Комплексная методика выявления несовместимых радиоэлектронных средств в группировке Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.949

А. В. Пилков, А. Н. Радомский Комплексная методика выявления несовместимых радиоэлектронных средств в группировке

Представлена комплексная методика выявления несовместимых радиоэлектронных средств в группировке, которая учитывает влияние радиопомех различного типа, действующих с разных пространственных направлений, и особенности распространения радиоволн в районе использования радиоэлектронных средств. При учете полученных результатов представляется возможным определять план обеспечения электромагнитной совместимости при проектировании радиоэлектронных средств, а также в реальном времени получать данные о радиоэлектронных средствах, оказывающих недопустимые помеховые воздействия при наличии исходных данных о реальной электромагнитной обстановке в районе использования радиоэлектронных средств.

Ключевые слова: условие электромагнитной совместимости, радиоэлектронные средства, частотно-территориальный разнос, распространение радиоволн, реальная электромагнитная обстановка, зона территориального разноса.

Количество радиоэлектронных средств (РЭС) и источников индустриальных радиопомех постоянно увеличивается, радиочастотный спектр уплотняется. В связи с этим возрастает актуальность проблемы обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) с окружающей группировкой РЭС. Необходимо обеспечить функционирование РЭС с требуемым качеством в заданной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим РЭС [1].

Решение проблемы обеспечения ЭМС -это комплекс задач, среди которых составление специальных карт, характеризующих электромагнитную обстановку в данной местности, и выявление несовместимых РЭС в группировке при размещении вновь вводимого РЭС в районе использования действующих РЭС. Методика оценки восприимчивости РЭС к источникам индустриальных радиопомех была описана ранее [2].

В соответствии с нормативной документацией восприимчивость РЭС - это свойство РЭС и его составных частей реагировать на радиопомехи. При этом уровень восприимчивости определяется как минимальный уровень радиопомехи, при котором происходит недопустимое снижение качества функционирования РЭС [1].

В настоящей статье представлена методика выявления несовместимых РЭС в груп-

© Пилков А. В., Радомский А. Н., 2017

пировке, основанная на определении восприимчивости РЭС к наземным источникам радиопомех. Под термином «комплексная» понимается методика, учитывающая влияние радиопомех различного типа, действующих с различных пространственных направлений, а также учитывающая условия распространения радиоволн в районе использования РЭС с учетом рельефа местности.

Для выявления несовместимых РЭС необходимо определить условия выполнения ЭМС РЭС - рецептора радиопомехи (далее -рецептор) с группировкой РЭС - источников радиопомех (далее - источник). Существует несколько методов решения этой задачи [3]:

1) метод частотного разноса, предполагающий выбор рабочих (несущих) частот РЭС для обеспечения ЭМС РЭС, является наиболее известным и широко используемым методом. Расчет необходимого частотного разноса усложняется при наличии большого количества побочных радиоизлучений источников и побочных каналов приема рецепторов;

2) метод временного разделения, при котором выбираются временные интервалы 2 работы РЭС для обеспечения ЭМС РЭС. Для ==

си

оценки влияния радиопомехи от источника на £

рецептор необходимы сведения о времени ее ч

воздействия; ^

3 ) метод территориал ьного (простран- |

ственного) разноса, предусматривающий раз- о

мещение РЭС на территории и (или) в про- |

странстве для обеспечения ЭМС РЭС. о

о см

■ч-

О!

<

I

о та

0 ^

СО та

1

о.

<и

3

и <и со

см ■ч-ю

с?

см ■ч-ю см

(П (П

Кроме того, применяются комбинации вышеперечисленных методов (частотно-временной, частотно-территориальный и др.). Реализация метода временного разделения осуществляется при наличии аппаратных возможностей, предусмотренных на этапе разработки РЭС. В настоящей статье рассмотрены методы частотного и территориального разноса.

Введем следующие обозначения технических характеристик рецептора (действующего средства) и источника (вновь вводимого средства) радиопомех:

• -Рпрм( / ) - чувствительность радиоприемника по основному и неосновному каналам приема на частоте рецептора /;

• Спрм(апрд, Рпрд) - коэффициент усиления приемной антенны рецептора в направлении на источник, располагаемый по азимуту апрд и углу места рпрд;

• ^прм - высота антенны относительно земли рецептора;

• ^прд( / ) - выходная мощность радиопередатчика на частотах основного и побочного излучений на частоте источника /;

• Спрд(апрм, Рпрм) - коэффициент усиления антенны источника в направлении рецептора, располагаемого по азимуту апрм и углу места Рпрм;

• ^прд - высота антенны относительно земли источника.

