2016 年，美陸軍參謀長馬克-A-米利將軍描述了他對未來作戰環境的愿景。這一愿景包含了美國陸軍和聯合部隊面臨的許多新挑戰。具體而言，多域作戰的概念要求聯合部隊以近期從未經歷過的方式開展行動。尤其是空中優勢的潛在缺失，不僅將迫使美軍改變作戰方式，還將改變對這些作戰部隊的后勤支持。正如陸軍領導層所描述的那樣，美軍目前的后勤保障能力不足以在未來的作戰環境中成功作戰。反制反介入/區域拒止（A2/AD）和分布式作戰給保障部門帶來了挑戰。為了使美國陸軍保持其 "設置戰區"（包括戰區分布）的核心能力，陸軍保障界必須利用 DOTMLPF-P 框架，針對反 A2/AD 和分布式作戰挑戰進行能力差距分析。應對這些挑戰的可能解決方案包括海上基地和緩存行動，它們涵蓋了 DOTMLPF-P 的廣度，以確保能夠在未來作戰環境中提供支持的強大維持行動。

本文所介紹的研究得到了德國聯邦國防軍裝備、信息技術和在役支持辦公室 (BAAINBw) 的支持。

有人無人編隊是提高民用和軍事行動效率的一個關鍵方面。本文概述了一個為期四年的項目，該項目旨在開發和評估有人-無人編隊飛行的方法。編隊飛行場景是針對執行近距離編隊飛行的有人和無人駕駛旋翼機量身定制的。本文介紹了使用案例和測試方法。開發了兩種編隊飛行算法，并對照基于航點的預編程基線進行了評估。評估是在由不同飛行員參與的模擬器活動和由一名評估飛行員參與的飛行測試活動中進行的。在最后的飛行測試活動中，首次實現了有人駕駛和無人駕駛直升機之間的耦合近距離編隊飛行。最后，本文包含了飛行測試和模擬器測試的結果。

人機編隊飛行

在德國航天中心 MUM-T 研究期間，對三種一般編隊策略進行了調查。

第一種方法在評估過程中被用作基線。這種方法被稱為航點模式，假定有人駕駛直升機的機組人員通過基于航點的界面指揮無人機的移動。這種基于航點的導航是無人直升機最先進的能力。由于耗時和可能的輸入錯誤，飛行任務需要大量的準備時間。由于缺乏靈活性，無人直升機被認為是編隊的領導者。因此，載人直升機跟隨無人機的飛行模式并保持編隊，同時監控空間間隔以避免碰撞。在這種模式下，載人直升機可以隨時離開編隊，但只要編隊還在，就必須監控兩架飛機之間的距離。通過引入最小距離或半徑（稱為安全半徑）來確保飛行安全。圖 1 給出了簡要概述。

請注意，編隊的領隊是確定飛行速度或方向等飛行參數的飛機。在 DLR MUM-T 飛行測試活動中，出于安全考慮，無人機始終位于載人直升機之前。

第二種基于相對導航的方法在下文中稱為 RelNav。在這種模式下，無人機使用控制器保持與載人直升機的相對位置。有關編隊飛行控制模式的詳細介紹，請參閱參考文獻[21]。[21]. 在該模式下，無人直升機與有人駕駛直升機直接耦合，無人機跟隨有人駕駛直升機飛行，不執行任何規定任務。在 RelNav 模式下，有人駕駛直升機指揮編隊，無人機保持相對位置。此外，還在有人駕駛直升機前方劃定了一個安全區域，從駕駛艙可以目視到無人直升機，以提高飛行安全性。在圖 2 中，該區域顯示為允許區域，而最小距離則表示為安全半徑。

第三種方法旨在將 RelNav 模式中任務期間改變飛行路線的靈活性與航點模式中載人直升機不直接耦合運動相結合。這種模式被命名為 "走廊模式"，因為它的主要特征是 "走廊"。走廊是一種類似航點的任務，具有規定的速度和轉彎，但使用的不是規定的航點位置，而是允許的無障礙區域。在 "走廊 "模式下，無人飛行器會沿著走廊飛行，但如果違反了規定的邊界，則會發出額外的速度指令。這些邊界可以是最大或最小距離，也可以是相對于載人直升機的某個方向。在這種模式下，無人機能夠對載人直升機的行為做出反應，但對細微的航向或速度變化不太敏感。無人機在走廊模式下的行為可分為兩種不同情況。首先，在標稱行為中，無人機完全處于走廊的邊界內。因此，無人飛行器是按照規定的走廊飛行。邊界上有預定義的緩沖區，為防止違反邊界，會對無人飛行器發出速度指令。無人機在接近允許區域的邊界或允許走廊的邊界時會改變行為。在這兩種情況下，如果同時到達兩個邊界，就會產生一個速度指令，以防止違反邊界；詳細計算可參見參考文獻[21]。[21]。 如果違反了允許走廊的邊界，無人飛行器應切換到 RelNav 模式。或者，如果走廊和載人直升機的允許區域都被侵犯，無人機應切換到航點模式。圖 3 是走廊模式的示意圖。

為確保飛行安全，該項目還開發了另一種應急模式，該模式被命名為 "脫離模式"。在任何 MUMT 編隊飛行中，該子模式始終可用。如果違反了安全關鍵邊界或出現技術缺陷，就會啟用該模式。該模式將兩架飛機分離，并觸發無人機的預定義行為。載人直升機的脫離行為被定義為 90° 轉身離開無人機并爬升約 150 英尺。

引入的 MUM-T 模式具有不同的自動化程度。不過，要實現安全的 MUM-T 編隊飛行，必須執行幾項共同任務。它們是：

領導編隊：一架飛機（稱為領隊）確定編隊參數（如速度、高度或航跡）。

避免碰撞：這項任務要求監控飛機之間的距離，并對任何違反安全規定的情況做出反應。

保持編隊：監控編隊領隊位置并保持相對位置不變是保持編隊的任務。

作為分布式海上作戰（DMO）的一個關鍵原則，盡管有人和無人、水面和空中、作戰人員和傳感器在物理時空上都有分布，但它們需要整合成為一支有凝聚力的網絡化兵力。本研究項目旨在了解如何為 DMO 實現有凝聚力的作戰人員-傳感器集成，并模擬和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境，尤其側重于有人和無人飛機的情報、監視和偵察 (ISR) 任務。

