《美国海军和美国海岸警卫队舰艇的潜在无人机系统作战概念研究》2023年最新200页报告

由于成本、能力、政策和法规等因素，美国海军（USN）和美国海岸警卫队（USCG）舰艇上无人机系统（UAS）的使用目前受到限制。本分析报告的主要目的是研究 1-3 类 UAS 在执行情报、监视和侦察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及后勤任务时对水面舰艇性能的影响，并考虑小型 UAS 系统的哪些性能参数可能对执行这些任务最有意义。本研究使用的数据包括公开的无人机系统规格、舰船规格和指标，以及以前进行的成本/预算分析。这些信息被用来为潜在任务的各种模型提供信息，这一工具有助于根据用户需求和成本分析选择无人机系统。这些分析结果表明，无人机系统有利于其可能执行的任务--即相对于其他机载资产而言，能够支持其较短的作战时间和航程的任务。对于 ISR/SAR 场景，分析表明，与没有航空资产的舰船相比，无人机系统可增加识别目标的数量，并缩短完全搜索作战区域的总体时间。在后勤运送场景中，无人机系统被用于从港口取回货物，与完全转向港口的船只相比，无人机系统减少了运送货物所需的成本和时间。

尽管目前美国海岸警卫队（USCG）和美国海军（USN）舰队在较小的水面舰艇上使用的有机（即从舰艇上发射和回收）无人机系统（UAS）有限，但海军作战部长（CNO）的 2021 NAVPLAN [1] 包括了到 2045 年实现混合舰队的目标。许多无人机系统资产能够执行情报、监视和侦察 (ISR)、搜索和救援 (SAR) 以及轻型补给任务。在合适的行动中利用这些系统替代有人驾驶系统，可以节省实现任务目标所需的关键时间和精力。本研究旨在确定可提高美国海军和美国海岸警卫队舰艇执行关键任务性能的无人机系统参数，建立无人机系统行为和影响模型，与目前采用的替代方案进行对比，并提出一种方法，用于对考虑集成到水面舰队的无人机系统替代方案进行早期评估。

本研究总结了无人机系统在一般情况下和海上环境中使用的相关文献。研究还总结了所收集的有关无人机系统和船只类型的信息，以及它们的相关参数、规格和能力。然后，将收集到的信息综合成 "无人机选择工具"，分析无人机系统要求与船舶制约因素之间的相互作用。这个基于 Excel 的工具考虑了

• 哪些通用无人机系统参数在作战场景中最有价值。
• 特定的无人机系统在这些参数上能达到什么能力。
• 哪些舰艇可以支持特定的无人机系统。

然后，该工具会计算出每种舰船类型可运行的无人机系统，以及每种无人机系统的相对价值。该工具可根据无人机系统、舰船类型和利益相关者偏好的实际数据轻松更新。利益相关者可利用该工具指导对特定无人机系统解决方案的进一步研究。

无人机选择工具开发完成后，将考虑无人机系统对作战方案的影响。这是通过场景开发和建模来实现的。首先，为 ISR、SAR 和后勤任务制定了名义上的作战方案。然后，描述每种情景的相关指标（例如，搜索一个区域的平均时间）。最后，介绍包络计算以及通过 ExtendSim [2] 进行的高保真模拟建模。ExtendSim 由 Imagine That Incorporated 公司开发，是一套功能强大的仿真软件，可以进行连续、离散事件和其他形式的仿真建模[2]。然后使用这些模型来考虑各种舰船和无人机系统参数（例如无人机系统速度）的变化如何影响通过相关指标评估的任务性能。

对于所考虑的 ISR 场景，分析表明，加入无人机系统能力可显著缩短搜索区域的平均时间。由于无人机系统的航拍时间是有限的，而搜索时间会随着搜索范围的扩大而增加，因此对较小区域的影响更大。随着场景中目标数量的增加，无人机系统对缩短时间的影响也会增加。关于执行 ISR 任务的无人机系统参数，无人机系统的速度是关键--如果无人机系统的速度接近舰船的速度，无人机系统的影响就会减小。

在搜索和救援分析中，当使用无人机系统增加传感器宽度时，无人机系统的能力可显著缩短搜索箱的时间。在此，分析表明，无人机系统的总飞行时间是一个关键因素，无论是通过增加无人机系统还是延长续航时间来实现。无人机系统的传感器宽度也是一个关键因素，传感器范围越宽，搜索箱所需的时间就越少。不过，虽然无人机系统可用来缩短搜索时间，但无人机系统的假定探测概率也很重要。如果探测概率较低，这种使用模式可能会导致总体探测次数减少。

还考虑了一种情况，即使用无人机系统提高总体探测概率，而不是增加传感器宽度。在这种情况下，无人机系统实际上对场景时间没有影响。与之前的合成孔径雷达方案一样，探测概率非常重要，在考虑的无人机系统探测概率较低的情况下，无人机系统对方案未探测到的影响可以忽略不计或为负值。在所考虑的无人机系统探测概率的高端（与假定的舰船探测概率相似），无人机系统对情景下未探测到的平均次数产生积极影响（即减少未探测到的次数）。最后，在需要发现的目标总数较少的情况下，无人机系统对未探测到目标的影响可以忽略不计，但随着目标的增加，其影响也会增加。

此外，在水面舰队中增加无人机系统执行 ISR 和 SAR 任务的影响方面，出现了以下趋势：

• 在 ISR 情况下，无人机系统的速度是关键参数。
• 一般来说，在探测概率高的情况下，搜索次数越多，未探测次数就越少，而在探测概率低的情况下，搜索次数越多，未探测次数就越多。这意味着在获取新系统时必须仔细考虑无人机系统传感器。
• 与直觉相反，在搜索较小区域时，拥有无人机系统能力对 ISR 和 SAR 任务指标的影响更大。这是因为更大范围的搜索需要更长的时间，而无人机系统的飞行时间有一个硬性上限。

当 ISR 和 SAR 环境中有更多目标需要寻找或确认时，无人机系统就更有可能产生影响。此外，还考虑了在水面舰队中增加无人机系统的成本影响。分析表明，即使将无人机系统的采购成本计算在内，较小的现成商用无人机系统（COTS）解决方案的每小时成本也可能大大低于传统的载人资产。随着商用现货无人机系统解决方案成本的增加，其每小时成本将接近载人资产成本的低端。这一分析取决于无人机系统的飞行小时数，因为其中包括固定采购成本。无人机系统资产的飞行时数越多，其比较单位成本就越低。本研究还考虑了无人机系统成本收支平衡的飞行小时数，或者说单个无人机系统的采购投资已经通过降低支持地面机队的边际成本而收回。这项分析假定无人机系统的飞行时数取代了载人资产的飞行时数。在此，如果假定所有无人机系统的飞行时数都能替代有人值守资产的飞行时数，那么成本较低和较高的 COTS 无人机系统都能迅速达到运行时数的盈亏平衡点。然而，对于成本较高的系统而言，运行小时盈亏平衡点在很大程度上取决于假定的替代率。对于假设的高端 COTS 无人机系统，如果单个无人机系统的 50%飞行小时可替代载人资产飞行小时，则达到运营小时盈亏平衡点的飞行小时数将比 100%替代率情况下增加约 680%。

归根结底，在其他条件相同的情况下，将无人机系统纳入水面舰艇编队很可能会提高孤舰在 ISR 和 SAR 任务中的性能。将无人机系统集成到较小的水面舰艇中还将为指挥官提供更大的灵活性，以适应作战挑战。然而，并非所有的无人机系统都具备适当的速度、任务续航时间和航空电子设备组合，以提供有意义的能力。那些能够提供有意义能力的无人机系统可能更大、更昂贵。这表明，必须谨慎选择要集成的无人机系统。