军用电子装备战场损伤评估与修复技术研究

南京航空航天大学
硕士学位论文
军用电子装备战场损伤评估与修复技术研究
姓名：徐可
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：楼佩煌
20070301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
在未来信息化战争中，随着电子信息技术的迅猛发展，信息对抗已由从属地位逐渐上升到主导地位，谁掌握了制信息权，谁就掌握了整个战争的主动权，从而影响战争的胜败。

正是由于电子装备在信息化战争中的广泛性和重要性，它自然成为交战双方重点破坏或摧毁的对象。

如何使己方战损的电子装备能够迅速恢复战斗力，取得战争的主动权，已成为一个关键课题。

本文主要针对电子装备战场损伤评估与修复（Battlefield Damage Assessment and Repair，BDAR）理论、方法和技术进行研究。

（1）首先描述了信息化战争与电子装备的关系，指出了电子装备在信息化战争中的重要性。

介绍了国内外战场损伤评估与修复理论研究的现状与发展趋势，提出了本文研究的主要对象、技术内涵和研究的价值。

（2）本文在总结战场损伤评估与修复的理论体系和研究现状的基础上，对电子装备的战场损伤机理及故障模式与影响进行了分析，就战场损伤评估与修复的常用方法和决策思路，结合电子装备战场抢修的几个关键技术，完成了电子装备战场损伤评估与修复系统的总体设计。

（3）对战场损伤评估与修复技术中的自动测试、智能化战场损伤评估、战伤应急处理与修复三项主要核心技术展开了深入的研究。

将基于损伤树的损伤定位推理技术应用到自动测试系统中，为进一步缩短装备损伤定位时间提供了技术基础。

探讨了基于案例推理的战损评估技术在电子装备战场损伤评估中应用的可行性。

（4）在理论和关键技术探讨的基础上，本文提出了由自动测试设备、战伤评估终端、便携式辅助修理工具箱、分级战伤评估服务器等组成的电子装备BDAR系统体系结构，完成了各功能模块的功能设计，并完成战场损伤评估模块的开发。

关键词：战场损伤评估与修复，战场抢修，电子装备，损伤树，CBR
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军用电子装备战场损伤评估与修复技术研究
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Abstract
With the rapid development of electronic information technology, information
countermeasure is gradually extruding and will dominate the future information warfare. One side who hold information dominance that determines the outcome of a war will win. Exactly for its popularity and significance, electronic equipment simply becomes the major target that two sides try their best to destroy. So it becomes one of the hot researches that how to restore the damage equipment quickly in order to acquire the initiative of the war. This thesis studies in theory, method and technology about battlefield damage assessment and repair (BDAR) of military electronic equipment.
(1)The paper describes the relationship between information warfare and electronic equipment, points out the significance of electronic equipment on information warfare, introduces the research status and development trend of BDAR at home and abroad, proposes the major research subject, technology connotation and research value.
(2)Based on summing up the theory system and research status about BDAR, author analyzes the damage principle, damage mode and effect of electronic equipment, along with several essential technologies and decision-making idea of BDAR, designs the system frame of BDAR of electronic equipment.
(3)Three key technologies of automatic test, intellectualized battlefield damage assessment, battlefield damage emergency repair are deeply investigated. Damage location technology based on damage tree is applied to automatic test system so that the time for damage location will be lesser. Then the feasibility about CBR-based damage assessment technology applied into battlefield damage assessment of electronic equipment is probed.
(4)Based on the study of BDAR theory and key technologies, a system frame of BDAR of electronic equipment consists of automatic test equipment, battlefield damage assessment terminal, portable maintenance toolbox, different grade battlefield damage assessment server is brought forward. And the module of battlefield damage assessment is developed.
Key words: battlefield damage assessment and repair,emergency repair,electronic
equipment,damage tree,CBR
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图清单
图2.1某无线通信装备基本功能项目结构树 (18)
图2.2 BDAR分析流程 (24)
图2.3 BDAR分析逻辑决断图 (26)
图3.1典型的VXI总线系统机箱 (29)
图3.2战场损伤评估的一般程序 (34)
图3.3某无线通信装备基于损伤树的损伤知识组织和表示 (37)
图3.4损伤评估的CBR过程 (43)
图4.1战场损伤评估与修复系统总体结构图 (48)
图4.2系统逻辑框图 (49)
图4.3基于VXI总线的自动测试装备系统组成框图 (50)
图4.4战场损伤评估系统软件界面 (52)
图4.5战场损伤评估系统数据库组织结构图 (53)
图4.6便携式维修工具箱 (53)
图4.7贴体封存箱 (54)
图4.8电子装备清洗维修箱 (54)
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表清单
表3.1案例“发信电路功放单元损坏”属性－属性值表示 (39)
承诺书
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日期： _
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第一章绪论
1.1信息化战争与电子装备
自从第二次世界大战结束以后，特别是进入本世纪60年代以来，随着一大批高技术群体的出现，军用微电子技术，军用计算机技术，军用光电子技术，C4ISR系统技术，电子对抗技术，隐形技术，精确制导技术，军用航天技术，人工智能技术等，也得以飞速地发展。

