CC BY
20
14. Тобин Д.С., Богомолов А.В., Голосовский М.С. Организация испытаний программного обеспечения для различных моделей его жизненного цикла // Математические методы в технологиях и технике. 2021. № 7. С. 132- 135.
15. Голосовский М.С. Модель расчета оценок трудоемкости и срока разработки информационных систем на начальном этапе жизненного цикла проекта // Программная инженерия. 2016. Т. 7. № 10. С. 446 - 455.
16. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Иностранная литература, 1963. 832 с.
17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов. 10-е изд., стер. М.: Высшая школа, 2006. 575 с.
18. Гальцов Е.М., Минаев В.Н., Тунгушпаев А.Т. Методология обоснования задач испытаний и перспектив развития полигонного испытательного комплекса Министерства обороны Российской Федерации. М.: ВИМИ, 2007. 260 с.
19. Солдатов А.С. Концепция создания перспективной информационно-измерительной системы для летных испытаний авиационной техники с применением технологий Индустрии 4.0 // Воздушно-космические силы. Теория и практика. 2021. № 20. С. 167 - 177.
Щербаков Иван Владимирович, старший инженер-испытатель, gniiivm.s@ya.ru, Россия, Щелково, Государственный летно-испытательный центр имени В.П. Чкалова
VIRTUAL SIMULATION AND MODELING SYSTEM FOR AUTOMATED TESTING OF SPECIAL SOFTWARE
I.V. Shcherbakov
The article discusses approaches to building a virtual simulation-and-modeling system for automated testing of software for automated systems for organizing air traffic control. The conceptual foundations for creating a virtual simulation system are outlined, the structure of the system is described, and an informational approach is proposed for evaluating the potential for successful problem solving by the virtual simulation system being developed.
Key words: workstation, virtual simulation system, Industry 4.0, qualimetry software, special software.
Shcherbakov Ivan Vladimirovich, senior test engineer, gniiivm.s@ya.ru, Russia, Shchelkovo, Chkalov State Flight Test Center V.P.
УДК 623.618
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-238-244
ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ ЗАЩИТЫ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ РАДИОСВЯЗИ УКВ-ДИАПАЗОНА ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
С.С. Соколов, С.А. Шинкарев, Ю.В. Федулов, А.К. Зобнин
В статье на основе анализа схем приемного тракта и прямого преобразования обобщенной структуры защиты приемных трактов средств радиосвязи (СРС) разработана структура защиты приемных трактов СРС в условиях воздействия электромагнитных импульсных воздействий большой мощности с учетом возникновения высокочастотных колебаний, воздействующих на последующие каскады приемного тракта. Представлена структура многокаскадных цепей защиты, обеспечивающая постепенное ограничение воздействующего импульса и возможность управления уровнями защиты для обеспечения требуемых значений избирательности, в частности восприимчивости по блокированию, не предъявляемых к УКВ радиоприемникам по существующим стандартам.
Ключевые слова: электромагнитные излучения большой мощности, сверхширокополосные воздействия, радиоэлектронные средства, антенно-фидерные устройства, средства радиосвязи.
В настоящее время существует множество методов борьбы с отдельными группами и видами помех, однако проблема защиты современных средств радиосвязи (СРС) от импульсных воздействий большой мощности далека от своего решения.
Ослабление влияния индустриальных и взаимных помех достигается разносом несущих частот, расположением антенн, кодированием сигналов, применением средств подавления помех, усовершенствования методов компенсации помех, экранированием и т.д.
Естественные помехи, такие как шумы радиоприемников, флуктуация принимаемых сигналов, возникающие в процессе распространения и переотражения радиоволн существуют практически постоянно. Однако РЭС, построенные на современных принципах строятся таким образом, чтобы обеспечивалось функционирование в условиях непрерывно действующих помех. Созданию таких устройств в значительной степени способствуют успехи, достигнутые в области и практике оптимального приема. Более того, применение современных микроконтроллеров и логических схем дают возможность реализации сложных математических алгоритмов демодуляции, решающих задачи повышения помехозащищенности.
Вместе с тем, СРС строятся таким образом, чтобы быть защищенными от действия не только наиболее вероятных, но и наиболее опасных преднамеренных воздействий большой мощности. Применение сложных защитных устройств зачастую приводит к удорожанию себестоимости РЭС, при этом все радиоэлектронные средства защищаются от организованных помех, влияние которых устраняется обычными методами [1, 2].
Принципиально защита от естественных, взаимных и организованных помех базируется на отличии структуры и закономерностей изменения параметров, свойственных полезным сигналам и мешающим воздействиям. Она обеспечивается предотвращением перегрузки приемников, компенсацией радиопомех, первичной, вторичной и функциональной селекциями, адаптацией, комплексным использованием информации и использованием помеховых сигналов в системах, содержащих подавляемые радиоэлектронные устройства.
В результате проведенных исследований стойкости СРС к ЭМИВБМ существуют практические рекомендации по обеспечению стойкости, а именно: применение элементной базы, стойкой к ЭМИВБМ; декомпозиция СРС на программно-аппаратные узлы критичные к ЭМИВБМ; унификация функциональных узлов для возможности замены в случае потери работоспособности при ЭМИВБМ; разработка конструкции изделий с проработкой размещения функциональных узлов для эффективного экранирования за счет корпуса изделия; схемные методы:
При эксплуатации основой является сбор и обобщение данных об электромагнитной обстановке, об осуществлении воздействий ЭМИВБМ на СРС и последствий отказов (мониторинг электромагнитной обстановки). Применение схемных и функциональных решений на мониторинг электромагнитной обстановки СРС и выдачей соответствующей информации при осуществлении ЭМИВБМ.
Современные радиоприемные устройства проектируются по схеме прямого преобразования (SDR-радио). Структурная схема приемного тракта по схеме прямого преобразования представлена на рис. 1 [3-5].
центральной частотой
Рис. 1. Структурная схема приемного тракта по схеме прямого преобразования
Входной сигнал, через входные фильтры (ВхФ), выполняющие роль основной селекции по высокой частоте, поступает на усилитель высокой частоты (УВЧ), предназначенный для получения в приемном тракте необходимого коэффициента шума. После УВЧ усиленный радиочастотный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и далее обрабатывается цифровым сигнальным процессором (ЦСП).
Входные фильтры обычно выполняется из нескольких связных колебательных контуров. В полосе настройки входных фильтров величина ослабление полезного сигнала достигает нескольких децибел, за полосой настройки 30 дБ, что характеризует его селективные свойства.
Во входных фильтрах реализованы цепи ограничения сигналов, обеспечивающие требований защиты приемных трактов от электромагнитной энергии большой мощности. При этом уровень защиты СРС с одной стороны при обеспечении защиты входных цепей должен обеспечить выполнение требований по динамическому диапазону работы приемных трактов, а с другой стороны выполнить требования по избирательности приемника (восприимчивости по блокированию). Наличие ограничительных элементов в цепях защиты приводит к возникновению вторичных высокочастотных колебаний при ЭМИВБМ.
Таким образом при разработке структуры защиты приемных трактов СРС необходимо учитывать возникновение высокочастотных колебаний, так же воздействующих на последующие каскады приемного тракта.
На рис. 2 представлена структура многокаскадных цепей защиты, обеспечивающая, во-первых, постепенное ограничение воздействующего импульса, а во-вторых возможность управления уровнями защиты для обеспечения требуемых значений избирательности, в частности восприимчивости по блоки-
рованию, не предъявляемых к УКВ радиоприемникам по существующим стандартам. Возможность управления уровнем защиты для обеспечения требуемых значений избирательности (блокирования) на сегодняшний день особенно актуален, в связи с уменьшением габаритов СРС и высокой интеграцией технических средств в местах расположения (командно- штабные машины, контейнеры, интегрированные мачты надводных кораблей и т.д.), что привходит к ухудшению электромагнитной обстановки.
Рис. 2. Обобщенная структура защиты приемных трактов СРС
Таким образом мерами защиты намеренно созданных путей СРС от влияния ЭМИВБМ вместе с экранированием функциональных узлов и первичной селекцией является применение распределенных, комплексных средств защиты с возможностью регулировки уровня защиты входных цепей Г6-101.
Основной задачей при разработке распределенных средств защиты является учет обеспечения требований к избирательности приемных трактов, что в свою очередь ставит задачу многокритериальной оптимизации цепей защиты в зависимости от уровня избирательности и динамического диапазона работы приемного тракта.
При этом, уровень энергии при которой осуществляется защита приемных устройств обеспечивается решением выражения, на основе введения ограничений:
Экп
-» тах;
ЭЭМИ
5 -» тах;
Кз = о ->тах; , (1)
С^тт;
иЛр
где К - коэффициент защищенности; Экр - критическая энергия ЭМИ; ЭЭМИ -энергия ЭМИ на входе приёмного тракта; - уровень обеспечения избирательности; Б - величина динамического диапазона; С -стоимость решения по защите; Р - вероятность сохранения работоспособности СРС при ЭМИБМ.
Задача оптимизации сводится к однокритериальному посредством введения ограничений:
Экр
—-—> тах;
ЭЭМИ
5 > 5з;
К, = <0>0з. , (2)
С<Сз';
Рир >Р,
где Бз - заданный уровень динамического диапазона; 5з - заданный уровень избирательности; Сз - заданная стоимость решения по защите; Рз - заданная вероятность потери работоспособности СРС при ЭМИБМ [11].
Для определения рационального набора цепей защиты применяются итерационные методы. На рис. 3 представлен алгоритм выбора метода и средства защиты, являющийся итерационным, в каждой итерации которого выполняется N - однотипных шагов.
В алгоритме блоки 1, 2, 3 - являются элементами частной методики оценки защищенности по устранению узких мест - узлов и компонентов наиболее критичных к энергии ЭМИБМ.
Блок 6 - элементами частных методик определения необходимых методов, мер защиты с методами оптимизации на основе метода главного критерия и метода уступок. Оставшиеся блоки организуют взаимодействие элементов частных методик при организации алгоритма.
Работа алгоритма начинается с ввода исходных данных, формирование плана метода защиты исходя из заданных количественных значений избирательности (5), стоимости (С) и динамического диапазона (Б).
В ходе оценки определяются значения показателей стойкости СРС и функциональных узлов.
В блоке 2 для каждого варианта происходит ранжирование по стоимости (первый вариант - с минимальными затратами). Затем в блоке 3 выбирается первый вариант.
В блоке 4 определяется условие: соответствует ли реальное значение К эффективности заданному значению Кз. Если соответствует, то считается, что при технических решениях, принятых в СРС, обеспечивается требуемая эффективность работы. В ином случае, если К < Кз начинает работать методика выбора метода защиты блока 2 и 3.
В блоке 5 проверяется условие на каком этапе находится решение задачи выбора комплекса программно-аппаратных методов и средств защиты. На данном этапе заканчивается первый шаг первой итерации. С этого момента выполняется второй шаг следующей итерации.
6 \ Ы>Ы] у/
Формирование уступок
Рис. 3. Алгоритм выбора степени защиты
Если в результате применения всех вариантов значение показателя эффективности не будет соответствовать заданному значению, то необходимо переходить к разработке более эффективных методов и средств защиты на основе формирования уступок в блоке 6. Далее повторяются шаги, выполняемые на предыдущей итерации.
Кз =
—-—> тах;
ЭЭМИ
5 > 5з -ЛБ;
Л> А>; ,
С<Сз;
Рпр >Рз
(3)
где - количественное значение уступок по избирательности.
Далее проводится следующая итерация по формированию плана и вывода соответствующих
решений.
В случае, если п-ой итерации условие К > Кз выполнилось, то после проведения ранжирования вариантов применения методов средств защиты по стоимости, все составляющие будут иметь минимальные значения, следовательно, и суммарное значение стоимости обеспечения эффективности будет минимальной.
В случае если ни одно из условий не выполняется, необходимо разработка новых методов и средств защиты.
Разработанный алгоритм позволяет выбрать комплекс аппаратно-программных методов защиты для обеспечения эффективности работы РЭС при ЭМИВБМ по критерию минимальной стоимости и особенностей электромагнитной обстановки.
Также, в комбинированной системе защиты изделий необходимо ставить задачу организации и разработки многоступенчатого ограничения сигнала в совокупности с экранирование отдельных функциональных узлов.
Цепь защиты от импульсных воздействий должна быть быстродействующей (десятки нс) способной ограничить ЭМИВБМ с малой крутизной фронта. Цепь защиты от непрерывных воздействий должна ограничивать сигнал непрерывного действия большой мощности в соответствии с ГОСТ Р
51317.4.3-2006. Необходимо учитывать, что при ЭМИВБМ на быстродействующие цепи защиты, на вход приемного тракта будут действовать вторичные гармонические колебания высоко уровня, таким образом функциональный блок первой селекции должен быть выполнен на основе компонентов, стойких к энергетическим воздействиям большой мощности. Усилитель радиочастоты должен иметь собственную систему защиты, ограничивающий сигнал до уровней, при которых УРЧ не выйдет из строя.
Типовая схема цепей первичной многоступенчатой защиты представлена на рис. 4.
К1:1
К2:1
К3:1
Вход
Рис. 4. Схема многоступенчатой защиты
Представленная схема много ступенчатой защиты состоит из 4-х ступеней, при этом управление коммутацией цепей происходит через реле. Каждая ячейка защиты имеет свой собственный порог напряжения защиты, превышение уровня которого и является уровнем управляющего напряжения. Наличие двух контуров в одной ячейке защиты не обходимо для исключения появления возможных пиков при ограничении.
Включение того или иного уровня защиты зависит от ЭМС объекта размещения. Для исключения наведения токов, каждый элемент декомпозиции, в том числе и защитные цепи должны быть экранированы.
Расчет суммарной эффективности экранирования с учетом утечек через апертуры ведется по
формуле:
5Х = -20 • 1д[К + Е"=1#арп], (4)
где - суммарная эффективность экранирования, дБ; К - коэффициент экранирования в зоне п утечки; п - число зон апертур, вызывающих утечки.
Данная формула соответствует худшему случаю, когда складываются коэффициенты экранирования отдельных путей утечки электромагнитной волны.
Таким образом, основными перспективами в развитии области знаний для обеспечения стойкости СРС к ЭМИВБМ являются:
изучение физических механизмов поражения полупроводниковых компонентов при воздействии сверхкоротких импульсов (единицы наносекунд), при которых возникают процессы, не укладывающиеся в рамки тепловых моделей;
изучение физических механизмов при установлении величины отказов различных радиоэлектронных компонентов после воздействия ЭМИВБМ;
определение уточненного коэффициента электромагнитного воздействия для расчета основных показателей надежности;
экспериментальные исследования для уточнения вероятности отказов различных радиоэлектронных компонентов при ЭМИВБМ.
применение защитных устройств, построенных на высокотемпературных сверхпроводящих материалах.
Заключение. Разработанные технические мероприятия по защите СРС от электромагнитных импульсных воздействий большой мощности, позволяют обеспечить устойчивость работы СРС в условиях электромагнитных воздействий за счет:
разработки итерационного алгоритма выбора степени защиты с учетом избирательных свойств приемных трактов в условиях расположения СРС в сложных электромагнитных условиях;
применение схемных решений обеспечивающие требуемую вероятность защиты от внешних воздействий и учитывающие характеристики избирательности СРС при работе в сложной электромагнитной обстановки.
Список литературы
1. Максимов М.В., М. Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х. Защита от радиопомех. Москва: 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, sokolo Vv_S_S@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова,
Шинкарев Семен Александрович, канд. техн. наук, доцент, sshinkarev@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военной академии связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного,
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»
THE APPROACH TO THE ORGANIZATION OF PROTECTION OF MODERN MEANS OF RADIO COMMUNICATION OF THE VHF BAND FROM ELECTROMAGNETIC PULSE EFFECTS
OF HIGH POWER
S.S. Sokolov, S.A. Shinkarev, Y.V. Fedulov, A.K. Zobnin
In the article, based on the analysis of the receiving path circuits and the direct transformation of the generalized structure of the protection of the receiving paths of radio communications (SRS), the structure of the protection of the receiving paths of the SRS under the influence of high-power electromagnetic pulse effects, taking into account the occurrence of high-frequency oscillations affecting the subsequent cascades of the receiving path. The structure of multi-stage protection circuits is presented, which provides a gradual limitation of the acting pulse and the ability to control the protection levels to ensure the required selectivity values, in particular the susceptibility to blocking, which are not imposed on VHF radios according to existing standards.
Key words: high-power electromagnetic radiation, ultra-wideband effects, radio-electronic means, antenna-feeder devices, radio communication means.
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,
Shinkarev Semen Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, sshinkarev@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,
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»
