加傳感器寬度。在這種情況下，無人機系統實際上對場景時間沒有影響。與之前的合成孔徑雷達方案一樣，探測概率非常重要，在考慮的無人機系統探測概率較低的情況下，無人機系統對方案未探測到的影響可以忽略不計或為負值。在所考慮的無人機系統探測概率的高端（與假定的艦船探測概率相似），無人機系統對情景下未探測到的平均次數產生積極影響（即減少未探測到的次數）。最后，在需要發現的目標總數較少的情況下，無人機系統對未探測到目標的影響可以忽略不計，但隨著目標的增加，其影響也會增加。

此外，在水面艦隊中增加無人機系統執行 ISR 和 SAR 任務的影響方面，出現了以下趨勢：

• 在 ISR 情況下，無人機系統的速度是關鍵參數。
• 一般來說，在探測概率高的情況下，搜索次數越多，未探測次數就越少，而在探測概率低的情況下，搜索次數越多，未探測次數就越多。這意味著在獲取新系統時必須仔細考慮無人機系統傳感器。
• 與直覺相反，在搜索較小區域時，擁有無人機系統能力對 ISR 和 SAR 任務指標的影響更大。這是因為更大范圍的搜索需要更長的時間，而無人機系統的飛行時間有一個硬性上限。

當 ISR 和 SAR 環境中有更多目標需要尋找或確認時，無人機系統就更有可能產生影響。此外，還考慮了在水面艦隊中增加無人機系統的成本影響。分析表明，即使將無人機系統的采購成本計算在內，較小的現成商用無人機系統（COTS）解決方案的每小時成本也可能大大低于傳統的載人資產。隨著商用現貨無人機系統解決方案成本的增加，其每小時成本將接近載人資產成本的低端。這一分析取決于無人機系統的飛行小時數，因為其中包括固定采購成本。無人機系統資產的飛行時數越多，其比較單位成本就越低。本研究還考慮了無人機系統成本收支平衡的飛行小時數，或者說單個無人機系統的采購投資已經通過降低支持地面機隊的邊際成本而收回。這項分析假定無人機系統的飛行時數取代了載人資產的飛行時數。在此，如果假定所有無人機系統的飛行時數都能替代有人值守資產的飛行時數，那么成本較低和較高的 COTS 無人機系統都能迅速達到運行時數的盈虧平衡點。然而，對于成本較高的系統而言，運行小時盈虧平衡點在很大程度上取決于假定的替代率。對于假設的高端 COTS 無人機系統，如果單個無人機系統的 50%飛行小時可替代載人資產飛行小時，則達到運營小時盈虧平衡點的飛行小時數將比 100%替代率情況下增加約 680%。

歸根結底，在其他條件相同的情況下，將無人機系統納入水面艦艇編隊很可能會提高孤艦在 ISR 和 SAR 任務中的性能。將無人機系統集成到較小的水面艦艇中還將為指揮官提供更大的靈活性，以適應作戰挑戰。然而，并非所有的無人機系統都具備適當的速度、任務續航時間和航空電子設備組合，以提供有意義的能力。那些能夠提供有意義能力的無人機系統可能更大、更昂貴。這表明，必須謹慎選擇要集成的無人機系統。

1.1 報告的目的

本報告的目的是描述位于加利福尼亞州洛杉磯的美國陸軍作戰能力發展司令部（CCDC）西部陸軍研究實驗室（ARL-West）用于人類與機器人群互動研究的物理測試平臺，并介紹未來利用該測試平臺進行能力和實驗的機會。這是因為19財年ARL的集群項目，這是美國防部資助的研究人類與群體互動工作的一部分。

