Методы обеспечения стойкости перспективных систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных импульсных электромагнитных помех

Опыт разработки и эксплуатации современных систем телекоммуникаций показывает, что одной из наиболее сложных проблем при их создании является обеспечение устойчивой работы в условиях воздействия мощных электромагнитных помех (излучений) естественного и искусственного происхождения. В отличие от радиопомех и шумов воздействие мощных электромагнитных излучений на системы телекоммуникаций может вызывать нарушение их функционирования в результате наведения во внешних и внутренних цепях больших значений импульсных напряжений и токов.

Основными источниками мощных электромагнитных излучений естественного и искусственного происхождения являются: грозовые разрядымощные радиопередающие средства и радиолокационные станциивысоковольтные линии электропередачиконтактная сеть железных дорог и т. д. Наиболее мощными искусственными преднамеренными излучениями, с точки зрения поражающего действия, являются электромагнитные излучения (ЭМИ) ядерных взрывов [1−7].

Качественное переоснащение отечественных систем связи современной компьютерной техникой, повышение требований по стойкости к действию различных электромагнитных полей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия электромагнитных импульсов (ЭМИ) на системы и средства связи и управления становится одной из ключевых. Особенно актуально на настоящий момент стоит вопрос о защите средств связи от воздействия ЭМИ высотного ЯВ, при котором наблюдаются высокие уровни воздействующих электромагнитных полей (десятки-сотни киловольт на метр и сотни ампер на метр) на удалениях от центра взрыва, достигающих сотен и даже тысяч километров. Сегодня ЭМИ является практически единственным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления на очень больших расстояниях.

Проблеме исследования воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы и разработке мер по их защите посвяшены работы целого ряда известных ученых: Б. В. Замышляева, Н. В. Балюка, А. А. Любомудрова, А. К. Михайлова, Л. О. Мыровой, В. А. Сикарева, Э. Н. Фоминича, А. З. Чепиженко, В. М. Кондратьева, A.A. Шведова и других. В их работах получены основополагающие результаты в области исследования поражающего действия ЭМИ на радиоэлектронные системы: разработаны методы расчета, алгоритмы, программы и нормативные документы по оценке воздействия обычных ЭМИ на радиоэлектронные системы и выбору средств защиты.

В связи с постоянным совершенствованием ядерных боеприпасов меняются и параметры воздействующих факторов, что приводит к необходимости проводить уточнение математических моделей, методов расчета воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы, в том числе и на системы телекоммуникаций, а также совершенствование методов обеспечения стойкости.

В последние годы развернулись исследования по созданию ядерного оружия третьего поколения с повышенным выходом электромагнитных излучений. Поэтому параметры ЭМИ в течение 80−90-х годов неоднократно видоизменялись, и в настоящее время они существенно отличаются в сторону ужесточения от ранее стандартизованных.

В течение долгого времени эта проблема оставалась закрытой, однако, учитывая возможности возникновения локальных вооруженных конфликтов с ограниченным применением ядерного оружия Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) выступила с инициативой по разработке требований к защите важных для каждой страны систем связи, информационных сетей и линий электропередач, обеспечивающих безопасное функционирование промышленности и управления страной. В настоящее время разработан комплекс стандартов МЭК 61 000 IEC, в котором определены параметры электромагнитных полей высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ), приведены рекомендации по защите электротехнических систем, рассмотрены методы и средства защиты [8−11,39]. Необходимо отметить, что параметры полей.

ЭМИ ЯВ, заданные МЭК, существенно отличаются от параметров, задаваемых предыдущими источниками. Например, ЭМИ высотного ЯВ имеет следующие параметры: Е — 50 кВ/м, 2.5 не, tH- 23нс на уровне 0.5.

В связи с этим проблема исследования поражающего действия ЭМИ ВЯВ и разработка рекомендаций по защите приобрели новую остроту и актуальность. Это обстоятельство, а также то, что исследования воздействия ЭМИ на системы телекоммуникаций с учетом рекомендаций МЭК до настоящего времени практически не проводились или носят разрозненный характер, и привело к необходимости разработки, уточнения и усовершенствования расчетных моделей и методов оценки показателей стойкости телекоммуникационных систем.

