Методы и средства оценки воздействия электромагнитного импульса большой энергии на телекоммуникационные сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Якушин, Сергей Павлович

• Якушин, Сергей Павлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Якушин, Сергей Павлович

Содержание.

Список принятых сокращений.

Введение.

1. Анализ состояния проблемы и выбор направлений исследований устойчивости телекоммуникационных систем (ТКС) к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ).

1.1. Актуальность проблемы и методический подход к ее решению.

1.2. Параметры ЭМИ высотного ядерного взрыва.

1.3. Международный стандарт по наводкам от ЭМИ ВЯВ в длинных линиях.

1.4. Состояние исследований по методам расчета воздействия ЭМИ на кабельные линии.

1.5. Поражающее действие ЭМИ.

1.6. Методы и средства обеспечения устойчивости ТС к ЭМИ ВЯВ.

1.7. Выбор направлений исследований и постановка задач.

2. Разработка физико-математической модели расчета воздействия ЭМИ на кабельные системы.

2.1. Постановка задачи и выбор метода расчета. v 2.2. Решение системы телеграфных уравнений во временном представлении методом характеристик.

2.3. Расчет токов и напряжений в сети параллельно проложенных кабельных линий.

2.4. Метод расчета токов и напряжений с учетом частотных зависимостей параметров линии.;.

Выводы.

3. Разработка методов распределенных вычислений и экспериментальных исследований.

3.1. Математический пакет в проектировании линий связи.

3.2. Разработка алгоритма расчета и программ с применением пакета Mathematica.

3.3. Экспериментальное подтверждение математических моделей расчета воздействия ЭМИ на кабельные линии.

3.4. Сравнительный анализ методов расчета в пространственно-временном и частотном представлениях.

3.5. Типовые параметры токов и напряжений, наводимых во внешних коммуникациях и ТКС. s 4. Научно-методические основы обеспечения устойчивости ТКС к воздействию ЭМИ.

4.1. Методический подход к решению задачи устойчивости ТКС к воздействию ЭМИ.

4.2. Обобщенные характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникационные сети.

4.3. Требования к средствам нагружения, создающими типовые параметры токов и напряжений, наводимых ЭМИ ВЯВ.

4.4. Общие рекомендации по защите телекоммуникационных сетей от воздействия ЭМИ.

4.5. Методы и средства защиты электронных АТС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства оценки воздействия электромагнитного импульса большой энергии на телекоммуникационные сети»

Широкое распространение микроэлектроники в современных информационных системах учета, планирования и регулирования приводит к возрастанию вероятности отказов ответственных систем управления и связи при воздействии электромагнитного импульса (ЭМИ) ядерного взрыва и электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения (грозовых разрядов, разрядов статического электричества, электромагнитных полей радиопередающих и радиолокационных станций, высоковольтных линий электропередачи).

Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и телекоммуникационных систем. Решение этих проблем проводится по следующим основным направлениям:

1. Задание в качестве требований в нормативно-технических документах обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов.

2. Создание и модернизация имитаторов для воспроизведения заданных в стандартах параметров электромагнитных полей.

3. Испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов.

4. Разработка методов и средств защиты.

5. Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем.

В нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по решению этих проблем. Завершается работа над комплексом российских стандартов по ЭМС. Активно работают комитеты МЭК.

Основные направления исследований по проблеме ЭМС представлены на рис. 1.1.

По оценке специалистов проблема ЭМС и устойчивость технических средств выходит на ведущую позицию при разработке электронной и телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе [1-5]. Широкое распространение вычислительных сетей (ВС) ставит новые задачи по обеспечению ЭМС [6-16]. Это объясняется рядом факторов, важнейшими из которых являются:

• распределенная топология сетей, которая может формироваться по всему объему здания или производственного помещения значительной площади, что, в частности, усложняет проблему заземления электронного оборудования;

• постоянно повышающееся быстродействие вычислительных систем, что вызывает все более жесткие требования к стабильности времен распространения сигналов по линиям связи и качеству согласования последних, а также снижает помехозащищенность систем;

• снижение энергетических порогов срабатывания микросхем, что увеличивает их чувствительность к воздействию внешних и внутренних помех различной природы;

• широкое применение искусственных материалов (пластмасс) как в аппаратуре, так и в оборудовании служебных помещений, что усложняет разработку экранов и способствует возникновению электростатических зарядов на аппаратуре и окружающих предметах и оборудовании.

Московская городская телефонная сеть (МГТС) в настоящий момент переживает период коренной реконструкции. Основным ее направлением является повсеместное внедрение информационно-вычислительных систем, компьютерных технологий, внедрение локальных и глобальных вычислительных сетей и построение систем телекоммуникаций на их основе. При решении данной проблемы приходиться сталкиваться с рядом трудностей, которые определяются несовершенством инфраструктуры зданий и помещений, предназначенных для размещения аппаратуры нового поколения, отсутствием ряда стандартов и методик проектирования [17-18]. В первую очередь, это относится к задачам электромагнитной совместимости (ЭМС), поскольку устаревшее оборудование было относительно невосприимчиво к большинству типов помех, которые присутствуют в производственном помещении. Попытки решить проблему ЭМС на этапе отладки установленных телекоммуникационных систем (ТК) приводят к значительным затратам и в ряде случаев требуют коренной реконструкции помещений и переналадки оборудования. Очевидно, что наиболее приемлемым является решение проблемы ЭМС телекоммуникационного оборудования и соответствующих кабельных систем на возможно более ранних этапах их инсталляции, включая строительство зданий, отделку помещения, прокладку коммуникаций и структурированных кабельных систем (СКС), силовых цепей, выполнение заземления и т.п. В публикациях [17-31] рассмотрены основные задачи обеспечения ЭМС ТС, обоснованы методы решения задачи сохранения целостности сигнала и разработаны программные продукты, внедрение которых позволило существенно сократить сроки ввода в строй новых объектов и модернизацию старых, что в конечном итоге привело к значительному техническому эффекту.