在半個世紀的建模和仿真研究與實踐（例如，見 Forrester, 1961; Law & Kelton, 1991），特別是四分之一世紀的組織建模和仿真工作（例如，見 Carley & Prietula, 1994）的基礎上，獲得了代表當前技術水平的計算建模和仿真技術（即 VDT [虛擬設計團隊]；見 Levitt 等人, 1999）。這種技術利用了人們熟知的組織微觀理論和通過基于代理的互動而產生的行為（例如，見 Jin & Levitt, 1996）。

通過這種技術開發的基于代理的組織模型在大約三十年的時間里也經過了數十次驗證，能夠忠實地反映對應的真實世界組織的結構、行為和績效（例如，參見 Levitt, 2004）。此外，幾年來，已將同樣的計算建模和仿真技術應用到軍事領域（例如，見 Nissen, 2007），以研究聯合特遣部隊、分布式作戰、計算機網絡行動和其他任務，這些任務反映了日益普遍的聯合和聯盟努力。

本報告中描述的研究項目旨在利用計算建模來了解如何為 DMO 實現有凝聚力的戰斗傳感器集成，并建模和概述集成實施所需的系統能力和行為類型。作為一個多年期項目，本報告所述的第一項工作重點是建立一個適用于 DMO 建模、模擬和分析的計算環境。在這第一項工作中，將對當今的海上行動進行建模、模擬和分析，重點是有人駕駛和無人駕駛飛機的情報、監視和偵察（ISR）任務。這為與執行 ISR 任務的一個或多個 DMO 組織進行比較確立了基線。這也為與其他任務（如打擊、防空、水面戰）進行比較建立了基線。第二階段接著對一個或多個備用 DMO 組織進行建模、模擬和分析。

在本技術報告的其余部分，首先概述了 POWer 計算實驗環境，并列舉了一個實例，以幫助界定 DMO 組織和現象的計算建模。依次總結了研究方法。最后，總結了沿著這些方向繼續開展研究的議程。這些成果將極大地提高理解和能力，使能夠為 DMO 實現戰斗員與傳感器的集成，并為集成實施所需的系統能力和行為建模和概述。

一些專家呼吁承認，由于目前的威脅，對海岸線進行兩棲攻擊的風險實在太大，不能嘗試。那么，兩棲攻擊所面臨的挑戰是什么？在目前的威脅環境下，兩棲攻擊仍然是一種可行的軍事行動嗎？這些問題是美國海軍陸戰隊的使命和作用的核心所在。本分析深入探討了兩棲攻擊所面臨的問題，并作為未來有關提高兩棲攻擊能力的討論的一個引子。

關鍵詞：兩棲作戰、兩棲突擊、反介入/區域拒止、A2/AD、近距離競爭對手、威脅、脆弱性

本分析強調了現代美國海軍陸戰隊兩棲攻擊的關注領域。本分析的目的是表明，目前的兩棲攻擊能力在面對大國和可能擁有近似武器的所有大國時具有巨大的風險，除非登陸時沒有遭到反對。本分析將探討其中的諸多原因，并將使人們更加關注影響能力的關鍵問題。該分析旨在為美國兩棲部隊目前的局限性和脆弱性提供可操作的信息，以便為建立強大的海上強行進入能力指明方向。

首先，有必要定義有關兩棲作戰的術語。兩棲行動是由兩棲部隊從海上發起的軍事行動，在沿岸地區進行登陸部隊行動。沿海地區包括任何主要容易受到來自海上的交戰和影響的陸地區域（及其相鄰的海域和相關的空域），并可能遠達內陸。此外，"兩棲作戰需要獨特的能力，可以跨越空中、陸地和海洋進行作戰。兩棲作戰也需要綜合的指揮和控制，以實現統一的努力，提高行動速度，并協調應用海上控制和力量投射能力"。

兩棲作戰有幾種類型。本分析集中于兩棲突擊。下面的節選解釋了這種類型的兩棲作戰： 兩棲攻擊是由一支[兩棲部隊]從海上發起的，他們乘坐船只或飛船，將[登陸部隊]登陸并建立在敵對或潛在的敵對海岸上。兩棲攻擊的突出要求是，隨著攻擊向[兩棲部隊]目標的推進，有必要在岸上迅速集結戰斗力，以充分協調打擊力量。兩棲部隊]的有機能力，包括空中和火力支援、后勤和流動性，使他們能夠通過強行進入一個地區。

此外，兩棲突擊由于其復雜性，是一些最困難的行動，它們是兩棲行動中最困難的類型。兩棲突擊有以下幾個階段：

1.部隊到達作戰地區。

2.支援部隊對登陸區進行準備。

3.登陸部隊的船岸運動。

4.空中和水面突擊登陸。

5.水面和空中登陸部隊之間的銜接行動。

6.提供輔助武器、后勤和/或戰斗服務支持。

7.其余所需登陸部隊成員的登陸。

8.完成任務。

美國歷史將記住21世紀上半葉是美國國家安全的一個危險的時代。非國家行為者、流氓政權和近鄰大國的威脅創造了一批潛在的敵人，他們可能尋求與美國及其盟國進行軍事對抗，以實現其戰略目標。這些威脅包括俄羅斯對東歐或北歐的潛在入侵，朝鮮的持續威脅，伊朗在波斯灣的行動，以及世界各地的非國家行為者,等等。有幾個潛在的行動區可能要求美國對大國、流氓政權或非國家行為者使用軍事力量。海軍陸戰隊不應期望任何一個潛在的敵人與美國及其盟友開戰。這意味著海軍陸戰隊必須能夠在各種戰爭中取勝，對抗眾多將在所有領域進行爭奪并使用日益強大的反介入/區域拒止（A2/AD）武器的行為體。在這樣的威脅環境中，兩棲攻擊者必須能夠在各種行動中獲勝，包括在各種戰術情況下對抗潛在的敵方軍隊或非正規部隊。由于這種安全形勢的廣泛性，本分析將集中于兩棲攻擊者所面臨的一般威脅，而不是集中于任何一種地緣政治局勢。

