該項目為與使用無人系統支持分布式海戰（DMO）有關的作戰概念和系統設計決策提供信息。研究通過系統地改變仿真模型中的系統設計特征和作戰活動，支持對無人系統（UVC）進行能力級分析。分析結果表明，UVC 可提高各種無人系統的作戰可用性（Ao）和使用時間（TOS），因為它可隨時進入維護、加油和重新武裝設施，而無需長時間前往岸基設施或分布式支援艦艇。在比較使用 UVC 的配置與在自適應兵力包 (AFP) 中分配無人系統支持的配置時，單個無人系統的 Ao 提高了 6% 到 31%。仿真模型分析確定了 UVC 架構，其中包括至少 8 個無人機發射回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個甲板井托架，以最大限度地提高 Ao。

在支持分布式海上作戰（DMO）時，無人系統有可能發揮兵力倍增器的作用，在提高殺傷力的同時降低有人系統的風險。然而，無人系統到岸基維護、加油和重新武裝設施的轉運時間減少了可用于支持執行 DMO 的自適應兵力包（AFP）的總體駐扎時間（TOS）。本項目研究了無人水面艦艇 (USV)、無人水下航行器 (UUV) 和無人機 (UAV) 在美國海軍現有艦艇上的集成問題，該艦艇已被重新改裝為無人載具 (UVC)。在本報告中，"UxV "一詞用于描述無人系統這一類別。

如 Van Bossuyt 等人（2019 年）所述，項目團隊采用了系統定義、系統建模和系統分析的通用系統工程流程序列。在系統定義過程中，項目團隊重點開發了作戰概念（CONOPS），并定義了 UVC 的系統要求。系統建模活動的重點是構建 UVC 的離散事件仿真模型。在系統分析階段，團隊利用所開發的模型來評估 UVC 的各種設計參數對每種無人系統類型的運行可用性（Ao）的影響。

A. 系統定義

在系統定義階段，從自上而下和自下而上的角度開發和考慮了 UVC 要求。從自上而下的角度來看，團隊分析并確定了滿足總體任務有效性目標所需的能力，而與任何現有的候選平臺無關。從自下而上的角度來看，團隊評估了一艘登陸直升機船塢（LHD）艦，以確定該平臺可實現的最大 UVC 能力。通過查閱文獻和分析利益相關者的需求，項目團隊確定了 UVC 的以下關鍵能力：指揮與控制 (C2)、UxV 發射、UxV 維護和 UxV 回收。根據設想，UVC 將包括著陸甲板無人機發射和回收站、無人機維護/布防/燃料艙、用于大型 USV/UUV 操作的船舷艙或站，以及用于小型 USV/UUV 操作的井甲板艙。

B. 系統建模

項目構想將 UVC 視為針對地面和岸上敵對兵力實施 DMO 的 AFP 的一部分。UVC 的作用是支持 UxV 對敵方岸基導彈基地進行偵察和打擊。在打擊階段之前、期間和之后，UxV 提供全天候的情報、監視和偵察（ISR）、目標定位和戰損評估服務。UVC 的總體目標是通過消除到岸基支持設施的較長運輸時間來增加 UxV 的全時服務時間。為實現這一總體目標，研究小組選擇 "航程 "和 "持續停留時間 "作為性能指標（MOP），并選擇 "UxV 任務時間"、"UxV 停機時間 "和 "維護灣利用率 "作為效果指標（MOE）。

設計并開發了一個離散事件仿真模型，用于分析 UVC 設計參數對 MOP 和 MOE 的影響。該模型是通過 ExtendSim10 建模程序開發的。該模型包括 UxV 發射和回收、UxV 維護活動以及 UxV 重新武裝和加油活動。UxV 的發射時間表和總模擬運行時間是根據擬議的 UVC CONOPS 制定的。目前，該模型并未考慮 UxV 的損失或故障；這是未來可能開展工作的一個領域。模型的主要輸出是每種 UxV 的 Ao。