1.2 ARL集群項目

這里描述的ARL集群項目是ARL的車輛技術局（VTD）、傳感器和電子設備局（SEDD，現在的CCDC數據和分析中心[DAC]）以及人類研究和工程局（HRED）的一項聯合工作。我們將集群定義為一組完全或基本自主的智能體，以集體的方式進行互動，以完成一項任務。在我們的工作定義中，我們也會偶爾提到一些場景，在這些場景中，智能體是合作運作的，但不一定是一個集體的整體（例如，當機器人被分配單獨的任務，形成合作目標的組成部分）。這些通常被稱為多智能體或多機器人系統。智能體群體可能是同質的或異質的。

結合團隊成員在車輛技術、傳感器/機器視覺、處理器芯片和功耗、人類因素和感知/認知心理學方面的經驗，我們對人與群的互動有了深入的了解，并推動了建立人與群互動測試平臺。我們合作的一個主要見解是，電源需求、芯片限制和傳感器能力可能會大大影響人類的表現或人類對機器人群或其他多Agent系統的反應，但在人類-自主-群體互動的模型中很少充分考慮這些因素。為了推動研究，并為在這些領域和相關領域的繼續探索奠定基礎，ARL集群團隊在ARL-West創建了一個實體集群測試平臺：集群與人互動性能室內研究平臺（AIRSHIP）。這個測試平臺將允許研究界面、物理限制、人類因素及其相互作用如何影響人類-集群的任務表現和人類心理/生理反應。為了適應廣泛的實驗可能性，該試驗臺可以高度定制一系列的任務場景、自主資產的數量和多樣性，以及固有的和強加的物理約束。

從我們的討論和文獻回顧中，從創意技術研究所（ICT）開發的虛擬試驗臺中，以及從建模工作（例如Humann和Pollard 2019）中得到的啟示，強調了開發一個物理試驗臺以解決人與機器人群的互動研究問題的必要性。在我們設計的測試平臺中，我們旨在實現以下特點：室內、小型、便攜、高度可定制、靈活，以適應廣泛的實驗。

在此，我們描述了AIRSHIP測試平臺的現有能力，并闡明了在目前可用的硬件和軟件條件下，可以在這樣一個物理測試平臺上進行的各類實驗，以及未來可能對測試平臺進行的改進。

1.2.1 相關的ICT項目

一個關于人與機器人群互動的聯盟項目正在由ICT進行，ICT是由南加州大學管理的陸軍大學附屬研究中心（UARC）。該項目正在研究使用帶有虛擬人類發言人的自然語言對話界面，該發言人作為人類操作員和機器人群之間的中間人。在ARL的投入和指導下，ICT創建了一個基于模擬的測試平臺，在用戶與虛擬發言人和機器人群互動時，收集他們的自然語言數據。

基于模擬的測試平臺運行一個虛擬的搜索和救援場景，其中人類用戶指揮一個由無人機和地面車輛（分別為UAV和UGV）組成的異質團隊。在模擬中，一個小鎮受到野火侵襲的威脅，鎮上的居民必須通過利用無人機和UGV的不同方式來拯救。例如，一些居民迷路了，必須被指示跟隨無人機到安全地帶。必須調遣一輛UGV來清除道路堵塞物。除非人類指揮官通過附近的無人機拍下他或她的聲音，并親自與這對夫婦交談，否則無法拯救一對 "頑固的夫婦"。一個虛擬的人類發言人可以作為人類指揮官和自主車輛之間的中介，但人類也可以單獨指示這些資產。野火隨著時間的推移而蔓延，目標是盡可能多地救援城鎮居民。不同的居民和其他挑戰可以隨機分布在城鎮地圖上，并且可以進行修改，以改變可用資產的數量、野火侵襲的速度和方向，并增加進一步的挑戰（如無人機的損失）。人類指揮官使用一個語音麥克風和兩個電腦屏幕與系統互動。一個屏幕顯示虛擬的人類代言人，另一個屏幕顯示城鎮的地圖。(見圖1指揮官的工作區。)如果參與者指定他們的一些無人機提供監視，那么火力的進展在地圖上是可見的。無人機的行為和虛擬人類發言人的行為是由兩個奧茲國的巫師在幕后控制的。該測試平臺的早期版本在Chaffey等人（2019）中有所描述。

