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無人飛行器（UAV）的雷達自動目標識別（RATR）涉及發射電磁波（EMW）并對接收到的雷達回波進行目標類型識別，這在國防和航空航天領域有著重要應用。以往的工作表明，與單靜態雷達配置相比，在 RATR 中采用多靜態雷達配置具有優勢。然而，多靜態雷達配置通常使用融合方法，從概率角度來看，這種方法將多個單獨雷達的分類向量進行了次優組合。

為解決這一問題，本研究利用貝葉斯分析法為無人機類型分類提供了一個完全貝葉斯的 RATR 框架。具體來說，我們采用了一種最優貝葉斯融合（OBF）方法，從預期 0-1 損失的貝葉斯視角出發，制定了一種后驗分布，將給定時間步長內多個單個雷達觀測數據的分類概率向量匯總在一起。這種 OBF 方法用于更新關于目標無人機類型的單獨遞歸貝葉斯分類（RBC）后驗分布。RBC 后驗分布以多個雷達在多個時間步長內的所有歷史觀測數據為條件。

為了評估所提出的方法，我們模擬了七架無人機的隨機行走軌跡，并將目標的縱橫角與在消聲室中獲取的雷達截面（RCS）測量值相對應。然后，我們比較了單雷達自動目標識別 (ATR) 系統和次優融合方法與 OBF 方法的性能。經驗表明，與 RBC 相結合的 OBF 方法在分類準確性方面明顯優于其他融合方法和單一雷達配置。

本論文借鑒了啟發式和元啟發式算法開發、資源分配問題和調度等領域的知識，以解決空軍的關鍵問題。世界依靠許多時間表運行。人們依賴于這些時間表，并期望它們準確無誤。需要一個可以動態調整時間表的過程，以便高效地完成任務。例如，太空監視網絡依靠時間表來跟蹤太空中的物體。該計劃必須利用傳感器資源跟蹤盡可能多的高優先級衛星，以獲得軌道路徑，并對碰撞路徑發出警告。衛星與其他軌道物質之間發生的任何碰撞都可能是災難性的。為了解決這一關鍵問題領域，本論文引入了單目標進化任務器算法和多目標進化算法方法。這兩種方法的目的都是制定太空物體跟蹤時間表，以確保對優先級較高的物體進行適當的潛在問題評估。模擬結果表明，這些進化算法技術可以有效地制定時間表，確保對優先級較高的太空物體進行跟蹤。這些算法適用于一系列動態調度領域，包括太空物體跟蹤、災難搜救和異構傳感器調度。

在沒有外部信標系統的情況下進行導航是自主系統界的一個長期目標。地形輔助導航（TAN）是外部定位的一種替代方法，但需要事先繪制地圖。在許多情況下，無人飛行器（UV）要勘測的區域沒有地圖，因此無法使用 TAN。主動地形輔助導航（ATAN）將強化學習（RL）納入 TAN，以減少對先驗地圖的依賴。空間和時間測量的不確定性造成了探索與利用的經典問題：探索所有地圖區域的同時利用已知區域以最小化位置誤差。一個雙隨機優化估計問題通過一個信息論框架（ITF）對探索與開發的兩難問題進行建模，該框架能實時實現信息增益最大化：這是一個計算復雜度很高的挑戰。使用一種稱為部分可觀測蒙特卡洛規劃過程（POMCP）的 RL 技術可降低計算成本。ATAN 采用 ITF 和 POMCP 為 TAN 提供更好、更靈活的覆蓋計劃。本論文的結果表明，UV 能夠在沒有事先地圖的情況下自主導航，同時最大限度地減少位置誤差，確保全面覆蓋，并在時間/能量限制內創建精確的地圖。通過 ATAN，UV 展示了更高水平的自主性，不僅改進了 TAN 框架，還為機器人領域提供了更大的發展空間。

即使任務有效載荷仍在運行，姿態控制系統故障也往往會導致任務結束。在本論文中，無跡制導的概念被應用于在沒有星軌或慣性測量單元（IMU）反饋的情況下調整反力輪衛星的方向。研究表明，在衛星慣性張量存在不確定性的情況下，利用最優控制理論正確設計的開環機動可以實現與閉環控制相當的終端姿態誤差。通常情況下，粗閉環控制用于實現小于 1 度的指向精度，然后再使用精細制導傳感器進行更精確的指向，以閉環進行科學采集。研究表明，利用非特征制導設計的反作用輪機動也能實現航天器亞度的指向精度，從而使控制切換到有效的精細指向控制模式成為可能。本文介紹的方法能夠恢復大角度姿態控制，因此，盡管 IMU 或星軌跟蹤器發生故障，任務操作仍可繼續。