Для решения задачи определения условий выполнения ЭМС рецептора с группировкой источников предлагается применять один из двух подходов.

Первый подход применяется при размещении одного-двух источников в районе использования рецептора и основан на определении территориального разноса между рецептором и источником радиопомехи. Под территориальным разносом понимается расстояние от рецептора до источника по всем азимутальным направлениям заданного участка местности, за пределами которого источник не создает мешающих радиоизлучений рецептору. Следовательно, для определения территориального разноса необходимо найти зависимость ё(апрм) при постоянных значениях Рпрд и Ипрл.

Информация об условиях ЭМС вышеупомянутых РЭС может быть получена при

рассмотрении разницы ч(дБ) между мощностью радиопомехи от источника, действующей на входе радиоприемника рецептора, и порогом восприимчивости рецептора:

Ч = Рпрд(/) + ^прд( f, ^р^ Рпрм) - L(/ ^ aпрм, р) -- Рпрм(/) + Спрм(/ апрд, Рпрд) + F(^f), (1)

где Ь(У, ё, апрм, р) - основные потери энергии при распространении радиоволн от источника к рецептору радиопомехи без учета направленных свойств антенн, располагаемого на расстоянии ё и по азимуту апрм (дБ);

р - процент времени по отношению к полному интервалу наблюдений (усредненный год), в течение которого не превышаются основные потери энергии Ь(ё, апрм, р) [4];

F(Af) - коэффициент, определяемый разнесением частот Д/ и шириной полос радиосигналов источника и рецептора соответственно [5].

Для исследования воздействия радиопомех, частоты которых лежат вне полосы частот основного канала приема, в выражении (1) вместо Рпрм(/) следует подставлять значения уровней восприимчивости по интермодуляции, блокированию усиления и побочным каналам приема.

Каждая составляющая в правой части выражения (1) является функцией одного и более аргументов. В нем отсутствует аргумент функций коэффициентов усиления антенн, характеризующий поляризационные свойства, так как предполагается, что обе антенны имеют одинаковый тип поляризации, - это является наихудшим случаем с точки зрения ЭМС РЭС.

Условие ЭМС РЭС выполняется, если Ч < 0. Если ч > 0, необходимо изменять аргументы функций, входящих в выражение (1), для достижения беспомехового функционирования РЭС. В данной работе рассматривается именно территориальный разнос, поэтому необходимо найти такое значение ё, при котором ч < 0. Значения функций Рпрд(/) и Рпрм(/) являются постоянными, а Спрд(/, апрм, рпрм) и ^прм(/, апрд, рпрд) практически не изменяются в зависимости от ё для конкретного азимутального направления. Тогда, приняв ч = 0, с учетом выражения (1) определим требуемые

основные потери энергии при распространении радиоволн ¿треб (дБ):

-¿треб Рпрд(f) + С^рдС/! апрм, ßпрм) + + б^прм f ,апрд, ßпрд) — Рпрм( f).

(2)

Требуемые основные потери энергии при распространении радиоволн определяются заданным участком местности и могут быть спрогнозированы для заданного значения р (%) с помощью рекомендаций Международного союза электросвязи (МСЭ), в частности, МСЭ-К Р.452-16 «Процедура прогнозирования для оценки помех между станциями, находящимися на поверхности Земли, на частотах выше приблизительно 0,1 ГГц». Рекомендации применимы для частот в диапазоне 0,1.. .50 ГГц во всех зонах мира для трасс всех типов, являются достаточно универсальными и учитывают следующие механизмы распространения радиопомех: прямая видимость, дифракция, тропосферное рассеяние, поверхностные волноводы, отражение и рефракция от приподнятого слоя, рассеяние в атмосферных осадках [4].