圖1 ICT的人-機器人群互動虛擬試驗臺，顯示了野火地圖、模擬無人機和通過自然語言與用戶互動的虛擬人類報告員

1.2.2 機器人群測試平臺的需求和概念

虛擬測試平臺有很多優點，包括可移植性、快速修改，在某些情況下成本較低。然而，人類對模擬機器人群的反應與人類對物理機器人群的反應不同。Podevijn等人（2016a，2016b）表明了這一點，與模擬機器人相比，與物理機器人互動時，壓力的心理生理學標志物升高。與較大的群組和較小的群組互動，也產生了類似的模式（Podevijn等人，2016a；Podevijn等人，2016b）。

一個虛擬的機器人群可能看起來與真實的機器人群的虛擬表現相同，只要指揮官不與實際的代理人在一起就可以了。然而，在許多情況下，人類指揮官和其他互動的人將處于戰術邊緣，與機器人代理一起在現場。從這些場景的虛擬模擬機器人群中得出的結論可能不完全代表實際物理機器人群的結論，在物理機器人群測試平臺中復制之前，也許最好將其視為初步結論。

使用物理機器人群測試平臺的另一個原因是為了更好地包括與機器人代理一起工作的現實世界的挑戰--即他們的物理需求和限制。異質組隊模擬很容易對飛行時間、電力使用、機械堅固性、有效載荷能力、相機分辨率等做出不現實的假設。當這些不切實際的假設在模擬中實現時，其結果是無法復制人類與多人合作的許多重大挑戰的情景。我們承認，仔細考慮這些參數可以使它們在模擬中得到更忠實的實現，我們也承認，我們的物理測試平臺不能完全復制所有這些問題。例如，使用微小的、低成本的、可移動的無人機有一個警告，即它們不能在室外飛行。因此，實際的天氣影響不能包括在我們的測試平臺中。然而，我們的測試平臺天生提供了關于飛行時間、電力使用、有效載荷能力、機械堅固性等方面的現實物理約束。

為了不同的實驗目的，已經開發了各種虛擬和物理的異質組隊測試平臺。我們將在下面的章節中強調幾個關鍵的例子。

1.3 相關工作

在本節中，我們提供了一個不全面的概述，介紹了具有多機器人/蜂群測試平臺的研究項目，這些項目可以檢驗人與機器人群的交互性能。全面的回顧超出了本報告的范圍，因此在這里我們只提供與ARL研究密切相關或合作的項目的細節。

用于人與多Agent交互的多功能虛擬現實（VR）測試平臺是加速用戶推理操作、研究和分析（AURORA）-XR界面，該界面正在由ARL為戰場物聯網開發（Dennison等人，2019）。AURORA-XR目前有一個虛擬的城市街區，有一系列的傳感器和代理，可以虛擬地檢測虛擬友軍和敵軍的運動。人類指揮官可以通過虛擬攝像機畫面和虛擬傳感器數據，從視覺空間角度調出不同傳感器和無人駕駛車輛的視圖。這個設置可以在圖2中看到。該模擬可被修改以執行不同的模擬任務，并被建議由HRED用于研究訓練人類在人-代理團隊合作中的相關技能（例如，不確定性量化和視覺空間透視）。

AURORA-XR的一個主要目標是作為一個可視化工具和異地協作工具（通過AURORA-NET），其中不同地點的多個人類可以同時與VR中的沙盤表示進行互動，以參與多領域行動的協作決策。

混合倡議實驗（MIX）測試平臺（Barber等人，2008年）將無人車和攝像機的模擬與操作員控制單元（OCU）界面相結合，如圖3所示，允許用戶控制無人系統。OCU是可定制的，底層的自主性模擬器軟件（無人系統模擬器[USSIM]）可用于模擬各種自動化程度不同的任務類型，包括偵察、目標識別和路線規劃等場景。MIX已經被用于各種研究中，用于智能代理的修改的OCU也是擴展研究的主題（Chen和Barnes 2014；Barnes等人2015）。

