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本研究論文介紹了軍用無人機系統盒（The NeuronDrone-Box）中用于攻擊或防御決策的全自主人工智能：硬件、算法和一種新型專用軍用無人機或無人機。第一部分介紹了軍用無人機系統盒（The NeuronDrone-Box）中的攻擊或防御決策全自主人工智能，以適應任何無人機的主控系統。第二部分是使用混沌理論和經濟地理學的算法。第三部分介紹了被稱為 "黑色噩夢 V.7" 的開創性原型機。黑色噩夢 V.7 無人機投彈手擁有一系列與眾不同的功能和應用，本技術報告將對此進行詳細介紹。首先，主張在軍用無人機系統箱（The NeuronDrone-Box）中實施全自主人工智能攻防決策，以控制與全自主人工智能攻防決策軍用無人機系統箱（The NeuronDrone-Box）相連的多副翼系統（MAS）和多導彈系統（MM-System）。

本文探討了在實際戰場場景中增強態勢感知的聯合通信和傳感技術。特別是，提出了一種空中可重構智能表面（ARIS）輔助綜合傳感與通信（ISAC）系統，該系統由單個接入點（AP）、ARIS、多個用戶和一個傳感目標組成。通過深度強化學習（DRL），在信號干擾比（SINR）約束條件下聯合優化了接入點的發射波束成形、RIS 相移和 ARIS 的軌跡。數值結果表明，通過抑制自干擾和雜波回波信號或優化 RIS 相移，所提出的技術優于傳統的基準方案。

隨著設備種類的增加，戰場環境變得更加復雜多變，對先進無線傳感與通信技術的需求也在不斷增加。最近，綜合傳感與通信（ISAC）被認為是未來使用毫米波（mmWave）等高頻段無線網絡的一項有前途的技術[1]。特別是，由于雷達傳感和無線通信共享相同的頻譜和硬件設施，ISAC 有可能提高戰場上的整體作戰效率[2]。

ISAC 下行鏈路系統的整體流程一般是由接入點（AP）向用戶發射 ISAC 信號，并處理目標反射的回波信號。然而，由于鏈路的主要視距（LoS）信道特性，軍事場景中的 ISAC 無法避免被各種障礙物（如山脈）阻擋的問題，并隨著通信距離的增加而造成嚴重的路徑損耗[3]。為了克服 LoS 信道的物理限制，可重構智能表面（RIS）作為一種關鍵技術應運而生，它通過調整相移來重新配置信號傳播，從而擴大目標探測和通信范圍[4]，[5]。作者在文獻[5]中提出了 RIS 輔助單目標多用戶 ISAC 系統中的聯合發射和接收波束成形技術。然而，在接入點和地面節點之間部署地面 RIS 在動態戰場環境中提供足夠的服務質量（QoS）方面存在局限性。另一方面，將 RIS 安裝在無人飛行器（UAV）上的空中 RIS（ARIS）可利用移動性在動態戰場環境中提供更有效的感知和通信性能[6]。文獻[7]考慮了由 ARIS 輔助的 ISAC 系統，以重新配置傳播環境，靈活對抗惡意干擾。

之前的研究[6]、[7]中針對傳感或通信網絡的 ARIS 系統的解決方案大多是通過凸優化提供的，無法快速應用于戰場場景。深度強化學習（DRL）方法因其在通過深度神經網絡與環境交互的同時制定策略的優勢，已被積極采用，作為傳統優化方法的替代方案。在 DRL 算法中，眾所周知，深度確定性策略梯度（DDPG）在連續行動空間（如 ARIS 軌跡）中收斂和運行良好[8]。文獻[9]的作者提出了一種基于 DRL 的 ARIS 軌跡設計，用于與車輛進行通信和定位。然而，從實際角度來看，當 AP 工作在全雙工模式時，自干擾問題 [10] 不可忽視，而且還需要一種抑制雜波回波信號的方法 [3]。

這項工作的重點是軍事場景中基于 DRL 的 ARIS 輔助 ISAC 系統，其中多天線 AP 為地面用戶提供服務并探測目標。我們的目標是通過聯合優化發射波束成形、RIS 相移和 ARIS 軌跡，使目標定位的 Cramer-Rao 約束（CRB）[11] 最小化。此外，為了應對自干擾和雜波回波信號帶來的挑戰，我們采用了一種基于無效空間投影（NSP）的接收波束成形方案[12]來抑制這些信號。為了應對所提問題的非凸性，我們提出了一種基于 DDPG 的算法，在與環境交互的同時尋找最優策略。通過模擬驗證，所提出的方法優于其他基準方法，如固定 RIS 相移或不應用基于 NSP 的接收波束成形方案。