Таким образом, необходимо определить ё, при котором Ь(/ ё, апрм, р) = ¿треб, т. е. выразить величину ё через выражение для Ь( / ё, апрм, р), определенное в рекомендациях и обозначенное Ьъ. Однако уравнение, связывающее ё и Ь(/ ё, апрм, р), является трансцендентным, и его невозможно решить алгебраическими способами. Для его решения используем гра-

фический метод приближенного (на практике обычно не требуется большая точность) решения [6]. В рассмотрении аргументы f, апрм и p не участвуют, поэтому для упрощения записи опустим их. Для определения графически приближенного значения действительных корней рассматриваемого уравнения построим график функции L(d) и найдем абсциссы d1, d2, ..., dj точек пересечения этого графика с осью 0d, где j - корни решаемого уравнения. Значение основных потерь передачи для реальной трассы не подчиняется строгой зависимости, когда с увеличением расстояния d потери L(d) увеличиваются, и соответственно j = 1. В итоге искомой величиной d, при которой обеспечивается ЭМС РЭС, будет являться наибольшее из найденных значений dj.

В качестве исследуемого участка местности выбрана область, с помощью топографической базы данных (согласно картографическим данным Google 2017 г.) определены высоты местности (над средним уровнем моря) вдоль трассы от рецептора до источника по дуге большого круга в радиусе 300 км, располагаемого по всем азимутальным направлениям с угловым шагом 1°.

На рис. 1 представлен график зависимости L(d), построенный для одного из участков местности. В качестве примера использовано значение p = 0,001 % времени. Абсциссами точек пересечения графика с осью являются di = 210 км, d2 = 211 км, d3 = 243,5 км, d4 = 250 км,

¿треб> ^

160

140

120

100

80

60

40

20

i i/y^^jy/wv-

i i

i i i

Г i i i

i i i

i i i

i i i

К i 1/ 1 i

0

50

100

150

200

й?3 й?4 d$ d6 d, км

Рис. 1. Зависимость величины основных потерь энергии при распространении радиоволн от

источника от расстояния ё

та

х

(U

ч

та 0-

та

О

О.

£

ф ц

(Ч

о см

01

<

I

о та

0 ^

СО та

1

о.

ф

£

и

V

со

см ■ci-io

с?

см ■ci-io см

(П (П

ё5 = 256,5 км, ё6 = 267 км (см. рис. 1). Искомое расстояние, т. е. расстояние, на котором заведомо не будет влияния радиопомех, для данного апрм составляет ё = ё6 = 267 км. Величина р = 0,001 % показывает процент времени по отношению к полному интервалу наблюдений (усредненный год), в течение которого значение основных потерь энергии при распространении радиоволн Ь(ё) не превосходит величину 154 дБ, указанную по оси ординат.

Подобные вычисления необходимо повторить для всех азимутальных направлений апрд. На рис. 2 в полярной системе координат представлена найденная зависимость для заданного участка местности. Начало координат совмещено с точкой размещения рецептора. Радиальная координата соответствует ё, расстоянию от рецептора до источника. Угловая координата, отсчитываемая по часовой стрелке, соответствует значению азимута апрд .

о° 300 км

300°

270°

240°

180°

Рис. 2. Зависимость расстояния d от рецептора до источника от азимутального направления апрд на заданном участке местности

Красным цветом на рис. 2 обозначена зона территориального разноса вокруг рецептора (действующее РЭС), за пределами которой источник (вновь вводимое РЭС) не создает мешающих радиоизлучений, превышающих допустимый уровень. Значит, достигается условие выполнения ЭМС РЭС д < 0. Расположение источника по азимутальным направле-

ниям апрд составляет примерно 105°...240° и должно быть на максимальном расстоянии от рецептора, что соответствует области главного лепестка диаграммы направленности антенны (ДНА) рецептора; по азимутальным направлениям 270°...360° и 0°...90° - на минимальном расстоянии, что соответствует области задних лепестков ДНА рецептора. Таким образом, зона территориального разноса определяется, в первую очередь, ДНА рецептора, что соответствует формуле (2). Функция Спрм(/, апрд, Рпрд) определяется с помощью ДНА.