Актуальность этих исследований определяется:

— необходимостью создания и совершенствования телекоммуникационных систем, соответствующих рекомендациям МЭК по стойкости к ЭМИ ВЯВ;

— слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия электромагнитных полей с параметрами, рекомендуемыми МЭК, на телекоммуникационные системы;

— необходимостью разработки и уточнения расчетных методов оценки стойкости телекоммуникационных систем в целом и их составных элементов к воздействию ЭМИ;

— отсутствием в достаточном объеме технических средств защиты телекоммуникационных систем от действия ЭМИ ВЯВ и данных по эффективности применения существующих средств защиты.

Целью работы является исследование и разработка эффективных методов оценки стойкости современных и перспективных наземных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных электромагнитных импульсов ядерных взрывов и разработка рекомендаций по повышению защищенности систем телекоммуникаций, отвечающих современным требованиям по стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ.

Научная новизна работы заключается:

— в исследовании поражающего действия ЭМИ с параметрами, заданными МЭК, на телекоммуникационные системы;

— в уточнении и развитии модели воздействия ЭМИ на апертурные антенны УВЧ, СВЧ-диапазонов и разработке на этой основе вероятностной методики оценки проникновения ЭМИ через апертурные антенны;

— в развитии физической модели воздействия ЭМИ на проводные антенны, позволяющей рассчитывать наводки в электрически длинных антеннах, с учетом волнового характера формирования наведенного тока;

— в разработке численного метода интегрирования обобщенных телеграфных уравнений при расчете наводок в кабельных линиях;

— в разработке приближенных аналитических методов: расчета влияния ЭМИ на антенны, воздействия на кабельные линии, проникновения ЭМИ в кузова автомашин, влияния проникших полей на внутрикузовные соединения и создании на этой основе инженерных методик для экспресс-оценки воздействия;

— в разработке общих принципов и ряда конкретных технических решений по проектированию защиты наземных подвижных станций радиорелейной тропосферной и спутниковой связи от воздействия ЭМИ ВЯВ с параметрами, определенными МЭК.

Практическая значимость работы заключается:

— в разработке методики оценки стойкости современных наземных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК, позволяющей комплексно учитывать влияние ЭМИ на антенны, кабели, кузова и внутрикузовные цепи станций;

— в разработке инженерных методик оценки влияния ЭМИ на элементы и станции в целом, доведенных до конкретных расчетных алгоритмов, существенно (на два порядка) сокращающих объемы вычислительных работ при проведении оценки стойкости станций к воздействию ЭМИ ЯВ;

— в обосновании требований и конкретных рекомендаций, реализованных в технических решениях, по повышению защищенности существующих и перспективных радиорелейных, тропосферных, спутниковых станций от действия ЭМИ ЯВ.

Реализация результатов работы. Основные теоретические положения и результаты исследований приведены в диссертации, опубликованы в виде научных статей и докладов на научно-технических конференцияхреализованы при разработке мероприятий по защите от ЭМИ ЯВ технических средств ряда телекоммуникационных систем, а также при разработке технических заданий на создание средств связи специального назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 6-ой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» (Санкт-Петербург, 2001 г.) — на научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость» (Санкт-Петербург, 2002 г) — на международном симпозиуме «Надежность и качество -2002» (Пенза, ПГТУ, 2002 г) — на международном симпозиуме «Инновационные технологии в проектировании» (Пенза, ПГТУ, 2002 г), а также обсуждены и одобрены на научно-техническом совете МНИРТИ.

Публикация. Результаты работы опубликованы в 10 научных трудах [13 — 16,20,31,32,36,37,78], в том числе в ряде тематических научно-технических журналов.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

В первой главе рассмотрено современное состояние и перспективы развития проблемы обеспечения стойкости систем телекоммуникаций к воздействию ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК. Особое внимание уделено анализу существующих точных и приближенных методов оценки стойкости телекоммуникационных систем к воздействию ЭМИ ЯВ и показаны основные направления развития этих методов с учетом современных требований МЭК.

Во второй главе изложены сведения по параметрам ЭМИ ЯВ, рекомендованным МЭК, проанализированы формы и спектральные характеристики ЭМИ. Рассмотрены физические основы взаимодействия ЭМИ и РЭС: основные пути проникновения ЭМИ в аппаратуру, характеристика процессов в радиоэлектронных системах при взаимодействии ЭМИ, что позволило очертить комплекс параметров и характеристик систем, определяющих их стойкость к воздействию ЭМИ. Исходя из этого, проанализированы системы PPC, ТРС, ССС как объекты подверженные воздействию ЭМИ. Рассмотрена возможная для них ЭМИ — обстановка, требования к ним по стойкости. Проанализировано построение систем, входящих в их состав антенн, кабельных соединений, экранов. Частотные диапазоны работы систем сопоставлены со спектральными характеристиками ЭМИ. Введено понятие о частотной иерархии аппаратуры систем и иерархии соединительных линий. Исходя из проведенного анализа, определены основные механизмы влияния ЭМИ на системы телекоммуникаций в целом и пути проникновения электромагнитной энергии (наводимых токов и / или напряжений) в их аппаратуру.

Третья глава посвящена разработке методов оценки влияния ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК, на системы телекоммуникаций и основные их элементы. Рассмотрены методы теоретической оценки воздействия ЭМИ на антенны, соединительные кабельные линии, проникновение ЭМИ в экранирующие конструкции и влияние на внутренние соединения, а также методы расчета переходных процессов во входных устройствах. Рассмотренные и предложенные методы расчета включают как методы, основанные на достаточно строгих электродинамических моделях, так и приближенные аналитические методы. Проводится сопоставление результатов, полученных теми или другими методами, а также данных, полученных теоретическим и экспериментальным путем. Исходя из проведенных сопоставлений, сделаны выводы о правомерности использования в пределах применимости приближенных аналитических, то есть инженерно — ориентированных, методов оценки влияния ЭМИ на телекоммуникационные системы.

В четвертой главе работы изложены методы обеспечения стойкости радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи, стойких к воздействию ЭМИ. Приведены обобщенные данные по уровню наводок в различных соединительных линиях, антеннах, уровню полей в экранирующих конструкциях. Рассмотрены различные методы защиты аппаратуры от воздействий ЭМИ: конструктивные, структурно-функциональные, схемотехнические. Исходя из обобщенных данных по уровню наводок в различных цепях выведено оптимальное распределение мер защиты по этим цепям. Рассмотрены также организационные вопросы, связанные с обеспечением взаимодействия комплексных подразделений, разработчиков отдельных подсистем ТКС и специалистов в области ЭМИ с целью обеспечения требуемого уровня стойкости в целом. Проанализировано оптимальное распределение усилий между этими группами специалистов на различных этапах проектирования. Изложены основные принципы построения радиорелейных, тропосферных и спутниковых систем связи, стойких к воздействию ЭМИ с параметрами, рекомендованными МЭК.

В заключении обобщены результаты выполненных исследований, сформулированы выводы и рекомендации по работе в целом.

Результаты работы опубликованы в Ю научных трудах [13,14,15,16,20,31,32,36,37,78], в том числе в ряде тематических научно-технических журналов.

17. Дальнейшее использование результатов работы предполагается:

— при задании требований на разработку системы;

— при разработке методик оценки стойкости наземных подвижных PC, ТРС, ССС к воздействию ЭМИ ЯВ;

— в качестве теоретического и методологического фундамента при проектировании перспективных наземных подвижных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи, стойких к воздействию ЭМИ ЯВ.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным итогом, определяющим научную и практическую значимость проведенных исследований, является разработка методов обеспечения стойкости наземных современных и перспективных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию ЭМИ ЯВ с параметрами, рекомендованными МЭК.