圖2 AURORA-XR的界面與實例的進給和攝像機角度

圖3 MIX測試平臺的OCU界面

在我們正在進行的工作中（Humann和Spero 2018；Humann和Pollard 2019），我們使用一個虛擬測試平臺來設計人類與無人機互動的適當算法并選擇適當的團隊規模。該工具可以模擬任何數量的人類、四旋翼無人機和固定翼無人機。人類被模擬為具有疲勞和工作負荷的現實效果。人類和自主資產執行監視任務，必須用相機掃過一個場地，以發現可能的危險，如車輛和火災（由固定翼無人機執行），然后對感興趣的點進行拍照（四旋翼無人機），最后分析以評估威脅程度（人類）。從這個分析中，可以從評估現場的整體準確性和速度方面分析向系統添加資產的回報。圖4顯示了模擬的一個例子截圖。

圖4 模擬截圖（Humann和Pollard 2019），顯示三個固定翼無人機、四個四旋翼無人機和兩個操作員合作執行監視任務

在ARL有兩項正在進行的工作，涉及多個分布式智能資產，正在為未來的工作開發測試平臺。第一個是分布式協作智能系統和技術（DCIST）的合作研究聯盟。這個項目將 "創建自主的、有彈性的、認知的、異質的群組，使人類能夠在動態變化的、惡劣的和有爭議的環境中參與廣泛的任務"（www.dcist.org）。DCIST的執行者已經討論了建立一個測試平臺（虛擬和/或物理）來測試智能系統的算法。雖然許多參與的學術機構都有自己的測試平臺供個人研究使用（例如，Pickem等人，2017年），但DCIST測試平臺的一個目標是使來自各合作機構的研究產品得到綜合實驗。

ARL正在進行的第二項工作是一個潛在的測試平臺，用于探索人類與智能系統的互動，將不同的人類互動模式與強化學習相結合，稱為自主系統的學習周期框架（Waytowich等人，2018；Goecks等人，2019）。他們實施了一個模擬，以探索使用人類示范來提高智能系統的能力（在引用的案例中，一個小型四旋翼無人機）。他們計劃繼續研究使用Crazyflie無人機在物理測試平臺上進行聯合互動的強化學習。

隸屬于南加州大學和ICT的研究人員在正在進行的研究中展示了多個機器人的協調行為（Tran等人，2018），同時自主飛行多達49架微型無人機（Preiss等人，2017）。他們還展示了最多三個人和六個無人機之間的用戶互動，這些無人機在房間里相互靠近導航（Phan等人，2018）。

執行摘要

• 與俄羅斯的軍事理論一致，俄羅斯軍隊在烏克蘭的情報、監視和偵察行動中廣泛使用無人駕駛飛行器（UAV）。這使得它們能夠在炮擊、反炮擊和精確打擊任務中發揮突出作用。

• 雖然ISR無人機在俄羅斯軍隊的大部分目標定位過程中發揮了核心作用，但似乎反應速度很慢，使其在打擊移動目標方面面臨挑戰。

• 探測和瞄準時間的滯后突出了俄羅斯武庫中缺乏軍事級別的無機組人員作戰飛行器（UCAVs）。這些系統將使探測到殺傷的時間更快。雖然俄羅斯軍方顯然正在對這些系統進行投資，這一點從戰前的軍事公告中可以看出，它們不可能很快出現在戰場上。

• 商業無人機在俄烏戰爭中嶄露頭角，以解決緊迫的ISR需求，并充當初級的閑置彈藥。俄羅斯軍方和領導層在接受無人機的作用方面進展緩慢，但現在正在鼓勵俄羅斯部隊使用這些無人機。