特别是军用电子技术，以其特有的高性能独领风骚，几乎渗透到军事领域的各个方面，引起了一场史无前例的“电子风暴”，席卷了现代高技术战场，也导致了高科技电子装备的重大变化和深刻的变革。

近年来，随着计算机及其网络技术的兴起和发展，更进一步推动了武器装备的数字化、自动化的变革，导致了作战方式的变革。

过去的传统战争形式就是机械化战争，流血的战争，战场充满着硝烟和火药味。

20世纪末，—种崭新的战争方式，在海湾战争中首次登台亮相，它就是信息战[1] [2]。

在如今的信息化时代，电子技术已成为当代军事领域的核心与基础。

不仅可以改进现有的武器装备，使之作战效能成倍地提高，而且可以用来形成新的武器系统[3]。

电子装备在经历了一个世纪的发展后，已成为世界武器装备体系中的基本组成部分，遍布所有军兵种和所有武器种类中，从侦察、监视到预警，从通信、指挥到控制，从情报处理到作战决策。

据统计，电子设备在先进武器装备中所占的成本含量将越来越大，例如，一架新式战斗机的机载电子信息设备的成本现在就已占到整个飞机成本的60％以上。

带有“宙斯盾”系统的导弹驱逐舰装备有24部计算机、GPS系统设备、5部以上的雷达、3部以上的声纳、大量通信设备和电子战设备等，这些电子技术设备的成本至少占整艘驱逐舰成本的50％以上。

美国人预测，在21世纪新技术发展中，电子技术和装备占有较大的比重：空军占58％，海军占75％，陆军大于50％。

在美国国防部联合技术项目中，电子技术装备占达83％。

未来武器装备的先进程度将更多地取决于电子技术[4]。

可以预料，在未来的战场上，将充满大量的电子信息装备，如多种多样的雷达、通信电台和光电设备等。

这些电子装备，信号复杂、密集，仅雷达信号将达每秒120万个脉冲，相当于1000多部辐射源[5]。

到那时，美国的1个陆军
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师，在欧洲高度密集的作战环境中，将会面临几千个敌人的通信辐射源[6]。

据预测，在21世纪的战场上，作战各方将在地面、海上、空中、水下和空间展开激烈的信息战；信息战装备与新型杀伤武器相结合，构成强大的夺制能力和高度准确的攻击火力，可袭击敌方电子设备和武器系统，干扰和破坏C4ISR系统，获得战场的主动权，从而影响战争的胜败[7]。

1.2国内外研究现状
战场抢修是指在战场上运用应急诊断和修复等技术，迅速恢复装备战斗能力的一系列活动。

它包含对装备战场损伤的评估和对损伤的修复，外军将其称为“战场损伤评估与修复”（Battlefield Damage Assessment and Repair，BDAR）。

