close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Метод тестирования устойчивости телекоммуникационной системы управления беспилотных летательных аппаратов к воздействию сверхкоротких электромагнитных импульсов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Фомина Ирина Андреевна
МЕТОД ТЕСТИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ
СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Специальность 05.12.13 –
Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2015
Работа выполнена в ОАО «Московский ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский радиотехнический институт»
Научный руководитель:
Невзоров Юрий Витальевич,
кандидат технических наук
Официальные оппоненты:
Сахаров Константин Юрьевич,
доктор технических наук, лауреат премии
Правительства РФ в области науки и техники,
ФГУП «Всероссийский научно - исследовательский
институт оптико-физических измерений»,
начальник лаборатории генерирования и измерения
параметров электромагнитных импульсов, г. Москва
Воскобович Владимир Викторович,
кандидат технических наук,
Московский технический университет связи и
информатики, проректор - директор ИПК МТУСИ,
г. Москва
Ведущая организация:
ОАО «Московский научно-исследовательский
институт «АГАТ», МО, г. Жуковский-2
Защита состоится «18» июня 2015г. в 16.00 на заседании диссертационного
совета Д 212.048.13 Национального исследовательского университета «Высшая
школа экономики» по адресу: 123458, Москва, ул. Таллинская, 34, ауд.501.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», по адресу:101000, г. Москва,
ул. Мясницкая, д.20 и на сайте: www.hse.ru.
Автореферат разослан «
»
2015 г.
Ученый секретарь
диссертационного
совета, к.т.н., профессор
Грачев Николай Николаевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы и степень разработанности темы исследования.
Последнее десятилетие отмечено увеличением темпов роста развития
беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) за счет использования их в различных целях не только в гражданской области, но и для военного назначения.
В связи с разнообразием задач, выполняемых в различных условиях,
БПЛА могут подвергаться прямому электромагнитному воздействию (ЭМВ) на
траектории полета. Одним, из ЭМВ является новое эффективное сверхкороткоимпульсное электромагнитное излучение (СКИ ЭМИ). Воздействие таких источников на системы летательных аппаратов по сравнению с ЭМИ ядерного
взрыва при сопоставимых амплитудных напряженностях электрического поля
являются более эффективными, так как основной особенностью данного излучения является соизмеримость длительности действующих импульсов с длительностью информационных сигналов.
При этом, следует учитывать, что бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО), системы электропитания, исполнительные механизмы, вычислители и другие элементы, входящие в состав системы управления БПЛА, а также
целевая нагрузка, как правило, распределены по различным конструкционным
частям БПЛА (крыло, фюзеляж, киль, стабилизатор) на соответствующих расстояниях. Все вышеперечисленные блоки, агрегаты и устройства соединены
структурированной кабельной системой (коаксиальный кабель, витая пара,
оптоволокно и т.п.), которая может рассматриваться как телекоммуникационная система управления (ТКСУ). В такой системе нарушение ее информационной целостности в одном звене может привести к частичному нарушению или
полной потере передаваемого информационного сигнала, и как следствие, при
определённых условиях, к нарушению функционирования всего бортового оборудования БПЛА, в том числе радиоэлектронного, как наиболее подверженного
внешним воздействиям, вплоть до полной потери беспилотным комплексом
своей управляемости и работоспособности.
Высокие темпы развития цифровой вычислительной техники, увеличение
объема и быстродействия передаваемой информации в ТКСУ, а также необходимость дистанционного управления БПЛА в режиме реального масштаба времени, определяют актуальную необходимость обеспечения устойчивого функ3
ционирования БПЛА при условии воздействия СКИ ЭМИ.
Существенный вклад в изучение данной проблемы внесли российские
ученые Л.Н. Кечиев, Ю.В. Парфенов, Н.В. Балюк, К.Ю. Сахаров, Т.Р. Газизов,
Л.О.Мырова, С.И. Комягин, В.Ю. Кириллов, Р.В. Киричек), а также зарубежные
ученые (W. Radasky, C. Baum, D. Nitsch, I. Kohlberg, F. Tesche, H. Garbe, F. Sabath,
M. Ianoz), при участии которых проведено значительное количество исследований, подтверждающих, что с помощью средств генерации СКИ ЭМИ можно воздействовать на обмен данными по сети между оконечными устройствами системы
управления.
В рассмотренных работах представлен научно-методический аппарат,
позволяющий выполнить анализ источников опасных для летательных аппаратов электромагнитных помех, оценить проникновение, распространение и воздействие их на элементы и устройства ТКСУ, обеспечить выполнение расчетноэкспериментальной оценки стойкости БПЛА к воздействию ЭМВ. Однако, учитывая специфику решаемых в ТКСУ БПЛА задач и разработку новых типов источников СКИ ЭМИ, можно сделать вывод о неприменимости имеющихся результатов для проведения оценки устойчивости ТКСУ БПЛА к воздействию
перспективных видов излучения.
Кроме того, анализ существующих разработок в области создания средств