無人駕駛飛行器（UAV）的應用非常廣泛。在軍事領域，這些系統可以充當地面單元和近海單元之間的通信中繼，或加強監視和偵察；然而，普通無線網絡設備的低傳輸功率和障礙物限制了這些系統的覆蓋范圍。多無人機中繼網絡可解決這一問題，提供更遠的距離和更大的覆蓋范圍。本論文的主要貢獻在于設計并實現了一個可擴展的無人機網絡，該網絡利用廉價的 IEEE 802.11 路由器和樹莓派（Raspberry Pis）同時控制六架商用四旋翼無人機。此外，還編寫了用于聯網、通信和數據傳輸的附加程序。對由此產生的網絡進行了室內測試，并對其性能進行了分析。

美軍目前的條令基本摒棄了使用潛艇協同戰術（稱為 "狼群戰術"），原因是 "狼群 "之間和 "狼群 "內部的協調十分復雜。然而，最近的技術進步可能會大大提高在狼群中行動的潛艇之間進行安全通信的可行性。基于智能體的建模用于模擬潛艇在戰時環境下的海上行動。模擬了三種安全通信可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續安全通信。考慮了三種戰時環境：獵殺過境商船的潛艇、在中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇，以及在中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。效果以 "產量 "來衡量，即目標的平均殺傷數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。模擬結果表明，隨著戰時中立航運的增加，"狼群 "戰術的成功越來越依賴于潛艇的安全通信和態勢感知。

圖 1.1. 狼群攻擊階段

由于編隊間和編隊內協調的復雜性，目前的條令已基本摒棄了使用潛艇協同戰術（即所謂的狼群戰術）。最近，自主水下定位、通信和其他技術的進步提高了水下艦艇之間協同作戰的可行性。此類技術的興起要求圍繞更具生存力和殺傷力的水下能力重新思考當前的作戰條令。對這一主題的深思熟慮的探索已經開始，如 Cares 和 Cowden（2021 年）對分布式戰爭時代艦隊戰術的未來進行了仔細分析。重新審視 "狼群 "戰術將為海軍思想家提供價值，因為他們將繼續在未來自主無人系統日益增多的海戰環境中尋找最佳戰略。

仿真用于探索 "狼群 "戰術在七個不同場景中的有效性，這些場景既改變了戰時環境，也改變了潛艇獲得信息的頻率。對模擬輸出進行分析，以確定 "狼群 "戰術的成功率在潛艇與目標環境之間安全通信的不同限制條件下如何變化。考慮了三種安全通信的可用性：潛艇之間無通信、每 10 小時通信一次和持續可用通信。考慮了三種目標環境：獵殺過境商人的潛艇、在含有中立航運環境中獵殺過境軍艦的潛艇以及在含有中立航運環境中作為水面行動小組（SAG）獵殺過境軍艦的潛艇。潛艇被分配到不重疊的水域空間，每艘潛艇都不會離開其分配的水域空間，也不會試圖擊殺其水域空間外的目標。船只進入第一個水域空間，然后前往第二個水域空間，依此類推。潛艇靠近并將其水域內的船只分類為中立或目標。分類完成后，潛艇會殺死被列為目標的船只。潛艇在一個水域發射的武器不會影響其他水域的潛艇，也不會影響航運行為。效果用 "當量 "來衡量，"當量 "的定義是成功擊殺目標的平均數量與 "狼群 "中潛艇數量的函數關系。潛艇沒有后勤限制，沒有彈藥限制，敵方戰艦也不會試圖摧毀任何潛艇。

當潛艇進行通信時，它們會將完美的信息傳遞給艇外實體，而不會失去隱蔽性或被攔截的機會。只有當潛艇探測到目標，但無法在目標離開其水域之前對其實施攻擊時，潛艇才會與艇外實體通信。所傳遞的信息是潛艇無法起訴的目標的位置和未來路徑。只有下一個水域的潛艇才會收到來自艇外入口的信息；它會在確定的時間訪問這些信息。與中立航運有關的信息不會傳遞。因此，雖然存在通信的動機，但通信對平均擊斃目標數量的影響是有限的。在戰時環境下，目標與中性商船到達率之比非常小，通信可最大程度地提高 "狼群 "的性能，使潛艇能夠更好地采取行動，摧毀隱藏在大量中性航運交通中的水面行動小組。