本文將在兩棲攻擊的一個階段解決幾個局限性和弱點，在每個階段都有具體的關注。本分析特別關注大國目前采用的先進軍事力量，因為它們代表了對海軍陸戰隊的最大威脅。

人工智能驅動的軟件飛行員有可能實現美國空軍對負擔得起的戰術空中力量能力的追求；然而，對啟用空戰自主算法的數據的基礎性要求并沒有得到充分理解。

本文討論了空軍戰術空中力量數據管理的挑戰，承認反對數據對協同作戰飛機（CCA）實戰的重要性的論點，并確定了四個具體原因，即資助和實施一個深思熟慮的數據管理計劃對加速CCA的成功開發和實戰至關重要。這個米切爾論壇的初稿的目的是提供清晰度，并邀請大家討論訓練CCA算法的戰斗所需的數據集，因為美國空軍尋求履行其 "隨時隨地飛行、戰斗和贏得......空中力量 "的使命。

該論壇介紹了來自美國和全球各地航空航天專家的創新概念和發人深省的見解。

本報告總結了在北卡羅來納州立大學完成的海軍電子戰研究經驗（RENEW）項目。該項目包括4項主要活動： (1)開發和提供兩個為期一周的關于EW、RF和雷達的研討會，(2)EW、RF和傳感的研究，(3)開發和提供一個學期的電子戰系統課程，(4)開發和指導一個60GHz雷達系統的高級設計項目。

在未來的空戰中，無人協同系統的整合將是一個潛在的巨大力量倍增器。其成功的關鍵因素將是編隊情報、協調任務規劃和跨平臺任務管理。因此，構思下一代機載武器系統的任務需要一個整體的系統方法，考慮不同的航空飛行器、其航空電子任務系統和針對未來威脅的整體作戰概念。為了盡早驗證可能的解決方案概念并評估其作戰性能，在過去幾年中，在空中客車防務與航天公司未來項目中開發了一個動態多智能體戰斗仿真。除了比實時更快的工程功能外，該仿真還可以進行實時人機對話實驗，以促進工程師、操作員和客戶之間的合作。本文介紹了動態任務仿真方法，以及在未來戰斗航空系統（FCAS）研究中應用此工具所得到的啟示，在此期間，我們清楚地認識到什么是未來應用的一個關鍵挑戰。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

1 引言

每一代新的戰斗機都可以通過一個或多個技術飛躍來定義，這些技術飛躍使其與上一代的設計有很大區別。毫無疑問，自從大約15年前第一架第五代戰斗機投入使用以來，幾乎所有的設計學科都有了顯著的進步。不同的飛機制造商，包括空客，已經宣布他們目前正在構思或研究第六代戰斗機[1] [3]。與目前最先進的飛機相比，這些項目很可能在各個領域都有改進，如飛行性能、全方面和全模式隱身、低概率攔截雷達和通信或武器裝備。但問題仍然存在：什么將是這一代的決定性因素，一個真正改變未來戰斗空間的因素？

一個常見的假設是，未來的戰斗空間將是 "高度網絡化 "的，即所有參與的實體都可以交換他們的態勢視圖，并以近乎實時的方式創建一個共享的戰術畫面。一方面，這使得多個平臺在空間和時間上可靠同步達到了以前不可能達到的程度。許多算法，特別是發射器定位或目標測距的算法，如果能從多個位置產生測量結果，會產生明顯更好的效果。另一方面，高質量數據的可靠交換通過分配以前由單一平臺執行的任務，使戰術更加靈活。對作戰飛機的主要應用可能是所謂的合作交戰概念（CEC），這已經是美國海軍針對反介入/區域拒止（A2/AD）環境的海軍綜合火控-反空（NIFC-CA）理論的一部分[4]，但其他應用也是可能的，例如合作電子攻擊。所提到的概念主要適用于任務期間單一情況的短期范圍，例如偵察或攻擊薩母基地、空對空（A2A）作戰等。然而，就整個任務而言，還有一個方面需要提及。鑒于所有參與實體之間的可靠通信，規劃算法可以交換任務計劃變更的建議，并根據其目標和當前的戰術情況自動接受或拒絕。這在一個或多個不可預見的事件使原來的任務計劃無效的情況下特別有用，盡管所有預先計算的余量。與其估計一個替代計劃是否可行，并通過語音通信與所有其他實體保持一致（考慮到船員在某些任務階段的高工作負荷和參與實體的數量，這是一項具有挑戰性和耗時的任務），一個跨平臺的任務管理系統可以快速計算出當前任務計劃的替代方案，并評估是否仍然可以滿足諸如開放走廊等時間限制。然后，一組替代方案被提交給機組人員，以支持他們決定是否以及如何繼續執行任務。

將上述想法與現在可用的機載計算能力結合起來，由于最近在硬件和軟件方面的進步，可以得出結論，未來一代戰斗機將很有可能在強大的航空電子系統和快速可靠數據交換的基礎上，采用卓越的戰術概念進行作戰。然而，這還不是我們正在尋找的明確游戲改變者--甚至現有的第五代戰斗機已經應用了一些提到的概念，例如，在NIFC-CA背景下的F-35[4]。因此，下一步不僅要改進飛機的航電系統，而且要在完全網絡化環境的前提下連貫地優化航電、戰術和平臺設計。這種方法允許思考這樣的概念：如果得到網絡內互補實體的支持，并非每個平臺都需要擁有完整的傳感器套件和完整的決策能力。因此，不同的平臺可以針對其特殊任務進行高度優化，從而與 "單一平臺做所有事情 "的方法相比，減少了設計過程中需要的權衡數量。很明顯，一個專門的傳感器平臺不需要或只需要非常有限的武器裝備，因此現在可用的空間可以用來建造更好的傳感器或更大的燃料箱。這已經可以使該平臺專門從事的任務性能得到顯著提高，但有一樣東西可以去掉，它的影響最大：飛行員。在這一點上，必須明確指出，目前沒有任何算法或人工智能能夠接近受過訓練的機組人員態勢感知和決策能力。這就是為什么在不久的將來，人類飛行員在執行戰斗任務時將始終是必要的。然而，如果飛行員（或更準確地說，決策者）被提供了指揮無人駕駛同伴的所有必要信息，那么就不需要在同一個平臺上了。因此，我們提出了一個概念，即一個或多個載人平臺由多個無人駕駛和專門的戰斗飛行器（UAV）支持。在下文中，我們將把至少一個載人平臺和一個或多個由載人平臺指揮的專用無人機組成的小組稱為包。我們聲稱，由于以下原因，無人平臺將作為有人平臺的力量倍增器發揮作用：