генерации СКИ ЭМИ показывает отсутствие необходимого отечественного и
зарубежного оборудования для решения задачи тестирования устойчивости
функционирования ТКСУ БПЛА на этапах наземных и летных испытаний.
С учетом изложенного можно сделать вывод, что СКИ ЭМИ является новой
серьезной угрозой для системы управления БПЛА. Это определило научную и
практическую значимость решаемой в диссертации задачи, направленной на разработку нового универсального метода тестирования, который позволял бы
определять присутствие БПЛА в воздушном пространстве (его координаты, скорость, удаленность относительно испытательного комплекса), прогнозировать
дальнейшее направление его полёта и задавать необходимые азимут и параметры
воздействия генерируемых излучений. Такие данные являются основой для проведения оценки и разработки рекомендаций по обеспечению требуемого уровня
устойчивости любых БПЛА.
Целью работы является обеспечение устойчивого функционирования
4
системы управления беспилотного летательного аппарата при условии воздействия СКИ ЭМИ, путем определения критериальных уровней ее устойчивости
на основе разработанного универсального метода тестирования влияния СКИ
ЭМИ на характеристики его телекоммуникационной системы управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
основные задачи:
1. Анализ состояния проблемы обеспечения устойчивого функционирования системы управления БПЛА в условиях воздействия СКИ ЭМИ.
2. Исследование особенностей воздействия СКИ ЭМИ на ТКСУ беспилотных летательных аппаратов.
3. Обоснование критерия отказа устойчивости ТКСУ БПЛА к воздействию СКИ ЭМИ с учетом минимально допустимых уровней СКИ ЭМИ, влияющих на устойчивость телекоммуникационных устройств системы управления.
4. Определение критериальных уровней устойчивого функционирования
ТКСУ БПЛА при условии воздействия СКИ ЭМИ на этапе их стендовых и летных испытаний.
5. Разработка универсального метода тестирования устойчивости функционирования ТКСУ БПЛА в условиях воздействия СКИ ЭМИ на этапе их
стендовых и летных испытаний.
6. Разработка алгоритма тестирования устойчивости ТКСУ БПЛА для реализации его в специальном программном обеспечении (СПО).
7. Разработка модификации комплекса воздействия СКИ ЭМИ путем создания нового СПО для решения задачи тестирования БПЛА.
8. Обоснование методики экспериментальной проверки разработанного
алгоритма тестирования устойчивости ТКСУ БПЛА при условии воздействия
СКИ ЭМИ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория электромагнитного поля, метод расчета импульсных электромагнитных полей во временной области для рупорных антенн, методы системного
анализа, теоретические и экспериментальные методы исследования.
Научная новизна диссертационной работы.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
1. Разработан универсальный метод тестирования беспилотного лета5
тельного аппарата, позволяющий, в отличие от известных, определять критериальные уровни СКИ ЭМИ для оценки показателей устойчивости телекоммуникационной системы управления в режиме реального времени
2. Разработаны критерии оценки устойчивого функционирования телекоммуникационной системы управления беспилотного летательного аппарата в
условиях воздействия СКИ ЭМИ и обоснованы минимальные уровни СКИ
ЭМИ, необходимые для начального тестирования системы.
3. Разработан алгоритм управления оригинальной тестовой системы, реализующий разработанный метод, позволяющий формировать требуемые тестовые воздействия СКИ ЭМИ в заданной точке пространства.
4. Разработан алгоритм визуализации позволяющий корректировать в режиме реального времени критериальные уровни, не приводящие к отказу телекоммуникационной системы управления БПЛА.
5. Разработана методика экспериментальных исследований для анализа
тестовой системы, позволяющая подтвердить достоверность полученных расчетных значений формируемых уровней воздействующего СКИ ЭМИ.
Положения, выносимые на защиту:
- универсальный метод тестирования устойчивости беспилотного летательного аппарата в условиях воздействия СКИ ЭМИ должен обеспечивать
определение критериальных уровней функционирования системы управления –
путем слежения за беспилотным летательным аппаратом в режиме реального
времени, сбора и обработки исходных данных о его местоположении, а также
определения допустимых уровней токов и напряжений, наводимых в чувствительных узлах ТКС при заданном воздействии, и регистрации превышения этих
уровней;
- алгоритм тестирования беспилотного летательного аппарата позволяет
обеспечивать формирование луча излучения с необходимыми параметрами
СКИ ЭМИ в определенной точке пространства в зависимости от установленных
минимально допустимых уровней излучения, а также плавное увеличение
уровней тестовых воздействий до уровней, не приводящих к отказу системы, за
счет формирования обратной связи датчиков, находящихся на беспилотном летательном аппарате, с тестовой системой;
- алгоритм визуализации тестовой системы позволяет обеспечивать в ре6
жиме реального времени отображение направления формирования луча излучения СКИ ЭМИ с учетом обработки исходных данных о местоположении и характеристиках беспилотного летательного аппарата, а также фиксацию критериальных уровней устойчивого функционирования телекоммуникационной системы управления, для оперативного управления испытанием беспилотного летательного аппарата.