本文的其余部分安排如下： 第二節介紹系統模型，包括 ARIS 輔助 ISAC 系統的信道、通信和雷達傳感模型。第三節介紹了所提出的基于 DRL 的算法，該算法旨在最小化整個系統的 CRB。第四節展示了數值結果，第五節為本文的結論。

• USW DSS 是 USW 指揮與控制 (C2) 戰斗管理輔助 (BMA) 記錄計劃 (PoR) 的支柱，支持針對高端對手的戰區和集團部隊（如水面、地下和空中部隊）的智能 C2。

• 該系統可規劃和執行美國海軍作戰群和戰區作戰行動；為利用環境提供 “最合適 ”的資產/傳感器分配；管理可用資源；平衡任務目標與風險；以及提供作戰環境的脆弱性評估。

USW DSS作戰影響

• 提供 USW 任務規劃輔助工具，包括

  • 提供 “最適合的 ”基于目標/風險的資產分配、行動路線（CoA）和演習方案。

  • 提供增強型反潛戰多資產（即水面、空中和地下）搜索規劃，了解威脅的探測概率、聲學干擾、脆弱性和先前的搜索結果。

  • 使部隊能夠利用氣象和海洋學（METOC）環境，發揮我們的優勢。

  • 使指揮官能夠在防止相互干擾和降低自相殘殺風險的情況下分配潛艇部隊。

• 提供 USW 任務執行管理輔助工具，包括

  • 提供現場戰術數據交換，使部隊能夠更快地同步行動。

  • 提供現場執行評估，使指揮官能夠更快地調整計劃

  • 為指揮員提供所需的有關對手、藍軍和關鍵絆網的態勢感知。

本文介紹了一種獨特的方法，即由一個裝有網的飛行機器人對不合作的無人駕駛飛行器進行中空自主空中攔截。本文提出了一種名為 “快速響應比例導航（FRPN）”的新型攔截制導方法，旨在依靠機載狀態估計和跟蹤捕捉靈活機動的目標。在使用 100 個不同復雜度的目標軌跡（包括近 14 小時的飛行數據）進行的仿真中，將所提出的方法與最先進的方法進行了比較，結果表明 FRPN 的響應時間最短，攔截次數最多，而這正是敏捷攔截的關鍵參數。為了能夠從理論和仿真穩健地轉移到實際應用中，我們的目標是避免過度擬合目標的特定假設，并解決攔截未知總體軌跡目標的問題。此外，我們還發現了與目標狀態的跟蹤和估計有關的幾個經常被忽視的問題，這些問題會對系統的整體性能產生重大影響。我們建議使用基于交互多模型濾波器和新測量模型的新型狀態估計濾波器。模擬實驗表明，在考慮一般軌跡時，與常用的卡爾曼濾波法相比，所提出的解決方案能顯著提高估計精度。在這些結果的基礎上，我們采用所提出的濾波和制導方法實現了一個完整的自主攔截系統，該系統在現實模擬中得到了全面評估，并在與機動目標進行的真實世界實驗中得到了測試，其性能遠遠超出了任何最先進解決方案的性能。

圖 1：使用擬議系統成功自主攔截移動目標的拼圖。從 t1 到 t4 的機動時間約為 2 秒。

這項工作研究了在任務式指揮設備中嵌入模擬器的實用性和有效性。其目標是僅使用戰區作戰計劃作為模擬輸入，向操作員隱藏所有模擬器細節，使其無需學習新工具。本文討論了一種原型功能，該功能可根據 SitaWare 中生成的作戰計劃以及嵌入式無頭 MTWS 和 OneSAF 模擬器的模擬結果，生成行動方案（COA）分析。在輸入作戰計劃后，指揮官選擇要執行的模擬運行次數，并按下按鈕啟動模擬，模擬在后臺的運行速度比實時運行更快。模擬運行完成后，指揮官可通過圖形和圖表查看結果，對多次運行進行比較。預計未來的能力將允許指揮官模擬任何梯隊和命令，用于訓練和兵棋推演。

本研究提出了一個基于 MOOS-IvP 中間件的自主水下航行器控制算法構建框架。側掃聲納傳感器（SSS）通常用于生成聲納圖像，在圖像中可以識別類似地雷的物體。這里實施的基站社區可維護 SSS 的覆蓋置信度地圖，并為用戶提供二維和三維模擬以及實施高級控制方案的能力。開發可分三個階段進行： 1) 最簡配置，僅使用必要的應用程序來開發和測試外環控制；2) 包含模擬硬件的配置；3) 包含實際硬件的配置，該配置應從第 2 階段平滑、輕松地擴展而來。這樣做的好處是使用方便、開發速度更快、減少硬件測試和成本。

