海上无人系统框架系统介绍

系统技术交流 2024-09-28 16:30:43

当 Orca 超大型无人水下航行器切入海面时,它收到了舰队指挥官的卫星中继任务命令:“摧毁目标阿尔法,使主力部队能够穿透敌人的防御。在潜入水下后,与数十个地下、水面和空中无人系统协同,逆戟鲸机动以占据其打击位置。这些平台从各自的交会点进入,采用协调一致的致命和非致命火力,包括电磁干扰和网络攻击,使敌人失明和迷失方向。最终,大规模的火力为舰队指挥官提供了一个短暂的窗口,可以用有人驾驶飞机、导弹和炸弹突破敌人的反介入/区域拒止 (A2/AD) 防御。完成任务后,无人系统迅速分散,利用它们的隐身和速度来躲避敌人的反击。

此情景说明了在海上使用无人系统与近乎对等的对手 MASS 发生冲突的一种可能优势。事实上,无人系统可以为舰队和联合特遣部队指挥官提供不对称的优势,让他们在整个竞争连续体中执行分布式海上行动 (DMO)。为此,美国海军成立了第 59 特遣队 (TF),该特遣队旨在将无人系统和人工智能 (AI) 与海上行动相结合,特别是在第五舰队行动区域。1

正如三军海上战略 Advantage at Sea 所呼吁的那样,现代化要求高级领导者考虑如何利用新兴技术通过进攻行动和防御性对抗措施来对抗对手。2TF 59 在开发无数无人系统方面取得了令人印象深刻的进展。然而,海军需要一个框架来帮助其在 DMO 期间使用此类系统,并指导未来三到五年的战略、运营、战术和采购。

MQ-8C Fire Scout 在地雷对策原型演示期间收集性能数据。Fire Scout 等无人系统可以提供早期预警,并扩大船舶的传感器范围,以用于各种活动。美国海军

乌克兰冲突表明无人系统的重要性日益增加,尤其是在海洋领域。3鉴于这一趋势,需要一个端到端框架来指导 DMO 期间无人系统的使用,包括在信息环境中的操作期间。四种部队使用方法——纠察队、分布式、大规模和综合——在整个竞争连续体中都相关,可以适用于不同的行动、作战结果、持久的海军能力和新的联合作战概念的原则(见表 1)。能力来自海军学说出版物 1《海战》和联合作战概念,来自前参谋长联席会议主席、退休将军马克·米利 (Mark Milley) 最近在《联合部队季刊》上发表的文章“战略拐点:战争性质中最具历史意义和最根本的变化正在发生——而未来笼罩在迷雾和不确定性中”。

纠察队。固定式无人系统部署在友好关键能力的传感器范围内,包括港口和船舶,以及关键海上地形,如海上通信线,以增强态势感知、促进通信并实现部队保护。以这种方式使用,无人纠察队可以执行与附属在巡洋舰或驱逐舰上的直升机类似的功能。首先,他们可以提供敌人活动的早期预警。其次,由于纠察队在不同海况下具有弹性,可以用作通信中继器,扩大通信范围并提供冗余。最后,无人纠察队可以通过提供致命和非致命能力来帮助指挥官进行战术射击,尽管能力有限。这些优势共同可以提供海上安全和部队保护。纠察队方法还支持信息优势和集成、敏捷的指挥和控制。

例如,纠察队对于海上拦截行动非常有用,因为它们可以扩大船舶的传感器范围以定位载有非法货物的船只,允许指挥官监控船只登船,然后观察正在进行的搜索和扣押行动。与此同时,无人纠察队可以在船只周围提供保护带,抵御潜在威胁,例如对手的海上无人机或小型攻击船,并提供有限的反击能力。

分布式。无人系统在地理上分散,使用范围超出了飞机、船舶和港口的传感器范围,提供了超视距能力。与纠察队类似,分布式无人系统在整个比赛连续体中都很有用,提供态势感知和部队保护。它们还提供两个额外的好处。首先,它们可以实现力量投射,使美国海军部队能够通过航行自由行动来执行《联合国海洋法公约》(U.N. Convention on the Law of the Sea)。其次,分布式无人系统可以实现威慑,这本质上是心理上的。如果大规模部署,它们可以在多个不同的时间和地点快速发动攻击,这种威胁使对手陷入两难境地,并可能造成更多漏洞。这些功能共同实现了信息优势和全球火力,这是联合作战概念的两大原则。

在冲突期间,分布式无人机部队可能会削弱敌方在大范围内的能力,从而增加敌方决策者对美军攻击地点、时间和方式的不确定性。事实上,敌人无法杀死每艘船,因此它必须等待时机打击它认为是主力舰的船只。因此,指挥官可以使用分布式模型来欺骗对手并实现友好的攻守行动。首先,分布式无人系统可以提供间歇性的电磁信号,使敌方决策者迷失方向,并导致他们暂停运营或重新分配资源。虽然对手会弄清楚哪个目标是船只,哪个是廉价的无人系统,但分布式无人系统可以向单个关键漏洞开火。其次,分布式无人系统可以执行伪随机脉冲操作,使对手传感器眼花缭乱并混淆海上的关键动作。这种欺骗使必要的维持行动成为可能,例如在海上为船只补给或为海军陆战队沿海团提供补给。

马萨诸塞州无人系统跨域融合以摧毁对手的关键能力。通过集结,这些系统以空间换取时间,并在保护友军的同时给敌人带来高昂的成本。在没有友军伤亡的情况下穿透对手的 A2/AD 的能力将使敌人重新评估其整个策略。

除了这些进攻性行动之外,使用无人系统进行大规模,当与信息行动同步时,可以施加心理影响。克劳塞维茨写道,抵抗是手段和意志的产物。舰队指挥官通过使用大量经济实惠且可消耗的无人系统来消耗对手的关键漏洞,不仅会降低对手的能力,还会削弱其战斗意志。身体和认知的结合效应提供了运营优势。

集结无人系统还会破坏对手的指挥和控制,并导致其由于对战场的误解而错误分配资源。除了其他权力工具外,这种使用可能会导致美国对手重新考虑有计划的攻击,从而通过否认实现成功的威慑。

2024 年 2 月,海军陆战队的一架 XQ-58 Valkyrie 飞机(一种高度自主、低成本的战术无人驾驶飞机)与两架空军 F-35A 闪电 II 飞机进行了第二次试飞。XQ-58 被设计成由母机控制的忠诚僚机。可能的任务包括侦察、防御火力和吸收敌人的火力。美国空军 (John McRell)

集成纠察队、分布式和大规模无人系统

虽然这些采用无人系统的模型现在可以使用现有技术进行,但自动化提供了更多选择。采用无人系统的最佳方式是通过基于人机协作的集成方法。人机协作旨在通过利用 AI 的优势来优化人员绩效,包括快速合成分布在海上域的一系列传感器提供的大量信息的能力。借助此功能,军事领导者可以缩短传感器到射击时间,即捕获和捕获目标之间的时间间隔。

人机合作对无人系统的海上使用有何影响?研究人员 Avi Goldfarb 和 Jon Lindsay 认为,数据要求需要更多的人类判断,这表明未来的战争将以持续的人类参与为特征。4另一方面,假设军人开始信任人工智能增强的军事技术,鉴于预期效果,人机合作可能使海军部队能够更好地威慑对手。

海军可以采用“半人马”(有人-无人)或“牛头怪”(无人-有人)的人机合作模式。作战人员可以在 Human Supervision 下使用 AI 增强的军事技术进行战术决策,即 Centaur 方法。这种战争方法以希腊神话中的生物命名,其上半身是人,下半身是马,强调人类控制机器用于军事目的,例如摧毁敌方潜艇。在进攻行动中,半人马模型在人类主导决策时效果最佳,例如力量投射、进攻性战斗扫荡和表面行动小组击倒。

海军还可以使用人工智能增强的军事技术,例如“边缘人工智能”,其中人工智能在每个平台的边缘计算环境中完成(而不是集中处理),用于机器监督的战术决策——牛头怪模型,以拥有公牛头和人类身体的生物命名。5其特点是在战斗期间和跨领域(可能包括一系列船只)对人类进行机器控制。事实上,牛头怪模型是许多自动化司空见惯的海上任务的合乎逻辑的下一步,例如弹道导弹防御、综合防空导弹防御以及防御敌方小船或无人机群。

通过人机合作整合纠察队、分布式和大规模战略也利用了乌克兰战争的一个关键教训:无人机战包括电磁战。因此,每个无人系统及其控制器都必须内置电磁保护。事后再进行电磁强化为时已晚。传输连接的适应性选项也不能是事后才想到的。最后,每个无人系统都必须能够干扰对手的通信,并尽可能地调整其签名。利用电磁频谱,这些无人系统可以蒙蔽和迷惑对手,使其作战效用成倍增加。通过这种方式,无人系统舰队可以成为海军在未来冲突中需要的信息战舰队。

以这些方式使用无人系统可提供许多战术和操作优势。无人和载人资产之间的合作伙伴关系为特遣队、打击群或单位级别提供了灵活性、生存能力和战术选择。无人系统可以扫荡、掩护和阻挡敌方火力,实现友军会聚和渗透敌方 A2/AD 武器交战区。在操作层面,人机合作使战斗值班队长能够更好地了解战场并指导有限的资源。

结合电磁频谱工具包,无人系统可以为车队实现信息优势。通过练习,人机合作可以利用前三种雇佣模式的优势,实现军事效果,同时防止意外后果,包括附带损害,尤其是平民伤亡。可以说,人类最适合做出需要必要性、相称性或区别的决策。

立即行动

纠察队、分布式、大规模和人机合作为海军和联合部队如何在海上构思和使用无人系统提供了一个通用词典。海战发展中心应将这一拟议框架的战术、技术和程序及其与 DMO 的联系和联合作战概念的原则编纂成文。武器和战术教练还应测试和完善此概念框架中的方法。

远征舰载无人系统

Force Design 2030 指出:

作为未来的“替身”部队,海军陆战队需要一系列无人机系统功能。我们需要从目前的无人机系统平台过渡到可以从船上、岸上操作并能够使用收集和致命有效载荷的能力。7

海军陆战队已经接受了这一指导方针,并正在采取行动增加部署无人系统的营和中队的数量,并购买 Shield AI MQ-35 V-BAT 以实现进一步的操作概念。8V-Bat 垂直起飞和降落,无需弹射器或天钩。因此,它的作战足迹比 ScanEagle 或 RQ-21 小得多,甚至可以在没有飞行甲板的小型海军舰艇上运行,例如巡逻艇和可选的有人或无人水面车辆。在更大的一端,海军陆战队最近宣布了其在夏威夷的第二个 MQ-9A 收割者中队的初始作战能力,并计划组建更多中队。

配备新一代无人机系统的海军陆战队分队将以两种具有战术意义的方式扩大缺乏有机 ISR 平台的海军舰艇或护航民用船只的传感器范围和连接性。首先,使用 UAS 而不是舰载雷达进行瞄准可以提供几何优势,并允许舰船在保持态势感知的同时限制其电磁特征。其次,海军陆战队分队可以作为远征高级基地 (EAB) 的一部分临时部署到岸上。在这种情况下,无人机系统将在排放控制下从船舶发射,并在有争议或敌对的环境中自主飞行到控制点。然后,EAB 的海军陆战队员可以直接控制无人机系统,或者让无人机处于自主模式,而是接收单向数据突发。10海军陆战队分队还可以在对抗无人机系统以应对较小威胁方面为舰队增加价值。

第 3 组和更小的战术无人机具有多功能性和在严酷环境中运行的能力,并拥有强大的传感器有效载荷。12新技术和未来几代无人系统,包括水下无人驾驶车辆,只会提高海军陆战队分队的能力。印太战区广阔的距离和高威胁环境要求不低。

更具杀伤力的舰队

在舰艇上部署海军陆战队分队,配备现有和未来的中小型无人系统,可以增加整个舰队的杀伤力和 ISR 覆盖范围。与海军舰艇整合的海军陆战队员还可以更好地了解舰队战术、机动和目标定位,从而增强部队层面对指挥官意图的理解。同样,与这些海军陆战队员合作实现海上控制权的海军军官和入伍人员将获得实用的作战知识。

虽然每个海军陆战队员都是步枪手,但高端战斗要求每个步枪手都准备好从空中、陆地和海上支持海军舰队。

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