У;

Рис. 1.1. Основные направления исследований по проблеме ЭМС

Топологически ЛВС могут быть реализованы в виде шины, звезды, кольца или их комбинации. В любом варианте физическая протяженность СКС может достигать сотен метров. Для прокладки коммуникаций в строительных конструкциях предусматриваются или вновь создаются каналы, в которых укладываются не только линии связи для передачи данных, но и телефонные линии, телевизионные кабели и другие коммуникации. В большинстве случаев в непосредственной близости располагаются и линии первичного электропитания. Все это создает весьма сложную электромагнитную обстановку в сетевых каналах, что требует повышенного внимания к проблеме обеспечения ЭМС.

Кроме электромагнитных полей от сторонних источников, возрастает напряженность полей от аппаратуры, которая входит в состав ЛВС: компьютеры, принтеры, копиры и др., поскольку насыщенность этой аппаратурой и её плотность на единицу площади возрастает, а применение пластмассовых корпусов снижает эффективность экранирования рецепторов и источников помех.

Непосредственно к проблеме обеспечения ЭМС примыкает проблема защиты информации, а именно, ее задачи обеспечения целостности и доступности информации, которая рассмотрена в [13].

В большинстве случаев ослабление внешних электромагнитных полей за счет строительных конструкций является недостаточным. Для этих целей применяются специальные методы экранирования помещений. Наиболее ответственные компоненты (серверы, компьютеры и т.п.) ЛВС, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению ЭМС и защите информации, могут располагаться в специальных вьщеленных помещениях. Эти помещения должны отличаться повышенной эффективностью и целостностью экранирования.

Распределенная сеть подвода электрической энергии является мощным и одним из основных источников индустриальных помех в вычислительных сетях. Значительные протяженности этих сетей определяют значительные антенные эффекты. Кроме этого, малые расстояния между проводами питающей сети и информационными шинами, которые определяются условиями прокладки коммуникаций в технологических каналах здания, способствуют увеличению уровня индуцированных помех в информационных шинах [10,32].

Грозозащита зданий является важным фактором сохранения работоспособности ЛВС при грозовых разрядах. Грозозащита ТС осуществляется общепринятыми мерами [10, 33] при выполнении основных требований: разделение на силовую, рабочую, защитную землю; минимизации общих путей для токов заземления указанных систем земель; минимизация сопротивления систем заземления, включая сопротивление заземлителей [10].

Качество функционирования ТС во многом определяется наличием помех в информационных шинах. Эти помехи можно разделить на два основных вида: помехи отражения и индуцированные помехи. Помехи отражения вызываются рассогласованием линий связи. При этом уровень помех, приводящих к значительным искажениям формы сигнала, может бьггь достаточно велик. Это может привести к ложным срабатываниям системы, а в худшем случае - выходу аппаратуры из строя за счет перегрузки входных каскадов. Индуцированные помехи вызываются близко расположенными линиями (информационными или энергопитания), из которых за счет взаимных емкостных и индуктивных параметров линий электромагнитная энергия переносится на линию-рецептор. Детально эти процессы рассмотрены в работах автора [22-30].

Борьба с индуцированными помехами в основном сводится к выбору рационального способа экранирования и применению фильтров [19,20.25,26, 34 - 38].

Эффективным методом снижения уровня помех является применение балансного включения линий с дополнительным экранированием или применение витых пар в балансном включении. В настоящее время предпочтительной средой распространения сигнала в СКС является витая пара, теория которой недостаточно хорошо проработана. »

Для снижения уровня индуцированных помех в плоских кабелях применяется рациональная организация линий связи в виде "тройки проводов". В этом случае сигнальный провод располагается между двумя проводами, несущими возвратный ток и выполняющих роль экрана. Такая организация позволяет стабилизировать волновое сопротивление линии связи, снизить уровень индуцированных помех от соседних проводов и от внешних источников электромагнитных полей.

Фильтрация является мощным средством подавления помех в информационных цепях. Среди перспективных технических решений следует отметить применение фильтров-контактов, которые позволяют снизить объемы и массу оборудования, а также -ферритовых помехоподавляющих элементов.

Фильтры могут бьггь установлены в аппаратуре, но больший интерес представляет установка фильтров на информационные линии связи и линии электропитания в процессе интегрирования ТС на объекте. Наиболее пригодны для этих целей ферритовые помехоподавляющие элементы. К сожалению, номенклатура подобных отечественных изделий весьма ограничена.

Технические средства обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств в условиях производственных помещений базируются на следующих важнейших направлениях: заземление, экранирование, фильтрация и обеспечение качества электроэнергии.

Проблема обеспечения ЭМС при создании современных вычислительных комплексов представляет весьма сложную задачу. В тех случаях, когда системы распределены на значительных площадях в специальных зданиях и помещениях, что имеет место при монтаже локальных вычислительных сетей, в комплекс задач включаются и задачи оценки электромагнитных свойств строительных конструкций, распределения энергии и заземления и ряд других специальных вопросов. Актуальность этих вопросов подтверждает следующее.