圖 1. 自動潛航器路徑及其側視聲納覆蓋的相應區域示例。

多智能體框架

在擬議的 MAS 框架中，每個 AUV 和基站分別有一個獨立的社區。每個群落上都運行著幾個應用程序，其中一些包含在 MOOS-IvP 發行版中，另一些則由作者自行開發。

在擬議框架中，有三種可能的配置：1) 加速開發高級控制和規劃策略的簡約配置；2) 在最底層用變量替代實際傳感器和執行器數據的模擬配置[12]；3) 實際硬件實施。

圖 6. 配置 1：2 個自動潛航器群落和 1 個基站群落，應用極少。

圖 8. 配置 2：硬件模擬包括所有傳感器和致動器應用。

在本技術說明中，報告了有關傳感器技術和避讓方法的最新研究與開發文獻綜述，這些技術和方法可用于未來在有人-無人協同（MUM-T）行動中在小型無人系統上實施感知與避讓（SAA）能力。

在傳感器技術方面，研究了協作和非協作傳感器，其中非協作傳感器又分為主動和被動傳感器。我們認為：(1) 被動非協作傳感器在尺寸、重量和功率（SWAP）方面比其他傳感器更有優勢。被動工作可確保無人平臺在惡劣環境中的安全。為了補充單個傳感器能力的約束和限制，我們還認為，(2) 傳感器和數據融合的趨勢和未來需求前景廣闊，能夠在動態、不確定的環境中進行連續和彈性測量。此外，我們還認為應關注無人系統領域正在開發的 (3) 新型傳感器套件。

在探測和規避方法方面，我們按照 SAA 流程進行了全面研究，從探測沖突、危險或潛在威脅，到跟蹤目標（物體）的運動；評估風險和可信度；根據評估參數確定沖突的優先級；然后宣布或確認沖突以及沖突的程度；確定正確的沖突解決方法；隨后下達命令并最終執行。為了支持這一過程，我們審查了各種 SAA 算法，包括探測算法、跟蹤算法和規避策略。我們認為，（4）基于學習的智能算法需要列入未來 SAA 的要求中，因為它們具有支持任務的自適應能力。

最后，從不同的使用案例中回顧了支持 MUM-T 行動的 SAA。我們認為，(5) 與蜂群式小型 UxV 的人機系統接口可提供半自主的 SAA 能力，而人的參與程度有限。這種集成的人機交互提供了智能決策支持工具。該系統旨在使單個人類操作員能夠有效地指揮、監控和監督一個 UxV 系統。根據技術重點的發展趨勢，我們的最終觀點是：(6) 就研發進展而言，現階段實現無士兵參與的完全自主還為時過早，但我們將積極關注該領域的最新發展。

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。

這項工作提出了一個在歐盟項目FOLDOUT中開發的融合和跟蹤系統，旨在通過融合不同的傳感器信息和提出對監視區域內檢測到的目標自動跟蹤來促進邊防工作。FOLDOUT的重點是歐盟內部和外部地區的穿透式樹葉檢測。融合多個傳感器信號可以提高檢測的有效性，特別是在森林和其他被樹葉遮擋的地區。我們使用加權地圖（也稱為熱圖）來結合多傳感器信息；對所產生的融合目標進行跟蹤；根據對融合檢測的時間關聯的成本計算來創建或更新跟蹤。我們比較了來自單個傳感器的跟蹤結果和來自融合目標的跟蹤結果，這些數據是在模擬邊界收集的，代表了保加利亞的實際歐盟邊界。結果表明，如果根據融合后的數據而不是單個傳感器的信息進行追蹤，追蹤效果會得到加強。

檢測與跟蹤方法

邊防軍的主要興趣是在全球地圖上對監視區域內檢測到的人員進行定位和跟蹤。為了實現這一目標，首先要將不同傳感器系統觀察到的單個人的探測結果進行融合。當檢測結果相互關聯并保持一致時，就可以在一個共同的地圖上對單獨的目標進行跟蹤。

圖2：指導動作（紅線），扮演一個非法越境的場景：1.一個人通過步行越過邊境。2.該人沿著邊境小路向大路走去。3.此人停下腳步，在路上停留很長時間（可能是在等待汽車中的走私者）。4.在某一時刻離開道路，躲進樹叢中。5. 在樹葉中，該人再次回到路上（可能再次尋找汽車）

A.單傳感器檢測

RGB和熱像儀中的人員檢測

基于深度學習的綜合物體檢測被應用于相機圖像上。深度學習方法已被證明優于以前的最先進的機器學習技術。深度神經網絡（DNNs）模仿了大腦感知和處理信息的方式。與以前的方法相比，DNNs學習了諸如人物檢測等任務所需的特征。近年來，DNN在物體檢測和分類任務上表現出突出的性能[9, 10]。在這項工作中，物體檢測是基于一個著名的DNN實現，即YOLO檢測器[11]。

PIR傳感器中的人員檢測

探測器經過調整，使被動紅外傳感器在PIR周圍7.5米的半徑內觸發人的存在。

B.異質傳感器融合

在這項工作中，我們使用加權地圖來提供傳感器數據的層次（也稱為HeatMaps），并以邏輯和數學的方式組合它們。它的動態是完全使用不同傳感器模式的傳感器檢測假設的事件驅動。這些傳感器假設包括位置（WGS84基準）、時間戳（Unix時間戳）和權重（例如，從傳感器檢測中獲取的信心）。為了實現這一點，有兩個組件是必不可少的：加權分布圖（HeatMaps）；線性意見庫。圖3顯示了這種方法的基本概念。

圖3：融合方法的基本概念（左），作為使用兩個加權分布圖（熱力圖）的例子。應用不同的衰減函數（右）來建立加權分布圖的時間動態行為。

加權分布圖(熱圖)

加權分布圖是我們數據融合方法的兩個基本組成部分中的第一個。加權地圖的基本思想是，保持和更新關于不同傳感器探測假設的時空信息。加權地圖來自于概率占用網格，但以加權的形式解釋傳入的數據。此外，還采用了時間上的衰減來模擬傳感器數據的及時行為。權重被存儲在一個可選擇分辨率的數組中，代表WGS84坐標中感興趣的矩形區域。圖3展示了用于模擬加權分布圖動態行為的可能衰減函數。

通常，加權分布圖對應于任何一種傳感器數據或傳感器模式（例如，從攝像機圖像中檢測人的邊界框）的時空。傳感器數據被攝取到一個專門的加權圖中，這導致加權圖的值根據傳入的傳感器假設的權重而增加（替換）。相對而言，衰減將及時應用到加權分布圖的值矩陣中。每次傳感器假設被攝入分布圖，它將通過重新計算加權分布圖的權重和衰減以前狀態的值來更新。

最后，線性意見庫允許我們結合多個加權分布圖，從而結合多傳感器模式，目的是減少傳感器系統的整體錯誤發現率。

線性意見庫(LOP)

我們融合方法的第二個重要組成部分是線性意見庫[8]。

每當一個加權分布圖的狀態由于新的傳感器檢測假設而被更新時，就會應用LOP。在評估了LOP之后，閾值處理使我們能夠產生警報。為了確定警報的位置，在組合值矩陣中超過閾值的區域使用分割算法（blob檢測）。這些警報是由多個傳感器假設產生的，用于為跟蹤提供必要的輸入數據，這將在下一節中描述。

C.多目標跟蹤

為了跟蹤越境進入禁區或敏感區域的入侵者的行動，我們開發了一種基于空間和時間上關聯目標檢測的成本計算的定制算法。該跟蹤系統的工作原理是完全基于目標的位置和時間戳建立一個模型。

在第一次檢測目標時，該模型以該檢測的位置和時間戳進行初始化。軌跡模型是用以下元組定義的：???? = (????,????,????)。

如果幾個目標檢測同時發生，那么創建的模型模板數量與同時收到的檢測數量相同。后續的檢測被添加到一個給定的軌道模型中，這取決于將檢測添加到軌道中的成本。該成本被定義為傳入的檢測和軌跡候選者之間的距離。

在有多個傳入的檢測和多個軌跡候選者的情況下，已經實施了匈牙利算法[12]，使檢測和軌跡之間的關聯產生最小的成本。

北約科技組織（STO）應用車輛技術（AVT）329 "NexGen旋翼機對軍事行動的影響 "評估了2035+時間框架內適用科學技術（S&T）發展對軍事行動的潛在影響。對預計的未來任務進行的兩次作戰分析（OA）評估時，評估采用了基于風險的主題專家判斷。

利用定義的任務小插曲，參與評估的主題專家確定了利用當前北約軍用直升機能力實現各項任務的風險。然后評估每個風險發生的可能性和對實現任務的影響。對于每個風險，確定的緩解措施包括技術的應用、戰術的改變和其他措施。隨后對確定的風險緩解措施的行動影響進行了評估，以確定其軍事價值。

基于風險的評估框架使來自多個北約和伙伴國的具有軍事行動、需求和技術專長的主題專家能夠進行定性評估。由于所有參與者以前都熟悉風險評估過程，該框架很容易被調整為進行貿易空間業務需求和關鍵技術的審計。