CC BY
11MEANS OlF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (145). 2019
В.Ф. Лапицкий
Кандидат технических наук, доцент, ПАО «Интелтех»
И.В. Машкин
Кандидат военных наук, доцент, ПАО «Интелтех»
К.В. Фролов
ПАО «Интелтех»
О.В. Харченко
Кандидат технических наук, доцент, ПАО «Интелтех»
СОВРЕМЕННЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА МОРСКИХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ
АННОТАЦИЯ. В статье рассмотрен подход к моделированию электромагнитной обстановки на морских подвижных объектах, основанный на численном решении электродинамической задачи. Рассмотрены преимущества данного подхода, а также структура аппаратно-программного комплекса, реализующего его.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электромагнитная совместимость, электромагнитная обстановка, метод конечных элементов, метод моментов, Ansys HFSS.
Введение
Современная тенденция развития Военно-морского флота России состоит в увеличении количества радиоэлектронных средств (РЭС) на морских подвижных объектах, а также в применении новейших подходов размещения антенных устройств на верхнепалубном пространстве. Использование большого числа радиоэлектронных средств объясняется широким диапазоном задач, решаемых надводными кораблями и подводными лодками, что приводит к проблемам обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Применение новейших подходов вызвано в основном требованиями защиты от средств разведки противника, а также необходимость повышения эффективности системы управления ВМФ.
Возникающие проблемы электромагнитной совместимости могут привести к срыву боевой задачи. Ярким примером служит ситуация, слу-
чившаяся в 1982 году во время вооруженного конфликта Аргентины с Великобританией. Английский флот потерял эскадренный миноносец «Шеффилд». Во время атаки аргентинской авиации на «Шеффилде» вели переговоры с Лондоном через спутниковый канал связи. Однако на станцию спутниковой связи действовала непреднамеренная помеха от своего оборудования. Командир корабля приказал выключить все бортовые радиоэлектронные средства, в том числе радиолокационную станцию. В связи с этим экипажу не удалось обнаружить угрозу авиационной атаки и миноносец, получив серьезные повреждения, впоследствии затонул.
Также при разработке методик расчета электромагнитной обстановки с целью обеспечения электромагнитной совместимости было выяснено, что нормативная документация, используемая при размещении антенных средств, является устаревшей и фактически содержит общие рекомендации по решению тех или иных
вопросов. В реальности возникают ситуации, при которых размещение антенно-фидерных устройств в соответствии с нормативными документами не оптимально. Объясняется это тем, что на момент составления руководящих документов отсутствовала возможность применения высокопроизводительных численных методов моделирования электромагнитной обстановки. В защиту существующей документации можно сказать, что целью выработанных требований была унификация решений вопросов размещения антенно-фидерных устройств по типам, диапазонам частот, излучаемой мощности, безопасности экипажа и т. д., чтобы избежать расчетов слишком сложных для своего времени.
В связи с этим была поставлена задача по созданию аппаратно-программного комплекса моделирования электромагнитной обстановки. Данный комплекс позволяет производить различные типы высокопроизводительных электродинамических расчетов, преимущества которых будут показаны далее.
Численный расчет
В настоящее время разработано и описано большое количество методов численного решения электродинамических задач [1,2, 3], каждый из которых подходит для решения тех или иных узких вопросов [4, 5, 6]. Исследования методов не является частью представленной работы, но в данном случае необходимо указать какие методы подходят для моделирования электромагнитной обстановки на морских подвижных объектах.
Выбор математического аппарата обусловлен электрическими размерами ¡/X решаемой задачи [7]. При анализе электромагнитной обстановки на надводных кораблях и подводных лодках диапазон рабочих частот простирается от единиц кГц до порядка 20 ГГц для систем спутниковой связи. Электрическая длина самого большого корабля ВМФ РФ, тяжелого авианесущего крейсера «Адмирал флота Советского Союза Кузнецов» [8], в рабочем диапазоне частот варьируется от 10_3 до 2 • 104. Указанная величина изменяется на 7 порядков, и возникает необходимость применения широкого спектра численных методов: для низкочастотного диапазона — метод конечных элементов, затем для крупных электрических задач — метод моментов и гибридные методы, в СВЧ — методы физической и геометрической оптики.
