Simulation of land force operations - a survey of methods and tools

Abstract

Military land force operations are complex in nature, and modelling and simulation (M&S) of such operations with sufficient realism is very challenging. This report is a survey of methods and tools for M&S of land force operations at different levels. Furthermore, it summarizes the experiences and lessons learned from working in this field for the last ten years. To model and simulate military operations, it is important to have a conceptual understanding of combat. This survey therefore looks at modelling and simulation of land force operations in the context of modern military theory, analysis, and doctrine. This survey addresses only computer-based simulations. Within the M&S taxonomy of live, virtual, and constructive (LVC) simulation, it thus only discusses virtual and constructive simulation. Since we are mainly conducting simulations of land force operations for analysis and experimentation purposes, this report has a corresponding focus. However, most of the content should also be relevant for simulation used for training. In this report we mostly concentrate on M&S of the actual combat phases of land force operations, with engagements and skirmishes. These phases of combat are the most complex and the most challenging to simulate. Based on the size of the Norwegian Army, our task has been to simulate combat operations with size ranging from platoon to brigade level. The purpose of the simulations has on the platoon to company level been to experiment with and evaluate the operational benefit of new technologies and new concepts. On the brigade level, the purpose of the simulations has been to experiment with and evaluate the operational performance of current and possible future land force structures, including new operational concepts. In this report we first provide a general introduction to basic M&S, where we go through the terms and concepts that are frequently used in defence-related M&S. Furthermore, we give an overview of the different methods that are used in combat simulation and the most important challenges in this domain. Specially, we look at different methods for modelling the environment, combat units and their core activities (move, observe, engage, and communicate), and human behaviour. Additionally, we briefly describe some of the combat simulation tools that are most widely used today. The report includes two examples of how simulation of land force operations has been used for analysis and experimentation at the Norwegian Defence Research Establishment (FFI). We also summarize the experiences and lessons learned from our simulation experiments, and we give some recommendations for future simulations of land force operations. Finally, we take a look at some of the latest trends in military M&S and present some speculations on how we think the technologies in this field will evolve in the next five to ten years.

Militære landoperasjoner er komplekse av natur, og modellering og simulering (M&S) av slike operasjoner med tilstrekkelig realisme er svært utfordrende. Denne rapporten er en gjennomgang av metoder og verktøy for M&S av landoperasjoner på forskjellige nivåer. Videre oppsummerer den erfaringer vi har gjort etter å ha jobbet innenfor dette området de siste ti årene. For å simulere militære operasjoner er det viktig å ha en konseptuell forståelse av strid. Denne rapporten ser derfor modellering og simulering av landoperasjoner i sammenheng med moderne militærteori, militæranalyse og doktrine. Denne rapporten omhandler kun datamaskinbaserte simuleringer. Innenfor kategoriene live, virtual og constructive (LVC) simulering tar den dermed bare for seg virtual og constructive simulering. Siden vi hovedsakelig utfører simuleringer av landoperasjoner for analyse- og eksperimenteringsformål, er det denne anvendelsen av simuleringer som er fokuset for denne rapporten. Mesteparten av innholdet bør likevel også være relevant for simulering til treningsformål. I denne rapporten konsentrerer vi oss stort sett om M&S av de faktiske kampfasene i landoperasjoner, med engasjementer og trefninger. Disse fasene av striden er de mest komplekse og mest utfordrende å simulere. Basert på størrelsen til den norske Hæren har vår oppgave vært å simulere operasjoner med størrelse som strekker seg fra tropp- til brigadenivå. Hensikten med simuleringene har på tropptil kompaninivå vært å eksperimentere med og evaluere operativ nytte av ny teknologi og nye konsepter. På brigadenivå har hensikten med simuleringene vært å eksperimentere med og evaluere den operative ytelsen av nåværende og mulige framtidige landmaktstrukturer, inkludert nye operasjonskonsepter. Først i denne rapporten gir vi en generell introduksjon til grunnleggende M&S, hvor vi går gjennom begreper og konsepter som blir mye brukt innen forsvarsrelatert M&S. Videre gir vi en oversikt over forskjellige metoder som brukes for å simulere strid, samt de viktigste utfordringene innenfor dette fagfeltet. Spesielt ser vi på forskjellige metoder for å modellere operasjonsmiljøet, stridende enheter og deres hovedaktiviteter (manøvrere, observere, engasjere og kommunisere), samt menneskelig adferd. I tillegg beskrives noen av de stridssimuleringsverktøyene som er mest brukt i dag. Rapporten inkluderer to eksempler på hvordan simulering av landoperasjoner har blitt brukt til analyse og eksperimentering ved FFI. Vi oppsummerer også erfaringene fra disse simuleringseksperimentene og gir noen anbefalinger for framtidige simuleringer av landoperasjoner. Til slutt i denne rapporten ser vi på noen av de siste trendene innenfor forsvarsrelatert M&S og presenterer noen spekulasjoner rundt hvordan vi ser for oss at teknologiene innenfor dette området vil utvikle seg de neste fem til ti årene.