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

Открытое акционерное общество «Московский ордена Трудового КрасногоЗнамени научно-исследовательский радиотехнический институт»На правах рукописиФомина Ирина АндреевнаМЕТОД ТЕСТИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ КВОЗДЕЙСТВИЮ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВСпециальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникацийДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководителькандидат технических наукЮ.В.НевзоровМосква – 20152СОДЕРЖАНИЕВведение ………………………………………………………………………….. 4ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГОФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОНЫХ СИСТЕМУПРАВЛЕНИЯ БПЛА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СКИ ЭМИ ……………………131.1 Анализ существующих видов электромагнитных воздействийна беспилотные летательные аппараты ………………………………………… 131.2 Анализ сверхкоротких электромагнитных импульсов и средств ихгенерации …………………………………………………………………………161.3 Обзор существующих беспилотных летательных аппаратов, как объектаподверженного воздействию СКИ ЭМИ ………………………………………..

201.3.1 Типы выполняемых задач ……………………………………………….. 211.3.2 Группы БПЛА по назначению …………………………………………... 221.3.3 Типы и классификация БПЛА гражданского назначения, как объектаподверженного воздействию СКИ ЭМИ ……………………………………….. 231.3.4 Способ управления беспилотными летательными аппаратами ……….. 281.3.5 Анализ телекоммуникационной системы управления современныхлетательных аппаратов …………………………………………………………... 351.4 Анализ стандартов по испытаниям на воздействие ПД ЭМВ в России иза рубежом ………………………………………………………………………...

411.5 Выводы по главе …………………………………………………………..... 47ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КРИТЕРИАЛЬНЫХ УРОВНЕЙСВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯБЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА…………………………. 482.1 Обоснование выбора объекта исследования ……………………………… 482.2 Критерии оценки устойчивого функционированиятелекоммуникационной системы управления БПЛА при условиивоздействия СКИ ЭМИ …………………………………………………………2.3 Оценка критериев отказа устойчивого функционирования беспилотного553летательного аппарата в условиях воздействия СКИ ЭМИ …………………...

562.4 Исследования особенностей воздействия СКИ ЭМИна телекоммуникационные системы управления БПЛА ……………………...582.5 Определение минимально допустимых уровней СКИ ЭМИ, влияющихна устойчивость телекоммуникационных устройств системы управления …..

612.6 Анализ характеристик средства воздействия СКИ ЭМИ с цельюиспользования его для тестирования устойчивости системы…………………. 732.7 Выводы по главе ……………………………………………………………. 77ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ТЕСТИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БПЛА КВОЗДЕЙСТВИЮ СКИ ЭМИ ………………………………………………………. 783.1 Разработка универсального метода полетного тестирования устойчивостифункционирования системы управления БПЛА к воздействию СКИ ЭМИ …… 783.2 Разработка алгоритма тестирования устойчивости БПЛА для реализациив специальном программном обеспечении ……………………………………..

813.3 Алгоритм визуализации тестовой системы ……………………………….. 893.4 Интерфейс пользователя специального программного обеспеченияна основе разработанного алгоритма визуализации …………………………… 903.5 Выводы по главе ……………………………………………………………. 98ГЛАВА 4 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКАРАЗРАБОТАННОГО АЛГОРИТМА ТЕСТИРОВАНИЯ ………………...…… 1004.1 Разработка программ и методик проведения экспериментальныхисследований……………………………………………………………………… 1004.2 Методики измерений ……………………………………………………….1064.3 Обработка, анализ и оценка результатов испытаний …………………….. 1134.4 Выводы по главе ……………………………………………………………. 119Заключение ………………………………………………………………………..

120Список сокращений и условных обозначений …………………………………. 123Список литературы ………………………………………………………………. 1254ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемы. Последнее десятилетие отмечено увеличениемтемпов роста развития беспилотных летательных аппаратов за счет использованияих в различных целях не только в гражданской области, но и для военногоназначения.Вопросы применения БПЛА для обеспечения безопасности объектов насегодняшний день выходят на первые роли, и заставляет все больше обращатьвнимание на новые методы контроля и мониторинга земной поверхности. Большевсего это беспокоит такие организации, которые имеют протяженные объекты,контроль за которыми организовать довольно сложно. В первую очередь - этовладельцы различных трубопроводов, Пограничные войска ФСБ России, ОАОРАО «ЕЭС России», ОАО «Российские железные дороги». Все эти организациимогут ощутить экономический эффект от применения беспилотных систем черезочень короткий период времени, за счет применения беспилотных летательныхаппаратов (БЛА) для дистанционного наблюдения и контроля окружающей средыи объектов в режиме реального времени.

Также это позволит снизитьсебестоимость услуг на порядок по сравнению с традиционными космическимиили авиационными системами. [124]Кроме того современные БЛА используются в качестве одного изважнейших средств повышения боевых возможностей вооруженных сил. Ихбоевое применение предпочтительно при выполнении задач, характеризующихсябольшой продолжительностью полета (временем патрулирования в заданномрайоне), повышенной опасностью и сложностью (например, в районахинтенсивного огневого противодействия средств ПВО и авиации противника).В связи с разнообразием задач, выполняемых БЛА в различныхклиматических условиях и местах базирования, во время боевого дежурства и натраектории полета по условиям эксплуатации БЛА могут подвергаться прямомуэлектромагнитному воздействию.[43] Существенный вклад в изучение данной5проблемы внесли российские ученые: С.И.