其根本目的是使部队能在战场上继续战斗并争取胜利。

在战时对损伤装备进行战场抢修由来已久。

但是，引起各国军队关注并导致战场抢修理论与应用研究定向深入的则是1973年的中东战争。

在这次战争中，以色列和阿拉伯军队双方武器装备损失都很惨重。

以军在头18小时内有75％的坦克丧失了战斗能力。

但是，由于他们成功地实施了坦克等武器装备的靠前修理和战场抢修，在不到24小时的时间内，失去战斗能力的坦克户80％又恢复了战斗能力，有些坦克损坏-修复达4~5次之多。

在以军修复的坦克中还有被阿军遗弃的坦克。

以色列军队出色的战场抢修，使其保持了持续的作战能力，作战武器装备对比是由少变多；而埃及、叙利亚军队可作战的装备则由多变少，最后以军实现了“以少胜多”。

以军的经验和做法引起各国高度重视，从此，战场抢修成为各国军队的热门话题，开始从一种全新的角度重新认识并系统地研究战场抢修问题。

70年代起，美国调整战略思想，立足核威慑下的常规战争，在这一时期开始强调武器装备的生存性和BDAR。

1971年成立了三军的装备生存性联合技术协调组（JTCG/AS），隶属当时的联合后勤司令部。

此后美各军种围绕生存性和BDAR颁布了一系列规范、标准和手册，得到了相当程度的重视。

美陆军装甲车辆司令部1977年分析并研究了坦克战斗战伤评估模型的目标、建立方法等。

研究目的是预测修理一定数量的M60A1坦克需要的后勤资源和修理时间，为后勤管理人员提供一个计划工具，以估计维修工作量、修理备件、修理时间、维修级别；使指挥人员更好地了解给定数量坦克的可用度。

研究中将以色列战损坦克作为目标样本，将阿拉伯T62坦克作威胁样本，并使用了实体建模技术。

该模型主要分析了坦克外部的战斗战伤情况，其内部组件的
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战损情况则主要依靠战损数据进行分析。

进入80年代，战场抢修研究取得了新的进展。

美军全面规划了 BDAR工作，建立相应机构，组织实施培训，编写BDAR手册、标准，研制抢修工具、器材，开展学术研讨．并取得了显著成效。

在建立战伤数据库和战伤评估模型、开展战伤分析和战伤修理分析方面，美国和其他军事强国已经进行了大量的工作，投入规模和持续时间都是空前的。

目前已经形成了较为合理的技术流程和管理机制，因此其数据成果和分析成果广泛应用于各种装备的设计、试验和战场使用。

美国军方逐步地完成了主要装备的BDAR大纲的制定，组织完成了大批BDAR手册和程序的编制工作，并在实战中充分应用。

从飞机BDAR手册和技术指令的编制情况来看，美国空军在整个80年代完成了大量工作，1980年编制了通用的BDAR手册，此后十年中迅速为包括F-5、F-4、F-111、F-16A/B、F-16C/D、F-15A、A-7、A-10、B-52、B-1、KC-135、C-5、C-130、C-141、C-17、OV-10、H-53、H-60等飞机编制了BDAR手册和技术指令，海军和陆军还分别参与了H-53和H-60两种直升机BDAR手册的编制工作。

一种现有型号飞机的BDAR手册的编制在当时就需5～6亿美元，完成19套份的工作须百亿美元，由此可见美国空军对BDAR的肯定和重视。

美国陆军先后编制了包括UH-60、AH-64、AH-1、UH-1、OH-58直升机、M2、M3"布雷德利"战车、各种火炮、导弹和战术车辆的BDAR手册。

在飞行器方面，美国陆军80年代初期开始开展一项名为飞行器维修/战伤修理的研究项目，其目的是研究战伤修理概念和战伤评估准则、制定BDAR手册、开发BDAR工具包等。

与此同时，其他西欧国家也有不同程度的跟进。

西德军队采用作战模拟方式对BDAR进行了深入研究，再现了1973年中东战争的过程，并由此高度地肯定了BDAR在战场上的作用。

1986年和1987年，西德军队还组织了大规模的实弹试验（并邀请美、英等国派人参加）。

通过研究他们得到如下结论：加强装备战场损伤修复能力是北约集团战胜兵力兵器占优势的华约集团的重要途径。

英国皇家空军（Royal Air Force，RAF）的飞机战斗战伤修理（Aircraft Battle Damage Repair，ABDR）研究起始于1978年，当时国防部中成立了一个专门ABDR机构，战伤评估与修理的最初研究是与这一机构职责相对应的，主要研究基本快速修理方法、工具、训练和修理手册。

后来，研究内容由“快速修理使飞机迅速返回战斗”转换为与此相关的更多内容以满足变化的情况。

英阿马岛战争，及随后的海湾战争为RAF的工作提供了很多有益的经验。

海湾战争后，
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RAF认识到战伤评估是ABDR中最重要的内容，因为错误评估可能导致很多资源的浪费，完成任务的失败，或者甚至是飞机的损失。

战伤评估对RAF的战伤与修理进行了综述，指出战时战伤的作战飞机，在装备较差的前线基地进行战伤评估时，应当使用任何可能利用的辅助，应用快速方法，决定是继续飞行还是返回基地。

战伤评估与修理手册，包括笔记本电脑，可以给出这些情况下战伤的处理和修理的方法。

战伤评估维修手册也提供了平时飞行中战伤的评估，飞行手册例如“狂风”提供了恢复全部强度，硬度和持久度的信息。

RAF将战伤评估信息在机身结构图上分区域标出，按区域分别给出可承受的战伤，各种战伤的操作限制和建议修理方法。

这种方法很直观，使评估人员不必查阅很多系统文件，就可以获得所有影响结构和系统的信息。

未来RAF的ABDR工作，战损手册应当与将来的后勤信息技术系统（LITS）相一致，信息技术的发展会提高ABDR评估和修理的效率。

视听技术在当前已经得到了应用，洛克威尔移动信息系统使用重量小于3磅的小型PC机，应用独立的语音识别和单目“平视”显示器。

当评估人员进行战伤评估时，该系统可以提供从ABDR手册中得到信息，评估人员可以通过单目观察到屏幕的显示。

可视化数据传送到中心控制设备，根据评估人员需求提供建议。

这种方法尤其对远程分布式维修更具有吸引力，目前正在研究当中。

新材料的研究可能使得飞机的结构更加灵巧，机身内可以安装内置传感器对材料进行监控，飞机本身能够实时地对飞行中的战伤进行检测和快速评估[12] [13]。

我军长期以劣势装备对敌优势装备作战，一贯重视研究与实施战场抢修，素有战场抢修的优良传统。

待别是在抗美援朝、炮击金门、抗美援朝和对越自卫反击作战中，广大使用与维修人员不畏牺牲，勇于创造，积极抢修，保证了作战的胜利，积累了丰富的经验。

近年来，在学习、贯彻中央军委新时期军事战略方针和引入国外战斗恢复力理论后，积极研讨现代技术持别是高技术条件下的局部战争，BDAR研究在三军正成为新的研究“热点”。

海军重点研究了海湾战争中美军舰船BDAR的经验，空军在总参装备部支持和空军装备技术部的组织下，进行了飞机战场修理研究，并于1994年9月组织了第一次飞机战场抢修实兵演习，随后研究制订了飞机战场修理研究的全面规划。

总参兵种部在某师技术保障演习中也组织了战车抢修抢救演练。

但是，从上述我们可以看出，针对电子装备的战场抢修研究进行得还很少，还不够深入，需要我们从理论和技术方面作进一步研究与探索。

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1.3本课题研究意义和目的
可以说，在未来战争中，谁掌握了制信息权，谁就掌握了整个战争的主动权。

正是由于电子装备在信息化战争中的广泛性和重要性，它自然成为交战双方重点破坏或摧毁的对象。

破坏或摧毁电子设备的武器有两种：一是常规武器；二是反辐射导弹、激光武器、高功率微波武器以及粒子束武器等先进的电子制导武器[8]。

像用美国空军装备的AGM一45A／B“百舌鸟”、AGN一78“标准”、AGM一88A“哈姆”高速反辐射导弹。

高功率微波武器是利用高功率微波束毁伤敌方电子设备和人员的一种新型武器[9]。

在海湾战争刚开始的数小时内，美海军发射的一些“战斧”导弹首次使用了一种高度保密的新型非核电磁脉冲弹头，弹头将常规炸药的能量转换成射频能量脉冲，用于破坏和摧毁伊拉克防空系统电子设备和指挥控制中心的非加固电路[10]。

因此如何在高强度、快节奏、高消耗的信息化战争中，使己方战损的电子装备能够迅速恢复战斗力，以保持压倒性的电子优势，取得战争的主动权，已成为一个重要课题。

然而，当今的BDAR（即战场损伤评估与修复）与传统的战场抢修研究与实践已经不可同日而语，主要表现在：
（1）当今的战场损伤评估与修复是从武器系统的全系统考虑，强调统一规划，系统地研究和准备。

（2）当今的BDAR是从武器装备全寿命角度着眼，从装备研制、生产时就考虑未来的抢修，进行抢修性设计，准备抢修资源；而不是等到装备使用后再从头研究和准备。

（3）抢修对象的变化，由过去主要是甚至唯一是机械装备，改变为机械、电子、光学、控制等多种装备及其组合，各种金属、非金届、复合材料，包含电子线路的各种高新技术装备的抢修。

（4）抢修技术的变化，过去以各种机械或手工加工、换件等传统修理方法，发展到采用各种新技术、新工艺、新材料，以实现“三快”，即快速检测、快速拆卸、快速修复[11]。

由此可见，在新的历史条件下，开展电子装备战场损伤评估与修复研究是十分重要而紧迫的，并具有主要的理论意义和实验价值。

1.4论文主要研究内容
本文主要针对电子装备战场损伤评估与修复（BDAR）的核心技术和相关原型系统设计开发进行研究。

论文中的主要研究内容如下：
第一章主要研究信息化战争与电子装备的关系，指出电子装备在现代战场中的重要性，总结和研究国内外电子装备战场损伤评估与修复技术的研究现状，提出本课题的主要研究方向。

第二章探讨战场损伤以及战场损伤评估与修复的相关的基本概念、理论和技术，制定分析电子装备的损伤机理、损伤模式及影响因素。

第三章针对如何建立电子装备的战场损伤评估与修复系统所涉及的关键技术进行重点分析，为原型系统的设计和开发打下技术基础。

第四章在基础理论和技术研究的基础上，提出电子装备BDAR系统的总体构想，体系结构和逻辑结构，完成主要模块的功能设计，并完成核心功能模块的开发工作。

第五章对本文的研究工作进行简要的总结，并对进一步的研究提出了建议和设想，为进一步研究打下基础。

第二章战场损伤与BDAR理论
2.1战场损伤分析
2.1.1 战场损伤的概念
战场损伤（Battlefield Damage）并不是普通的战斗损伤，它是指装备在战场上需要排除的妨碍完成预定任务的所有事件，包括战斗损伤、随机故障、耗损性故障、人为差错以及装备得不到供应品（油、材料、备件）、装备不适应作战环境等，它的概念比战斗损伤更为广泛。