Практическое значение диссертационной работы.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
- развивать новейшие средства воздействия СКИ ЭМИ, путем универсализации метода тестирования устойчивости к воздействию СКИ ЭМИ любых
типов БПЛА;
- производить тестирование и управлять уязвимостью ТКСУ БПЛА при
заданных параметрах воздействующего поля СКИ ЭМИ;
- разрабатывать рекомендации для создания помехоустойчивых перспективных телекоммуникационных систем управления БПЛА.
Степень достоверности.
Достоверность полученных автором научных и практических результатов
определяется обоснованностью выбора исходных данных; основных допущений
и ограничений при постановке частных задач исследования; соответствием результатов расчетов с результатами экспериментальных исследований, проведенных лично автором; апробацией результатов исследований автора на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Апробация результатов исследования.
Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на
следующих международных и всероссийских конференциях:
- научно-практическая конференция «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий. ИНФО-2008», г. Сочи, 2008 г;
- НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, 2011 г.;
- VIII международная научно-практическая конференция «Инновации на основе
информационных и коммуникационных технологий» (ИНФО-2011), г. Сочи, 2011 г;
- НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, 2012 г.;
- I международная научно-практическая конференция «Инновационные инфор7
мационные технологии», г. Прага, 2012 г.;
- всероссийская научно-техническая конференция "Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами", г. Москва, 2012 г.;
- VI всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» ИРЭ им.
В.А. Котельникова РАН, г. Москва, 2012 г.;
- II международная научно-практическая конференция «Инновационные
информационные технологии», г. Прага, 2013 г.;
- международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ –
ИРЭМВ-2013» с. Дивноморское, Геленджикский район, 2013 г.
- III международная научно-практическая конференция «Инновационные
информационные технологии», г. Прага, с 2014 г.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена
на 139 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 40 рисунков.
Список литературы включает 126 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены
цель работы, основные задачи исследования, научная новизна, практическая
ценность и достоверность полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ существующих БПЛА, как объектов
подверженных воздействию СКИ ЭМИ. Показан возросший интерес к беспилотной летательной технике военного и гражданского назначения во всех развитых странах мира, её эффективное использование в решении широкого спектра задач в различных областях. Работа рассматривает БПЛА только гражданского назначения, как наиболее уязвимую и распространённую группу летательных аппаратов на сегодняшний день.
Отмечено, что БПЛА во время эксплуатации при решении своих задач
подвергаются различного рода воздействиям, одними из которых являются
электромагнитные воздействия, рисунок 1. Анализ показал, что электромагнитные воздействия, в частности СКИ ЭМИ, могут влиять на работоспособность
системы управления БПЛА по каждому из имеющихся каналов связи управления в режиме реального времени, рисунок 2.
8
Рисунок 1 – Виды ЭМВ
Рисунок 2 – Способы управления БПЛА
Показано, что технология СКИ ЭМИ имеет достаточно широкую область
применения в различных областях. При этом отмечено, что развитие вычислительных систем характеризуется постоянным увеличением числа решаемых задач и повышением их сложности, расширением интеллектуальных и адаптивных возможностей. Так, современные вычислители, являющиеся ядром систем
управления и контроля БПЛА, все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники, и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры, приводит
к снижению устойчивости бортовой системы управления БПЛА к воздействию
электромагнитных факторов различного происхождения, в том числе и сверхкоротких электромагнитных импульсов.
На данный момент выполнено достаточное количество работ (Киричек
Р.В., Тяпин М.В., Михайлов А.В., Ларионенко А.В., Корнев А.Н., Здухов Л.Н) по
исследованию воздействия СК ЭМИ на ТКС и сети, процесс передачи данных в
сетях Ethernet, системы видеонаблюдения, бортовые цифровые вычислительные
машины, средства защиты локальных вычислительных сетей и т.п., которые показали уязвимость к данному воздействию.
Кроме того, проведенный анализ существующих работ по оценке устойчивости БПЛА к воздействию СКИ ЭМИ, показал, что до настоящего времени
отсутствуют работы, в которых был бы проведен комплекс исследований механизмов влияния СКИ ЭМИ на устойчивость БПЛА к данному воздействию на
9
этапах наземных и лётных испытаний. Решение задачи оценки влияния СКИ
ЭМИ на функционирование БПЛА в целом методами математического моделирования на сегодня не представляется возможным, ввиду отсутствия соответствующего методического аппарата. При этом, анализ численных методов для
решения таких задач показывает невозможность получения достоверных расчетных результатов.