Для определения зависимости ё(апрд) для любого другого г-го источника необходимо выражение (2) переписать следующим образом:

-¿треб_г Рпрд_г (/ ) + С"прд_г (/ ^рм^, Рпрм) — — Рпрд (/) — ^прд (/ aпрм, Рпрм) + -¿треб. (3)

Для большей наглядности выделим в выражении (3) величины, являющиеся эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (ЭИИМ). Тогда

-треб_г Е1КРг ( / aпрм, Рпрм) — - Е1ЯР(/ апрм, Рпрм) + -треб, (3')

где Е1КРг (/ апрм, Рпрм) - ЭИИМ г-го источника (дБВт);

Е1тУ апрм, Рпрм) Рпрд (/) + Gпрд (/ апрм,

Рпрм) - ЭИИМ источника, для которого была определена зависимость ё(апрд ) (дБВт).

На рис. 3 приведена зависимость ё(апрд ) для различных источников с разной ЭИИМ. С увеличением (уменьшением) ЭИИМ источника зона территориального разноса увеличивается (уменьшается), но не пропорционально. Это связано с тем, что зависимость -треб(ё ) имеет несколько «локальных» максимумов на промежутке ё (см. рис. 1).

На рис. 4 представлена зависимость ё(апрд) для р, равного 50 %, 1 % и 0,001 %. С уменьшением процента времени уменьшается величина, которую не превосходят основные потери энергии при распространении радиоволн, и, как следствие, увеличивается необходимое расстояние ё(апрд). Причем на некоторых азимутальных направлениях (от 150° до 190°) необходимое расстояние увеличивается с 150 до 300 км. Для гарантированного обеспе-

0° 300 км

Рис. 3. Зависимость расстояния С от рецептора до г-го источника от азимутального направления апрд на заданном участке местности:

--Е1ЯР1 = 0 дБВт;--ЕЖР2 = 10 дБВт;

-- ЕЖРэ = 16 дБВт

0° 300 км

Рис. 4. Зависимость расстояния С от рецептора до источника от азимутального направления апрд для заданного участка местности: -- р = 50 %;-- р = 1 %;--р = 0,001 %

чения выполнения условий ЭМС РЭС рекомендуется брать минимальное значениер (%).

Второй подход к решению задачи определения условий выполнения ЭМС рецептора с источником применяется, если число источников более двух. При использовании этого

подхода определяется максимально допустимой ЭИИМ источника (вновь вводимого РЭС) в зависимости от расстояния до рецептора (действующего РЭС) для определенного азимутального направления на заданном участке местности, при которой еще не создается мешающих радиоизлучений рецептору. Необходимо определить зависимость Е1КР(ё) при постоянных значениях апрд и Лпрд. Для этого, приняв д = 0, перепишем выражение (1) в виде:

Е1кр (/ апрм, Рпрд) = Рпрд(/) - б^рмС/ апрд, Рпрд) +

+ Ь(/ С, апрм, р), (4)

где Е1КР(У апрм, Рпрм) Рпрд(/) - ^прдС^ апрм, Рпрм).

На рис. 5 в полярной системе координат представлены найденные зависимости Е1ЕР(С) для заданного участка местности. Значения ЭИИМ отражены цветом: для минимальных значений назначен синий цвет, для максимальных - красный. Также на рисунках пунктирной линией выделена зона, приведенная на рис. 3 для Е1ЯР2 = 10 дБВт.

Рис. 5. Зависимости ЕШР(с1) для заданного участка местности

Заметим, что кроме ДНА рецептора про- |

являются особенности заданного рельефа мест- |

ности (см. рис. 5). Расположение источников И

по азимутальным направлениям апрд от 285° до ^

360° наиболее целесообразно для выполнения |

условий ЭМС. Это связано с тем, что рельеф &

данной области холмистый с перепадами высот о

и что преобладают такие механизмы распро- ^

о сч

Ol

<

I

(0 та

0 ü СО та

1

о.

V

£

и ф

CQ

сч

■Clin

с?

сч

■Clin сч

(П (П

странения радиопомех, как дифракция. Внутри определенной ранее зоны помехового воздействия есть малые области, где выполнение условий ЭМС возможно, что свидетельствует о неоднородности среды распространения радиоволн за счет влияния рельефа местности.