C. 系統分析

為了廣泛探索實驗空間，同時減少試驗總數和模型運行時間，我們專門設計了一個填充空間的拉丁超立方設計。每次試驗重復模擬 30 次并收集結果。合并所得的 Ao 值，得出每個試驗的統計平均值。

分析結果表明，UVC 可隨時提供維護、加油和重新武裝設施，而無需在岸基設施或分布式支援艦艇之間進行長時間的轉運，從而改善了每種 UxV 的 Ao 值和 TOS 值。對于任何特定的 UxV，通過增加 UVC 發射、回收和維護站的數量，從而消除或減少這些服務的排隊時間，可獲得最大的 Ao。分析表明，UVC 在設計時應至少配備 8 個無人機發射/回收站、至少 3 個船舷托架和至少 5 個焊接甲板托架。這些參數沒有確定上限，這也是未來研究的一個潛在領域。

有趣的是，雖然 UVC 的存在改善了大型無人水面艦艇（LUSV）的航速，但 UVC 的實際設計似乎對 LUSV 的航速沒有影響。這可能是由于 LUSV 的假定任務持續時間長，假定維護間隔長，因此不可能出現任何排隊現象。單個船側停泊區似乎足以為多艘 LUSV 提供服務，但即使是單個船側停泊區，也可通過消除到岸基設施的轉運時間來改善 Ao。

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。

這個項目利用RL的一些最新進展來開發實時戰略游戲的規劃器，特別是MicroRTS來代替Stratagem計劃的兵棋。PI實驗室的這些進展之一被稱為強化學習作為預演（RLaR）。在此之前，RLaR只在玩具基準任務中進行了評估，以確定其在減少樣本復雜性方面的功效。這個項目為行為者-評論者架構開發了RLaR，并首次將其應用于具有不完整信息的復雜領域，如MicroRTS。本項目中應用的另一項技術源于最近在復雜的《星際爭霸II》游戲中多智能體學習的成功，特別是多階段訓練的架構，在訓練穩健策略的中間階段發展聯盟和聯盟開拓者策略。

我們針對MicroPhantom--最近MicroRTS比賽的亞軍--對RLaR進行了訓練，結果表明它能夠對這個對手進行有效的計劃，但使用的樣本比相關基線少。另外，我們使用4個階段的訓練方案在自我博弈中訓練RLaR，并針對MentalSeal（冠軍程序）和MicroPhantom評估了訓練后的策略。雖然該策略在面對MicroPhantom時再次顯示出良好的性能，但它在面對MentalSeal時卻沒有表現得很好。根據先前的初步發現，針對MentalSeal的訓練是非常緩慢的，我們推測需要大量的訓練時間，而不是我們在這個項目的延長期內能夠投入到這個步驟中的。

美國防部增材制造戰略（2021年）和陸軍指令2019-29（2019年）（通過先進制造業實現戰備和現代化）表明，軍方正在努力將增材制造融入軍事系統。這項定性研究的目的是探索增材制造技術的進展，以評估增材制造部件在陸軍旋翼飛機上關鍵安全應用的可行性。本研究概述了陸軍飛機關鍵安全項目的鑒定過程，回顧了美國防部和陸軍的增材制造政策，詳細解釋了粉床聚變和定向能處置增材制造工藝，并回顧了一個案例研究。增材制造技術需要嚴格的材料和工藝控制，以及重要的鑒定檢查和測試，以支持陸軍航空的關鍵安全應用。然而，增材制造技術已經成熟，現在該技術已經準備好為關鍵應用生產高質量的復雜旋轉翼零件。

概念框架

本研究的概念框架定義了研究過程的目標。首先，本研究將提供一個陸軍航空CSI資格認證過程的概述。本研究將簡要討論與AM和航空有關的陸軍和國防部政策，以便為AM在陸軍航空中的相關性提供背景。然后，本研究將提供適用于陸軍旋翼飛機關鍵應用的金屬部件制造的AM工藝研究。最后，本研究將以一個案例來結束，該案例提供了一個陸軍旋轉翼飛機上使用AM部件的鑒定過程的例子。圖1顯示了生產增材制造關鍵安全項目的研究的概念框架圖。