Показано также, что решение этой задачи невозможно без учета существующей и разрабатываемой нормативной базы. С учетом этого, в работе проведен анализ международных и отечественных стандартов, который показал, что
в настоящее время особое внимание уделяется разработке системы национальных стандартов по защите информации от преднамеренных электромагнитных
воздействий. Кроме того, обзор существующих стандартов по оценке стойкости
и устойчивости самолётов в целом и входящих в их БРЭО автоматизированных
систем к электромагнитным воздействиям показал отсутствие методов испытаний самолетов, включая БПЛА, к СКИ ЭМИ (HPEM), в том числе и на этапе
летных испытаний.
Поэтому, актуальным сегодня является решение научной задачи по обеспечению устойчивости БПЛА к действию СКИ ЭМИ, путем разработки универсального метода тестирования на основе экспериментальной оценки.
Необходимым условием для оценки устойчивости БПЛА к воздействию
СКИ ЭМИ, особенно на этапе лётных испытаний, является наличие такой оригинальной тестовой системы, которая бы обеспечивала удобство использования
и основывалась на анализе работы БПЛА в целом для выведения луча СКИ
ЭМИ на исследуемый объект с оптимальными параметрами излучения.
Во второй главе представлена разработка критериальных уровней СКИ
ЭМИ для оценки устойчивого функционирования беспилотного летательного
аппарата. Для этого проведен анализ выбранного объекта исследования.
Для тестирования устойчивости БПЛА к преднамеренным электромагнитным воздействиям в воздушном пространстве в ОАО «МНИРТИ», при участии автора, разработан опционно-пилотируемый комплекс, который представляет собой летающую лабораторию для проведения лётных и лётноконструкторских испытаний комплексов с беспилотными летательными аппаратами (ЛИСт), а также для отработки радиоэлектронных элементов и кон10
струкций БПЛА различных типов. Комплекс может управляться в двух режимах: непосредственно пилотом и дистанционно оператором с наземного
пункта управления, а также комплекс обеспечивает передачу данных радио- и
видеомониторинга в режиме реального времени на удаленные пункты.
Для разработки универсального метода и тестовой системы в работе проведен анализ характеристик выбранного объекта. На рисунке 3 изображено
расположение аппаратуры внутри комплекса на базе беспилотного летательного аппарата, а на рисунке 4 изображена ТКСУ, как наиболее подверженная к
воздействию СКИ ЭМИ.
Рисунок 3 – Взаимное расположение бортового оборудования на борту БПЛА
Спутниково-навигационное
устройство
Коммутатор
Система
датчиков
Коммутатор
Автоматизированная
система управления
Коммутатор
Модем
Антенная
система
Исполнительная
система
Система передачи
изображения
АРМ
пилота-оператора
Рисунок 4 – Структурная схема ТКСУ БПЛА
11
Радиоканал связи
Показано, что для оценки степени устойчивости при тестировании ТСКУ
БПЛА во время воздействия СКИ ЭМИ необходимо определить критерии отказа БПЛА для выявления его способности выполнять свою задачу и функционировать в заданных условиях. Установлено, что критерием отказа всего рассматриваемого БПЛА в нормальной электромагнитной обстановке является отказ
одной из следующих систем:
- система электроснабжения;
- система датчиков ориентации, навигации и датчиков двигателя;
- исполнительная система;
- автоматизированная система управления.
Проведенный анализ характеристик ЛИСт показал, что наименее устойчивым к воздействию СКИ ЭМИ является автоматизированная система управления. В основе автоматизированной системы управления лежит обработка данных
датчиков, команд оператора управления и одновременно выполнение текущей
программы полёта установленной до старта. Также вмешательство оператора, в
зависимости от сложившейся оперативной обстановки, в процесс управления
полетом и перехода на «ручное» управление в режиме реального времени делает
ее наиболее уязвимой к данному воздействию. При выходе ее из строя или выдачи искаженной информации беспилотный летательный аппарат теряет ориентир
и управление, тем самым не способен выполнить свою задачу.
При этом, следует иметь в виду, что даже для тех элементов и узлов
ТКСУ, корпуса которых могут выполнять роль электромагнитных экранов,
электромагнитные импульсы будут оказывать деструктивное воздействие через
соединительные линии и разъемы. Таким образом, все виды структурных кабельных сетей, входящих в бортовой комплекс, играют роль коллекторов опасной энергии ЭМИ. Наведенные в проводниках токи и напряжения могут привести как к сбою подключенных к проводникам устройств, так и к электрическому пробою, если в них имеются чувствительные к перенапряжению элементы. Также показано, что эффективность воздействия СКИ ЭМИ на элементы системы управления зависит от параметров излучения: амплитуды напряженности
электрического поля; длительности фронта; длительности импульса; частоты
следования импульсов.
Тестирование объектов является трудоемким и дорогостоящим процессом.
Для того, чтобы сократить время и упростить процесс тестирования ТКСУ
БПЛА, на основании приведенного анализа уровней СКИ ЭМИ на различные
12
устройства и системы телекоммуникаций, а также расчета эффективности экранирования корпуса летательного аппарата, определены минимально допустимые
уровни СКИ ЭМИ, необходимые для начального тестирования устойчивости