Стратегия
На этапе технического проектирования комплекса выявились два пути решения поставленной проблемы:
создавать комплекс «с нуля», что предполагало разработку и отладку описанных численных методов, интерфейса пользователя и средств визуализации своими силами;
использовать современную САПР в качестве вычислительного ядра, разработав только пользовательский интерфейс и средства визуализации результатов.
Ввиду большой сложности и требовательности ко времени и ресурсам для самостоятельной реализации численных методов был выбран второй вариант. Это позволило сократить время на создание комплекса до 3-х лет, а также уделить больше внимания функционалу, чем отладке математики.
В качестве аппаратной части был собран вычислительный кластер из двух серверов с использованием графических процессоров. С кластером предусмотрена возможность работы двух операторов, использование распределенных вычислений с установкой очереди расчетов и т. д.
Преимущества проведения расчета
После краткого обзора применяемого математического аппарата и общей стратегии решения следует рассмотреть преимущества проведения расчета электромагнитной обстановки на морских подвижных объектах.
1. Повышение эффективностирадиосвязи Данное преимущество в первую очередь связано с учетом размещения антенны на корпусе объекта. Как известно [9], максимальное влияние на характеристики антенны оказывают конструкции расположенные в ближней зоне. При малых электрических длинах, т. е. в средневолновом и нижней части коротковолнового диапазонов, в формировании излучения антенны участвует не только конструкция, а также всё окружение (элементы надстройки, мачты, корпус и др.). Ввиду выше сказанного появляется необходимость тщательно подбирать место установки антенн, чтобы выдержать необходимую диаграмму направленности в рабочем диапазоне частот. Этот вопрос актуален при размещении антенн для дальней связи,
МБЛШ ОБ СОММиШСЛТЮМ Б((ШРМБ]ЧТ Iss. 1 (145). 2019
для которых необходимо выдержать хорошую азимутальную направленность, а также антенн авиационной и ближней связи, основное требование к которым — направленность в зенит. На рис. 1 представлены результаты подобного расчета для десантно-вертолетного корабля-дока «Владивосток» и корабля проекта 20380.
2. Прогнозирование электро-магнитной совместимости РЭС и личного состава корабля
При проведении численного моделирования электромагнитной обстановки существует возможность расчета распределения напряженности поля или вектора Умова-Пойтинга,
что может использоваться при составлении рекомендаций по нахождению личного состава на верхней палубе при работе тех или иных радиоэлектронных средств. Примером такого расчета может служить работа, выполненная при верификации расчетных значений поля, полученных при работе комплекса моделирования электромагнитной обстановки, с измеренными на приемосдаточных испытаниях ко-рабляпроекта22350(рис. 2).
В дальнейшем при проведении натурных измерений на основе спрогнозированной электромагнитной обстановки все потенциально опасные места могут быть выявлены.
I ■ I
200-* 158 — ■
124-=
96.4 —
74
55.8 —
29.1
19.4
11.6 —
5,17
0* и
те в
Рис. 2. Расчет напряженности электрического поля на корабле пр. 22350 для верификации расчетных значений
¿V
^ ¿V > л > л л А А
Р-693 №1 Р-693 №2 Р-693 №3 Р-774К1 №1 Р-774К1 №2 Р-774К1 №3 МЦРПУ №1 МЦРПУ №2 МЦРПУ №3 Прима-КВ №2 Прима-КВ №1
Р-669 ^ Р-774СД №1 Р-774СД №1
Уровень помех больше 10 дБ Уровень помех от 0,1 до 10 дБ Уровень помех от -10 до 0,1 дБ Уровень помех меньше -10 дБ
Рис. 3. Внешний вид матрицы помех
С точки зрения прогнозирования электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств проведение расчета позволяет получить коэффициенты передачи между антеннами, которые в дальнейшем используются для предсказания взаимных помех и построения матрицы помех при парной или комплексной оценке. Данный подход позволяет выявить конфликты между различными устройствами на стадии проектирования, по возможности их устранить или выработать рекомендации для их предотвращения.
3. Обеспечение безопасности хранения и эксплуатации боезапаса
Подобным образом с помощью карты электромагнитной обстановки можно оценить безопасность хранения и эксплуатации боезапаса в соответствии с [10]. Установка пробников поля позволяет получить частотную зависимость напряженности электрического или магнитного поля и плотность потока мощности и сравнить эти значения с предельно допустимыми.