Предложенная комплексная методика для выявления несовместимых РЭС в группировке нашла практическое применение и показала свою эффективность. С использованием полученных результатов представляется возможным определить:

• требуемые параметры частотно-территориального разноса;

• исходные данные для внесения в план обеспечения ЭМС РЭС систем государственного и военного управления федерального уровня (центральный план), в планы обеспечения ЭМС РЭС, используемых федеральными органами исполнительной власти в границах военных округов (региональные планы), а также в годовой план введения временных запретов (ограничений) на использование радиоэлектронных средств при проведении особо важных работ и мероприятий;

• необходимость доработки РЭС в целях повышения характеристики частотной избирательности и степени помехоустойчивости.

При наличии динамических данных о реальной электромагнитной обстановке в районе использования РЭС представляется возможным в реальном времени получать данные о РЭС, оказывающих недопустимые помеховые воздействия.

Материалы представленной работы будут использованы при дальнейших перспективных направлениях исследований:

• разработке 3D-моделей для определения условий ЭМС РЭС с учетом влияния аэ-

родинамических и космических источников радиопомех;

• оценке степени снижения боевых возможностей РЭС при различных типах радиоэлектронного противодействия;

• разработке эффективных моделей радиоподавления РЭС противника.

Часть исследований данной работы выполнены А. В. Пилковым при поддержке гранта Президента Российской Федерации НШ-6831.2016.8. Список литературы

1. ГОСТ 23611-79 Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1979. 16 с.

2. Боев С. Ф., Пилков А. В., Купцов Н. М., Ра-домский А. Н. Метод оценки влияния индустриальных радиопомех от воздушных линий электропередач и высоковольтного оборудования на высокочувствительные радиолокационные станции // Труды МАИ. 2016. № 85. С. 1-17.

3. Уайт Д. Р. Ж., сост. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Вып. 1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи / сокр. пер. с англ. под ред. А. И. Сапгира; послесловие и комментарии А. Д. Князева. М.: Советское радио, 1977. 352 с.

4. Recommendation ITU-R P.452-16 (07/2015). Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz. P. 59.

5. Recommendation ITU-R SM.337-6 (10/2008). Frequency and distance separations. P. 12.

6. Завало С. Т. Элементарная алгебра. М.: Просвещение, 1964. 304 с.

Поступила 05.12.17

Пилков Александр Валерьевич - кандидат технических наук, начальник комплексного отдела электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и обеспечения стойкости к спецвоздействиям Акционерного общества «Радиотехнический институт имени академика А. Л. Минца», г. Москва.

Область научных интересов: радиолокация, теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем, радиоэлектронная борьба.

Радомский Андрей Николаевич - начальник отдела моделирования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и прогнозирования электромагнитной обстановки Акционерного общества «Радиотехнический институт имени академика А. Л. Минца», г. Москва.

Область научных интересов: радиолокация, теория электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и систем, распространение радиоволн.

Comprehensive methodology for identifying incompatible radioelectronic facilities in a grouping

The study introduces comprehensive methodology for identifying incompatible radioelectronic facilities in a grouping, with provision for the effect of radio interference of various types operating in different spatial directions. The research also focuses on the characteristic features of radio-wave propagation in the area where radioelectronic facilities are used. In view of the results obtained, it is possible to determine a plan for ensuring electromagnetic compatibility when designing radioelectronic facilities. Moreover, findings of the research allow us in real time to receive data on radio electronic facilities which have harmful interference impact, in the presence of basic data on real electromagnetic environment in the area where radioelectronic facilities are used. Keywords: electromagnetic compatibility condition, radioelectronic facilities, regional frequency spacing, radio-wave propagation, real electromagnetic environment, geographical gap zone.

Pilkov Aleksandr Valerevich - Candidate of Engineering Sciences, Head of the Department of Electromagnetic Compatibility of Radioelectronic Facilities and Resistance to Special Effects, Joint Stock Company "Academician A. L. Mints Radiotechnical Institute", Moscow.

Science research interests: radio detecting and ranging, theory of electromagnetic compatibility of radioelectronic facilities and systems, electronic warfare.

Radomskiy Andrey Nikolaevich - Head of the Department of Simulating Radioelectronic Facilities Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Environment Forecasting, Joint Stock Company "Academician A. L. Mints Radiotechnical Institute", Moscow.

Science research interests: radio detecting and ranging, theory of electromagnetic compatibility of radio electronic facilities and systems, radio-wave propagation.