• 無人機是可擴展的，而空勤人員是不可擴展的。因此，無人機可以執行高風險的任務，并允許采用只用載人平臺無法接受的戰術。

• 無人機更便宜（即使不考慮機組人員的價值），因為它們可以在性能相同的情況下比載人平臺建造得更小。這意味著，在相同的成本下，更多的平臺可以執行任務，更多的平臺會導致更高的任務成功率。首先，因為有更多的冗余，其次，如果有更多的資產參與其中，一些任務可以更好地完成，例如發射器的定位。

• 不同的無人機和載人平臺可以任意組合。在任務開始前，可以根據需要組成包。在任務期間，在某些限制條件下，也可以重新組合軟件包，例如，如果交戰規則禁止不受控制的飛行，則指揮平臺之間的最大距離。這使得任務規劃和執行有了更大的靈活性，預計也能保持較低的運行成本和材料損耗（"只使用你需要的東西"）。

像往常一樣，沒有免費的午餐這回事。在我們的案例中，所有上述優勢對飛機設計師來說都是有代價的。不是按照一組技術要求優化單一設計的性能，而是必須設計多個平臺及其子系統，使其在各種任務和組合配置中最大限度地提高整個系統的性能。在本文的其余部分，我們將介紹FCAS原型實驗室（FPL），這是一個在FCAS背景下開發的模擬環境，用于解決這一高度復雜的問題。在第2章中概述了它在概念設計和跨學科技術原型開發中的作用后，我們將在第3章中介紹底層動態多智能體任務仿真的概念和架構。在第4章中，我們將介紹選定項目的結果，以概述該工具的多功能性。本文最后將介紹可能是未來最大的挑戰之一，不僅對模擬，而且對一般的無人系統的引進。實施一個強大的高層規劃算法，為復雜的空中行動生成臨時任務計劃，同時考慮反應性的低層智能體行為、人類操作員和在線用戶輸入。

FCAS原型實驗室（FPL）：動態多智能體任務仿真

FPL的核心是一個動態多智能體任務仿真，可以在一臺計算機上運行，也可以分布在多臺機器上，并使用不同的附加硬件組件。為了方便兵棋推演的進行，對人機界面技術進行原型測試，或用于一般的演示目的，模擬中的所有載人機載資產都可以選擇由硬件駕駛艙控制。如果沒有人類操作員參與，模擬必須能夠比實時運行更快。這對于在可能需要數小時的大規模任務中進行有效的開發和權衡分析尤為必要。為了以客觀和公正的方式評估概念和技術，每個模擬任務的過程都是由預先定義的系統屬性、物理效應的模擬和可配置的智能體行為和合作演變而來。不存在任何腳本事件，每一次新的模擬運行的結果都是完全開放的。藍軍和紅軍是在相同的假設下，以可比的抽象水平進行模擬。以下各章概述了如何在FPL中動態地模擬當前和未來機載系統的任務。介紹了我們的仿真結構，在對這類系統進行建模時最重要的設計權衡，以及行為建模的高層次規劃/低層次控制方法。

架構

FPL的仿真架構由三個邏輯部分組成：應用、仿真控制和通信中間件。該架構的一個核心特征是，模擬被分割成幾個應用程序。每個應用程序運行不同的模型，例如，有一個應用程序用于模擬自己的（藍色）航空器、敵方（紅色）航空器、綜合防空系統（IADS）以及更多的模型，如下所示。所有的應用程序共享相同的標準化接口，并且可以任意組合。這種模塊化允許只運行某個任務或項目所需的部分模型。所有的應用程序都是獨立的可執行文件，可以在同一臺計算機上以并行進程運行，也可以分布在幾臺機器上。通過交換編譯后的二進制文件，來自不同公司的模型的整合是可能的，而不會暴露詳細的基本功能。一般來說，不同公司之間的快速和容易的合作是FPL架構的一個主要驅動力。為此，提供了一個基礎應用類，它提供了所有與仿真有關的功能，如仿真控制狀態機、通信中間件接口和通用庫，例如用于不同坐標系的地理空間計算。通過簡單地實現一個新的基礎應用實例，新的模型可以被添加到仿真框架中。所有應用程序的執行都由一個中央仿真控制實例控制。它提供了一個圖形化的用戶界面，可以根據需要啟動、停止和加速模擬。在執行過程中，所有應用程序的運行時間被監控，仿真時間被動態地調整到最慢的模型。這使得分布式的比實時更快的模擬具有自適應的模擬時間加速。應用程序之間的通信是通過數據分配服務（DDS）標準[2]實現的。它使用發布-訂閱模式在網絡中實現了可靠和可擴展的數據交換。兩個不同的分區用于廣播仿真數據（如實體狀態、仿真控制命令等）和多播命令和控制數據（如通過BUS系統或數據鏈路實際發送的數據）。DDS標準的開放源碼實施被用來進一步方便與外部伙伴的合作。

圖1提供了我們的模擬架構的概況，包括大多數任務所需的應用程序。如前所述，這個架構并不固定，幾乎任何應用都可以根據需要刪除或交換。如黑色虛線箭頭所示，通過DDS中間件在仿真控制處注冊一個基本的應用實現，可以集成新的模型。藍色/紅色背景的方框描述了己方/敵方系統，混合顏色的方框可供雙方使用。仿真基礎設施組件的顏色為灰色，用戶界面的顏色為橙色。黑色箭頭表示模擬過程中的通信，灰色箭頭代表模擬運行前后的數據交換。