12 14 16 Частота, МГц
Рис. 4. Возможный вид графика зависимости напряженности электрического поля от частоты в месте хранения боезапаса
MEANS OlF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (145). 2019
Рис. 5. Пример расчета ЭМО при взлете вертолета
4. Учет перемещения технических и авиационных средств
Для комплексного обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств учитывается перемещение авиационных и технических средств на верхнепалубном пространстве корабля. Таким образом становится возможным проработать различные сценарии, такие как взлет/посадка с палубы, перевозка боезапаса и техники по палубе, работа подъемников и кранов. Все эти действия оказывают влияние на электромагнитную обстановку (ЭМО), что обуславливает необходимость отслеживания изменений, вызванных ими.
5. Повышение радиоэлектронной защиты объектов
В современном мире все больше появляется необходимость создания конструкций, малозаметных для средств радиоэлектронной разведки противника. Численный расчет позволяет оценить значение эффективной поверхности рассеяния объекта на этапе проектирования, при необходимости внести коррективы, избежать ошибок, устранение которых может быть дорогостоящим в финансовом выражении на этапе сдачи корабля.
6. Использование надстройки корабля как антенны
Получивший недавно распространение математический аппарат расчета характерных мод [11] можно эффективно применять для выявления режимов излучения характерных для той или иной конструкции. В данном случае есть возможность использовать этот аппарат для нахождения режимов и частот излучения — мод, которые соответствуют тому или иному проекту корабля. Возбуждать эти режимы возможно малогабаритными антеннами, что снизит эффективную поверхность рассеяния и приведет к повышению радиоэлектронной защиты.
Вывод
В результате работы был создан аппаратно-программный комплекс, осуществляющий моделирование электромагнитной обстановки на морских подвижных объектах, а также прогнозирование выполнения условий электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Используемый математический аппарат и высокая производительность позволяют применить современный подход к моделированию и получить ряд преимуществ при проектировании надводных кораблей и подводных лодок, ранее недоступных ввиду вычислительной сложности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гринев А.Ю. Численные методы решения при- 2. Банков С.Е., Курушин A.A. Электродинамика кладных задач электродинамики. Учебн. пособие. — и техника СВЧ для пользователей САПР. — М.: СоМ.: Радиотехника, 2012. - 336 с. лон-Пресс, 2008. - 276 с.
3. Fast TCS prediction using multiresolution shooting and bouncing ray method on the GPU / PC. Gao, Y.B. Tao, H. Lin // Progress in Electromagnetics Research. - 2010. - Vol. 107. - P. 187-202
4. Гончаров В. А. Методы моделирования электромагнитных полей в вычислительных средах // Научный электронный архив. URL: http://econf.rae. ru/article/5166 (дата обращения: 21.03.2017).
5. Материалы вебинара CST // Computer Simulation Technologies. URL: https://www.cst.com/Content/ Events/UGM2009/6-l-3-Electrically-Large-Applica-tions-and-Integral-Equation-solver.pdf (дата обращения: 21.03.2017).
6. Сравнение результатов ЗО-моделирования фильтра верхних частот в программах HFSS и CST MICROWAVE STUDIO / Дерачиц Д. С., Кисель Н. Н., Грищенко С. Г. // в сборнике: Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ-2015. Труды Международной научной конференции. — 2015. — С. 85—89.
7. Презентация продукции Altair 2014 // AltairHy-perWorks. URL: https://www.slideshare.net/AltairHTC/ altair-product-update-2014 (дата обращения: 21.03.2017).
8. Справочные данные по ТАВКР «Адмирал Флота Советского Союза Кузнецов» // Wikipediahttps:// ru.wikipedia.org/wiki/Aдмиpaл_Флoтa_Coвeтcкoгo_ Союза_ Кузнецов (дата обращения: 21.03.2017).
9. Сазонов Д. М., Марков Г. Т. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975. - 528 с.
10. ГОСТ РВ 20.39.309-98 Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования к программам обеспечения надежности и стойкости к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений. — М.: Изд-во стандартов, 1998.
11. Yikai Chen, Chao-Fu Wang, Characteristic Modes: Theory and Applications in Antenna Engineering. Singapore: National University of Singapore. — 2015. — 304 p.