引言： 凍傷（FCI）是極端寒冷天氣作業中的一種常見風險。盡管人們早已認識到這種風險，但傷害的發生往往是稀疏的，而且是在地理上分布的，可以系統地研究的案例相對較少。改善FCI醫療管理的第一個挑戰是為FCI分類制定一個共同的命名法。這對于制定有意義的FCI規模和嚴重程度的流行病學報告，對于治療研究中病人納入標準的標準化，以及對于臨床診斷和治療算法的發展，都是至關重要的。

方法： 利用PubMed對文獻進行范圍審查，并與Google Scholar交叉核對，使用與嚴寒損傷和凍傷有關的搜索詞，突出了已發表的臨床論文的匱乏和對分類方案幾乎沒有共識。

結果： 總共發現了74篇論文，其中28篇被納入審查范圍。已發表的報告和研究一般可分為四種不同的分類方案，分別是：（1）損傷形態；（2）體征和癥狀；（3）病理生理學；和（4）臨床結果。不同分類系統中的命名并不連貫，而且離散的分類界限也沒有證據。

結論： 所有的分類系統都是必要的，并且與FCI的醫療管理有關，以維持士兵在寒冷氣候行動和冬季戰爭中的健康和表現。未來的FCI報告應將FCI的性質清楚地描述為現有的分類方案，用于監測（形態、癥狀和外觀），確定風險因素、臨床指南和未來治療試驗的同意納入/排除標準。

在這份科學報告中，研究了一個導彈防御的問題，其中有異質的來襲再入飛行器（RVs）。也就是說，這些再入飛行器由不同類型的導彈組成。防御系統利用也是導彈的攔截器來試圖攔截再入飛行器。我們建議，在有異質RV的簡單交戰場景中，防衛方可以使用最佳最后交戰機會（SLS-OLEO）的射擊戰術來優化其在最后交戰機會中的突襲否定概率（PRA）。為了優化這種方法，我們利用天體動力學、帶約束的微積分、微擾理論、動態規劃和生成函數以及PRA的凹特性來比較各種射擊戰術。這種方法使我們能夠確定針對RV的攔截器的最佳分配，使PRA最大化。此外，我們還考慮了PRA如何有助于綜合系統有效性的概率（PISE），這反過來又決定了彈道導彈防御系統（BMDS）的全球有效性。原則上，該方法一般適用于導彈。然而，我們確定交戰機會數量的方式是基于彈道導彈的。

對國防和安全的意義

在導彈防御方面，至關重要的是，防務部門要消除來襲的RV，以保護其資產和人口。眾所周知，有一種基于RVs數量、攔截器數量及其特性（如單發殺傷概率（SSBK）和交戰機會數量）的發射策略，可以最大限度地提高突襲否定的概率，即PRA。然而，當來襲的RV由不同類型的導彈組成時，這樣的策略需要修改，因為現在的情況更復雜了。我們表明，用本報告所制定的策略仍有可能使PRA最大化。這一點很重要，因為最大化PRA意味著最大限度地挽救人口中的生命數量。

引言

對防空的作戰分析可以追溯到1930年代（Kirby和Capey[1]）。從那時起，防空研究有了很大進展，特別是在導彈防御領域。目前關于彈道導彈防御系統（BMDS）的文獻的特點是，分析集中在整個系統的孤立方面。具體來說，有關于理論發射理論（Soland [2]）、射-看-射戰術（Wilkening [3]）、命中評估（Weiner等人，[4]）、軌道力學（Cranford [5]）和綜合概率模型，如綜合系統有效性概率（PISE）（Boeing Co [6]）的研究。相比之下，本科學報告側重于突襲湮滅概率（PRA），它是PISE的一個核心組成部分，也是BMDS有效性的一個關鍵決定因素。