По данным [8] на частотах между 1 МГц и 100 МГц среднее ослабление электрического поля при его проникновение в здание составляет от 20 до 25 дБ. При этом перегородки здания играют роль полосно-пропускающих фильтров. На низкой частоте (около 100 кГц) ослабление магнитного поля сравнительно невелико и составляет 10. 15 дБ. Уменьшение эффективности экранирования на частотах около 60 МГц наблюдается в местах нарушения электрической непрерывности бетонных конструкций, например в местах стыков перегородок и стен.

На частотах свыше нескольких сот МГц проникающая через оконные проемы и другие отверстия в стенах здания энергия становится соизмеримой по амплитуде с энергией, проникающей через стены. На частотах около 10 ГГц преобладающую роль играют окна, которые необходимо защищать экранирующими стеклами или другими приемами.

В целом задача обеспечения ЭМС для снижения стоимости проекта должна решаться на максимально ранних этапах проектирования систем. Если в проект входят этапы строительства и подготовки производственных помещений, помещений вычислительных центров и т.п., то эти этапы должны выполняться с обязательным участием специалистов по обеспечению ЭМС. Это позволит минимизировать затраты при проведении мероприятий по обеспечению ЭМС на последующих этапах строительства зданий, оборудования помещений, монтажа и эксплуатации оборудования.

К основным задачам, требующим комплексного решения, можно отнести:

• экранирование зданий и помещений;

• экранирование оборудования;

• обеспечение качества электроэнергии;

• снижение уровня индустриальных помех и разработка методов защиты от них;

• защита оборудования от воздействия электростатических разрядов;

• рациональная прокладка цепей питания и коммуникаций, которая обеспечивает минимальный уровень помех в них и от них;

• организация заземления.

Решение этих задач должно увязываться с обеспечением целостности сигнала, который распространяется в информационных цепях.

Проблема обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств становиться одной из самых актуальных. Информационные сигналы в ТС представляют собой дискретные уровни напряжения или тока в форме импульсов. Полезное с точки зрения ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) электромагнитное излучение (работа радиостанций, систем навигации и телекоммуникаций и пр.) рассматривается в этом случае как помеха. Задача обеспечения ЭМС ТС возникла по следующим причинам:

• возрастание общего числа РЭС и ТС,

• возрастание общего уровня помех, главным образом от индустриальных источников,

• усложнение функций, состава и пространственной протяженности ТС,

• сосредоточение различных видов РЭС и ТС в ограниченном пространстве (например, в одном помещении), с одной стороны, и распределенный характер компьютерных сетей - с другой,

• несовершенство технических характеристик ТС, от которых зависит ЭМС,

• снижение энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал/помеха.

В местах размещения технических средств МЭК установлены следующие категории и виды электромагнитных помех: низкочастотные и высокочастотные (кондуктивные и излучаемые), электростатические разряды и электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ).

Понятия "излучение помех" в проблеме ЭМС обычно применяется в более широком смысле: это не только излучение электромагнитных волн в качестве помех, но и образование любых видов помех другим ТС и РЭС. Основными путями проникновения и излучения помех в устройстве (ТС) являются:

• кондуктивные пути: линия питания, внешняя линия связи, цепь заземления;

• пространственные пути: корпус, разъемы, отверстия в корпусе.

Источники помех чрезвычайно разнообразны. По сути дела, каждое изменение напряжения или тока в любой электрической цепи и сопутствующее ему изменение напряженности электрического и магнитного полей могут рассматриваться как потенциальный источник помех.

По характеру протекания процесса во времени различают помехи гармонические, импульсные и шумы. По месту расположения источника помех различают помехи внутренние и внешние. Внутренней является помеха, источник которой является частью рассматриваемого ТС, а внешней - помеха, источник которой не является частью рассматриваемого ТС.

К внутренним помехам можно отнести шумы, индуцированные помехи и помехи от рассогласования линий связи, определяющие целостность информационных сигналов. Шум - флуктуационный процесс, обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов, появляющихся хаотически в большом количестве. Индуцированная помеха - помеха, возникающая вследствие непредусмотренной схемой и конструкцией рассматриваемого объекта передачи по паразитным связям напряжения, тока, заряда или магнитного потока из источника помехи в рассматриваемую часть объекта. Под паразитной связью при этом следует понимать связь по электрическим и (или) магнитным полям, появляющуюся независимо от желания конструктора или интегратора систем при монтаже на объекте. В зависимости от физической природы элементов паразитных электрических цепей различают паразитную связь через общее полное сопротивление, емкостную паразитную связь и индуктивную паразитную связь.

Помеха от рассогласования [22] представляет собой нежелательный переходный процесс в рассматриваемой электрической цепи объекта, содержащей участки с распределенными и сосредоточенными параметрами, возникающий вследствие рассогласования между неоднородными участками линий связи. В локальных сетях подобные неоднородности могут возникать при неправильном подборе коаксиальных кабелей или витых пар, соединителей и входных сопротивлений сетевых портов. При применении стандартных СКС необходимо обосновано определять режимы их работы, а научно обоснованные выводы должны лежать в основе разработки новых стандартов и рекомендаций.

К внешним помехам можно отнести промышленные (индустриальные), от радиопередающих средств, атмосферные (в т.ч. разряды молний) и космические. Внешние помехи ТС безотносительно к первоисточнику их возникновения подразделяют на внешние индуцированные помехи, помехи из сети питания, из внешних линий связи и помехи от разрядов электростатических зарядов.