ТКСУ опционно-пилотируемого комплекса:
- частота следования импульсов – 10 МГц;
- длительность импульса на уровне половины полупериода – 250 пс;
- амплитуда напряженности электрического поля – 5 кВ/м.
Для оценки устойчивого функционирования ТКСУ БПЛА при условии
воздействия СКИ ЭМИ в качестве тестовой системы предложен разработанный,
при участии автора, многоканальный излучающий комплекс (КВ СКИ), с
улучшенными характеристиками по сравнению с уже существующими средствами генерации СКИ ЭМИ. Излучающая антенная решетка состоит из 256
элементов, которые образуют 64 антенных модуля, объединяющих по 4 элементарных излучателя. Необходимая амплитуда поля достигается за счет синхронной работы всех 64 модулей при точности синхронизации ±20÷30 пс, излучение всех модулей суммируется по амплитуде. Комплекс обладает следующими преимуществами: используется метод модульного построения излучателей с
применением систем синхронизации излучателей; возможность управления режимами синхронизации излучающей системы для автоматизированного управления режимами работы испытательного комплекса в целом.
На рисунке 5 приведен вид комплекса в мобильном исполнении.
Разработка модификации рассматриваемого комплекса предусматривает использовать его на этапе летных испытаний для тестирования устойчивого
функционирования ТКСУ БПЛА в условиях воздействия СКИ ЭМИ. Для этого
разработан метод тестирования устойчивости ТКСУ, приведенный в главе 3.
В третьей главе приводится разработка универсального метода тестирования устойчивости функционирования ТКСУ БПЛА к воздействию СКИ
ЭМИ.
Предложенный метод направлен на автоматизацию процесса тестирования устойчивости БПЛА к воздействию СКИ ЭМИ на этапе летных испытаний.
Метод включает в себя слежение за беспилотным летательным аппаратом
в воздушном пространстве в режиме реального времени, сбора и обработки исходных данных о его местоположения, а также определения допустимых уровней токов и напряжений, наводимых в чувствительных узлах ТКСУ при заданном воздействии, и регистрации превышения этих уровней. Таким образом,
13
определяются граничные параметры излучения СКИ ЭМИ, при которых не обнаруживается отказ уязвимого устройства ТКСУ, но достигается влияние на
электрические характеристики при воздействии в пределах нормируемых.
На основании анализа возможных реакций, возникающих в электрических
цепях бортового оборудования в процессе воздействия, а также исходных данных о конструкции материалов и комплектующих элементов, определяются возможные виды отказов и оцениваются последствия, к которым они могут привести в ТКСУ. Тем самым проводится оценка устойчивого функционирования
ТКСУ и выявление критичных режимов работы системы управления для разработки рекомендаций по защите ее от СКИ ЭМИ.
На рисунках 6 и 7 показаны блок-схема и структурная схема разработанного метода. Наземный пункт управления предназначен для дистанционного
управления БПЛА. АРМ оператора предназначен для: сбора данных с датчиков;
выявление уязвимого элемента; определения реакции ТКСУ на воздействие
СКИ ЭМИ; анализ работы уязвимого элемента и оценки наводок в этом элементе.
Xg,Yg, φ, h, r, υ, ⃗
1
2
Сбор данных с датчиков
3
U, I
E, F, τ,
P(φ,θ,r)
4
Управление БПЛА
5
E, F, τ
Рисунок 6- Блок-схема разработанного метода. 1- устройство обнаружения БПЛА;
2- «АРМ управления излучением»; 3- беспилотный летательный аппарат; 4- «АРМ
управления БПЛА и сбора данных с датчиков» и «наземный пункт управления»;
5- «комплекс воздействия»
Рисунок 5 – Многоканальный испытательный комплекс воздействия сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения с высокой частотой повторения в
мобильном исполнении
Подробно рассмотрен принцип работы комплекса КВ СКИ излучения и
его АРМ управления, составляющие тестовую систему, позволяющие проводить оценку БПЛА не только на этапе летных испытаний, но и стендовых.
14
Наземный пункт
управления
АРМ оператора
АРМ управления БПЛА и
сбора данных с датчиков
АРМ управления
излучением
Рисунок 7 – Структурная схема метода тестирования устойчивости БПЛА
Разработан алгоритм тестирования устойчивости БПЛА, рисунок 8. В основе алгоритма тестирования лежит принцип работы комплекса КВ СКИ, представляющий собой антенную фазированную решетку, состоящую из 64 антенн.
Для того чтобы комплекс излучения сформировал заданное направление
луча излучения в дальней зоне, с минимальными тестовыми воздействиями
СКИ ЭМИ, использован математический аппарат, в основе которого лежит расчет излучателей монорупорной антенны и решетки
из ТЕМ-рупоров
(Mikheev O.V., S.A. Podosenov, K.Yu. Sakharov, V.A. Turkin Approximate Calculation Methods for Pulse Radiation of a TEM-Hern Array//IEEE Trans. on EMC.
2001. Vol.43/№1. p.67-74.). В данном случае рупор представлен суммой элементов излучения в виде V-образных антенн, напряженность электрического поля
от каждой из них рассчитывается методом заданных токов, формула 1. Нахождение поля излучения комплекса генерации сводится к суммированию от каждого рупора во временной области, формула 2.
В каждом рупоре размещается четыре элементарных излучателя. Тем самым напряженность одного элемента излучения в точке наблюдения с координатами (x,y,z) определяется формулой
E p ,i , k  
0
4
 J p (t  rik / c)  n p ,i , k  mi , k
n p , i , k  mi , k