對于兵棋推演環節，不同的應用程序分布在FPL的多個房間內運行，以模仿真實的空中作業程序。在設置好一個場景后，藍方和紅方的操作人員使用任務配置工具，在不同的房間里計劃他們的任務。空中行動指揮官留在這些房間里，而飛行員則分成兩個房間，每個房間有兩個駕駛艙來執行任務。藍方和紅方空軍應用的任何飛機都可以從駕駛艙中控制，因此飛行員可以接管不同的角色，并相互對抗或作為一個團隊對抗計算機控制的部隊。所有房間都配備了語音通信模擬。任務結束后，各小組在簡報室一起評估任務，可以從記錄的模擬數據中回放。一個額外的房間配備了多個連接到模擬網絡的PC，可以選擇用于特定項目的任務，例如硬件在環實驗。

建模

為FPL選擇正確的建模范式事實上并不簡單，因為它涵蓋了操作分析工具（通常是隨機的）以及工程模擬（通常是確定性的或混合的）的各個方面。這個決定的影響可以用一個例子來說明，即如何確定一架飛機是否被導彈擊中。在隨機模型中，這個決定是基于可配置的概率，例如，被擊中的概率（導彈）和回避動作成功的概率（飛機）以及一個隨機數。為了使最終的任務結果對單一的隨機數不那么敏感，在實踐中經常用不同的隨機種子進行多次模擬運行。按照確定性的方法，導彈的飛出是根據導彈的發射方向、制導規律和固定的性能參數如推力、最大加速度等來模擬的。飛機在規避機動過程中的軌跡也是基于其初始狀態、空氣動力學、反應時間等。例如，當彈頭引爆時，如果導彈和飛機之間的距離低于某個閾值，那么飛機就會被認為被殺死。在一個確定性的模型中，在導彈發射時已經知道飛機是否會被擊中。確定性模型中必要的簡化通常是通過引入固定參數來完成的，比如導彈例子中的距離閾值。混合模型允許使用隨機數進行這種簡化，例如，作為失誤距離的函數的殺傷概率。

為了有效地測試和分析大規模的空中作業，在單臺機器上有幾十種藍色和紅色資產運行的情況下，模擬運行的速度至少要比實時快10倍（平均）。這對所用算法的時間離散性和運行時的復雜性提出了重大限制。為了保持快速原型設計能力，為新項目設置仿真或開發/集成新組件所需的時間應保持在較低水平。太過復雜的模型會帶來更多的限制，而不是顯著提高結果的質量。在這些方面，（更多的）隨機模型在運行時間和開發時間上都有優勢，更快。然而，在我們的案例中，有兩個主要因素限制了隨機模型的使用，使之達到最低限度。首先，模擬只有在給出他們的戰術和演習成功與否的確切原因時才會被操作者接受。此外，隨機模型是由數據驅動的，但對于未來自己和/或敵人的系統來說，所需的數據往往無法獲得。對于已經服役多年并在測試或實際作戰中多次射中的導彈，有可能估計其殺傷概率。然而，僅僅為未來的導彈增加這一概率是非常危險的，特別是因為隨機模型對這些參數非常敏感。從我們的觀點來看，通過將所有系統建模為基于技術系統參數的通用物理模型，可以實現對未來系統更健全的推斷。第一步，通過模擬已知技術和性能參數的現有系統，對模型本身進行驗證。對于未來的系統，技術參數會根據預期的技術進步、領域專家知識和他們的工具進行推斷。堅持最初的例子，未來戰斗機的回避機動性能的推斷，例如，基于從CAD和流體動力學模型計算出的更高的升力系數，或基于更高的導彈接近警告器的分辨率和靈敏度。

客觀評價未來概念在模擬中的表現的一個關鍵方面是環境和威脅的建模。必須考慮到，系統的方法在紅方和藍方都是有優勢的。現代國際防空系統的危險來自于結合不同的系統，從非常短的距離到遠距離。所有這些系統都有它們的長處和短處，但它們被組織起來，使個別的短處被其他系統所補償，并使整個系統的性能最大化。因此，第一個困難是必須對大量的系統進行模擬，并且必須確定這些系統的個別優勢和劣勢。通用物理模型的方法可用于這兩個方面。在通用防空系統模型被開發和驗證后，它可以迅速將新的系統整合到模擬中。根據模擬的物理效果，可以估計敵方系統的作戰優勢和弱點或未來可能的威脅概念。另一方面，使用通用模型的困難在于，必須將真實系統的功能映射到通用模型中，以便保留所有重要的單個系統屬性。這不可避免地導致了相當復雜和詳細的通用模型。我們將以地基雷達組件為例，概述我們平衡復雜性和保真度的方法。如圖2所示，IADS模擬中的一個實體由不同的組件組成。這些組件可以任意組合，以快速配置新系統。從功能角度看，地面雷達組件由控制器、探測模型和目標跟蹤器組成。根據實體的當前任務，控制器選擇所需的雷達模式，例如，360°搜索的監視或戰斗搜索，如果一個特定的部門必須優先考慮。為了對付干擾或地面雜波，可以使用不同的波形。根據雷達的類型，如機械或電子轉向的一維或二維，控制器有不同的可能性來適應搜索模式。在為一個波束位置選擇了波形的類型和數量后，探測模型根據目標、地面雜波、地形陰影、大氣衰減和電子對抗措施等方面的雷達截面模型，產生測量結果。測量誤差是由取決于隨機模型的信噪比引起的。由此產生的測量結果然后由目標跟蹤器處理，它執行測量-跟蹤關聯和跟蹤過濾。