Под помехами из внешних линий связи подразумеваются помехи, попадающие в аппаратуру рассматриваемого объекта из линий связи с устройствами, не являющимися частями объекта. Наиболее характерными помехами из внешних линий связи являются симметричные и несимметричные импульсные . помехи и помехи от неэквипотенциальности точек заземления, что весьма типично для протяженных ЛВС [10].

Напряжение симметричной импульсной помехи из однофазной линии связи приложено между входными зажимами прямого и обратного проводов связи, из парафазной линии - между дифференциальными входными зажимами. Напряжение несимметричной импульсной помехи по линии связи приложено между проводом линии связи и землей. Напряжение помехи от неэквипотенциальности точек заземления приложено между точками заземления отдельных устройств. Если связи между двумя устройствами являются гальваническими, а обратные провода связей соединены с корпусами устройств, то напряжение от неэквипотенциальности оказывается приложенным к обратному проводу связи.

К внешним помехам, наиболее часто приводящим к сбоям и отказам в работе ТС, относятся: импульсные и длительные возмущения в сети питания переменного тока, неэквипотенциальность точек заземления, разряды электростатических зарядов, помехи от импульсных электрических и магнитных полей, помехи от напряжения промышленной частоты, помехи от ВЧ электромагнитных излучений, которые рассмотрены в [2,17,29].

Импульсные помехи в ЛВС между ТС появляются из-за внешних наводок и неэквипотенциальности точек заземления корпусов ТС. Наибольшие значения амплитуд импульсов помех в системных линиях связи наводятся при грозовых разрядах. Другая причина наводимых в линиях связи помех - наличие в окружающем пространстве импульсных полей, создаваемых различного рода источниками искусственного происхождения: электрическими аппаратами, высоковольтными установками и ЛЭП, радиопередающими устройствами. В этом случае амплитуды напряжения помех в линиях связи не столь велики, как при грозах, но зато частота следования таких помех выше.

К основным мерам, направленным на обеспечения ЭМС, относятся экранирование, фильтрация и заземление. В принципе, следует отдавать предпочтение пассивным средствам обеспечения ЭМС (например, использование пассивных фильтров), рассчитанным на весь срок службы устройств, перед активными (например, использование активных фильтров). Применяют фильтры в сигнальных и питающих линиях. Устанавливают источник бесперебойного питания для улучшения качества электроэнергии. Для экранирования применяют экранирующие корпуса, в том числе из металлизированных пластмасс, экранированные разъемы, экранированные сигнальные и питающие линии. Экранируют помещения, где расположена аппаратура, путем облицовки экранирующими материалами, нанесением токопроводящей краски. Используют определенную топологию цепей заземления для устранения неэквипотенциальности точек заземления устройств, входящих в комплекс или систему. В работах [19, 20, 26] рассмотрены основные методы и средства экранирования и заземления применительно к электронному оборудованию.

Основные источники электромагнитных помех естественного происхождения: грозовые разряды, электростатические разряды, мощный электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва.

Настоящая работа посвящена теоретическому обобщению и решению научной задачи имеющей важное значение, а именно разработке научно-методических основ оценки устойчивости телекоммуникационных систем (ТКС) к воздействию электромагнитного импульса (ЭМИ) высотного ядерного взрыва (ВЯВ).

Научная новизна работы заключается:

• в разработке на основе теории длинных линий методов расчета воздействия ЭМИ на системы связи, цифровые технические средства стационарных объектов, что позволяет оценивать электромагнитную обстановку вне и внутри реального объекта и прогнозировать характеристики воздействия ЭМИ ВЯВ на элементы технических систем гражданского назначения;

• в развитии принципов и методов распределенных вычислений при проектировании линий связи, доведенных до конкретных пользовательских интерфейс систем;

• в обосновании требований на защиту.

На защиту выносится:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований воздействия ЭМИ ВЯВ на кабельные линии с учетом их конструктивных особенностей;

• рекомендации по методам и средствам защиты телекоммуникаций от воздействия ЭМИ ВЯВ.

• математические модели, описывающие воздействие ЭМИ на кабельные линии и разработанные на их основе алгоритмы расчета и программы с применением пакета Mathematica;

• обоснование требований к средствам воспроизведения параметров токов и напряжений, возникающих в кабельных линиях при воздействии ЭМИ ВЯВ.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Якушин, Сергей Павлович

Результаты работы могут быть использованы:

• в НИУ, занимающимися проектированием и испытанием стационарных узлов связи на действие ЭМИ;

• для получения типовых параметров воздействия ЭМИ ВЯВ на телекоммуникации офисов, интеллектуальных зданий;

• при разработке методик нагружения при испытании оборудования и систем и обосновании требований на средства защиты;

• для использования при разработке рабочих проектов международных стандартов по методам расчета воздействия ЭМИ на кабельные линии в воздухе и грунте.

Дальнейшее исследование по данному направлению целесообразно сосредоточить решении следующих вопросов:

1. Расширение возможностей применения пакета Mathematica:

• в плане уточнения физико-математической модели, описывающей нелинейные эффекты срабатывания средств защиты;

• во введении в разработанные модели уточненных характеристик устройств, подключенных к кабельной линии.

2. Разработка стандартных программ для расчета экранов, антенно-фидерных устройств, применительно к проблеме ЭМИ ВЯВ. Такая работа запланирована также подкомитетом 77с МЭК на 2004-2006 гг., чтобы сделать единые программы на международном уровне.

3. Разработка методов обеспечения устойчивости телекоммуникационных систем к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов.