 1  mi , k  n p , i , k 1  mi , k  n p , i , k
rik


15




(1)
J p (t  l p / c  R p,i ,k / c)  n p,i,k  mi,k
n p,i ,k  mi ,k 


f

 1  mi ,k  n p,i,k

R p,i,k
1  mi,k  n p,i ,k 

J (t  l p / c  R' p ,i , k / c)  n p ,i , k  mi , k
n p ,i , k  mi , k 

 p

f

 1  mi , k  n p , i , k

R' p , i , k
1

m

n
i,k
p ,i , k 

J p (t  2l p / c  rik / c)  n p ,i , k  mi , k
n p ,i , k  mi , k 

f
 1  mi , k  n p ,i , k  1  mi , k  n p ,i , k  ,
rik


При этом результирующая векторная сумма составляющих сигналов для
всех элементов антенной решетки определяется выражением
N Nx N y
E (t , x, y, z )   E p,i,k (t , x, y, z )
p 1 i 1 k 1
(2)
В рассматриваемом комплексе используется управление изменениями максимума излучения, путем варьирования задержек в каждом элементе излучения.
Для оперативного вмешательства оператора в процесс тестирования, использования тестовой системы на этапе стендовых испытаний, а также для
формирования желаемых тестовых воздействий, разработан алгоритм визуализации тестовой системы, рисунок 9.
Отмечено, что основной концепцией модификации КВ СКИ является модернизация программного обеспечения, которое обеспечивает гибкое и визуальное управление основными характеристиками излучения с целью плавного
определения граничных уровней устойчивости различных электронновычислительных и радиоэлектронных средств, в том числе устройств ТКСУ
БПЛА, к воздействию СКИ ЭМИ.
Целью модернизации была разработка тестовой системы, интерфейс которой обеспечивал бы удобную работу с комплексом неподготовленного (не
осведомленного в тонкостях работы комплекса) оператора, а также основанный
на разработанном алгоритме тестирования устойчивости системы управления
БПЛА. Тем самым на основе алгоритма визуализации был разработан интерфейс пользователя.
16
НАЧАЛО
Ввод исходных данных:
r, φ, θ, h, Uдоп, Iдоп
Определение E, F, τ, соответствующие
или
Сравнение:
Uдоп > = <
Расчет
Iдоп > = <
нет
Uдоп ≤
Iдоп ≤
нет
да
да
Количество включенных
рупоров
Формирование луча
излучения с параметрами E, F, τ.
Данные с датчиков:Uд, Iд
Uд ≥ Uдоп,
Iд ≥Iдоп
нет
E = E+0,5
да
Предельные уровни:
U, I
КОНЕЦ
Рисунок 8 – Алгоритм тестирования устойчивости ТКСУ
17
Начало
Ввод
данных
Конец
Характеристики
БПЛА
да
Расчет параметров
излучения
нет
Параметры
излучения
да
Данные с датчиков:
Uд или Iд
Отображение
направления
луча
нет
да
Параметры
излучения
Критериальные
уровни: U или I
Рисунок 9 – Алгоритм визуализации тестовой системы
Таким образом, разработанные алгоритмы тестирования и визуализации,
положенные в основу КВ СКИ, позволяют использовать его в качестве средства
тестирования устойчивости ТКСУ любого типа БПЛА. Кроме того, разработанный метод позволяет проводить оценку и отработку составных частей ЛИСт в
соответствии с заданными уровнями устойчивости на этапе стендовых и летных испытаний.
В четвертой главе приводится расчетно-экспериментальная проверка
разработанного алгоритма тестирования.
Данная методика проводится с целью проверки разработанной тестовой
системы, путем определения ее характеристик и подтверждения соответствия
предъявляемым к ней требованиям. Оцениваемой характеристикой является
напряженность электрического поля, которая определяется по зарегистриро18
ванным осциллограммам амплитуды импульса напряжения на входе преобразователя напряженности импульсного электрического поля измерительного
(ИППЛ-Л) (Госреестр № 46946-11).
Испытания
проводились
на
экспериментальном
полигоне
ОАО
«МНИРТИ» и лабораторно-испытательной базе Ленинградская обл., г.Приозерск
в нормальных климатических условиях с использованием аттестованных средств
измерения. Проверка корректного формирования амплитуды напряженности
поля СКИ ЭМИ тестовой системы проводилась в три этапа:
- на разных расстояниях (r) ИППЛ-Л от комплекса излучения при постоянных значениях азимута (φ) и угла места (θ);
- с различными значениями угла места при постоянных значениях азимута и расстояния от ИППЛ-Л до комплекса излучения;
- с различными значениями азимута при постоянных значениях угла места и расстояния от ИППЛ-Л до комплекса излучения.
Для каждого случая проводилось не менее трех измерений.
В приложениях интерфейса пользователя тестовой системы «Команды»,
рисунок 10, и «Управление», рисунок 11, задаются необходимые параметры излучения.
Рисунок 10 – Интерфейс пользователя тестовой системы, приложение
«Команды»
19
Рисунок 11 –Приложение «Управление»
Схема определения максимума напряженности электрического поля приведена на рисунке 12. Измерения проводят в дальней зоне, на расстоянии более 5 м
от средства излучения.
Проводится определение и регистрация максимума амплитуды напряженности электрического поля E тестовой системы при заданных параметрах:
τ =250 пс, F =10 МГц.
Частота следования СКИ ЭМИ определяется по формуле f.имп = 1/Тмин. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблицах 1-3.
Комплекс
излучения
АРМ управления
излучением
r
ИППЛ-Л
φ
Осциллограф
Рисунок 12 – Схема измерения максимума напряженности поля
20
Т а б л и ц а 1 – Результаты напряженности поля при θ=0° и φ=0°