Наиболее важные конкретные результаты работы состоят в следующем:

1.Ha основании результатов исследований механизмов образования электромагнитных импульсов ядерных взрывов проанализированы рекомендованные МЭК параметры, типовые формы и спектральные характеристики ЭМИ наземных и высотных ядерных взрывов применительно к задачам воздействия на наземные подвижные станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи. Исходя из рассмотренных физических основ воздействия ЭМИ на радиоэлектронные системы, дана классификация наземных подвижных PPC, ТРС, ССС как объектов, подверженных воздействию ЭМИ ЯВ, и проанализирована возможная ЭМИ — обстановка для этих станций с обоснованием вытекающих требований по стойкости к ЭМИ. На этой основе предложено представление о частотной иерархии аппаратуры с учетом определяющей роли различных кабельных соединений при оценке воздействия ЭМИ ЯВ для станций в целом.

2. На основе сопоставления спектрально-энергетических характеристик ЭМИЯВ и рабочих частотных диапазонов станций с использованием предложенной частотно-иерархической схемы установлено, что оценку влияния ЭМИ ЯВ на наземные подвижные станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи необходимо осуществлять комплексным методом, включая такие направления, как проникновение ЭМИ через антенны, воздействие на кабельные соединения станций, проникновение ЭМИ в кузова автомашин, воздействие наведенных в соединительных линиях перенапряжений на входы-выходы аппаратуры.

3. На базе выполненных теоретических исследований с экспериментальной проверкой основных положений предложена комплексная методика расчета воздействия ЭМИ ЯВ на наземные подвижные станции радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи. Методика позволяет выполнить расчеты с учетом воздействия ЭМИ на антенны, кабельные соединения станций, проникновения ЭМИ в кузова, воздействия наводимых в кабелях токов и напряжений на входные (выходные) устройства аппаратуры.

4. Для апертурных антенн PPC, ТРС, ССС развита модель расчета и предложена вероятностная методика, позволяющая оценить воздействие ЭМИ с учетом селективно-дуплексирующих устройств с широкой полосой пропускания (десятки и сотни МГц) и направленных свойств апертурных антенн.

5. На основании результатов теоретического рассмотрения с использованием теории длинных линий разработан эффективный метод анализа переходных процессов в проволочных антеннах. Метод обеспечивает расчет воздействия ЭМИ с учетом волнового характера процесса и позволяет оценивать наводки в протяженных фидерах, мачтах и т. д.

6. На основе решения неоднородных телеграфных уравнений предложены строгие электродинамические и приближенные аналитические методы оценки воздействия электромагнитного импульса на кабельные соединения и протяженные кабели сопряжения применительно к воздействию ЭМИ высотного и наземного ЯВ. Для строгих методик расчета разработан эффективный алгоритм, позволяющий выполнять однократное численное интегрирование при расчете наводок как во внешней, так и во внутренней цепи. Для инженерных методик, незаменимых на этапах проектирования, предложены приближенные аналитические методы расчета.

7. На базе результатов теоретического рассмотрения задачи о взаимодействии импульсных полей с кузовами станций, выполняющими роль электромагнитных экранов, предложена эффективная методика оценки амплитудно-временных характеристик внутренних полей, создаваемых за счет диффузии через стенки экрана, проникновения через отверстия и за счет токов, заносимых по кабельным вводным устройствам. Применительно к диффундирующим полям разработан аналитический метод, обеспечивающий сокращение вычислительных затрат более чем на порядок. Для расчета полей, проникающих через отверстия и кабельные вводы, обосновано применение дипольного приближения. Получены аналитические выражения для обобщенной характеристики эффективности экрана с неодно-родностями и вводами — величины среднего поля в экране. Разработанные методики доведены до инженерного вида.

8. Обоснована методика оценки токов и напряжений, наводимых на внутрикузовных соединительных линиях. Получены эквивалентные схемы и аналитические соотношения для источников наводок применительно к этой группе соединений.

9. Разработана методика расчета переходных процессов во входных устройствах, подключенных к кабелям сопряжения, межкузовным и внут-рикузовным соединениям при воздействии ЭМИ ЯВ, доведенная до алгоритмов и программ счета на ЭВМ. Установлено, что расчет переходных процессов с использованием этих программ дозволяет существенно скорректировать величину перегрузок на чувствительных полупроводниковых элементах внутрикузовного оборудования.