Заключение

Основным результатом, определяющим научную и практическую значимость, выполненных в работе исследований, является создание научно-методических основ расчета и воспроизведения воздействия ЭМИ на телекоммуникации, включающие в себя:

• разработку математических моделей расчета воздействия ЭМИ высотного ядерного взрыва, заданного стандартом МЭК, на коммуникационные линии, учитывающих сложную конфигурацию, сети, параллельность прокладки кабельных линий, эффекты срабатывания средств защиты, установленных в оконечных устройствах;

• обоснование параметров типовых импульсов, создающих ЭМИ в кабельных линиях связи, энергоснабжения;

• разработка комплекса программ-методик, реализованных с помощью пакета Mathematica.

Наиболее важные конкретные научные результаты, полученные в ходе исследований, состоят в следующем:

1. На основе анализа состояния исследований по ЭМИ, как составной части общей проблемы ЭМС, основных характеристик телекоммуникаций установлено, что наиболее подвержена воздействию ЭМИ сеть кабельных линий.

Для математического описания явлений, происходящих при взаимодействии ЭМИ с указанными системами с учетом их геометрии, соотношения характерной длины волны падающего поля и характерных размеров объекта, обоснованы методы расчета: метод телеграфных уравнений и уравнения Кирхгофа на основе теории электрических цепей.

2. На основе решения электродинамической задачи во временной и частотной постановке разработаны математические модели расчета токов и напряжений в разветвленной сети коммуникаций.

Поставленная задача сведена к решению системы матричных телеграфных уравнений конечно-разностным методом (во временной постановке) и аналитическим методом (в частотной области).

3. Разработанные математические модели реализованы в виде комплекса -программ расчета воздействия ЭМИ на основе пакета Mathematica.

Программы позволяют рассчитывать воздействие ЭМИ на стационарные объекты, имеющие разветвленную сеть коммуникаций.

С помощью программ - методик определяются напряжения в инженерных коммуникациях, кабельных линиях связи и энергоснабжения, управления и контроля с учетом реальной структуры сети кабельных линий.

Программы в полной мере использовали возможности разработанной математической модели (учет разветвленности сети, параллельность прокладки кабелей) и позволяют вводить в алгоритмы математической модели ранее не изученные нелнейные процессы, происходящие в цепях коммуникаций.

4. Экспериментально исследовались токи и напряжения, наводимые импульсным электромагнитным полем во внешних и внутренних цепях кабельных линий.

Проведенные измерения показали, что максимальное отличие расчетных данных от экспериментальных составляет 30%. Это свидетельствует об удовлетворительной точности предлагаемых методов расчета токов и напряжений в сети телекоммуникаций.

5. Проведенные массовые расчеты позволили получить типовые параметры токов и напряжений, наводимых во внешних и внутренних цепях кабельных линий энергоснабжения связи, необходимых для испытания технических систем на устойчивость к действию ЭМИ.

Показано, что при воздействии полей ЭМИ ВЯВ, заданных в стандартах МЭК, ток в металлопокрове имеет следующие параметры: /„„=30-700 А; длительность фронта Тф=20-80 не; длительность импульса т„° 5=3 00-800 не.

6. В работе показано, что учет реальной структуры кабельной сети узла связи, параллельность прокладки коммуникаций, ее разветвленность приводит к уменьшению амплитудных значений токов и напряжений, рассчитанных по упрощенным моделям.

Таким образом, является целесообразным проведение расчетов воздействия ЭМИ на телекоммуникации с учетом конкретных проектных решений, свойств грунтов и характеристик системы заземления.

7. В работе реализован методический подход к оценке устойчивости РЭА, подключенной к кабельным линиям, включающий разработку и оценку достоверности математических моделей, и получение на их основе требований к средствам нагружения и рекомендаций по защите.

8. Для испытаний РЭА, подключенной к кабельным линиям, рекомендовано использовать импульсные генераторы, выпускаемые НПП «Прорыв».

9. По результатам проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию методов средств защиты систем телекоммуникаций от воздействия ЭМИ ВЯВ.

10. Анализ показал, что международные стандарты по ЭМИ, в которых регламентируются уровни электромагнитных излучений, устанавливают низкие уровни излучений и наводок оборудования в сети.

11. Узлы связи являются объектом концентрации систем коммуникаций, автоматики и управления, работающих как единый информационный комплекс.

Предложенные методы и программные средства являются методической основой для научно-обоснованных решений по снижению уязвимости линий связи ТС и повышению помехозащищенности телекоммуникационной инфраструктуры, отвечающей требованиям стандартов МЭК.

Современная методология технических методов и средств снижения уязвимости телекоммуникационных систем базируется на подходах обеспечения ЭМС, в которых выделены основные методы ослабления электромагнитных излучений — экранирование и заземление.

Эти методы и средства обеспечивают решение задач защиты от внешних локальных электромагнитных воздействий, но применительно к воздействию полей ЭМИ, требуют доработки.

Исследованный в работе механизм воздействия показал, что основным каналом проникновения в современные узлы связи мощных импульсных наводок являются кабельные линии. Защита РЭА от воздействия наводок в кабельных линиях является первоочередной.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Якушин, Сергей Павлович, 2004 год

1. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Пер. с. англ. М.: Мир, 1979.-320 с.

2. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. -М.: Радио и связь, 1989. 224 с.

3. Варне Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990.-228 с.

4. Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 224 с.

5. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып. Вып. 2. Внутрисистемные помехи и методы их уменьшения: Сокр. пер. с англ. Под. ред. А.И. Сапгира. М.: Сов. радио, 1978. - 272 с.

6. Кузьмин В. И. Задачи обеспечения электромагнитной совместимости при интегрировании локальных вычислительных сетей на объектах. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сб науч. трудов кафедры РТУиС МГИЭМ. Выпуск 1.-М.: МГИЭМ, 1997. с. 50 - 52.

7. Кузьмин В. И. Обеспечения электромагнитной совместимости при монтаже локальных вычислительных сетей. НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов. Москва. МГИЭМ, 1997, с. 3.

8. Буга Н.Н., Контрович В.Я., Носов В.И. "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" Москва, Радио и связь, 1993.

9. Владимиров В.И., Докторов А.А., Елизаров Ф.В. Под редакцией Царькова Н.М. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем. М.: Радио и связь, 1985.

10. Джексон Дж.Э. Международное сотрудничество по ЭМ совместимости: прошлое, настоящее, будущее, AES Magazine, 1987,88/32233.

11. П.Князев А. Д. Элементы теории и практики лбеспечения ЭМС радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984. - 336 с.

12. Heddebant М., Degangye P., Demoulin В. Approche experimentale de l'efficacite de blindage des batiments de telecommunications. Annfles de telecommunications, v. 39, 1 9 -10, 1984, p. 457-464.

13. Степанов П. В., Шевчук А. А. Риск и функциональная безопасность. В сб. "Интернет и автоматизация проектирования'ТПод ред. С. Р. Тумковского. М.: МГИЭМ, 2001. с. 53 -65.

14. Семенов А. Б., Стрижаков С. К., Сунчелей И. Р. Структурированные кабельные системы. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: ДМК Пресс, 2002. — 640 с.

15. Смирнов И. Г., Структурированные кабельные системы. М.: Эко-Трендз, 1998. - 178 с.

16. Advanced Connectivity System. Product Catalog, IBM, Release 2.3, September 1997, 118 p.

17. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Путилов Г. П., Шевчук А. А. Интеллектуальное здание- новое направление в подготовке специалистов. "Наука и технологии в промышленности", № 3(6), 2001 г., с. 77.

18. Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. В сб. "Интернет и автоматизация проектирования'ТПод ред. С. Р. Тумковского. М.: МГИЭМ, 2001. с. 116 - 127.

19. Кечиев Л. Н., Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. IV Межд. симпозиум по ЭМС и электромагнитной экологии ЭМС 2001.19-22 июня 2001. Сборник научных докладов. С.-Пб, 2001. - с. 121 -125.

20. Кечиев Л. Н., Степанов П. В. Шевчук А. А. Заземление электронного оборудования в системах телекоммуникаций. М.: МИЭМ, 2001. 82 с.

21. Алешин А. В., Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Шевчук А. А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств/Учебное пособие. М.: МИЭМ, 2002. 86 с.

22. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Шевцов М. А., Шевчук А. А. Расчет электрофизических параметров линий связи в среде Mathematica/Учебное пособие. М.: МИЭМ, 2002. 84 с.

23. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств. Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2002с. 17-32.

24. Кечиев Л. Н., Тумковский С. Р., Путилов С. Р., Алешин А. В., Гердлер И. Н., Шевцов М. А., Шевчук А. А. Проектирование электронных средств в распределенной информационной среде. Сборник научных трудов сотрудников МИЭМ. МИЭМ, 2002.-с. 114-121.

25. Алешин А. В., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Расчет помех отражения в линиях связи быстродействующих цифровых устройств с применением пакета Mathematica. Сборник докладов VII Российской НТК по ЭМС. Изд. БИТУ, С-Пб, 2002. - 271 -275.

26. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Задачи обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат. Технологии ЭМС, № 2,2002. — с. 32 40.

27. Гердлер О. С., Кечиев Л. Н., Шевчук А. А. Анализ влияния конструкции сетчатых экранов на волновое сопротивление линий связи в многослойных печатных платах. "Технологии ЭМС", № 2,2002. с. 41 - 43.

28. Степанов П. В., Шевчук А. А. Экранирующие прокладки как средство обеспечения целостности экрана. "Технологии ЭМС", № 2,2002. -е. 62-71.

29. ГОСТ 12.1.030-81. "Электробезопасность. Защитное заземление, зануление".

30. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991.-264 с.

31. Воробьев Е. М. Система «Математика» как инструмент решения инженерных задач. Интернет и автоматизация проектирования. МГИЭМ. Москва 2001. с. 166-173.

32. Воротилин П. С., Гердлер И. Н., Тумковский С. Р. Использование системы Математика для обучения через Интернет. Интернет и автоматизация проектирования. МГИЭМ. Москва 2001. с. 6-8.

33. Веб-серверы: http://rtuis.miem.edu.ru/library/math sb art3/index.htm и http://rtuis.miem.edu.ru/alex/math.

34. Дьяконов В. Mathematica 4: учебный курс. СПб., Питер, 2001. - 656с.

35. Грэхэм Р., Кнут Д., Поташник О. Конкретная математика. Основание информатики/ пер. с англ.; под ред. А. В. Ходулева. М.: Мир, 1998.

36. Вэнс Э.Ф. «Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели», М, "Радио и связь",1987 г.

37. Харрингтон Р.Ф. «Расчет полей методом моментов», репринтное издание автора, Сиракузский университет, г. Сиракуза, шт. Нью Йорк, 1968 г.

38. Янош М., Никора Б., Радаски В. « Моделирование наводок ЭМИ», «Труды Института инженеров по электротехнике и электронике по ЭМС», стр. 400-413, № 3, т.38, авг. 1996 г.

39. МЭК 61000-2-9. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯ В). Описание ЭМИ-обстановки. Излученные помехи" 1995.

40. МЭК 61000-2-10. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Описание ЭМИ-обстановки. Наведенные помехи" 1998.

41. МЭК 61000-2-11- Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Классификация ЭМИ-обстановки и условий воздействия ЭМИ" 1999

42. МЭК 61000-5-4- Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к средствам защиты. Излученные помехи" 1995.

43. МЭК 61000-5-5. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Общие технические требования к средствам защиты. Наведенные помехи" 1995.

44. МЭК 61000-4-25. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Технические требования и методы испытаний для аппаратуры и систем"2001.

45. МЭК 61000-4-23. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты. Излученные помехи"2000.

46. МЭК 61000-4-24. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы испытаний средств защиты. Наведенные помехи" 1997.

47. МЭК 61000-5-3. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Концепция (классы) защиты оборудования" 1999.

48. МЭК 61000-5-6. Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Смягчение уровней внешних электромагнитных воздействий." 2002.

49. Тэш Ф. «Обсуждение статьи М. Рабиновича по ЭМИ», «Труды института электрорадиоинженеров по проблемам передачи элетроэнергии», 1987 г., том 2, стр. 1213.

50. Лоборев В.М. «Современные проблемы в области ЭМИ ЯВ и направления дальнейших исследований», Материалы Международного Европейского симпозиума по электромагнетизму EUROEM 94, июль 1994г., стр. 15. 21.

51. Глэстоун С., Долан П. «Поражающее действие ядерного оружия», Министерство обороны и Министерство энергетики США, 1977 г.

52. МЭК 61000-5-7- Электромагнитная совместимость (ЭМС). "Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Степени защиты от электромагнитных помех. Методы расчета защищенности", 1997 г.

53. Грицай В.Н.и др. «Реакция длинных линий на электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ)», «Труды института инженеров по электротехнике и электронике по электромагнитной совместимости», том 40, № 4, ноябрь 1998 г., стр. 348.354.

54. Эллис В. «Испытания серийных электронных устройств на действие быстронарастающего ЭМИ (Разработка имитатора ВЭМПС-2), лаборатории Гарри Диамонда, HDL-TR-2149, июнь 1989 г.

55. Бэрнс П. «Воздействие электромагнитного импульса на государственные и местные радиосети», Ок-Риджская государственная лаборатория, ORNL-4873, февраль 1974 г.

56. Хансен Д Шаэр X. Кенигсен Д. И др. Реакция воздушного провода вблизи имитатора ЭМИ ЯВ. «Труды института инженеров по электротехнике и электронике по электромагнитной совместимости», том 32, № 1, февраль 1990 г., стр. 18.27.

57. МЭК 61000-1-3. Электромагнитная совместимость ( ЭМС).Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ Воздействие ЭМИ на оборудование и системы гражданского назначения.2002

58. Парфенов Ю.В. «Реальность воздействия ЭМИ», меморандум, 19 октября 1998 г.

59. Слюсар В.И. Генераторы супермощных электромагнитных импульсов в информационных войнах. Обзор. Электроника: наука, технология, бизнес, N5,2002.

60. Газизов Т.Р. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячилетий. Томск, 2002.

61. Кармашев B.C. Электромагнитная совместимость технических средств. Справочник, 2001.

62. Никифоров. Н.В. Антитеррористиччческие технологии обеспечения электромагнитной безопасности. Технологии ЭМС, N3,2002.

63. Кармашев. B.C. Проблемы обеспечения ЭМС технических средств в условиях членства РФ во Всемирной торговой организации. Технологии ЭМС, N 1,2002

64. Лоборев В.М., Замышляев Б.В., Маслин Е.П., Шилобреев Б.А. Физика ядерного взрыва, Т.1, Развитие взрыва, М.Физматлит, 1997, стр.6-8.

65. Кувшинников В.М., Паньков В.И, . Шведов А.А., Физика ЯВ, Т.1, ЭМИ наземного ЯВ, стр. 85, 1997.

66. Кондратьев В.М,. Бурлаков К.Ю.,. Грицай В.Н.,. Козловский А.Г,. Кондратьева А.И,. Сидорюк Н.Г, Черньппов И.Г., Физика ЯВ, Т.1 ЭМИ высотного ЯВ, стр.414,1997.

67. Рикетс Л.У., Бриджес Дж. Э., Майлетта Дж. Электромагнитный импульс и методы защиты: Пер. с англ. /Под ред. Н.А. Ухина. М.г Атомиздат, 1979.-328 с.

68. Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей. (ЭМИ ядерного взрыва). Сб. статей. Пер. с англ. О. Петренко под редакцией С. Давыдова. М.: Воениздат, 1974.

69. Технические методы и средства в области ЭМИ. Принципы разработки. Отчет лаборатории БЭЛЛА, 1975.

70. Тухас В.А., Пожидаев С.В. Комплекс оборудования для испытаний на электромагнитную совместимость. Технологии 3MC,N1 2002, стр. 41.

71. Кравченко В.И., Болотов Е.А., Латунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М., радио и связь, 1987

72. Грачев Н.Н., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д., «Защита человека от электромагнитных излучений», М., 2002.

73. Мырова Л.О. ,Попов В.Д., Верхотуров В.И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: "Радио и связь", 1993.-268 с.