為了證明PRA的重要性，我們在涉及異質再入飛行器（RVs）的交戰場景中比較了三種發射戰術。在對結果進行嚴格的比較后，我們說明，雖然 "射擊-觀察-射擊與最佳最后交戰機會"（SLS-OLEO）沒有產生最大的PRA，但它在一個簡單的交戰場景中提出了最實際有效的PRA。也就是說，我們并不假定來襲的RV的數量是完全已知的。我們還探討了是什么使PISE成為BMDS框架的一個重要組成部分，并提出了兩個可以提高PISE的戰術。我們相信，作戰研究界的成員將能夠利用這些發現來評估BMDS的全球有效性。

為了幫助關注這個問題，我們定義了一個由五個異質再入飛行器（RVs）和二十個攔截器組成的例子情景，（Wilkening [3]）。這個場景當然不是一個飽和的場景，即RV的數量超過了攔截器的庫存，正如（Dou等人，[7]）所調查的。由于彈道導彈防御（BMD）的復雜性，有些特點和方法我們無法在本報告中涉及或深入分析。與其他研究相比，我們的視角是單面的（僅是防御），而不是雙面的（防御和進攻，Brown等人，[8]；兩階段博弈，Hausken和Zhuang[9]）。我們的研究也主要限于地基攔截器（GBI），而不是其他發射平臺，如閑逛的飛機（Burk等人，[10]）。我們不考慮誘餌（Washburn[11]）。我們注意到，BMD也可以使用基于代理的模擬（Garrett等人，[12]和Holland等人，[13]），或使用馬爾科夫鏈（Menq等人，[14]）進行建模。Park和Rothrock[15]研究了在導彈防御中框定人類主體的效果。實時威脅評估和武器分配（TEWA）的細節可以用3維穩定的婚姻算法來建模（Naseem等人，[16]）。針對一系列RV的防御性武器的最佳組合可以用線性編程來建模（Beare [17]）。盡管有這些假設和簡化，我們相信我們的方法為理解BMD提供了一個簡單的方法，同時也為評估BMDS的有效性提供了一個直接和統一的方法。

本文的組織結構如下： 第2節描述了交戰機會的數量；第3節介紹了三種已知的可用于對付相同（同質）RV的發射戰術；第4節擴展了一些用于異質RV的發射戰術，并提出了一種新的戰術；第5節描述了PRA的凹性；第6節利用凹性來確定全球最佳PRA；第7節說明了有效性的措施；第8節討論了PISE和改進它的方法；我們在第9節中得出結論。

本文是2014年發表的另一篇論文（Nguyen [18]）的完整和擴展技術版本，增加了一些新的內容，包括考慮新的射擊戰術（在第4節）、PRA的凹性（在第5節）和全局最優PRA（在第6節）。雖然第7節中的有效性措施在現有文獻中可以獲得，但我們根據第4、5和6節的新穎性來確定這些有效性措施。據我們所知，在文獻中還沒有任何論文將所有這些方面的內容匯集在一篇關于BMD的文章中。這篇文章的初步結果發表在一個會議記錄中（Nguyen和Miah[19]），它利用遺傳算法來優化有效性的措施。

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

FAST項目（基于智能體的系統基礎技術）是一項為期三年的研究和開發工作，與位于紐約州羅馬的空軍研究實驗室簽訂合同。該項目從一開始就由美國海軍贊助，在項目的后期，美國空軍也做出了額外的貢獻。

該項目的主題是探索新的建模方法和基于模型的軟件生產技術，以提高所開發軟件的質量，同時縮短開發時間，提高設計的可重復使用性。在模型驅動的軟件和系統開發，以及海軍的任務工程有很大的相似性。傳統上，這兩個過程都是以自下而上的方式開發，而自上而下的方法則更有針對性和前景。這種自上而下的方法的最初步驟必須是一個概念模型，概述基于一組給定事實達到預期目標所需的所有（概念）決策。對于任務工程來說，這個決策建模器有助于確定所有需要做出的關鍵決策，以及相應的任務，以便規劃和執行一個成功的任務。對于軟件或系統工程師來說，決策建模器概述了設計中的系統的關鍵語義和相應結構。雖然存在對系統工程的建模支持，在某種程度上也存在對軟件工程的建模支持，但沒有任何工具支持將決策建模器作為系統或軟件設計模型的一個完全集成部分來建立。因此，由于其根源在于系統建模語言（SysML），任務工程也缺乏決策建模能力。

我們通過為統一建模語言（UML）建模工具MagicDraw（又名Cameo）開發決策建模器能力，作為一個可加載的插件，與商業上可用的插件，如SysML、UAF等兼容，縮小了這一差距。決策建模器實現了決策模型和符號OMG標準所定義的決策需求圖的增強型變體，但在其他方面偏離了OMG標準，以提供更復雜的決策表達建模、決策仿真能力，以及與SysML（v1.x）的無縫集成能力。為了在更大的仿真場景中進行協作，我們為MagicDraw開發了第二個插件（名為SimCom），允許決策建模器的仿真能力與外部仿真系統（如高級仿真、集成和建模框架（AFSIM））之間進行實時協作。SimCom插件實現了一個受 "高級架構"（HLA）仿真協議啟發的輕量級協議。我們用決策建模器和AFSIM之間的協作場景展示了這種能力。

雖然決策建模器的工作使我們偏離了開發時間和空間（4D）、基于模式建模方法的最初計劃，但我們的深入合作和對SysML v2的貢獻，在很大程度上彌補了這一點，提交給OMG。SysML v2已經達到了與我們最初計劃的相似的4D特征。在SysML v2環境下重建決策建模器將是一項有趣和有益的任務。除了參與SysML v2的工作，該項目還在其他幾個OMG標準的開發中起到了主導作用。

方法、假設和程序

相關標準及技術

許多建模方法包括隱含或嵌入的決策制定。這些建模案例有流程圖、活動圖、業務流程模型等等。決策建模作為一門專門的學科是比較新的。對象管理小組創建了決策建模和符號（DMN）規范，最初是為了使BPMN1業務流程模型中的決策更加明顯，并支持更詳細的決策過程。這段歷史的缺點是，DMN現在與BPMN的關系非常緊密，尤其是在元模型層面。因此，DMN，不能直接與UML或SysML集成。為了使DMN風格的決策建模與UML和SysML模型協作，特別是使現有的UML建模工具能夠進行DMN風格的決策建模，必須創建一個決策建模UML配置文件，與DMN元模型密切相關。

目標建模環境

決策建模器的開發和目標部署平臺是MagicDraw 19.0 SP4版本。MagicDraw（也被稱為Cameo）是一個UML建模工具，由No Magic公司開發和銷售。No Magic最近被Dassault Systèmes收購，Dassault Systèmes將繼續進一步開發和銷售這個工具，可能會用不同的名字。

MagicDraw是一個用Java實現的UML建模工具。它支持并使用一個插件架構來擴展其建模能力，涵蓋其他基于UML的建模語言和方法，如SysML、UAF和其他。一個OpenAPI工具箱可以用來支持自定義插件的開發。

圖 2 - MagicDraw（又名 Cameo）環境中的決策建模器

決策建模器和SimCom通信引擎是由FAST項目為MagicDraw開發的兩個定制插件。SimCom插件沒有任何先決條件，而決策建模器插件的功能需要SysML和Alf插件的存在。由于UAF是基于SysML的，決策建模器也可以用于基于UAF的企業模型。決策建模器和SimCom插件的安裝程序都與MagicDraw資源管理器一致。

