Разработка методов оценки стойкости телекоммуникационных систем к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов

Современные телекоммуникационные системы все в большей степени оснащаются электронными системами управления, микропроцессорными устройствами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники, и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры приводит к повышению уязвимости телекоммуникационных систем к воздействию электромагнитных факторов различного происхождения.

С другой стороны, средства электромагнитного поражения радиоэлектронной техники также совершенствуются, создаются поражающие средства воздействия на системы связи нового типа. Так в последние годы появились новые стационарные и подвижные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы (СШП ЭМИ). Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех — сверхширокополосно-стью и большой амплитудой. Одной из возможных областей применения таких излучателей является дистанционное поражение электронных компонентов телекоммуникационных (ТКС), информационно-управляющих систем различного назначения, технических средств связи. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих генераторов таковы, что могут приводить к нарушению работоспособности радиоэлектронной аппаратуры, а в ряде случаев, к необратимым изменениям ее параметров. Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессоры, составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивы к СШП ЭМИ.

Данные тенденции в развитии генераторов сверхмощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение стойкости телекоммуникационных систем к различного рода электромагнитным воздействиям.

О перспективности средств электромагнитного поражения можно также судить хотя бы по тому, что в США в начале 90-х годов научно-техническое направление создания ЭМИ-оружия было выделено как самостоятельное и включено в перечень наиболее важных военных технологий. В связи с этим в настоящее время вступило в действие новое положение национальных и международных стандартов, в которых установлены более жесткие требования по безопасности и стойкости изделий, аппаратуры и оборудования (технических средств) при воздействии электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2−3 раза амплитуды напряженностей полей с длительностью фронта до нескольких долей не. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие СШП ЭМИ, сложность современных телекоммуникационных систем затрудняют получение достоверной информации о степени поражения систем и механизмах поражения с применением расчетных методов.

С учетом изложенного следует, что в настоящее время преднамеренные сверхширокополосные электромагнитные помехи являются новой серьезной угрозой для телекоммуникационных систем. Тем более, что зависимость общества от компьютерных систем за последнее десятилетие быстро возросла, и восприимчивость этих электронных систем к СШП ЭМИ помехам стремительно растет.

Такое качественное переоснащение отечественных телекоммуникационных систем и систем связи современной компьютерной техникой, повышение требований по стойкости к действию различных электромагнитных полей радиоэлектронной аппаратуры приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия электромагнитных импульсов на ТКС и средства связи и управления становится одной из ключевых.

Преднамеренная ЭМ помеха опасна еще и тем, что она может создаваться тайно, анонимно и на большом удалении от поражаемого объекта. Она может поразить большое число целей и не оставлять никаких следов. Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите ТКС от воздействия сверхширокополосных ЭМИ, при котором снижается эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах высокочастотных антенно-фидерных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов или имеющие плетеные и витые экраны, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры [1−8, 29, 31, 32, 37, 40, 106, 107].

Сегодня СШП ЭМИ является очень слабо изученным поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связи и управления [35].

В связи с этим, важным этапом при решении задач, направленных на обеспечение стойкости телекоммуникационных систем к действию электромагнитных факторов, является проведение исследований с использованием математических моделей взаимодействия СШП ЭМИ с элементами ТКС. Для проведения исследований воздействия СШП ЭМИ на ТКС необходима соответствующая система исходных данных, полученная на основе анализа перспективных характеристик генераторов СШП ЭМИ и существующих методов оценки их воздействия на элементы ТКС.

Проблеме исследования воздействия СШП ЭМИ на радиоэлектронные системы и разработке мер по их защите посвящены работы целого ряда известных отечественных и зарубежных ученых: Синий Jl. JL, Соколов A.A., Фортов В. Е., Баум К. И., Радаски У. Ф., Мырова Л. О. и других.