№ п/п
Напряженность E, кВ/м
Расстояние r, м
1
2
3
E1
28,02
14,5
6,995
5
10
20
E2
28,05
14,55
7,01
E3
27,5
14,47
7,08
Т а б л и ц а 2 – Результаты напряженности поля при r = 10 м и φ=0°.
№ п/п
Напряженность E, кВ/м
Угол места θ, град.
1
2
3
4
5
6
E1
14,55
14,25
13,8
12,9
10,78
9,55
10
15
25
45
60
80
E2
14,28
14,02
13,56
12,53
12,02
10,12
E3
14,35
13,78
13,20
13,10
11,95
9,75
Т а б л и ц а 3 – Результаты напряженности поля при r = 10 м и θ =0°.
№ п/п
Напряженность E, кВ/м
Азимут φ, град.
1
2
3
4
E1
12,55
11,84
10,05
6,88
10
15
25
45
E2
12,45
11,42
9,45
6,75
E3
12,78
11,58
9,89
6,25
Результаты сравнительного анализа расчетных значений формирования
максимума напряженности электрического поля в определенной точке пространства в зависимости от угла места и азимута с экспериментальными значениями приведены на рисунках 13а и 13б.
15
E, кВ/м
14
E1(θ)
13
12
E2(θ)
11
10
0
10
20
30
40
50
а)
21
60
70
80
90
θ, град
E, кВ/м
15
Напряженность поля: E1- расчетная, E2- экспирементальная
14
13
E1(φ)
12
11
10
9
E2(φ)
8
7
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
φ, град
б)
Рисунок 13 – Сравнительный анализ расчетных (Е1) и экспериментальных (Е2):
а – зависимость напряженности поля от угла места;
б – зависимость напряженности поля от азимута
Как видно на рисунке 13, результаты расчетных значений зависимости
напряженности электрического поля незначительно отличаются от
экспериментально полученных результатов. Исходя из этого, можно сделать
вывод о достоверности применяемого алгоритма при формировании максимума
излучения в зависимости от угла места и азимута. На основе сравнительного
анализа расчетных значений формируемых уровней, воздействующего СКИ
ЭМИ с экспериментальными данными можно сделать вывод о возможности
применимости разработанного алгоритма управления тестовой системы в
составе метода тестирования устойчивости системы управления БПЛА.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным результатом диссертационной работы является решение актуальной научной задачи обеспечения устойчивого функционирования ТКСУ
БПЛА при условии воздействия СКИ ЭМИ, путем определения критериальных
уровней ее устойчивости на основе разработанного универсального метода тестирования влияния СКИ ЭМИ.
В результате выполненных исследований получены следующие результаты, определяющие научную и практическую значимость работы.
22
1. Проведен аналитический обзор исследований по теме диссертации, выполненных ранее отечественными и зарубежными авторами. Показано, что существует потенциальная угроза появления новых силовых электромагнитных
средств воздействия СКИ ЭМИ. В связи с этим, в России и за рубежом ведется
активная работа по разработке новой нормативной базы, средств обнаружения
преднамеренных силовых электромагнитных воздействий и организации работ
по защите от них.
2. Проведен анализ результатов исследований, показавший, что до настоящего времени отсутствовали работы, в которых проводились исследования по
обеспечению устойчивого функционирования ТКСУ БПЛА к воздействию СКИ
ЭМИ, а также показано отсутствие требований к методам тестирования на
устойчивость БПЛА на этапе летных испытаний при условии воздействия СКИ
ЭМИ.
Из проведенного анализа сделан вывод о необходимости разработки универсального метода тестирования устойчивости ТКСУ БПЛА при условии воздействия СКИ ЭМИ.
3. Проведены исследования особенностей воздействия СКИ ЭМИ на системы управления БПЛА, показавшие, что наиболее уязвимым звеном в системе
управления является ТКС, а основными параметрами СКИ ЭМИ, влияющими на
ее функционирование, являются: амплитуда напряженности электрического поля
длительность фронта импульсов, длительность и частота следования импульсов.
4. Разработаны критерии оценки устойчивого функционирования ТКСУ
БПЛА в условиях воздействия СКИ ЭМИ, которые показали, что критерием отказа работоспособности БПЛА при воздействии СКИ ЭМИ, является отказ автоматизированной системы управления БПЛА, которая является основным устройсвом
в работе ТКСУ. Показано, что в ее основе лежит обработка данных датчиков, команд оператора управления и одновременно выполнение текущей программы полёта, установленной до старта.
5. Определены минимально допустимые уровни СКИ ЭМИ, позволяющие
выявить закономерность влияния СКИ ЭМИ с различными параметрами на
устойчивость элементов бортового оборудования, необходимые для начального
тестирования системы. При этом учтены экранирующие свойства конструкции
БПЛА, а также, полученные в других работах, уровни наведенных токов и
напряжений при указанном воздействии в различных устройствах информационно -коммуникационных средств.
23
6. Разработан универсальный метод тестирования устойчивости функционирования ТКСУ БПЛА при условии воздействия СКИ ЭМИ на этапе их стендовых и летных испытаний, позволяющий устанавливать текущие навигационные параметры БПЛА в режиме реального времени и регистрировать превышения допустимых уровней.