战场损伤涉及众多因素。

在各种损伤因素中，战斗损伤是人们最熟悉的因素，它是指因对方武器装备作用而造成的装备损伤，过去装备损伤主要是枪弹、炮弹、炸弹、导弹造成的硬损伤。

除常规武器损伤外，还要考虑核、生物、化学武器的破坏。

现在战斗损伤应具有广义性，不仅包括装备的硬损伤，而且包括诸如电磁、激光、计算机病毒等造成的软损伤。

战斗损伤是作战时所持有的一种损伤。

据美军资料统计，战斗损伤约占全部战场损伤的25％～40％，然而，我军在抗美援朝战争中却高达80％，显然，这同当时敌我双方武器装备的对比有关。

随机故障、耗损性故障和人为差错不仅在平时可以造成装备不可用，在战时也同样可以发生，妨碍装备完成规定的任务。

在现代高技术条件下，这些因素所造成的损坏在战时可能会加剧（如使用强度的增大、心理紧张造成的人为差错增多等），还可能产生一些平时难以见到的新的故障模式或损伤模式。

因此，对这些故障或差错，不仅在平时应注意研究，而且应结合作战条件进行具体分析和研究，在战场上得不到供应品（包括油、液、备件、材料等）也是时常发生的。

这一问题在战场上要比平时突出得多，这是因为战场上供应线常常被破坏，抢修、处理又受时间限制，往往等不及后方供应。

从表面看来，它并不是装备损伤，但它也会使装备不能正常工作，就其后果来说与前面几种损伤是相似的，所以也把它列入战场损伤的一个影响因素，作为武器装备战场抢修研究与应用中必须考虑的内容。

“装备不适于作战环境”是海湾战争后美军提出的，作为战场上需要排除、
处理的一个问题，归入战场损伤的一个因素。

众所周知，美国从其全球战略的需要出发，历来重视武器装备的环境适应性，对装备的耐环境设计提出了非常苛刻的要求。

尽管这样，在海湾战争中装备不适应海湾地区环境的问题仍很严重。

为此，他们在海湾战场对装备进行了大量的应急维修和处理．保证了部队作战的需要。

战后，他们提出要把装备不适应于作战环境作为战场损伤的一个因素，显然这是很有必要的[14][15]。

2.1.2 电子装备损伤机理分析
电子装备所受威胁的有直接的，也有间接的，来自敌方的主要包括：核爆炸、激光束、电磁脉冲、破片、冲击波、冲击振动、燃烧释放的腐蚀物等；来自己方的主要有装备的超负荷使用及误操作；来自自然原因的有沙尘、雷电、风暴等。

在此，我们重点研究核爆炸、电磁武器和冲击振动对电子装备的损伤影响[16]。

1）核爆炸对电子装备的破坏
（1）冲击波和光辐射是造成破坏的主要因素。

影响通常有以下几种情况。

电子元器件的性能受到影响。

这主要是受早期核辐射和核电脉冲影响的结果，而且受影响的也主要是高炮、雷达、C4ISR系统。

早期核辐射能使仪器中的电子元器件性能发生变化。

如晶体管的电流放大倍数下降、反向电流增大等。

试验表明：丙射线剂量达到258C/kg、快中子通量达到1010中子/cm2以上时电子元器件才会产生明显的永久性变化，这种破坏的程度主要依辐射剂量的大小而定，剂量越大破坏越严重。

电磁脉冲同样使含电子元器件的雷达、计算机、高炮及导弹系统仪器的工作状态受到干扰，在试验中常遇到的有晶体管输出波形变形或中断信号输出，有时还由于过电流而使电极烧断，还发现电缆中会产生较弱的感应电流，在一定条件下电缆跨越的距离越长感应电流越大。

总之，电磁脉冲的干扰可能会引起仪器的误动作、测量计算的错误或不能工作。

（2）破坏雷达及通信电子装备的天线。

天线的破坏主要是冲击波动压作用的结果，动压能使天线吹弯、吹倒或折断。

（3）影响设备的工作状态。

受电磁脉冲干扰和火球烟云的影响，雷达会出现工作状态受到干扰、雷达脉冲信号衰减、接受系统产生阻塞等现象，但由于影响时间极短，方位夹角较小，因此对雷达的战术、技术性能影响不大[15]。