Наряду с значительными достижениями в области обеспечения стойкости телекоммуникационных систем существующие методы оценки воздействия импульсных электромагнитных полей (ЭМП) не позволяют проводить достоверную оценку воздействия СШП ЭМИ на ТКС. Это в значительной мере обусловлено отсутствием совершенных методов расчета воздействия СШП ЭМИ на элементы РЭА и несовершенством метрологического обеспечения измерений в этих диапазонах. Поэтому исходные данные по амплитудно-временным параметрам СШП ЭМИ в работе получены из анализа известных характеристик генераторов СШП ЭМИ, средств измерений и эталонов электромагнитных полей субнаносекундного диапазона.

Следовательно, задача разработки и совершенствования методов оценки, средств определения характеристик СШП ЭМИ и результатов его воздействия на телекоммуникационные системы, а также разработка и уточнение требований к средствам защиты, является в настоящее время особенно актуальной. Кроме того, следует отметить, что подкомитетом 77с МЭК ведется разработка международных стандартов по СШП ЭМИ, которая в настоящее время находится в стадии подготовки рабочего проекта. Это еще раз подтверждает актуальность поставленной задачи.

Таким образом, актуальность поставленной задачи определяется: необходимостью создания и совершенствования систем телекоммуникаций, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их надежности и стойкости в условиях воздействия СШП ЭМИслабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия наносекундных электромагнитных полей на ТКС и ее элементыотсутствием в полном объеме технических средств защиты оборудования и кабельных сетей ТКС от наносекундных ЭМИ и экспериментальных данных по эффективности применения существующих средств защиты.

С учетом изложенного целью работы является исследование, разработка и совершенствование методов оценки воздействия СШП ЭМИ на ТКС и научно-обоснованных требований к средствам их защиты.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: 1. Теоретические исследования воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.

2. Разработка методов оценки воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.

3. Разработка математических моделей и программ расчета воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей на ТКС и ее элементы.

4. Разработка рекомендаций по методам и средствам защиты ТКС от воздействия сверхширокополосных электромагнитных полей.

На защиту выносятся:

Методы оценки воздействия СШП ЭМИ на ТКС и ее элементы.

Математические модели, описывающие воздействие СШП ЭМИ на элементы ТКС (кабельные линии, антенны, экраны) и разработанные на их основе программы расчета.

Результаты теоретических оценок воздействия СШП ЭМИ на элементы ТКС.

Методы защиты ТКС от поражающего действия СШП ЭМИ. Научная новизна работы заключается: в исследовании поражающего действия СШП ЭМИ на ТКС и ее элементыв разработке и совершенствовании методов расчета воздействия наносекунд ных СШП ЭМИ на ТКС и ее элементыв разработке математических моделей и программ расчета воздействия.

СШП ЭМИ на элементы ТКС (кабельные линии, антенны, экраны) — в получении новых данных по устойчивости элементов ТКС к воздействию СШП ЭМИ и разработке научно-обоснованных требований к методам и средствам защитыв результатах теоретических и экспериментальных исследований эффективности работы существующих и перспективных средств защиты в нано-секундном временном диапазоне;

Практическая значимость работы состоит: • в разработке расчетных методик и прикладных программ по оценке поражающего действия наносекундных СШП ЭМИ на элементы телекоммуникационных систем (кабельные линии, антенны, экраны) — в результатах исследований эффективности средств защиты при воздействии наносекундных импульсных перенапряженийв разработке рекомендаций по защите элементов ТКС от токов и напряжений, генерируемых наносекундными ЭМИ.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается: корректностью использования математического аппарата и математической статистики, теории испытаний и измеренийапробацией и публикациями основных результатов исследованийпроверкой соответствия теоретических результатов по исследуемой проблеме экспериментальным даннымпроведением сопоставительного анализа с данными других исследований.

Реализация и внедрение научных результатов диссертации. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы при выполнении ряда НИОКР при непосредственном участии автора.

Разработанные методики, программы, конкретные технические решения внедрены при разработке стойких к воздействию СШП ЭМИ ряда ТКС и систем связи, а также при разработке технических заданий на создание ТКС и средств связи специального назначения. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: XIII НТК по защите сооружений от поражающего действия ЭМИ, М., 2000 г.- «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий», Сочи, 2002 г. и 2003 г., 7-ой Российской научно-технической конференции по «Электромагнитной совместимости технических средств и биологических объектов», С-Петербург, 2002 г.