7. Разработан алгоритм управления оригинальной тестовой системы, реализующий разработанный метод, позволяющий формировать требуемые тестовые воздействия СКИ ЭМИ в заданной точке пространства и определять критериальные уровни СКИ ЭМИ для оценки показателей устойчивости ТКСУ
БПЛА в режиме реального времени.
8. Разработана модификация комплекса воздействия СКИ ЭМИ в основе
которой лежит разработка алгоритма визуализации тестовой системы, обеспечивающая в режиме реального времени отображение направления формирования луча излучения СКИ ЭМИ с учетом обработки исходных данных о местоположении и характеристиках БПЛА, а также фиксацию критериальных уровней устойчивого функционирования ТКСУ БПЛА.
9. Разработана методика проведения экспериментальных исследований,
позволяющая формировать программу проведения испытаний и проводить проверку формирования требуемых тестовых воздействий в виде СКИ ЭМИ в заданной точке пространства.
Результаты сравнительного анализа расчетных и экспериментальных
значений формируемых уровней воздействующего СКИ ЭМИ, подтвердили
достоверность и адекватность разработанных метода и алгоритмов, а также
возможность использования разработанного алгоритма управления тестовой
системы в составе метода тестирования устойчивости БПЛА.
10. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы при выполнении НИР «Вдохновение», ОКР «Вагон» и «Шмель» при
непосредственном участии автора.
Основные публикации по теме диссертации всего 4 п.л.
Публикации. Научные и практические работы отражены в 10 опубликованных работах, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, включенных
в перечень ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских
диссертаций. Имеются 3 заявки на получение патента РФ на изобретение по
теме диссертации: № 2013127122 от 14.06.2013, № 2015101351 от 20.01.2015, №
2015103784 от 05.02.2015.
24
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень ВАК:
1. Фомина И.А. Автоматизация расчета эффективности экранирования /
Д.В. Демский, М.В. Марченко // Технологии ЭМС. – 2013. – № 1 (44). –С.44-54.
– 1,3 п.л. – личный вклад 0,9 п.л.
2. Анализ функционирования бортовых вычислительных комплексов при
воздействии сверхкоротких электромагнитных полей / И.А. Фомина, В.А. Михайлов, Л.О. Мырова, Т.Л. Рязановский, И.Г. Солдатов, А.В. Сухов // Электросвязь. – 2013. – № 6. – С. 31-33. – 0,4 п.л. – личный вклад 0,1 п.л.
3. Фомина И.А. Критерии необходимости создания отечественных программных средств для трехмерного моделирования электромагнитных полей /
И.А. Фомина // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. – 2013.
– № 1, 2. – С. 76-78. – 0,4 п.л.
4. Система межвидовой связи на беспилотном летательном аппарате /
И.А. Фомина, Ю.В. Невзоров, Е.А. Володин, А.С. Коренков // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. – 2013. – № 1, 2. – С. 47-49. – 0,4 п.л. –
личный вклад 0,1 п.л.
5. Фомина И.А. Современные направления в развитии систем управления
беспилотных летательных аппаратов / И.А. Фомина, Ю.В. Невзоров, А.Г. Самородов // Успехи современной радиоэлектроники. – 2014. – № 2. – С. 32-37. – 0,9
п.л. – личный вклад 0,2 п.л.
6.Фомина И.А. Управление БПЛА с учетом степени помехозащищенности связи / И.А. Фомина, Ю.В. Невзоров // Системы и средства связи, телевидения
и радиовещания. – 2013. – № 1, 2. – С. 44-46. – 0,4 п.л. – личный вклад 0,2 п.л.
7. Фомина И.А. Устойчивость каналов передачи данных бортовой системы
управления современных беспилотных летательных аппаратов к воздействию
сверхкоротких электромагнитных импульсов / И.А. Фомина, В.А. Михайлов,
Т.Л. Рязановский // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. –
2013. – № 1, 2. – С. 72-76. – 0,6 п.л. – личный вклад 0,3 п.л.
В других изданиях:
8. Фомина И.А. Анализ воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на каналы передачи данных бортовой системы управления современных
беспилотных летательных аппаратов/ И.А. Фомина, Л.О. Мырова, Т.Л. Рязанов25
ский, П.Н. Пименов // Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Труды
Международной научной конференции. – МНК ИРЭМВ-2013, 23-28 июня 2013
года, Таганрог -Дивноморское. – С. 425-428 – 0,5 п.л. – личный вклад 0,2 п.л.
9. Фомина И.А. Анализ способов управления БПЛА с учетом степени помехозащищенности связи/ И.А. Фомина, Ю.В. Невзоров// Инновационные информационные технологии: Материалы международной научно-практической конференции. Том 3/ Гл. ред. С.У. Увайсов; Отв. ред. И.А. Иванов – М.: МИЭМ НИУ
ВШЭ, 2013 – С. 499-505 – 0,9 п.л. – личный вклад 0,5 п.л.
10. Fomina I. Process of data transmission in the onboard control system/ I.
Fomina/ Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific –
рractical conference. Part 3. /Ed. Uvaysov S. U.–M.: HSE, 2014. – С. 260-268-1, 1 п.л.
26
Лицензия ЛР № 020832 от 15 октября 1993 г.
Подписано в печать « »
2015г. Формат 60х84/16
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,0
Тираж 110 экз. Заказ №____
Типография издательства НИУ ВШЭ
125319, г. Москва, Кочновский пр-д, д. 3
27
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа