來源：美國陸軍大學出版社
轉自：數易DigitalTrans
2020年10月21日，一名士兵在弗吉尼亞州皮克特堡的第三個士兵接觸點的實彈測試活動中測試陸軍綜合視覺增強系統的能力集3軍事化形式的原型
美國陸軍、北約軍隊和其他先進國家積極尋求為其作戰部隊實施增強現實《AR》和混合現實《MR》支持。
這些平臺旨在提高戰術意識、目標獲取和態勢感知，同時也為指揮官的行動開發信息上遊。
美國的例子是綜合視覺增強系統《IVAS》，它提供了一套綜合的態勢感知能力，以實現更好的決策和提高士兵的戰術作戰能力。
鑒於美國及其盟國的快速發展和實戰中面臨的障礙，我們想在陸軍的論述中補充一點，即需要確定AR/MR系統的潛在作戰弱點。
作戰環境將考驗任何設備的耐久性和可靠性。
我們調查的一個核心問題是戰場上的戰術價值，以及系統失去全部或部分功能是否將系統從能力提升變為阻礙或阻止任務成功的東西。
我們確定了多個需要調查的領域和研究課題，以使AR設備成為戰鬥力的倍增器。
由於商業平臺的可用性，陸軍新技術的采購和實戰化過程已經從8到10年的過程轉變為36個月的交付。
濃縮的過程——以士兵為中心的設計《SCD》——與傳統的采購過程不同，它可以滿足快速發展的技術需求。
這在陸軍通過快速創新基金在12個月內向士兵提供成熟的技術產品的努力中是顯而易見的，與早期的技術部署相比，這個時間框架要短得多。
快速采購和部署滿足了為士兵提供最新技術的需求，但隨著快速的周轉，也帶來了在過程中沒有及早發現的弱點的風險。
研究和開發這些技術所面臨的挑戰是遵循一種允許技術不完善和實驗的方法，這在軍隊能力發展中是一個新概念。
通過IVAS計劃，AR/MR被定位為下一個綜合戰場技術。
美國陸軍將相當多的投資和資本——人力、財力和時間——投入到它的完善和部署中，同時購買了12萬個耳機用於部隊的實戰。
雖然AR/MR的早期采用是有希望的，但將技術融入軍事行動不可避免地會遇到挑戰。
在2020年一篇關於陸軍合成訓練環境的文章中，增強現實、網絡安全、渲染數據以及帶寬和延遲都被認為是陸軍訓練所面臨的關鍵挑戰。
這項工作擴展了現有的文獻，以關注戰場上不確定性的可視化，以及解決一些已經確定的在軍事行動中使用增強顯示的不足之處。
將新技術納入作戰行動需要通過SCD進行多次測試和完善迭代。
SCD側重於士兵的反饋，並在功能集的開發中被優先考慮。
最近使用陸軍IVAS的士兵評估顯示了獲得自下而上的需求分析對改善士兵操作和效用的重要性。
作戰部隊贊揚了AR/MR系統的測試、實施和實戰化，特別是IVAS。
據報道，IVAS系統已經收集了八萬小時的反饋，在阿拉斯加和波多黎各的極端天氣條件下進行了測試，並擁有一套能力，包括熱成像、集成GPS、夜視、全息地圖，以及使用武器瞄準器看到角落的能力。
IVAS是基於微軟的HoloLens 2，盡管經歷了嚴格的測試，最初的目標是在2021年底前擊中作戰單位，但由於技術問題，陸軍的實地部署被暫停。
AR/MR正處於陸軍采用的初始階段，即使是目前的延遲，我們認為現在是考慮整合前潛在障礙的理想時機。
對於AR/MR系統來說，可擴展性和實現作為 “下一代24/7態勢感知工具和高分辨率數字傳感器，以提供一個單一的平臺，改善士兵的感知、決策、目標獲取和目標交戰 “的既定目標，重點不能放在單個士兵層面，而必須擴大到指揮官和單位，直至營和旅。
“我們不是在個人或班級層面作戰，支持指揮官的能力和向更高梯隊擴展是成功的關鍵。
如果具有功能性，通過匯總實時作戰信息來建立作戰圖景所產生的信息優勢可以實現多域作戰，縮短決策周期，並與跨域資產快速接觸。
這些都是在戰鬥中使用前需要考慮的問題；忽視這些考慮將有可能增加戰鬥行動中的風險。
人力、技術和環境方面的考慮
對AR/MR的人為因素投入傳統上集中在信息的顯示上，以提高用戶的理解力。
在已開發的支持下馬士兵的系統中，研究人員已經顯示了以自我為中心的觀點、重疊顯示和多模態交流方法的證據。
在戰術環境中，單個士兵必須履行作為步槍手和團隊成員的職責。
我們直接關注的問題之一是可視化和信息流如何分散基於人類感官的戰術意識以及與團隊的互動。
然而，困難的問題在於兩個方面：一個是適當的技術支持，另一個是在任務之間切換以提供特定環境的信息。
考察技術，最大的挑戰之一是戰場數據驗證。
在戰場上指揮部隊行動時，指揮官需要得到準確的、保持完整性的、與作戰環境同步的數據支持。
考慮到對AR/MR設備的要求，甚至使用目前的技術，有必要將一定程度的數據交換回中央計算機和存儲資源。
然而，與GPS定位數據的情況一樣，有一個基本假設，即進入AR/MR設備的數據沒有被操縱，代表了地面真相《例如，它沒有被欺騙或幹擾》。
因此，這種方法需要代表對數據的確定性或信任，並了解如何根據每個士兵的經驗水平調整數據。
數據操縱和完整性的喪失，或虛假的數據，將導致不合格的決策，在最壞的情況下，會導致傷亡。
士兵們把自己的生命托付給像素，如果技術不可靠，就不會再被使用。
從任務的角度來看，士兵必須能夠在多種任務和角色之間毫不拖延地轉換。
例如，前一分鐘士兵還在遠處射擊，而下一刻卻在指揮支援射擊、尋找掩護、拖運彈藥或為受傷的隊友提供醫療支持。
雖然這是可行的，但研究表明，需要有適當的信息和背景來支持AR/MR中的任務切換。
因此，隨著技術的發展，需要了解主要任務，以便界面能夠適當地支持每個任務。
通過獲得士兵的目標並相應地分解任務要求，可以促進支持。
在未知事件發生時，界面需要認識和調整，既不幹擾也不增加士兵的認知負擔。
對技術的過度依賴
士兵們邊戰鬥邊訓練，雖然AR/MR系統有許多實際用途，但其使用必須平衡，以確保基本的戰鬥技能不致萎縮。
例如，陸軍領導層早就承認用地圖、指南針和量角器進行模擬陸地導航的重要性。
雖然AR/MR系統對於任務前的訓練和目標的熟悉有潛在的效果，但必須注意確保在沒有AR/MR系統的情況下，士兵仍然可以完成指定的關鍵的個人和集體任務。
例如，如果沒有可靠的電源，最好的電子設備也毫無價值，即使是最好的安全眼鏡和面罩一旦起霧也會嚴重降低戰鬥力。
越來越依賴環境和任務的數字化顯示，在沒有AR/MR的支持下，會導致操作的失誤。
過度依賴視覺情境展示來履行職責，並不是AR/MR技術的新鮮事物或獨特之處。
海軍飛行員使用術語HUD-Cripple來描述這樣的想法：飛行員變得如此依賴技術，以至於個人沒有能力在不依賴技術的情況下執行任務。
2019年秋季，在弗吉尼亞州貝爾沃堡的一次演習中，來自老衛隊的士兵們測試了綜合視覺增強系統能力組的第二次迭代
有證據表明，初級領導人在基本作戰技能方面已經落後，因此必須刻意努力，以確保任何實戰化的AR/MR系統不會導致對特定技術的過度依賴，從而在沒有技術的情況下降低戰鬥殺傷力。
這將需要更多的時間在戰場和駐軍中進行訓練，以便士兵能夠同時練習AR/MR和非增強型的迭代。
單位和士兵的經驗水平
在研究設計中，人們試圖用盡可能少的東西解釋盡可能多的東西，同時又不失去嚴謹性。
同樣的挑戰也適用於AR/MR，嚴謹性可以是信息的有效性和適用性。
在AR/MR戰術系統中呈現的信息需要準確、相關和及時，而不會在戰術環境中造成分心或中斷信息流。
單位和士兵有不同的經驗水平，所以信息的價值在士兵層面上也有差異。
從作戰能力、操作AR/MR設備到優化資源使用，經驗水平的差異可能很大。
從戰術角度來看，一個利用AR/MR系統進行指揮和信息流的單位，如果僅限於主要領導人，通常是班長以上的人，那麼它隻能在高水平上運作。
戰鬥交戰是在四人火力小組層面上進行的。
指揮單個成員與已知的、可能的和可疑的目標作戰是小組長的工作。
無論是清理一個單獨的房間還是清理整個城鎮，唯一的區別是參與的小組數量，但他們的個人任務相對來說沒有變化。
一個小隊由兩個小組組成，這為小隊長提供了與眼前戰鬥的輕微分離。
這種分離使班長能夠集中精力指揮各個小組，並與排領導保持溝通，以確保班級保持在排的任務中。