• 盡管承認這些無人機的重要性，但俄羅斯軍事工業綜合體在生產俄羅斯部隊所需的大量無人機方面一直進展緩慢。一些生產的缺乏可能來自于國內能力的缺乏，組織間的競爭和缺乏溝通，以及俄羅斯中央政府在這個問題上缺乏領導。

• 解決商用無人機短缺問題的一個新出現的辦法是，俄羅斯國內有一些團體正在為俄羅斯部隊提供無人機和無人機零部件，并在如何在軍事行動中整合和使用商用無人機方面充當思想領袖。

• 使用無人機的戰術、技術和程序（TTPs）已經通過戰場上的經驗得到發展。對俄羅斯和烏克蘭國內團體使用無人機的觀察，促使了為俄羅斯士兵提供無人機使用的標準化培訓和TTP的倡議。

• 在許多方面，裝有彈藥的廉價商用無人機在使用和損失率方面變得更像彈藥；許多無人機被視為對軍事地點和平臺造成損害的消耗性、一次性使用的平臺。這種使用的額外效果是使它們成為防空系統的昂貴目標，在保護軍事單位和關鍵基礎設施之間產生了潛在的烏克蘭防空就業妥協。

• 為了解決其軍事無人機的挑戰，俄羅斯人正在廣泛地使用伊朗生產的軍用無人機。這些無人機具有數百公里的射程和抗干擾系統，已被證明能有效瞄準烏克蘭軍事平臺和關鍵基礎設施。

圖1. 俄羅斯的偵察火力和偵察打擊概念

圖2. 俄羅斯偵察-射擊和偵察-打擊概念

美國空軍米切爾研究所發布了名為《理解B-21:美國空軍威懾轟炸機》的報告，針對當前的B-21“突襲者”隱身轟炸機采購計劃提出了新的建議。按照美國空軍現在的計劃，B-21的采購量可能達到132架，形成世界上最大規模的隱身轟炸機部隊。米切爾研究所的報告對這個采購數量并不滿意，按照他們的計算，B-21的采購量應該達到225架甚至更多，加上留用的B-52，轟炸機總數要達到300架以上，才能夠滿足未來中美沖突的作戰需求。那么，這個數字是怎么來的呢？

執行總結

70多年來，在所有威脅環境中進行大規模遠程打擊的能力一直是美國的一個決定性軍事優勢。空軍的遠程轟炸機為戰區指揮官提供了打擊廣泛的敵方目標的能力，否則美國和盟國部隊將無法進入這些目標。今天，這一優勢被嚴重削弱了。自冷戰以來連續削減兵力，再加上未能獲得小批 "銀彈 "的隱形轟炸機，意味著空軍在進入2023年時只有141架B-52Hs、B-1Bs和B-2s--大約是其1989年轟炸機部隊規模的三分之一。這種規模的部隊無法滿足日益增長的全球精確打擊的需求，包括在有爭議和高度爭議的環境中的行動，這已成為同行沖突的規范。好消息是空軍將很快投入使用B-21突擊機，這是世界上最先進的隱形轟炸機。持續的挑戰將是確保B-21項目獲得資源，以迅速獲得滿足作戰需求的庫存。這將需要避免類似于預算驅動的決定，這種決定幾乎侵蝕了自冷戰以來該部門所有的先進作戰飛機采購，如B-2、F-22和現在的F-35A。

本報告評估了重建美國轟炸機部隊的必要性，該部隊有能力同時擊敗同行在印度-太平洋地區的行動，可信地威懾另一個戰場上的機會主義侵略者，并阻止對美國的核攻擊--這都是2022年國防戰略（NDS）的要求。

近年來完成的多項獨立研究加強了對大幅增加轟炸機部隊的需求。那些質疑這項建議的人應該考慮到，轟炸機在擁有射程、生存能力和武器能力方面是獨一無二的，可以迅速挫敗中國對臺行動或其他對美國安全利益至關重要的印太地區既成事實的攻勢，這是美國防部（DOD）的節奏威脅。在迅速投入大量新的穿透力強的轟炸機方面的任何延遲都將繼續滑向一個規模不足的美國軍隊，它將難以擊敗中國并滿足其他國防戰略的要求。其他作戰飛機缺乏B-21的屬性，它們無法與B-21將為戰區指揮官提供的更多選擇相提并論。沒有 "突襲者"，就不存在這些選項的可行的 "B計劃"。