計算機視覺與現有艦載飛機傳感器的集成為利用通常被忽視或丟棄的數據提供了機會。每天，旨在幫助機組人員導航或瞄準目標的傳感器都會收集數千小時的圖像，這些圖像可用于情報收集。在不影響飛機任務和機組人員程序的情況下，計算機視覺可作為附加功能安裝。

本論文提出了將計算機視覺集成到海軍戰術飛機上的基本概念（CONOPS）。論文探討了樣本飛機的能力，以檢驗基于航空計算機視覺的可行性。監視、持續觀察和目標識別（SPOTR）系統的程序和演示能力被用作 CONOPS 的起點。征求了主題專家對 CONOPS 草案的初步意見和反饋。基本工程流程被用作制定 CONOPS 的框架。

在飛機上增加計算機視覺功能的時間相對較短，而且成本較低，這使得 SPOTR 等系統成為為作戰人員提供新能力的可行選擇。

許多武裝部隊正變得以網絡為中心并高度互聯。數字化戰場的技術進步促成了這一轉變和分散決策。隨著戰場的演變，任務要求部隊具有機動性并支持多種戰術能力，目前部署靜態無線電中繼節點以擴大通信范圍的概念可能不再適用。因此，本論文旨在設計一種使用無人機系統（如航空浮空器和戰術無人機）的作戰概念，為戰術部隊提供視距外通信，同時克服全球定位系統失效環境下的限制。鑒于聯邦通信委員會規定工業、科學和醫療頻段的最大有效各向同性輻射功率為 36 dBm，擬議的概念分為三個階段，以評估操作和通信系統需求。兩個節點之間的最大通信距離可使用 Friis 傳播方程進行研究。此外，還使用 Simulink 軟件研究了有效應用吞吐量與距離的關系。分析結果表明，IEEE 802.11ax 可提供更高的數據吞吐量，并支持 2.4 GHz 和 5.0 GHz 兩個頻段。通過模擬環境和運行場景，確定了在 50 千米乘 50 千米的區域內提供通信覆蓋所需的航空系統估計數量。

隨著數字化戰場的擴展，以及對可進行多域作戰的高度互聯部隊的需求日益增長，目前在戰區采用靜態中繼節點的通信概念可能不再可行。因此，本論文旨在設計一種作戰概念，利用無人機作為戰術部隊的通信中繼節點，同時克服全球定位系統（GPS）封閉環境的限制。具體來說，這項研究的主要重點是確定這一作戰概念的最大通信范圍，并研究兩個空中中繼節點之間的有效數據吞吐量。此外，研究還試圖確定提供 50 千米乘 50 千米或同等通信覆蓋所需的空中中繼節點數量。最終，本論文的研究結果旨在進一步提高作戰行動環境中的通信效率。

擬議的作戰通信框架將采用一種混合通信系統，同時使用航空浮空器系統和戰術無人機作為通信中繼節點。利用戰術無人機的靈活性，在需要時可以方便地增加網絡數據帶寬。為分析行動需求和可部署的通信系統類型，擬議的行動構想分為三個不同階段。

為了研究擬議概念的可行性，采用了 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n Wi-Fi 標準來檢查網絡性能，并確定估計的有效通信范圍。之所以采用這些 IEEE 標準，是因為它們可以在 2.4 GHz 和 5.0 GHz 頻段上運行。

根據美國聯邦通信委員會 (FCC) 的規定，在 2.4 GHz 頻段工作時，工業、科學和醫療 (ISM) 頻段的最大有效各向同性輻射功率 (EIRP) 規定為 36 dBm。通過限制輸出功率和有效輻射功率，可以確定在 2.4 GHz 和 5 GHz 頻段工作時的理論有效通信范圍。利用弗里斯傳播方程，計算出的范圍分別約為 5.5 千米和 2.6 千米。

通過修改 MATLAB Simulink 軟件中現有的 IEEE 802.11 MAC 和應用吞吐量測量模型，確定了使用 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n 標準的有效應用吞吐量。從仿真結果可以看出，隨著距離的增加，兩種工作頻率的應用吞吐量都會下降，這是由延遲和數據包丟失數量增加等因素造成的。此外，與 2.4 GHz 相比，5 GHz 頻段的傳輸距離較短。因此，為了彌補傳輸距離的限制并優化在 5 GHz 頻段工作時的數據吞吐量，建議使用比在 2.4 GHz 頻段工作時更高的信道帶寬。

從模擬結果來看，IEEE 802.11ax Wi-Fi 標準的數據吞吐量高于 IEEE 802.11n。這是因為 IEEE 802.11ax 采用了比 IEEE 802.11n 更有效的調制和編碼方案。因此，以 IEEE 802.11ax 作為推薦的 Wi-Fi 標準，在 2.4 GHz 和 5 GHz 上運行時的最大應用吞吐量分別約為 4.403 Mbps 和 4.488 Mbps。

為了估算在 50 千米乘 50 千米的作戰區域內提供通信覆蓋所需的空中中繼節點數量，使用了地圖規劃工具軟件 ArcGIS Pro 來模擬作戰區域并規劃通信網絡。根據計算得出的有效通信距離和地圖規劃，估計總共需要 23 個航空浮空器系統才能在 2.4 GHz 頻段上提供網絡覆蓋，另外還需要 24 架戰術無人機才能支持在 5 GHz 頻段上運行的更高數據帶寬網絡。

值得注意的是，本論文僅限于分析兩個空中中繼節點之間的性能，并使用了仿真模型。在現實世界中，有多種因素可能會影響室外環境中的網絡性能，例如地形影響造成的衰減。因此，為了更好地了解系統的性能，建議在實地進行深入的開發測試，并考慮環境造成的衰減和干擾。在這種情況下，提供通信覆蓋所需的空中中繼節點的估計數量可能會有所不同。此外，性能和有效通信距離也可能下降。

除中繼通信外，空中中繼節點的高度優勢還可提供額外服務，如執行監視和偵察任務。因此，為了最大限度地提高系統性能，建議未來的研究人員研究不同傳感器系統可能造成的干擾影響。為了最大限度地降低干擾幾率，可能有必要制定詳細的頻率分配計劃，以確保不同系統之間有足夠的頻率間隔。

雖然在高風險的武裝沖突環境中，可能很難在地面上收集信息，但衛星提供了一種非侵入式的概述情況的形式。當涉及到監測城市損害時，這通常與高成本有關，因為必須購買非常高分辨率的圖像。同時，有一些衛星的圖像只有中等分辨率，但它們以較高的重訪頻率覆蓋世界，并向公眾開放其圖像。因此，本論文旨在回答這樣一個研究問題：是否有可能利用深度學習在中等分辨率的光學衛星圖像中自動檢測武裝沖突的破壞。從語義分割的角度出發，創建了一個伊拉克和敘利亞的參考數據集，其中包括用來自UNOSAT的損害信息按像素標注的Sentinel-2圖像。該數據集被用來訓練FCN、U-net以及簡化的6層ResNet。雖然表現最好的模型在識別較稀疏的損害模式時有困難，但在檢測損害集群時表現良好。實驗顯示了避免失去分辨率的重要性，例如，將步長保持在1。此外，標簽對模型的性能有很大的影響，這表明為了避免在地面實況中出現錯誤的負面標簽，最好標記得太多。提出了一種跨學科的方法來創建和維護武裝沖突損害的數據庫，這可能對武裝沖突的空間發展研究有重大影響。納入不確定性測量和驗證的方法對其適用性至關重要。

與傳統的雷達系統不同，認知雷達被設計為采用感知-行動周期來不斷適應其環境。自適應波束導向認知雷達（AB-CRr）系統試圖通過制定適應其環境的波束布局策略來提高探測和跟蹤性能。AB-CRr不是在搜索場景中采用傳統的光柵掃描，而是建立一個目標環境的概率模型，使其能夠更有效地利用其有限的資源來定位和跟蹤目標。在這篇論文中，我們研究了調整AB-CRr框架以探測和跟蹤大型目標群的方法。這是通過將相關運動群的特性整合到雷達跟蹤模型和AB-CRr的基本動態概率模型中來實現的。結果表明，AB-CRr能夠調整其波束轉向策略，在搜索和跟蹤應用之間有效地進行資源平衡，同時利用群結構和群內目標的相關性來抵制大型群的可用資源過載。