由於兩名士兵失去了與AR/MR系統的連接，任何中斷都會直接影響到班級的活力和效率，特別是對於火力小組成員。
這些初級士兵構成了戰鬥部隊的主體——AR/MR系統提供的更多數據有可能壓倒和混淆，導致感官過載，降低戰鬥力。
即使AR/MR提供了將信息分發到士兵個人層面的潛力，但分發信息的適當層面需要仔細考慮。
在班長一級過濾和保留信息，使小組長能夠集中精力操縱和使用他們的士兵，而不被進一步的幹擾所困擾。
隨著這些設備在各梯隊的使用越來越頻繁，有一些潛在的研究領域可以探索。
一個選擇是為查看信息的人提供適當的信息水平。
這將需要了解決策者需要能夠獲得的關鍵信息要素。
在以前的研究中，這被稱為為不同類別的用戶提供單獨或專門的視圖。
傳感器的完整性
如前所述，接受可穿戴式AR/MR設備用於戰術信息和通信取決於信任。
從士兵的角度來看，士兵必須相信他的設備的功能是預期的。
士兵不應懷疑設備在戰鬥條件下的基本功能表現。
例如：海軍軍械部在二戰初期沒有承認Mark 6魚雷的缺陷，這對潛艇艇長攻擊目標的意願產生了負面影響。
如果傳感器的數據完整性令人生疑，缺乏信任將迫使指揮官不使用AR/MR。
AR/MR設備和傳感器無一例外地采用通用計算硬件構建，並將繼承操作系統和硬件的固有漏洞。
盡管這些教訓可以抽象地應用於所有AR/MR設備，但陸軍的IVAS是基於HoloLens 2的，並提供了深刻的的例子。
HoloLens 2不僅在Windows 10上運行《從而繼承了它的漏洞》，而且為HoloLens調整的組件也可以引入新的完整性問題。
早期的HoloLens補丁修復了一個漏洞，其中遠程設備僅通過發送畸形的Wi-Fi數據包就能讓HoloLens執行任意代碼，這是HoloLens與其他聯網設備最常見的通信方式。
雖然HoloLens 2安全架構的設計和工程從頭開始，沒有遺留的安全問題……創造一個最小的攻擊面，但安全漏洞仍然《自然》在被發現。
一個技術先進的對手肯定會在和平時期致力於研究開發簡單、廉價、一次性使用、可折騰的設備，以便在近距離戰鬥中創造虛假的傳感器數據。
這樣的對手也會傾向於投入時間和資源來獲得對AR/MR設備的未經授權的訪問，以操縱設備的有效性並對佩戴者的決策周期產生負面影響。
電磁信號
過去幾年，頻譜和電子戰《EW》復興，所有主要的軍事力量都在尋求降低和破壞電磁頻譜《EMS》的利用。
我們從射頻《RF》和紅外《IR》的角度考慮AR/MR系統面臨的挑戰。
AR/MR穿戴系統依賴於使用EMS進行數據傳輸的網絡通信，甚至是到達本地資源。
雖然維持高質量Wi-Fi連接的傳輸范圍相對較低《100-200米》，但可探測范圍要大得多。
隨著對EMS控制權爭奪的加劇，穿戴式AR/MR系統的電磁信號可以提醒敵方部隊在某一地區存在。
不斷的數據流有效地使每個穿戴式AR/MR系統成為唯一可識別的信標，即使流量本身無法破譯。
紅外線發射為敵方提供了另一個可識別的標志。
AR/MR穿戴系統的紅外攝像機提供了一種戰術優勢，因為熱成像可以看到偽裝的敵軍，並探測到仍然溫暖的設備，如最近發射的機槍、電子設備、發動機和發電機。
然而，商用穿戴式AR/MR依靠紅外光來感應手部動作和其他非語言指令的系統。
紅外光發射是可以檢測到的，特別是在沒有或有限的光線環境下，沖突的紅外發射。
在對EMS越來越多的爭論中，固定傳感設備不再是檢測AR/MR發射的唯一威脅。
例如，具有進行電磁采集能力的無人機可以檢測到佩戴的AR/MR系統的存在。
現代戰場上越來越多的遊蕩彈藥的存在是另一個探測途徑。
通過這些能力中的任何一種來檢測穿戴式AR/MR系統的傳輸，再加上檢測其存在的挑戰，特別是在能見度有限的時間內，這表明了一個真實和不斷增長的威脅載體。
分享相關和及時信息的需要必須與盡量減少使用AR/MR設備的士兵的可探測性相平衡。
極端天氣、能源消耗和電池壽命
AR/MR的未來作戰環境包括極熱、極冷、極濕和其他可能降低電子性能的環境條件。