在一個大國競爭重新開始的時代，美國及其盟國面臨的最重大挑戰之一是需要遏制俄羅斯等國家對西太平洋或東歐的盟友或伙伴發動機會主義侵略行為的能力。本報告提出了一個 "通過偵測進行威懾"的作戰概念，以阻止俄羅斯等國家的侵略，該概念利用現有的非隱形長航時無人機系統（UAS）網絡，在西太平洋和東歐的關鍵地理區域保持實時、持久的態勢感知。

背景

俄羅斯等國家正在發展能力，在日益強大的偵察-打擊網絡的掩護下，迅速對其周邊國家發動入侵。西太平洋和東歐最有可能演變成危機和沖突的地理摩擦點離俄羅斯和中國比離美國大陸近得多。只需發出有限的警告，莫斯科等就可以利用他們的時間距離優勢，在美國及其盟國作出反應之前奪取盟國領土，從而造成事后難以扭轉的既成事實。

美國武裝部隊的配置很差，無法應對這些挑戰，而這些挑戰需要長期的監測而不是偶發的覆蓋。盡管美國防部擁有必要的現有和近期能力，即非隱身的長距離無人機系統，但它需要發展新的行動概念和組織來有效運用這些能力。利用無人機系統威懾機會主義侵略的新概念，我們稱之為 "通過偵測進行威懾"，也將從允許盟友和合作伙伴全面參與的方法中大大受益。

實施 "通過偵測進行威懾"的概念將需要一個由具有成本效益、持久性和可與廣泛的盟友和合作伙伴進行互操作的系統組成的情報、監視和偵察（ISR）網絡。實時態勢感知對于及時有效地應對次常規灰區侵略和常規既成事實博弈的雙重挑戰至關重要。執行ISR任務的無人機系統可以為即將到來的俄羅斯等的攻擊提供更多的警告，從而幫助確保前沿陣地的部隊準備好果斷的回應。通過增加預警時間，無人機系統將有助于減輕美國的時間-距離劣勢，從而使美國及其盟友能夠集結足夠的戰斗力來防止既成事實。"

實施 "通過偵測進行威懾"作戰概念

這項研究確定了亞太和歐洲的三個優先地理區域，進行長距離無人機偵察：臺灣海峽、中國南海和中國東海，歐洲的波羅的海、黑海和地中海東部。除了臺灣海峽、南中國海和東中國海之外，持續觀察中國海岸線上的軍事活動的能力將提高對態勢的認識，提醒美國及其亞洲盟友和伙伴注意中國即將發動的攻擊。監視中國的活動也可以達到監視的目的，從而有可能威懾該地區的其他機會主義行為者，如朝鮮和俄羅斯。

用于"通過偵測進行威懾"作戰概念的無人機系統來自美國、盟國和伙伴國的庫存，并將在國家集團中運作，也可能作為聯盟網絡的一部分。除了這里描述的那些任務外，還需要更多的無人機系統來執行ISR任務。

在亞太和歐洲戰場實施 "通過偵測進行威懾"戰略所需的無人機系統機身總數完全可以達到。事實上，這個概念的一個優點是，它采用了美國已經擁有的能力，但在大國競爭中卻沒有得到充分利用，因為它們在這種情況下的價值沒有得到重視。CSBA的分析表明，實施"通過偵測進行威懾"將需要在西太平洋地區部署46架飛機，在歐洲再部署46架，總共92架。除此以外，還需要更多的無人機系統來執行這里描述的ISR任務。 美國及其盟國和伙伴可以通過將現有飛機從其他地區和任務轉移到西太平洋和歐洲，以及將美國已經采購的一些飛機分配給新的任務來滿足庫存要求。這些決定將取決于每架飛機的生產狀況和現有機隊的規模。