這種詳細模型產生的另一個困難是必須估計的參數總數。在這一點上也要注意，模擬中的所有數據都是不受限制的。這一方面是由于大多數項目的限制，但另一方面，它在日常工作中也有實際優勢。我們必須牢記，模擬是用于概念驗證，而不是用于詳細的系統設計，所以在這個早期階段使用機密的威脅數據會對基礎設施和開發過程造成重大限制，而不會給結果帶來重大價值。基于此，所有的威脅數據都必須根據公開的來源或來自內部項目和外部合作伙伴的非限制性數據進行估算。這再次導致了大量的數據，而這些數據的詳細程度往往是非常不同的，或者是不一致的，例如，由于對限制性數據的去分類。隨著我們模型的不斷發展和多年來獲得的工程專業知識，我們有可能為不同的當前和推斷的未來威脅系統估計出一致的參數。這主要是在一個自下而上的迭代過程中完成的。根據現有的技術和性能參數，對缺失的模型參數進行估計以適應組件的性能。然后對單一系統的不同組件之間的行為和相互作用進行調整，以達到理想的系統性能。最后，在不同的情況下測試IADS內這些系統的協調，以使整個系統的性能最大化。

目的

美國政府面臨著保持作為世界上空間物體編目數據提供者的步伐挑戰。用非傳統的傳感器來增強能力，是一種快速和低成本的改進。然而，巨大的交易空間和未開發的系統性能要求給成功的資本化帶來了挑戰。本文旨在通過一個多學科的研究，更好地定義和評估增強功能的效用。

設計/方法/途徑

假設的望遠鏡架構在不同的時間里被建模和模擬，然后在啟發式算法中使用多目標優化對性能措施和約束進行評估。決策分析和帕累托優化確定了一套高性能的架構，同時保留了決策者設計的靈活性。

研究結果

建議將容量、覆蓋率和未觀察到的最大時間作為關鍵性能指標。在1017個架構中，共有187個被確定為最佳表現者。總共有29%的傳感器被發現在80%以上的頂級架構中。其他考慮因素進一步將交易空間減少到19個最佳選擇，這些選擇為每個空間物體平均收集49-51個觀測數據，平均最大未觀測時間為595-630分鐘，提供地球同步軌道帶的冗余覆蓋。這意味著與模擬的僅有政府的基線結構相比，能力和覆蓋面增加了三倍，未觀察到的最大時間減少了2小時（16%）。

原創性/價值

這項研究利用基于物理學的模型和現代分析技術，驗證了增強型網絡概念的效用。它客觀地回應了要求改進編目工作的政策，而不是僅僅依靠專家得出的點解決方案。

本專著追求的是確定美國陸軍如何能夠建立對定位導航和授時的共同作戰理解。規劃人員、分析人員和戰略人員必須了解如何實施空間使能因素和能力，以應對有爭議的作戰環境中的挑戰。最重要的是，本專著試圖回答美國陸軍將如何在未來的多域作戰中減輕定位導航和授時（PNT）的不利影響的問題。空間使能器對于成功彌補BCT級別的空間作戰差距以應對PNT戰爭中的近距離威脅是至關重要的。了解美國陸軍在MDO期間如何針對近距離對手開展行動，對于未來的任務規劃至關重要，這將使美國陸軍在多域作戰中應對作戰挑戰并保持作戰優勢。該專著將提供背景資料，確定美國陸軍在被拒絕、降級和中斷的空間作戰環境（D3SOE）中的GPS所面臨的當前問題，適用于PNT的當前文獻，并分析當前PNT的能力和局限性。最后，它的結論是關于美國陸軍必須如何認識到MDO的未來影響，并確定將阻礙美國陸軍未來行動的任何執行的脆弱性的建議。

引言

在當前的信息和技術時代，世界人口已變得越來越依賴實時數據。無論是手機、電視，甚至是電力，技術已經成為地球上日常生活中提供實時信息的主力軍。隨著這種技術全球化的增加，對美國國家安全的挑戰和保護美國國內外利益的復雜性也在增加。美國繼續在有爭議的作戰環境中投射力量。美國在被拒絕的、退化的和被破壞的作戰環境中通過空間能力投射力量的能力不能僅僅停留在戰略領域，還必須延伸到作戰和戰術層面。

今天，近在咫尺的對手威脅，特別是中國和俄羅斯，正在與美國進行一場越來越復雜的技術競賽。國防空間戰略（DSS）總結提出，由于俄羅斯等大國開發、測試和部署反空間能力及其相關的軍事理論，以便在沖突中延伸到空間，因此構成最大的戰略威脅。這與其說是創造最主要和最致命的武器的競賽，不如說是一場更專注于如何拒絕對手能力的競賽。了解到這些空間支持行動的戰略利益，外國政府正在發展威脅他人使用空間能力的能力。中國和俄羅斯各自將空間武器化，作為降低美國和盟國軍事效力和挑戰美國空間行動自由的手段。

這種拒絕對手能力的技術競賽可能導致信息傳遞的 "內容 "和 "方式 "的范式轉變。拒絕信息傳遞是信息作戰（IO）和多域作戰（MDO）的最前沿。美國陸軍目前在作戰層面上面臨的問題是對定位、導航和授時（PNT）以及空間能力如何在退化、中斷或被拒絕的作戰環境中實現任務規劃和執行缺乏共識。美國陸軍必須了解PNT戰爭如何在作戰環境中發生，以及如何在未來的MDO期間減少所有梯隊對PNT戰爭的敵對使用。

三種不同的基本能力的組合定義了PNT。定位是指在標準大地測量系統（如1984年世界大地測量系統或WGS84）中準確和精確地確定一個人的位置和方向的能力，或在需要時確定三維位置。導航是確定當前和所需位置（相對或絕對）的能力，并應用于修正航線、方向和速度，以達到世界上任何地方的所需位置，從地下到表面，從表面到空間。計時是指在世界任何地方并在用戶定義的及時性參數范圍內，從一個標準（協調世界時或UTC）獲得并保持準確和精確的時間的能力。計時還包括時間轉移。