一些大國設想的未來作戰環境，從中東和非洲的幹旱沙漠到西南亞和歐洲的寒冷天氣暴露的高山，以及印度-太平洋和南美洲的熱帶叢林。
不同的環境條件將影響電子設備，增加發生故障的可能性，並加劇了為系統功能維持足夠電力的挑戰。
灰塵、高溫、潮濕和日常磨損都會影響傳感器和電子設備。
IVAS系統的電池壽命目前為8小時，其基礎系統是民用微軟HoloLens 2頭盔。
其風險在於，持續的更換電池或充電的需要影響了部隊的戰術表現。
除了氣候條件的復雜性，行動很可能發生在缺乏基礎設施的荒涼地區，如強大的電網，以提供電力給電池充電和維護電子設備。
基礎設施的缺乏也影響了物流鏈，這反過來又影響了維修或更換電子元件等故障設備的供應。
戰術單位配備了先進的電池充電器，但戰場上的發電機很笨重，而且需要自身的持續資源《如燃料，除非有太陽能》。
此外，發電機會產生聲音和熱信號，這增加了該單位被對手發現的可能性。
太陽能電池板並不總是合適的；高緯度地區《即北極或西伯利亞地區》的冬天沒有足夠的日光，一年中的大部分時間都無法通過太陽能電池板提供足夠的能源。
前面的因素，再加上目前的電池技術，當天氣變冷時不能保持同樣的電量，意味著電池容量可以減少到預期輸出的一半，並增加了挑戰。
電池電量可以成為設備長時間使用的限制性電量。
即使設備在寒冷的天氣下在有限的時間內進行測試，未來的特種作戰環境在大國競爭中，任務時間更長，支持更少，這就增加了設備的壓力和磨損。
暴露在寒冷的條件下也會使塑料部件變脆，導致操作者的不適。
這些可用性問題要求未來對極端環境條件下的電池技術和功能進行研究。
網絡依賴性和可擴展性
從師級和旅級來看，網絡連接成為一個單一的故障點，因為戰術單位使用AR/MR作戰的能力取決於作戰單位在接觸點提供戰術連接的能力。
潛在的近戰對手專註於在作戰層面上參與EW能力，以壓制和削弱總體網絡。
雖然這與作戰行動有關《如間接火力》，但在攻擊AR/MR網絡時更令人擔憂，因為沒有網絡連接就會癱瘓。
AR/虛擬現實《VR》系統依賴於高質量的數據，通過使用不受管制的802.11無線頻率范圍的有限傳輸渠道保持數據完整性。
從友軍的角度來看，部署在一個排的作戰區域內的AR/VR系統的數量將很快壓倒有限的可用無線帶寬。
最近的網絡研究表明，所謂的 “最後一英裡”——無線設備連接到接入點的Wi-Fi網絡，仍然是提供高性能網絡服務的單一故障點。
在一個小區域內，幾十個AR/VR系統所需的大量帶寬可能很快就會在射頻頻譜中造成 “友軍交火 “事件，即AR/VR系統的密度對所有本地系統造成拒絕服務。
在AR/MR最有用的城市環境中，這個問題會成倍地復雜化；無賴的無線傳輸《例如，民用家庭網絡》會直接幹擾AR/VR系統的通信。
作戰命令有替代路線，如文本、語音和數據，也可以選擇不同的網絡，如衛星通信《SATCOM》、高頻無線電《HF》和甚高頻無線電《VHF》。
在EW飽和的環境中，與未受幹擾的功能性AR/VR系統相比，作戰命令到達預定接收者的可能性更高。
從對手的角度來看《這應該是我們風險評估的一部分》，AR/MR支持網絡是任務關鍵的，可以識別為目標。
結論
為了使戰術AR/MR系統成為士兵的一種可行的增強手段並提高他們的戰鬥力，需要通過明確的優先次序和額外的研究和測試來解決本文中提出的領域。
每個士兵都有有限的能力，就像任何人一樣，快速處理信息並在一段時間內保持這種能力，所以必須注意避免信息過載。
AR/MR系統的技術穩定性和可靠性是其成功實施的關鍵；任何中斷或部分功能都會大大降低戰鬥單位的效率。
一支戰鬥部隊經過訓練和演習，協調運動、火力和行動，這就造成了AR/MR系統的全盤部署。
如果該系統對部隊的一部分人不起作用，整個部隊就必須在沒有AR/MR系統的情況下作戰，以避免誤解和失去部隊凝聚力和協調的優勢。
在未來與近鄰對手的潛在沖突中，快速采用和整合技術將是至關重要的，但這樣做需要一個有條不紊的方法，以避免制造新的漏洞供對手利用。