74. Мырова JI.O., Чепиженко А.З., «Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям», М.: «Радио и связь»,

75. Воскобович В.В., «Методы обеспечения стойкости перспективных систем радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи к воздействию мощных импульсных электромагнитных помех», кандидатская диссертация, ФГУП, 2002.

76. Воскобович В.В., Мырова JI.O., «Некоторые вопросы создания систем связи, устойчивых к воздействию МЭМП», Технологии ЭМС №2, статья,2002.

77. Антонов А.Д., «Разработка требований к средствам защиты кабельных сетей электросвязи от действия наносекундных электромагнитных импульсов искусственного происхождения», кандидатская диссертация ФГУП МНИРТИ, 2001.

78. МЭК 61000-4-32. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Устойчивость к электромагнитному импульсу высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ). Методы и средства измерений. Имитаторы ЭМИ, 2002.

79. Кравченко В.И., «Грозозащита радиоэлектронных средств», Справочник. М.:»Радио и связь», 1991.-264 с.

80. Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры, М-Х Гостехиздат, 1950

81. Степанов П.В. Методология предупреждения угроз информационной безопасности техническими средствами в телекоммуникационной структуре интеллектуального здания, докторская диссертация, МИЭМ, 2001

82. Кузьмин В.И. Разработка и исследование методов и средств обеспечения электромагнитной совместимости технических средств в условиях производственного помещения , кандидатская диссертация, МИЭМ ,1998

83. Соколов А.А.,Подосеев С.А. Излучение и измерение импульсных электромагнитных полей, М. 2000.

84. Балюк Н.В., Воскобович В.В., Кечиев Л.Н., Якушин С.П. Чуркин Д.В., Крючков В.Л., Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.1 Параметры ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2003

85. Балюк Н.В., Геков В.В., Кечиев Л.Н., Якушин С.П., Чуркин Д. В., Крючков В.Л. Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.2 Воздействие ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2003

86. Балюк Н.В., Геков В.В., Кечиев Л.Н., Якушин С.П., Чуркин Д. В., Крючков В.Л. Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.З Международные стандарты по ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2004

87. Балюк Н.В., Воскобович В.В., Кечиев Л.Н., Якушин С.П., Чуркин Д. В., Крючков В Л. Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.4 Экспериментальная база по ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2004

88. Балюк Н.В., Воскобович В.В., Кечиев Л.Н., Комягин С.И., Якушин С.П., Чуркин Д. В., Крючков В.Л. Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.5 Методы и средства испытаний на ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2004

89. Балюк Н.В., Геков В.В., Кечиев Л.Н., Якушин С.П., Чуркин Д. В., Крючков В.Л. Электромагнитная совместимость. Устойчивость к ЭМИ высотного ядерного взрыва. Кн.6 Концепция защиты от ЭМИ. Учебное пособие, МИЭМ, 2000

90. Шевчук А.А. Методы анализа целостности сигнала в структурированных кабельных системах. Кандидатская диссертация, МИЭМ, М.2003

91. William A. Radasky Manuel W. Wik. Стандартизация в рамках МЭК в части устойчивости к воздействию переходных электромагнитных явлений большой энергии. Доклад на ТК 77С, 2002.

92. Балюк Н.В. Устойчивость к электромагнитному импульсу (ЭМИ) высотного ядерного взрыва. Сборник научных трудов Всероссийского симпозиума. М. 2002

93. Балюк Н.В. ЭМС. Устойчивость к воздействию импульсных электромагнитных полей большой энергии. Технологии ЭМС, N2,2003

94. Комягин С.И. Методы экспериментальной оценки и подтверждения электромагнитной стойкости оружия. Сборник докладов 7 Российской научно-технической конференции по ЭМС, С-Пб,2002.

95. Якушин С.П., Балюк Н.В. Устойчивость технических средств к воздействию импульсных электромагнитных полей. Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2004.

96. Ю2.Якушин С.П., Ведмидский А.А. Анализ методов расчета взаимодействвия СШП -ЭМИ с элементами ТКС. Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2004.

97. Якушин С.П., Ведмидский А.А., Крохалев Д.И., Эффективность воздействия электромагнитных импульсов на протяженный проводник Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2004.

98. Ведмидский А.А. Разработка методов решения и программ расчета токов и напряжений в кабельных линиях Сб. научн. трудов/Под ред. Л. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2003.

99. Алешин А.В., ^Якушин С.П.Разработка алгоритма расчета токов и напряжений в кабельной линии при воздействии ЭМИ с применением пакета Mathematica Сб. научн. трудов/Под ред. JI. Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2004с.

100. Юб.Ведмидский А.А. Разработка методов оценки стойкости телекоммукационных систем к воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов. Кандидатская диссертация, ФГУП МНИРТИ, М. 2003

101. Комягин С. И. Методические принципы задания вероятностных и параметрических показателей электромагнитной стойкости оружия. Сборник докладов 7 Российской научно-технической конференции по ЭМС, С-Пб,2002.

102. Комягин С. И., Черзаров А.Ф. Основные понятия электромагнитной стойкости оружия. Сборник докладов 7 Российской научно-технической конференции по ЭМС, С-Пб,2002.

103. ПО.Крохалев Д.И., Сидорюк П.А., Фарафонов О.А., Якушин С.П., Ведмидский А.А. Требования к средствам измерений импульсных сверхширокополосных электромагнитных полей. Технологии ЭМС, N2,статья, 2003111 .Комягин С.И. Кандидатская диссертация. МО, 1981/