標準制定

雖然在整個FAST項目中開發的技術是朝著符合相關標準的方向做出的最大努力，像OMG規范的元對象設施（MOF）、統一建模語言（UML）、系統工程建模語言（SysML）等；或者像世界網絡聯盟（W3C）開發的網絡本體語言（OWL）、資源描述符框架（RDF）或其他，但我們自己也大力參與了新標準的開發，即在對象管理小組內。

雖然標準的制定是繁瑣的工作，但它的回報是許多好處。某一主題的標準化要求它處于該主題發展的第一線。這項工作通常是在研究實驗室或高級開發部門的隱蔽處進行的。然后，標準化要求開發人員開放并與世界各地同行討論該主題，這在所有案例中都是有益的。

在FAST項目期間，我們參與了對象管理小組的幾個標準化任務。所有這些任務都是在FAST項目之前的某個時間開始的，但這些任務的持續工作和討論為FAST項目提供了重要的投入和科學效益。我們所參與的任務是： MOF到RDF的轉換，元模型擴展設施，系統工程建模語言第二版，智能體和事件元模型，以及不確定性建模的精確語義學。另見本文件后面的標準化活動一章，以及項目技術報告（CDRL A010）中的相應章節。

決策模型

決策模型由兩類元素組成：主動和被動元素。

• 主動元素是決策元素，它在模型執行過程中影響模型結果的整體結果（最高目標值）。根據OMG DMN規范，這些主動元素被定義： Decision、DecisionService和BusinessKnowledgeModel。

• 被動元素不包含任何決策邏輯，因此不直接影響模型的結果。它們可能需要協助連續的活躍元素之間的信息流，或者注釋決策模型。OMG DMN規范定義了以下兩個被動元素： InputData和KnowledgeSource。

我們決策模型的所有元素，無論是主動還是被動，都有相同的基本結構：它們將接受一個到多個輸入，稱為 "輸入事實"，并產生一個單一的輸出，稱為 "結果事實"。所有的事實都可以是單值或復值，在這種情況下，它們是單值的結構。

本研究的目的是分析將下一代中波段干擾器（NGJ-MB）項目的作戰測試和評估（OT&E）作用從第九航空測試和評估中隊（AIRTEVRON NINE；VX-9）的OT&E中隊轉移到艦隊航空電子攻擊中隊的潛在優勢、劣勢和成本、進度和性能的風險。研究了現代海軍航空企業（NAE）中隊作為作戰力量的一部分部署對抗同行對手的行動限制，以確定NGJ-MB項目成功OT&E的風險。我的方法包括檢查艦隊的行動節奏和海軍的優化艦隊反應計劃的調度、資源配置、訓練、熟練程度、戰術專長和管理。通過優勢、劣勢、機會和威脅分析，然后是成本效益分析，來分析與VX-9相比測試執行和報告的風險。在研究結論中，建議為NGJ-MB項目執行OT&E的更有利、更有效的路徑。對NGJ-MB項目的成本、進度和性能所造成的后果，使人們對艦隊航空中隊不應該被賦予執行OT&E的任務有很高的信心。VX-9應該得到適當的資源、資金和海軍的支持，以評估NGJ-MB吊艙的作戰效能和適用性。

圖 6. 綜合T&E（測試評估）框架

引言

美國在運用先進技術挑戰同行對手方面處于落后。中國可以迅速地運用先進技術，在武器、平臺、傳感器和自動化方面達到或超過美國的能力。破壞其殺傷鏈的能力與日俱減。作為回應，美海軍作戰部長贊成采用一種 "加速艦隊"能力的方法，這種方法 "偏重于完成任務，而不是偏重于在我們完成任務之前再次研究它們"（Maucione, 2019, p.1）。

美國防部（DOD）最近更新了它的采購戰略，通過自適應采購框架（AAF）快速制作原型、測試和部署新技術。目標是 "及時向最終用戶提供解決方案"（政府問責局[GAO]，2021年，第1頁），為項目經理（PM）提供靈活性，"根據項目目標和與被收購的武器系統相關的風險，在各種途徑之間進行調整、組合和過渡"（第2頁）。盡管有了這個新舉措，項目經理必須始終平衡 "改善成本和進度結果的機會"（第3頁）和 "產品知識"（第3頁），以盡量減少對產品性能的風險。尋找產品交付的效率是項目辦公室在海外戰斗開始前必須征服的斗爭。