根據國會預算辦公室的數字，估計92架無人機系統的年度運營成本將總計約14億美元。由于這些飛機將來自于現有的庫存，而不是新的采購，因此運營成本代表了國防部無論如何都會花錢來維持這些飛機的飛行（假設它讓它們繼續飛行）。由于這個原因，實施"通過偵測進行威懾"不應要求增加任何開支。相反，實施這個概念只需要美國防部改變它對已經支付的飛機的處理方式。由美國及其在西太平洋和歐洲的許多盟國和伙伴分攤，相對于預期的安全收益，每個國家的估計成本應該是可以承受的。

總之，美國及其盟國在與中國和俄羅斯的競爭中面臨著行動上的挑戰，包括阻止非常規力量的機會主義侵略行為的能力，這將導致既成事實的發生。"通過偵測進行威懾"，基于這樣的理念：如果對手知道他們一直在被監視，而且他們的行動可以被廣泛宣傳，那么他們就不太可能實施機會主義的侵略行為，這可以產生并保持實時態勢感知，從而有助于應對既成事實的挑戰。能夠執行大范圍持續監視任務的非隱身無人駕駛ISR飛機最適合于美國、其盟友和合作伙伴實施"通過偵測進行威懾"。但這一概念并非萬能，它只是邁出可能有效和可負擔的一步。

圖 MQ-9“死神”無人機

圖 1：使用無人機系統的 ISR 架構

圖 2: 建議的西太平洋無人機覆蓋區

圖 3:建議的東歐無人機覆蓋區

表 2：按地理區域按檢測概念進行威懾所需的 UAS 清單

本專著的目的是從防空歷史和空中力量穿透這些防御的工作中提煉出教訓。它從第一次世界大戰、第二次世界大戰、越南、"沙漠風暴 "以及俄羅斯和中國的現代發展中確定了六條經驗。這六條經驗為空軍和地面部隊在未來進行壓制敵方防空（SEAD）和滲透行動的努力提供參考。本專著探討了聯合部隊應如何對待SEAD任務的問題，以及來自陸地領域的部隊是否應在穿透地基防空系統方面發揮更重要的作用。

T.R. Fehrenbach提醒我們注意戰爭的一個持久特征。無論我們的技術變得多么復雜和先進，武裝沖突仍然需要士兵參與。空中力量理論家認為，在未來的戰爭中，人類可能不再需要近距離的暴力對抗，僅靠空中手段就能達到目的。雖然純粹的空戰仍然是一個遙遠的想象，但地面部隊將繼續奮勇向前，與泥濘中的人們一起奪取目標。本專論并不是說空中力量是不必要的；相反，它是至關重要的。空軍的覆蓋面和影響力已經與地面機動密不可分，在最近的戰爭中，空軍已經成為軍隊進攻的必要先導。然而，空中優勢作為地面進展的先決條件的模式可能不再成立了。移動式和便攜式防空系統的擴散，加上危害地面部隊的遠程打擊能力，無論其位置如何，都可能迫使地面作戰先于其空中補充。

本專著討論了聯合部隊在未來應如何進行壓制敵方防空（SEAD）。它考慮了攻擊性空軍和地面防御者之間的斗爭。具體來說，它討論了防空系統的進步已經發展到了美國空軍無法繼續承擔壓制和穿透它們的主要份額的程度。在未來，美國陸軍可能不得不對綜合防空系統（IADS）進行第一輪打擊，為美國空軍開始空中優勢的戰斗打開大門。