4.4. Выводы по главе.

1. На основании разработанных методов расчета воздействия СШП ЭМИ на элементы ТКС проведена количественная оценка их стойкости к воздействию ЭМИ с анализом и обобщением полученных результатов.

В части апертурных антенн проведенные оценки показывают, что максимальная энергия ЭМИ, проникающие через антенны сантиметрового диапазона, составляет по порядку величины 10~7.10″ 9Дж и представляет значительную опасность для ГГПУ. Для больших антенн дециметрового диапазона целесообразно проводить более детальный анализ уровня стойкости ППУ и вероятности их повреждения с учетом пространственной избирательности антенн. Установлено, что вспомогательные штыревые антенны, если они имеются в составе станции, воспринимают значительно меньшую энергию СШП ЭМИ, поэтому подключенные к ним устройства не нуждаются в защите.

На основании разработанных методов расчета показано, что наводки в неэкранированных кабелях могут достигать величины единиц киловольт при большой скорости (крутизне) нарастания, что значительно превышает импульсную электрическую прочность этих линий. Рекомендовано использование для межаппаратных соединений и линий сопряжения экранированных марок кабелей. Наводки от СШП ЭМИ в экранированных кабелях сопряжения могут достигать величины одной — двух сотен вольт. Исходя из этого, необходимо входы кабелей сопряжения защищать каскадными схемами защиты (первая ступень — разрядники, вторая — диодно-стабилитронные ограничители), а в ряде случаев необходима защита межкузовных цепей, где достаточно использование одноступенчатых диодно — стабилитронных схем защиты.

Результаты теоретических оценок уровней полей, проникающих в экраны, свидетельствуют, что внутренние поля ЭМИ, обусловленные диффузией через стенки, могут составить около 10~2 А/мполя, проникающие через окна, могут достичь величин в единицы и десятки А/м, в то время как поля, создаваемые токами, заносимыми по вводным кабельным устройствам, могут достигать сотен А/м. Таким образом, опасность представляют поля, проникающие через окна, и еще более — заносимые через вводные устройства. Поэтому необходимо уделять особое внимание защите отверстий, устройству кабельных вводов. Разработаны конкретные рекомендации по улучшению экранировки кузовов.

2. Проведен анализ эффективности существующих и перспективных средств защиты слаботочного оборудования систем телекоммуникаций при воздействии наносекундных импульсных перенапряжений. Получены динамические напряжения срабатывания защитных устройств в диапазоне изменения скорости нарастания напряжения, характерном для СШП ЭМИ.

3. В результате проведённых исследований газонаполненных разрядников (ГЗР) установлено что:

— значения динамических напряжений срабатывания разрядников в 3−10 раз превышают их статические напряжения срабатывания;

— относительный разброс значений динамического напряжения срабатывания ГЗР сильно отличается для различных типов разрядников и достигает 50%, причём абсолютная величина разброса динамического напряжения срабатывания имеет тенденцию к резкому увеличению с повышением скорости нарастания воздействующего напряжения;

— увеличение динамического напряжения срабатывания ГЗР при увеличении скорости нарастания воздействующего напряжения, а также значительный разброс его значений для различных экземпляров однотипных ГЗР может отрицательно влиять на надёжность и селективность защиты чувствительной аппаратуры от воздействия напряжений, наводимых СШП ЭМИ. Ото обстоятельство необходимо учитывать при разработке мероприятий по защите аппаратуры ТКС, управления и автоматики от поражающего действия СШП ЭМИ.

4. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований показали, что наилучшими динамическими характеристиками в заданном временном диапазоне обладают устройства защиты на базе оксидно-цинковых резисторов. Исследования вольт-секундных характеристик перспективных средств защиты ОПНС-0.22−0.4 показали, что остаточные напряжения при скорости нарастания напряжения до 0.2 кВ/нс увеличиваются по отношению к статическим остаточным напряжениям не более чем на 30%. При дальнейшем увеличении сШ/Ж до 1.3 кВ/нс остаточные напряжения увеличиваются до 2+2,5 раз. Значения динамических остаточных напряжений не превышают значений, заданных ТУ, а относительный разброс остаточных напряжений не превышает 10%, причём с увеличением скорости нарастания воздействующего напряжения относительный разброс имеет практически постоянную величину.

5. Проведённые экспериментальные исследования эффективности аппаратных средств защит/л при воздействии импульсных напряжений с нано-секундными фронтами показали, что данные средства защиты в достаточной степени удовлетворяют требованиям в части защиты вводных комплексов систем телекоммуникаций, при этом наиболее перспективными, с точки зрения защиты от наносекундных ЭМИ, являются УЗ, выполненные на базе ОПН с оксидно-цинковыми нелинейными элементами.

6. Показано, что существующие защитные средства в части быстродействия не в полной мере позволяют обеспечить эффективную защиту некоторых видов ТКС от действия данных поражающих факторов (прежде всего полевые системы связи и системы телекоммуникаций, имеющие в своём составе кабели без сплошных металлопокровов), поэтому необходима либо их доработка, либо разраб<�ггка целевым назначением принципиально новых защитных устройств.

7. На основе обобщения и анализа существующих решений по защите систем телекоммуникаций от ЭМИ предложены технические решения, позволяющие на данном этапе обеспечить в определенной мере защиту указанных систем от поражающего действия ЭМИ наносекундной длительности.

8. Результаты выполненных исследований позволили сформулировать научно-обоснованные требования к аппаратным средствам защиты применительно к воздействию СШП ЭМИ для слаботочных систем телекоммуникаций, которые наиболее восприимчивы к действию данных поражающих факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Дана общая характеристика телекоммуникационных систем как объектов, подверженных воздействию электромагнитных излучений. Показано, что проблема защиты систем телекоммуникаций от воздействия электромагнитных импульсов стала особенно актуальной в связи с разработкой новых типов источников электромагнитной энергиигенераторов СШП ЭМИ, которые характеризуются более высокими значениями электромагнитных полей и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной области.

2. Проведена оценка эффективности поражающего действия ЭМИ различных источников. Анализ приведенных данных показывает, что СШП импульсы обладают высокой эффективностью воздействия на линии длиной до нескольких метров. При Ь<1 м они могут оказать большее влияние на объект, чем другие типы импульсов, даже несмотря на их сравнительно малую энергетику. Эти обстоятельства имеют принципиальное значение при оценке наведенных токов и напряжений в различных элементах ТКС, так как приводят к необходимости уточнения расчетных моделей и требований к средствам защиты с точки зрения их вольт-секундных характеристик.

3. Рассмотрены особенности построения систем телекоммуникаций с точки зрения поражающего действия ЭМИ различных видов. Анализ устойчивости элементов ТКС показал, что для обеспечения надежного функционирования систем телекоммуникаций в условиях воздействия СШП ЭМИ необходимо проведение комплекса исследований по оценке этого воздействия и разработке методов и средств их защиты.

4. Проведен анализ параметров существующих генераторов СШП ЭМИ и перспективных разработок. Анализ характеристик излучателей показывает, что методы оценки и требования к средствам защиты от СШП ЭМИ должны разрабатываться, исходя из следующих параметров ЭМП:

— напряженность электрического поля в диапазоне от 1 до 100 кВ/м;

— длительность фронта импульса — от 100 до 500 пс;

— длительность импульса — от сотен пикосекунд до единиц наносекунд;

— частота повторения импульсов — от 0,1 до 1000 Гц.

5. Проведен анализ механизмов воздействия СШП ЭМИ на ТКС и ее элементы. Установлено, что оценку влияния СШП ЭМИ на ТКС необходимо осуществлять комплексным методом, включая такие направления, как проникновение ЭМИ через антенны, воздействие на кабельные соединения, проникновение ЭМИ в экраны, воздействие наведенных в соединительных линиях перенапряжений на входы-выходы аппаратуры.