A 問題

為了跟上中國快速獲取軍事技術的能力，美國海軍正尋求通過解散海軍航空兵的作戰測試中隊來簡化其程序并降低為美國作戰人員提供先進技術的成本。作戰測試和評估（OT&E）中隊的任務是負責任地建議在現實的戰斗條件下部署適合作戰和有效的武器，這一任務有可能被艦隊航空單位承擔不足。

B 研究問題

讓艦隊航空中隊承擔操作測試者角色的行動方案（COA）是否有助于縮短作戰人員獲得下一代中波段干擾器（NGJ-MB）吊艙的時間，以及該行動方案是否有效地管理成本和產品性能的風險，以 "加速進入艦隊"？

C 為什么這項研究是重要的

本研究的目的是分析將美海軍航空兵的空對地武器、空對空武器、傳感器、電子戰系統和任務軟件升級的飛機和武器系統的OT&E作用轉移到艦隊航空中隊的潛在好處、成本和風險。

在作戰指揮官和國家決策者眼中，將海軍最先進的技術盡快交到作戰人員手中的概念是很誘人的。正如《海軍航空愿景：2014-2025》中所述，"能力是維持我們作戰優勢的關鍵。海軍航空部隊將帶著在戰斗中獲勝的手段--能力到達駐地"（海軍航空企業[NAE]，2014，第3頁）。然而，確保這種 "能力 "在與作戰相關的環境中進行實地測試，對于保證武器在有爭議的戰斗空間的持續作戰行動中的可維護性、可靠性和可用性至關重要。"提高向艦隊交付能力的速度"（NAE，2014年，第7頁）決不能接受對經過測試和驗證的系統的妥協，以達到或超過性能閾值。

D 范圍

本分析的初衷是廣泛考察海軍采購如何將其大部分先進技術整合到海軍航空中，并討論取消整個作戰測試中隊的后果。然而，分析跨越武器、軟件、硬件、通信、監視、情報和電子戰的眾多技術，并在幾個型號/模型/系列（TMS）中采取不同的采購策略，是一項艱巨的任務。

相反，本分析側重于海軍航空兵的電子攻擊中隊（VAQ）和ALQ-249下一代中波段干擾器（NGJ-MB）的計劃開發、生產、測試和實戰。縮小分析重點提供了一個主要國防采購計劃（MDAP）的具體例子，該計劃對于面對同行對手至關重要，而且考慮到已經投入到該計劃的時間和成本，"規模太大，不能失敗"。

E 方法

文獻回顧研究了國防部的報告和海軍研究生院（NPS）以前的論文，涉及測試和評估的最佳實踐。此外，還審查了一個已部署的電子攻擊中隊（VAQ）在操作上測試和評估兩個采購項目的努力。

優勢、劣勢、機會和威脅（SWOT）分析研究了下一代干擾器（NGJ）項目在速度、成本和性能方面的優勢或劣勢，并考慮了艦隊作戰節奏（OPTEMPO）和優化的艦隊反應計劃（OFRP）。此外，SWOT分析評估了現代艦隊中隊作為 "卓越的作戰力量"（NAE，2014年，第4頁）部署的操作限制，處理資源、VAQ準備標準、培訓、空勤人員戰術專長和安全管理，可能承擔采購類別（ACAT）一級項目的操作測試者的角色。