海上防空對于地面部隊的機動自由至關重要。在減少對手的防空資產之前，敵人的空軍可以隨意攻擊機動編隊。自從20世紀初早期的飛行者從飛機上投下第一件武器以來，空中力量對現代機動作戰一直是至關重要的。空中和地面防御系統已經發展到這樣的程度，即一支軍隊如果不首先擊敗其競爭對手的空軍就進行攻擊是不可想象的。迅速而徹底地擊敗伊拉克的防空系統并隨后摧毀其空軍，對于聯軍在 "沙漠風暴 "行動中的快速機動和壓倒性勝利至關重要。 以美國空軍為先導，然后是地面機動的SEAD模式是如此強大，以至于美國和北約的競爭對手注意到并進行了調整。今天的綜合防空系統（IADS）是高度網絡化的，相互支持的，并且是分層深入的。 這些防御網絡，再加上遠程彈藥的出現，造成了一個多層面的問題。國際防空系統迷惑了敵方空軍為其地面部隊建立機動空間的能力，同時遠程火力也使這些攻擊部隊受到威脅。先進的IADS與遠程彈藥的雙重困境，要求我們考慮我們目前的SEAD方法是否足夠。

所提出的假設是，聯合部隊應該作為一個密切協調的地面和空中團隊進行未來的SEAD。美國陸軍應該為反應靈敏、強大和機動的防空和導彈防御系統、遠程精確火力、地面發射的反輻射制導導彈（ARGM）和游動彈藥提供資源。

所采用的方法是對SEAD的歷史、理論和學說的研究。它考慮了SEAD從第一次世界大戰到現在的歷史。反擊空中和導彈威脅（聯合出版物3-01）將SEAD歸類為主要的進攻性反空（OCA）任務。其目的是 "通過破壞性或擾亂性的手段使敵方的地表防空系統失效、摧毀或暫時退化。" 美國部隊發展SEAD是為了應對日益復雜和有效的地基防空系統，它與防空的進步有效地共同發展。本專著中的防空歷史有五個主要部分。第一部分討論了第一次世界大戰中的空中力量發展，以及早期空軍能力的提高如何為地面機動提供了機會。一戰中對空襲的反應導致了二戰期間為防止滲透而對空中武裝進行牽制的武器的產生。二戰的戰斗人員完善了一戰中創造的技術，為進攻的空軍和地面的防御者開發了更致命的瞄準系統和改進的彈藥。在越南戰爭期間，越南人民軍（PAVN）采用了密集的防空武器組合，這需要美國裝備和訓練專門的飛機來壓制北越的防御；這是SEAD能力的第一個例子。接下來，該專著回顧了美國在 "沙漠風暴 "行動中對空地戰的運用，以顯示SEAD的有效性，以及它如何為其他世界大國進一步調整以對抗FM100-5中的理論提供了基礎。 第五章考慮了俄羅斯新一代戰爭（RNGW）、中國遠程導彈以及防空武器的擴散以防止滲透。作者將SEAD理論和學說的演變與歷史實例結合起來，說明空軍與IADS之間的競爭是如何發展到今天的高精尖系統的。最后，該專著提出了一個地面部分未來在對抗現代IADS的戰斗中的貢獻模式。

聯合部隊如何進行未來的海空防務行動，對于各軍種在面對未來的國際防空系統時如何整合和合作至關重要。現代國際防空系統對未來的空中行動，以及暗示的地面行動構成了一個重大障礙。國家和非國家行為者對地對空武器的使用加劇了國際防空系統的瓦解問題。它極大地提高了進行海空導彈和滲透敵占區所需的戰斗力水平。阿富汗圣戰者組織在蘇聯-阿富汗戰爭中使用 "毒刺 "導彈，以及最近在烏克蘭上空擊落馬來西亞航空公司MH17航班，都是這些系統的擴散已經超出既定軍隊嚴格使用的例子。在未來的戰爭中，雙方都可能面臨一個連續的國際防空系統和非正規部隊采用的未聯網的防空。聯合部隊必須開發多種方案來擊敗這些系統，并擴大他們的方法，以最大限度地提高靈活性，使空中和地面部隊能夠對由國際防空系統和獨立的地對空武器防御的對手構成眾多威脅。

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。