CC BY
16
УДК 623.618
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-249-253
ЛОГИКО-ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ УКВ-ДИАПАЗОНА
С.С. Соколов, Ю.В. Федулов, А.К. Зобнин, В.Б. Сычужников
В статье рассматривается методика оценки устойчивости средств радиосвязи УКВ-диапазона, к электромагнитным импульсным воздействиям большой мощности, позволяющая для каждого установленного нежелательного события идентифицировать как уровни, так и компоненты ответственные за исправность средств радиосвязи на основе логико-вероятностного метода и перейти от энергетического подхода при оценке устойчивости, к вероятностному.
Ключевые слова: средства радиосвязи, электромагнитные импульсные воздействия большой мощности, устойчивость, дерево неисправностей.
Обеспечение показателей устойчивости специальных средств радиосвязи (СРС) к электромагнитным импульсным воздействиям большой мощности (ЭМИВБМ) являются необходимым качеством современных технических систем, предназначенных для функционирования в сложной электромагнитной обстановке.
При разработке специализированных СРС возникают вопросы в реализации традиционных подходов к заданию и подтверждению требований устойчивости. На практике основным подтверждением устойчивости является проведение натурных испытаний, с фактическим воздействием на СРС ЭМИВБМ по биноминальному плану типа «отказ-норма». В данном энергетическом подходе при определении показателей устойчивости берется во внимание только значение энергии ЭМИВБМ, что является причиной возникновения таких недостатков, как малая информативность испытаний, отсутствие возможности экстраполировать результаты испытаний на другие частные случаи воздействия, низкая достоверность результатов вследствие единичности нагружений и т.п. Таким образом проведение экспериментальных исследований имеет демонстрационный характер, показывающий отсутствие явных конструктивных ошибок [1-3].
Тенденцией последнего времени из-за возрастающих финансовых и технических ограничений является снижение возможностей проведения крупномасштабных натурных опытов, являвшихся основой подтверждения стойкости. Это влечет за собой развития расчетно-экспериментальных методов подтверждения устойчивости с использованием аппарата математической статистики с целью построения вероятностных моделей и переходу от энергетического подхода оценки устойчивости, к вероятностному.
Вероятностный подход имеет следующую методику оценки устойчивости:
определение энергии ЭМИВБМ в точке воздействия;
построение модели энергетического воздействия ЭМИВБМ на СРС;
декомпозиция объекта воздействия и определение вероятности потери работоспособности основных узлов СРС при ЭМИВБМ;
оценка вероятности потери работоспособности СРС при ЭМИВБМ.
Определение энергии ЭМИВБМ в точке воздействия. Расчет энергетических характеристик ЭМИВБМ проводится на основе определения плотности потока энергии электромагнитного поля в точке воздействия.
Плотность потока энергии определяется численным значением модуля вектора Умова-Пойтинга П в направлении максимального излучения, учитывая характеристики полупроводящей сферической поверхности Земли и направленные свойства антенны:
Пмакс(г)=^^аи, (1)
где Ри - мощность излучения; А - КНД передающей антенны; р - коэффициент согласования; Е - множитель ослабления; г - расстояние от точки излучения до объекта воздействия; 4 - длительность импульса.
Мощность ЭМИВБМ Ри определяется согласно выражения:
1(0 = ^ (2) где Р - мощность источника излучения; - временная характеристика ЭМИВБМ; 4 - длительность импульса [4-7].
Множитель ослабления рассчитывают исходя из того, что электрическое поле радиоволны в точке приема рассматривается как результат интерференции прямого луча и луча, отраженного от поверхности Земли и попадающего в точку приема:
F = ^1 + 2!{со5(в+^^Лг)+П2, (3)
где Я - модуль коэффициента отражения; 9 - угол потери фазы при отражении; И\ и Н2 - высота подъема передающей и приемной точки, Аг - разность хода лучей (Аг=2А1Ауг).
На рис. 1 построена зависимость энергии излучаемого радиочастотного импульса с мощностью 200 МВт от расстояния с учетом параметров полупроводящей сферической поверхности Земли.
Декомпозиция объекта воздействия. Применительно к современным СРС для декомпозиции аппаратной структуры и программного обеспечения необходимо применять базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI).
В современных СРС существует тенденция реализации первых трех уровней модели OSI непосредственно в радиотехнической аппаратуре. Уровни свыше третьего реализуются во внешней аппаратуре (персональных компьютерах, аппаратуре боевого управления). Связь между внешней аппаратурой и непосредственно радиотехническим устройством реализуется с помощью внешних интерфейсов (Ethernet, RS-232 и т.д.)
Таким образом непосредственное влияние ЭМИВБМ будет оказывать на физические уровни СРС и внешние интерфейсы до четвертого уровня эталонной модели.
На физическом уровне необходимо рассматривать функциональные узлы и блоки СРС отвечающие за взаимодействие с физической средой. К данному уровню относятся: АФУ, входные тракты СРС и т.д.
На уровне свыше третьего необходимо рассматривать возможности наведения ЭМИВБМ на входные порты внешних интерфейсов и соответствующие им функциональные узла, блоки и компоненты [8-10].
Для сетей специальной связи выделяют 4 уровня аппаратной декомпозиции с соответствующим каждому уровню показателем устойчивости
0 - физическая среда;
1 - физический элемент;
2 - функциональный элемент;
3 - функциональный блок;
4 - СРС.
При декомпозиции необходимо использовать многоуровневый подход, заключающийся в следующем:
все множество модулей, решающих частные задачи, разбивают на группы и упорядочивают по уровням, образующим иерархию;
в соответствии с принципом иерархии для каждого промежуточного уровня можно указать непосредственно примыкающие к нему соседние вышележащий и нижележащий уровни;
группа модулей, составляющих каждый уровень, должна быть сформирована таким образом, чтобы все модули этой группы для выполнения своих задач обращались с запросами только к модулям соседнего нижележащего уровня;
с другой стороны, результаты работы всех модулей, отнесенных к некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня [11].
Таким образом исследуемый объект будет характеризоваться п частных откликов уи (и = 1,2,..., п) и каждый из этих откликов измеряется в N опытах. Тогда уиг - это значение и-го отклика в г-м опыте (■ = 1,2,...,Л/). Каждый из откликов и у имеет свой физический смысл. Таким образом, обобщенный отклик определяется фолрмулой формулой:
^ = 7Ш=1Уш, (4)
где - обобщенный отклик в г-м опыте; П - произведение частных откликов у,, у2г, ..., у„и
Синтез уровней декомпозиции необходимо проводить на основе анализа дерева неисправностей, представляющее деструктивное воздействие ЭМИВБМ на СРС на основе модели взаимодействия.
Метод анализа дерева неисправностей является примером применения дедуктивной методологии, имеющей следующие преимущества при анализе эффектов ЭМС:
возможность учитывать неисправности общего случая, вызванные одиночной электромагнитной помехой;
возможность учитывать изменяющиеся во времени события и неисправности; при анализе дерева неисправностей может быть применены вероятностные методы. Структура дерева неисправностей в аналоговом режиме на основе изменения значений чувствительности представлен на рис. 2.
Оценка вероятности потери работоспособности СРС при ЭМИВБМ. Вероятностные модели строятся в предположении об одинаковом объеме разрушений, возникающих в любом месте системы при реализации однократного энергетического воздействия. Переход при анализе дерева неисправностей от энергетического подхода к вероятностному проведем на основе логико-вероятностного метода, имеющего следующие достоинства:
возможность применения при любой логической структуре системы (не только при последовательно-параллельных логических схемах);
возможность применять при любых распределениях вероятности потери работоспособности. Все события дерева неисправностей представленной на рис. 2 являются совместными, таким образом для них справедлива формула дизъюнкции:
7 = 1 т
А(В) = А Вт. (5)
Чувствительность не соответствует требуемым значениям
В1
В2
В3
Отказ функциональных узлов приемного тракта
Отказ ПО приемного тракта
С4
А1
Уровни декомпозиции
С8
Отказ источников питания
Программные отказы
С5
С6
В4
Отказ интерфейсов управления функциональными узлами
С7
Отказ управляющего контроллера
Сбой в работе Системы управления контроллера
Отказ формирователя линии
Сбой в работе формирователя линии
Аппаратные отказы
С1
Отказ защиты (КЗ)
С2
Отказ УРЧ
С3
Отказ цепей коммутации
Рис. 2. Дерево неисправностей СРС при ухудшении чувствительности
Согласно теореме сложения вероятностей совместных событий, вероятность потери работоспособности при однократном воздействии определяется по формуле:
Рп.р.(££=1 В,) = £т=1 - £и1Р{в^1) + Р{В^1ВЧ) +...+(-1 )т-1Р(в1в2...вт) (5) Вероятность потери работоспособности в зависимости от количества воздействий, определяется на основе формулы:
Рп.р.(п) = 1-(1- Рп_)"
(6)
Установим вероятность потери работоспособности для каждого уровня декомпозиции равным 0,125 исходя из полной вероятности события для СРС равной 1.
Вероятности отказов каждого конкретного случая необходимо уточнять при проведении частных натурных испытаний, при этом СРС считается максимально защищенной, если потеря работоспособности происходит на уровне критической энергии защитных цепей, в районе 10-3Дж.
Результаты расчета вероятности потери работоспособности, для каждого уровня декомпозиции на основе анализа дерева неисправности представлена в табл. 1.
4
3
2
Результаты расчета вероятности работоспособности
к Частная функция уязвимости Вероятности потери работоспособности элементов РпР = 0,125 Значения функции уязвимости, от количества воздействий, п
i п
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3
1 В1 С1 С2 С3 - - - - - 0,33
2 В2 - - - С4 С5 - - - 0,234
3 В3 - - - - - - - С8 0,125
4 В4 - - - - - С6 С7 - 0,234
5 В1ЛВ2 С1 С2 С3 С4 С5 - - - 0,487
6 В1ЛВ3 С1 С2 С3 - - - - С8 0,414
7 В1ЛВ4 С1 С2 С3 - - С6 С7 - 0,487
8 В2ЛВ3 - - - С4 С5 - - С8 0,330
9 В2ЛВ4 - - - С4 С5 С6 С7 - 0,413
10 В3ЛВ4 - - - - - С6 С7 С8 0,330
11 В1ЛВ2ЛВ3 С1 С2 С3 С4 С5 - - С8 0,551
12 В1ЛВ2ЛВ4 С1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 0,607
13 В1ЛВ3ЛВ4 С1 С2 С3 - - С6 С7 С8 0,551
14 В2ЛВ3ЛВ4 - - - С4 С5 С6 С7 С8 0,487
15 В1ЛВ2ЛВ3ЛВ4 С1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 С8 0,657 0,880 0,998
Анализ результатов таблицы и рис. 1 показывает:
зона поражения СРС при ЭМИВБМ определяется наиболее критическим узлами проникновения, в том числе и сбоями программного обеспечения;
поражение СРС ЭМИВБМ на уровне критической энергии защитных цепей 10-3Дж возможно на расстояниях до 3 км с вероятностью 0,657 при однократном воздействии и с вероятностью 0,88 при двукратном воздействии. При осуществлении большего числа воздействий вероятность потери работоспособности стремится к 1;
вероятности отказов каждого конкретного случая необходимо уточнять при проведении частных натурных испытаний.
Заключение. Таким образом, разработана методика оценки устойчивости СРС УКВ-диапазона, позволяющая для каждого установленного нежелательного события идентифицировать как уровни, так и компоненты ответственные за исправность СРС на основе логико-вероятностного метода, позволяющего перейти от энергетического подхода при оценке устойчивости, к вероятностному.
Список литературы
1. Максимов М.В., М. Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. Защита от радиопомех. М.: Советское радио, 1976. 495 с.
2. Радзивский В.Г. Современная радиоэлектронная борьба. Вопросы методологии. Москва: Радиотехника, 2006. 424 с.
3. Добыкин В.Д. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем. Москва: Вузовская книга, 2007. 468 с.
4. Содин Л.Г. Импульсное излучение антенны (электромагнитный снаряд) // Радиотехника и электроника. 1991. Т.36. №5. С. 1014-1022.
5. Гапоненко Н.И., Горбань А.М., Горожанин Д.В. Формирование интенсивных электромагнитных импульсов, излучаемых при прямом возбуждении изолированной штыревой антенны корот-коимпульсным сильноточным РЭП // Физика плазмы. 2000. Т.26. № 4. С. 1-3.
6. Азаркевич Е.И. Генерация импульсного СВЧ излучения с помощью энергии химических взрывчатых веществ // Доклады Академии наук СССР. 1991. Т. 319. № 2. С. 352-355.
7. Иванов В.А., Ильницкий Л.Я., Фузик М.И. Электромагнитная совместимость радиоэлектон-ных средств. Киев: Техника, 1983. 120 с.
8. Макогон В.П. Особенности воздействия мощных электромагнитных помех на радиоприемные средства// Сборник научных трудов Харьковского университета Воздушных. 2009.1(19). С. 42-49.
9. Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. Москва: Радио и связь, 1997. 293 с.
10. Юдин В.В. Электродинамические методы анализа проволочных антенн. Москва: Радио и связь, 2000. 153 с.
11. Путилин А.Н. Модель взаимодействия линии радиосвязи и станции радиоэлектронного подавления // Доклад на конференции. «Региональная информатика 2012». СПб.: СПОИСУ, 2012. С. 235239.
Соколов Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проректор по образовательной деятельности, sokoloVv £ S@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова,
Федулов Юрий Владимирович, соискатель, feDul44@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Научно-исследовательский институт РУБИН «Рубин»,
Зобнин Александр Константинович, соискатель, Z_o@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Научно-исследовательский институт РУБИН «Рубин»,
Сычужников Виктор Борисович, старший научный сотрудник, Svch-SPB19@smail.com, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. С.М.Буденного
A LOGICAL-PROBABILISTIC METHOD FOR ASSESSING THE STABILITY OF VHF RADIO
COMMUNICATIONS
S.S. Sokolov, Y. V. Fedulov, A.K. Zobnin, V.B. Sychuzhnikov
The article discusses a method for assessing the stability of VHF radio communications to electromagnetic pulse effects of high power, which allows for each established undesirable event to identify both the levels and components responsible for the serviceability of radio communications based on the logical-probabilistic method and move from the energy approach in assessing stability to probabilistic.
Key words: radio communication means, electromagnetic pulse effects of high power, stability, fault
tree.
Sokolov Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, Vice-Rector for Educational Activities, sokolo Vv_S_S@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Admiral S.O. Makarov State University of the Sea and River Fleet,
Fedulov Yuri Vladimirovich, applicant, _ feDul44@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, RUBIN Research Institute «Rubin»,
Zabnin Alexander Konstantinovich, applicant, Z_o@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, RUBIN Research Institute «Rubin»,
Sychuzhnikov Viktor Borisovich, senior researcher, Sych-SPB19@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M.Budyonny
УДК 623.618
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-253-260
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
С.С. Соколов, Д.А. Иванов, Ю.В. Федулов, А.К. Зобнин
В статье рассматриваются основные показатели и критерии устойчивости функционирования радиоэлектронных средств в условиях электромагнитных излучений большой мощности, Представлена модель определения элементов средств радиосвязи, наиболее подверженных к воздействию, отличающаяся тем, что позволяет учитывать взаимодействия частей, способов установки и монтажа технических средств на основе дедуктивного метода.
Ключевые слова: электромагнитные излучения большой мощности, сверхширокополосные воздействия, радиоэлектронные средства, антенно-фидерные устройства, средства радиосвязи.
Анализ результатов локальных войн и вооруженных конфликтов в последнее десятилетие XX и в начале XXI века свидетельствуют о том, что радиоэлектронная борьба (РЭБ) трансформируется в один из основных элементов современных войн и наиболее значимую силу информационных операций.
В условиях ведения современных боевых действий средствами РЭБ предусматривается использование электромагнитных излучений большой мощности (ЭМИБМ) для функционального поражения чувствительных элементов средств связи. Средства РЭБ: генераторы ЭМИБМ, электромагнитные боеприпасы, используемые для функционального поражения элементов современных радиоэлектронных систем, относят к электромагнитному оружию (ЭМО). До недавнего времени поражение чувствительных элементов радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения осуществлялось сверхширокополосными (СШП) воздействиями, путем распределения энергии электромагнитных полей в широком диапазоне частот. При этом происходит комплексное воздействие на РЭС через различные пути проникновения электромагнитной энергии.