然后，進行成本效益分析（CEA），以比較NGJ-MB項目的運行測試的相對成本和結果，由艦隊航空中隊與執行運行測試職責的空中測試中隊進行比較。

方法中包括的另一個信息來源是作者作為九號航空隊（VX-9）的機載電子攻擊（AEA）分部負責人的實際經驗。

浮動航天器模擬器（FSS）是模仿衛星在空間運動的機器人載體。使用FSS可以在地球上對制導、導航和控制算法進行實驗驗證，然后再將其應用于空間，因為空間的錯誤是災難性的。此外，FSS是空間系統工程課程中大學生的一個重要研究和教育工具。然而，目前使用的所有FSS都是定制開發和昂貴的項目。本論文涵蓋了用于教學和研究目的的新型浮動航天器模擬器的開發、組裝和測試過程，該模擬器被命名為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。通過介紹MyDAS，一個小型的、簡單的和低成本的FSS，使FSS在大學和中學階段的研究和教育中得到更廣泛的利用。討論了MyDAS的不同推進配置及其相應的運動方程。對于一個特定的配置，選擇并測試了現成的氣動和電子組件。一個模塊化和標準化的3D打印框架將所有部件固定在一起，形成一個最終的剛性載體。最后，MyDAS在各種實驗中被測試，完成了全部的硬件功能。

1 引言

本論文進行小型化和簡化的浮動航天器模擬器（FSS）工作。本章簡要介紹了這項工作的動機和目標，以及本論文的結構。

1.1 動機

未來空間任務中的航天器需要靈活、自主的制導、導航和控制（GNC）算法，如對接、接近或清除碎片的操縱[1], [2], [3]。用硬件在回路中驗證GNC算法的一種方法是使用FSS，而無需將測試對象送入太空。盡管不向太空發射任何東西而大大降低了成本，但目前的FSS仍然需要大量的經濟和費時的工作來建造和操作，這只有專門的機構或公司才可能做到。除此之外，目前的FSS都是獨特的設計，沒有標準化。引入一種新的、負擔得起的、小而簡單的FSS可以使本科生甚至高中生以及業余用戶能夠使用FSS工作。提供這種機會可以增加為未來空間任務創造更好的GNC算法的成功機會。

1.2 目標

先前工作提出了一個更便宜、更小、更簡單的FSS的概念[4]，稱為MyDAS，代表微型動態自主航天器模擬器。提出了初步的計算機輔助設計（CAD）模型、材料清單、氣動圖、接線圖、兩種浮動配置和三種推進配置。本論文的目的是建立一個MyDAS的物理工作實例。為此，所有定制設計的部件應與購買的現成部件一起制造和組裝。所有的功能部件應先單獨測試，然后再組合。最終的裝置必須能夠使用壓縮空氣供應漂浮和推動自己。如果可能的話，在不使用推進系統的空氣的情況下，漂浮時間應超過5分鐘。此外，推進系統必須由機載計算機和機載電池控制。該裝置的硬件和軟件應是開源的，以使其可重復使用。作為其中的一部分，將提出一個成本估算。在未來的工作中，希望MyDAS能被積極用于驗證和改進GNC算法。

1.3 結構

如上所述，本論文是基于以前的工作，其中介紹了關于FSS的理論基礎和技術現狀[4]。理論基礎和技術現狀同樣適用于本論文，這就是為什么它們在本文件中沒有明確重復。在第2章運動方程中，以前工作中的簡化運動方程被指定用于其中一個推進配置。第3章氣動系統討論了MyDAS的氣動系統。第4章電子學中解釋了MyDAS的電路以及所有的電子元件。第5章框架設計的主要內容是構建和制造一個定制的、3D打印的框架，該框架將所有的部件固定在一起。第6章設置和測試描述了在組裝MyDAS的過程中對單個和組合部件的若干測試。在第7章實驗中，全功能的FSS被用在一個花崗巖試驗臺上，以證明其功能，以及描述某些推進方面的特征。最后一章的結論是對工作的總結以及對未來工作的建議。復制MyDAS的基本信息，如技術圖紙、材料清單和Python列表，可以在附錄中找到。此外，該代碼與CAD文件和更多不能打印在紙上的數據一起在網上提供。