授時是PNT的關鍵。它是定位和導航的基礎。GPS的定位和導航數據來自接收設備的授時信號。全球的用戶完全依靠美國空軍維護的衛星群來獲得授時信息。

由于平民依賴PNT，即目前現代技術的支柱，美國軍隊也極其依賴PNT及其能力。廣泛依賴衛星信號進行導航和計時，使美國的關鍵基礎設施和經濟活動處于危險之中。

從戰術層面上進行徒步巡邏的步兵到進行聯合演習的海軍艦艇，甚至是在戰略層面上投擲精確制導炸彈的B-52 "斷頭臺"，這些行動的成功執行所需的精確位置的計算都使用PNT。PNT的中斷可能有能力阻止美國軍隊的行動。人們越來越關注對手破壞GPS信號的方法和手段，從而使美軍無法獲得實現 "美國戰爭方式 "的定位和導航信息。美軍必須對付這些對手的措施，以便在被拒絕的、退化的和被破壞的空間作戰環境（D3SOE）中有效運作。

在D3SOE中有效運作依賴于幾個維持連接網絡的天基系統。天基系統和不受阻礙的空間訪問對國家的經濟福祉越來越關鍵，并與美國的國家安全相關聯。美國陸軍依靠空間能力來實現和加強陸地戰爭；幾乎每一個陸軍和聯合行動都受益于這些能力。了解這些涉及的復雜系統的風險將產生一種保護美國利益的預防行動的緊迫感。

基于空間的能力是軍事、商業和民用部門的一個組成部分。目前美國的空間政策闡明了基礎活動，通過加強機構間和商業伙伴關系來改善空間系統的開發和采購。長期存在的空間技術和成本障礙正在下降，這使得更多的國家和商業公司能夠參與到衛星建造、空間發射、空間探索和人類太空飛行中。私人商業公司Space X最近公布了其空間計劃。這可能促進美國商業空間能力和服務的新市場機會，包括依賴美國政府提供的空間系統的商業應用。促進商業應用對有保障的PNT的依賴，可以利用美國的能力來增強和鼓勵新興技術和空間能力的民用和軍用互操作性。鑒于上述概述，本專論將討論在美國陸軍作戰計劃中理解PNT的重要性。

研究問題

美國陸軍將如何在未來的多域作戰 (MDO) 中減輕 PNT 戰爭的影響？

假設

美國陸軍要求重點支持有保障的PNT和緩解技術，這可能使美國陸軍在MDO期間應對作戰挑戰并保持作戰優勢。為了應對有保障的PNT所面臨的近似挑戰，美國陸軍必須找到新的和全面的方法，通過同時使用其他作戰領域，如網絡戰和電子戰，來減少對計時系統的威脅。這也意味著要建立一個防御性的時間基礎設施和網絡，以維護和改善友好的授時源和授時分配，重點是精確授時的廣泛用途。在GPS被屏蔽的環境中，確保準確的PNT信息被傳遞給作戰人員是絕對關鍵的。為了采用這些技術，并有效地應對近距離的威脅，美國陸軍必須在作戰層面上提高整個部隊對空間能力和促進因素的共同理解。

重要性

美國陸軍必須認識到MDO的未來影響，并確定將阻礙美國陸軍未來行動的任何執行的弱點。了解美國陸軍在MDO期間如何對近距離的對手開展行動，對于未來的任務規劃至關重要。MDO方法將等同于美國陸軍如何減少其目前對PNT的過度依賴，同時繼續執行和實現任務的成功。

方法論

通過條令、歷史和理論的視角，研究將集中在公開來源的非保密檔案材料、當前和歷史上的軍事學說以及理論框架，以產生一個規范性的建議來回答研究問題。訪問聯合導航戰中心（JNWC）、美國陸軍空間和導彈防御司令部（USASMDC）、美國戰略司令部（USTRATCOM）和位于科羅拉多州彼得森空軍基地（AFB）的美國空間司令部（USSPACECOM）的人員資源，將提供歷史和當前背景以及與研究問題有關的信息。這將有助于指導研究，任何發現，并提供與此主題有關的額外背景。該專著將確定當前的MDO理論，包括當前的空間作戰理論，以了解已確定的PNT脆弱性，在可能的情況下減輕，以及在空間使能器可以彌補任何操作差距的情況下未減輕。空間使能器對于在BCT層面成功彌補空間作戰差距以應對PNT戰爭期間的近距離威脅是最重要的。

本專著將特別關注解決美國陸軍應通過實施集中的系統方法來理解PNT的過程。這個過程將通過在各旅戰斗隊（BCT）實施空間使能器和空間能力來提高對PNT戰爭的作戰理解。空間能力是投射陸地力量和贏得近距離戰斗的關鍵使能因素。本專著分為四個主要部分：第一部分是導言，包括背景信息，指出美國陸軍在D3SOE中面臨的GPS問題；第二部分提供適用于PNT戰爭的當前理論，以及對當前PNT戰爭能力和限制的理解；第三部分分析美國陸軍目前如何計劃和執行MDO；第四部分總結了影響、建議，以及必須進行的額外研究。

摘要

《應用于致命性自主武器系統的任務指揮原則》，Curtis R. Michael少校，56頁。

這部專著研究了任務指揮的七項原則及其在致命性自主武器系統中的應用。像機器人和人工智能這樣的創新技術正在迅速重塑社會規范。只是在過去幾年里，美國軍方才認真考慮自主技術在戰場上的影響。隨著政治和軍事領導人處理這個新的戰爭時代，有關人類和機器在戰爭中的角色的新問題正在呈現。盡管圍繞自主系統的知識和經驗還很有限，但有一個既定的框架，即任務指揮原則，它經過了戰斗的檢驗，非常適合解決模糊性問題。任務指揮原則是使用致命自主武器的明智方法。這七項原則是幫助軍事指揮官應對復雜戰爭穩定的指導性方針。更重要的是，這些原則確保指揮官是最終的決策者，人民和信任是任務指揮的重點。信任在這個新的戰爭時代的重要性是不可低估的。信任確保了軍事行動的凝聚力和統一性。了解自主武器系統中的人機信任關系，對于釋放人機團隊的競爭優勢以及維護美國的國家安全利益至關重要。

簡介

“第一臺超智能機器是人類需要做出的最后一項發明，只要機器足夠溫順，告訴我們如何控制它。奇怪的是，這一點在科幻小說之外很少被提及。有時，認真對待科幻小說是值得的。”歐文-約翰-古德，《第一臺超智能機器》