Комягин, В.Ю. Кириллов, СоколовА.Б., Н.В. Балюк, Семёнов А.А., Пивоваров В.В. и др.Кроме этого необходимо учесть, что сегодня в мире существует реальнаяугрозавоздействиянаБЛАразличныхпреднамеренныхдеструктивныхэлектромагнитных воздействий, одним из которых является новое эффективноесверхкороткоимпульсное электромагнитное излучение (СКИ ЭМИ).Развитие средств генерации СКИ ЭМИ в последнее время набирает высокиеобороты, воздействие таких источников на бортовые системы летательныхаппаратов по сравнению с электромагнитным импульсом ядерного взрыва присопоставимых амплитудных напряженностях электрического поля являются болееэффективными. Потому что основной особенностью данного излучения являетсясоизмеримостьдлительностидействующихимпульсовсдлительностьюинформационных сигналов. Следствием этого являются уровни наведенныхнапряжений и токов сопоставимые с уровнем информационных сигналов, чтоприводит к увеличению вероятности разрушения обрабатываемой информациисистемой управления БЛА, что подтверждается результатами экспериментальныхисследований.[114]Благодаря высоким темпам развития цифровой вычислительной техники,увеличения объема и быстродействия передаваемой информации в системеуправления, а также возможности дистанционного управления БЛА и полезнойнагрузкой в режиме реального масштаба времени, возникает необходимостьобеспечения устойчивого функционирования беспилотного летательного аппаратав условиях СКИ ЭМИ.Существенный вклад в изучение данной проблемы внесли российскиеученые Н.В.

Балюк, Л.Н. Кечиев, Ю. Сахаров, Т.Р. Газизов, Л.О.Мырова, С.И.Комягин, Ю.В. Парфенов, В.Ю. Кириллов, Р.В. Киричек), а также зарубежные(D. Nitsch, I. Kohlberg, C. Baum, F. Tesche, H. Garbe, W. Radasky, F. Sabath, M. Ianoz)ученые, при участии которых проведено значительное количество исследований,подтверждающих, что с помощью средств генерации СК ЭМИ можновоздействовать на обмен данными по сети между оконечным бортовымоборудованием системы управления.6При этом следует учитывать, что бортовое радиоэлектронное оборудование(БРЭО), входящее в состав системы управления, распределено в пространстве исвязь между ним осуществляется при помощи структурированных кабельныхсистем (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.п.), поэтомунеобходимо рассматривать телекоммуникационную систему управления, так какнарушение ее информационной целостности в одном звене может привести кчастичному нарушению или полной потери передаваемого информационногосигнала, а в некоторых случаях к нарушению функционирования всего бортовогорадиоэлектронного оборудования БЛА.

[71,117]В рассмотренных работах разрабатываемый научно-методический аппаратделает возможным проведение анализа источников электромагнитных помех,представляющихраспространениеопасностьидлялетательныхвоздействиеихнааппаратов,проникновение,элементыиустройствателекоммуникационной системы, а также расчетно-экспериментальную оценкустойкости БЛА к воздействию электромагнитных импульсов ядерного взрыва,ЭМВприродногоитехногенногопроисхождения.Однако,имеющиесярезультаты не позволяют провести оценку устойчивости системы управленияБЛА к персептивному виду излучения – СКИ ЭМИ, с учетом спецификирешаемых в ней задач и предъявляемых к ней современных требований согласноприятием нового поколения национальных и международных стандартов поэлектромагнитнымявлениямэлектромагнитнойэнергии,иразработкойкоторыеновыххарактеризуютсятиповболееисточниковвысокимизначениями ЭМП и более короткими временными характеристиками, лежащими внаносекундной и субнаносекундной областях.[92,101-103]Анализ имеющихся разработок [20,21] по средствам генерации СКИ ЭМИпоказывает, что для решения задачи тестирования на этапе летных испытанийустойчивости функционирования системы управления БЛА необходимых дляэтого средств не существует.С учетом изложенного можно сделать вывод, что СКИ ЭМИ является новойсерьезной угрозой для системы управления БЛА.

Это определило научную и7практическую значимость решаемой в диссертации научной задачи, направленнойна разработку нового универсального метода тестирования, который позволял быопределять присутствие БЛА в воздушном пространстве, его координаты, скоростьиудаленностьотносительноиспытательногокомплекса,прогнозироватьдальнейшее направление, а также задавать необходимые параметры воздействия иазимут излучения, что является основой для проведения оценки и разработкирекомендаций по обеспечению требуемого уровня устойчивости любых БЛА.Кроме того, позволяющий проводить отработкусоставных частей ЛИСТа соценкой их устойчивости на этапе стендовых и летных испытаний.В связи с этим целью работы является обеспечение устойчивогофункционирования системы управления беспилотного летательного аппарата приусловии воздействия СКИ ЭМИ, путем определения критериальных уровней ееустойчивости на основе разработанного универсального метода тестированиявлияния СКИ ЭМИ на характеристики его телекоммуникационной системыуправления.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиеосновные задачи:1.Анализсостоянияпроблемыобеспеченияустойчивогофункционирования системы управления беспилотных летательных аппаратов вусловиях воздействия СКИ ЭМИ.2.ИсследованиетелекоммуникационныеособенностейсистемывоздействияуправленияСКИбеспилотныхЭМИналетательныхаппаратов.3.