6. Рассмотрены физические основы взаимодействия СШП ЭМИ с кабельными линиями ТКС. Исследования показали, что максимальные уровни напряжений, наводимых в кабельных линиях могут представлять опасность, как для самих кабелей, так и для подключенного к ним оборудования. Бе* применения специальных мер защиты ТКС могут быть выведены из строя.

7. Проведен анализ процессов экранирования СШП ЭМИ корпусами аппаратуры. Показано, что оценка параметров полей внутри экрана должна производиться с учетом амплитудно-временных характеристик полей, создаваемых за счет диффузии через стенки экрана, проникновения через отверстия и за счет токов, заносимых по кабельным вводным устройствам. Разработаны методы оценки амплитудно-временных характеристик этих полей.

8. Рассмотрены основные процессы воздействия СШП ЭМИ на антенны ТКС. Для апертурных антенн развита модель расчета и предложена вероятностная методика, позволяющая оценить воздействие ЭМИ с учетом селек-тивно-дуплексирующих устройств с широкой полосой пропускания и направленных свойств апертурных антенн.

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.

9. Предложены методы расчета амплитудно-временных параметров токов и напряжений, наводимых в системах проводников и кабельных линиях. Показано, что задача по расчету реакции кабельных линий на воздействие СШП ЭМИ может быть решена методом волновых каналов.

10. Разработаны и усовершенствованы математические модели кабельных линий применительно к воздействию СШП ЭМИ. Указанные математические модели реализованы на современных ЭВМ и позволяют оперативно рассчитать амплитудно-временные параметры токов и напряжений, наводимых во внешних кабельных линиях систем телекоммуникаций.

11. Проведена количественная оценка стойкости элементов ТКС к воздействию СШП ЭМИ на основе разработанных методов расчета с анализом и обобщением полученных результатов.

В части апертурных антенн проведенные оценки показывают, что максимальная энергия ЭМИ, проникающие через антенны сантиметрового диапазона, составляет 10″ 7 — 10″ 9 Дж и представляет значительную опасность для ПУ. Установлено, что вспомогательные штыревые антенны, если они имеются в составе ТКС, воспринимают значительно меньшую энергию СШП ЭМИ, поэтому подключенные к ним устройства не нуждаются в защите.

Показано, что наводки в неэкранированных кабелях могут достигать единиц и десятков киловольт при большой скорости (крутизне) нарастания, что значительно превышает импульсную электрическую прочность этих линий.

Показано, что внутренние поля ЭМИ, обусловленные диффузией через стенки, могут составить около 10″ 2 А/мполя, проникающие через окна, могут достичь величин в единицы и десятки А/м, в то время как поля, создаваемые токами, заносимыми по вводным кабельным устройствам, могут достигать сотен А/м. Таким образом, опасность представляют поля, проникающие через окна, и еще более — заносимые через вводные устройства. Поэтому необходимо уделять особое внимание защите отверстий, устройству кабельных вводов.

12. Проведен анализ эффективности существующих и перспективных средств защиты слаботочного оборудования систем телекоммуникаций при воздействии наносекундных импульсных перенапряжений. Получены динамические напряжения срабатывания защитных устройств в диапазоне изменения скорости нарастания напряжения, характерном для СШП ЭМИ.

13. Проведены экспериментальные исследования эффективности аппаратных средств защиты при воздействии импульсных напряжений с наносе-кундными фронтами которые показали, что данные средства защиты в достаточной степени удовлетворяют требованиям в части защиты вводных комплексов систем телекоммуникаций, при этом наиболее перспективными, с точки зрения защиты от наносекундных ЭМИ, являются УЗ, выполненные на базе ОПН с оксидно-цинковыми нелинейными элементами.

14. Показано, что существующие защитные средства в части быстродействия не в полной мере позволяют обеспечить эффективную защиту некоторых видов систем телекоммуникаций от действия данных поражающих факторов, поэтому необходима либо их доработка, либо разработка целевым назначением принципиально новых защитных устройств.