今天，沖突的復雜特征也許比以往任何時候都更加明顯。混合戰爭、網絡攻擊和非國家行為者正在不斷地使戰斗空間變得更加不確定、動態和模糊。革命性的技術，如高超音速武器、人工智能（AI）和自主系統（AS）進一步增加了這種復雜性。商業和軍事工業對創新技術的空前依賴似乎是戰爭特征變化的催化劑，可能也是戰爭性質的催化劑。前美國國防部長吉姆-馬蒂斯在評論人工智能和戰爭這個話題時說："我當然質疑我原來的前提，即基本性質不會改變。你現在必須質疑這一點。"隨著政治和軍事領導人小心翼翼或不顧一切地跳入這個幾乎沒有先例的戰爭新時代，關于人類和機器在戰爭中的作用的新問題在等待著他們。

2014年，前國防部副部長羅伯特-沃克和他的同事發表了一份報告，解釋了未來的戰爭會是什么樣子。他們認為，未來的戰爭將主要由無人駕駛和自主武器等機器人技術來進行。"這種走向機器人時代的主要驅動力是來自商業公司的創新，而不是由政府研究和開發項目資助的軍工綜合體。"雖然這些新技術使眾多民用行業受益，如醫療保健和金融，但軍隊以及恐怖組織越來越依賴它們。2019年9月對沙特阿拉伯能源基礎設施的襲擊就是一個例子，恐怖分子輕松地改裝了少量的無人機，破壞了該國一半的石油和天然氣生產。此外，在過去十年中，使用軍用無人機的主權國家有九十五個，增加了百分之五十八。

從商業角度來看，機器人技術和自主技術的市場已經大大增長。例如，在過去六年中，工業機器人的銷售量每年都在增加，導致全世界的機器人存量超過240萬臺。此外，2018年有1630萬臺服務機器人用于家庭用途，比前一年增加了59%。另一個說明自主技術增長趨勢的例子是自動駕駛汽車。自動駕駛汽車在商業上和軍事上都有很大的前景。用先進的傳感器套件改裝的車輛有可能消除對人類操作員的需求，或通過提高駕駛員的態勢感知來減少人為錯誤。

美國軍方利用人工智能通過致命和非致命的應用來加強國家安全。人工智能的一個非致命性應用是一個名為Maven項目的軟件套件。Maven是國防部的一個人工智能應用，它研究遙控飛機的圖像和視頻資料，目的是改善無人機的打擊。人工智能的致命應用，也被稱為致命自主武器系統（LAWS），不僅被美國軍隊使用，也被世界各地的軍隊使用。本專著將致命性自主武器系統定義為：一旦啟動，就可以在沒有人類操作員進一步干預的情況下選擇和攻擊目標。

LAWS的例子包括以色列國防軍的HARPY導彈。HARPY是一種旨在有選擇地攻擊敵方防空設施的游蕩彈藥。同樣地，美國空軍最近出動了它的第一枚自主巡航導彈--遠程反艦導彈（LRASM）。LRASM的設計是獨特的，因為它可以根據敵方軍艦的圖像識別、紅外、雷達和其他傳感器的特征，自主地探測和攻擊敵方軍艦。

美國國防部（DoD）將人工智能定義為機器執行通常需要人類智能來執行任務的能力，無論是數字還是作為自主物理系統背后的智能軟件。從本質上講，人工智能是一個處理數據以識別模式、學習、建議作戰方案或指導行動的融合系統。與商業行業一樣，軍方認識到人工智能支持的硬件和軟件的好處。

隨著自主武器的發展和使用變得突出，與它們的道德使用和可信度有關的問題將浮出水面。朱莉婭-麥克唐納和杰奎琳-施耐德進行了一項調查，顯示了目前無人駕駛飛行器的信任障礙。他們的調查顯示，聯合終端攻擊控制人員（JTAC）和聯合火力觀察員（JFO）認為無人機 "比有人駕駛的飛機風險更大，更不值得信任"。此外，他們得出結論，在 "人類與敵人直接接觸的領域，部隊不愿意將決策權交給機器"。然而，他們有限的調查確實顯示，當JTAC和JFO對無人駕駛飛機有更多的經驗時，他們更可能傾向于無人駕駛飛機。這一發現表明，經驗可能有助于解決控制人員對無人駕駛飛機的一些信任問題。

前面的例子說明了國防部的采購和企業在開發致命性自主武器系統時遇到的許多挑戰之一。軍方開發的新武器系統要經過廣泛的測試和政策審查。在某些情況下，這一過程需要多年時間才能完成。然而，這一深思熟慮和務實的過程的總體目標是推出一種有能力和強大的武器，使軍事指揮官能夠在戰場上自信地使用。致命武器系統是獨特的，因為它們挑戰了這種傳統的武器采購和部署模式。使致命性自主武器系統的開發更加復雜的是國防部的3000.09號指令。該指令指出，指揮官和作戰人員必須對武力的使用進行適當的人為判斷。指令中沒有明確界定什么是 "適當的判斷水平"。此外，在當前的作戰環境中，對手正專注于爭奪、拒絕和降低通信系統，對適當控制的理解變得更加不明確。

人工智能技術的普遍性及其在整個民用和軍用部門的廣泛增長表明，戰爭的特征正在發生變化。美國的核心政治和軍事戰略文件，國家安全戰略（NSS）和國防戰略（NDS）承認這些技術的重要性，因為他們指示美國優先考慮并保持在新興技術方面的競爭優勢。在未來的沖突中，這些新興技術將很可能超過人類的理解能力。Robert Latiff寫道，時間將更加寶貴，戰斗的純粹速度將給決策帶來壓力。考慮到未來戰爭的這一背景，軍隊應該預期軍事主動權的鐘擺將逐漸從軍事指揮官手中擺開，轉到自主代理人身上。為了在人工智能主導的戰斗空間中做好準備并取得成功，指揮官將需要把任務指揮的一些原則擴展到致命性自主武器系統。