10. На основе анализа и сопоставления результатов, полученных с помощью разработанных методик для антенн, кабелей и кузовов наземных подвижных станций установлено, что точные и приближенные аналитические результаты по оценке воздействия ЭМИ ЯВ удовлетворительно согласуются между собой и подтверждаются экспериментальными результатами.

11. С использованием разработанных методов расчета воздействия ЭМИ ЯВ на элементы и аппаратуру наземных подвижных станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи проведены количественные оценки воздействия ЭМИ для ряда типичных станций с анализом и обобщением полученных результатов. В части апертурных антенн проведенные оценки показывают, что максимальная энергия ЭМИ, проникающая через антенны сантиметрового диапазона составляет по порядку величины 10″ «.10~® Дж и не представляет опасности для ППУ. Для больших антенн дециметрового диапазона максимальная энергия может быть выше, поэтому для этих антенн целесообразно проводить более детальный анализ уровня стойкости ППУ и вероятности их повреждения с учетом пространственной избирательности антенн. Установлено, что вспомогательные штыревые антенны воспринимают значительно большую энергию ЭМИ (до 0,1 Дж), поэтому подключенные к ним устройства нуждаются в защите.

12. Показано, что наводки в неэкранированных кабелях могут достигать величин в десятки и сотни киловольт при большой крутизне, что значительно превышает импульсную электрическую прочность этих линий. Рекомендовано использование для межкузовных соединений и линий сопряжения экранированных марок кабелей. Наводки от ЭМИ высотного ЯВ в экранированных кабелях сопряжения могут достигать величины в несколько киловольт, а в межкузовных кабелях — одной. двух сотен вольт. Исходя из этого, необходимо защищать входы кабелей сопряжения каскадными схемами защиты, в ряде случаев необходима защита и межкузовных цепей.

13.Результаты теоретических оценок уровня полей, проникающих в кузова станций, свидетельствуют, что внутренние поля ЭМИ, обусловленные диффузией через стенки, могут составлять около 10″ ?А/м, поля, проникающие через окна, могут достигать единиц и десятков А/м, в то время как поля за счет заносимых по вводным кабельным устройствам токов могут доходить до сотен А/м. Таким образом, опасность представляют поля, проникающие через окна, и еще более — заносимые через вводные устройства. Разработаны конкретные рекомендации по улучшению экранировки кузовов.

14. С учетом результатов комплексного анализа воздействия ЭМИ на станции обоснованы и предложены мероприятия по повышению защищенности аппаратуры наземных подвижных PPC, ТРС, ССС от воздействия ЭМИ, учитывающие выбор наилучшего варианта построения станции, оптимизацию ее структурно-функциональной схемы, выбор конструкционных мер защиты и т. д. Рассмотрены принципы защиты от входных (выходных) цепей аппаратуры станций, приведены конкретные схемные решения по защите устройств, подключенных к различным группам кабелей, а также требования к разрабатываемым средствам защиты.

Мероприятия доведены до конкретных рекомендаций.

15. Результаты исследований реализованы:

— при оценке стойкости к воздействию ЭМИ ЯВ ряда станций радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи: «Центавр-Н», «Буссоль-44», «Кадмий-3» ;

— при разработке мер по повышению стойкости к воздействию ЭМИ ряда разработанных и разрабатываемых станций: «Центавр-Н», «Буссоль-44», «Кадмий-З» .

16. Основные положения диссертационной работы докладывались на 6-ой Российской научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» (Санкт-Петербург, 2001 г.) — на научно-технической конференции «Электромагнитная совместимость» (Санкт-Петербург, 2002 г) — на международном симпозиуме «Надежность и качество -2002» (Пенза, ПГТУ, 2002 г) — на международном симпозиуме «Инновационные технологии в проектировании» (Пенза, ПГТУ, 2002 г), а также обсуждены и одобрены на научно-техническом совещании МНИРТИ.