CC BY
138
УДК 621.391.82
СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ РАДИОМОНИТОРИНГА В.М. Питолин, Е.В. Кравцов, М.Ф. Пашук, М.Д. Стадников
В статье рассматриваются алгоритм и способ оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга для обоснования использования комплектующих изделий и материалов с требуемыми характеристиками, а также наличия ресурсов для выполнения поисковых исследований по выбору оптимальных вариантов схемотехнического и конструктивно-технологического исполнения данных систем на ранних этапах проектирования
Ключевые слова: помехоустойчивость, проектирование, радиомониторинг
Базовой информационной составляющей современных систем радиомониторинга различного целевого назначения являются радиоэлектронные средства радиотехнического контроля, локации, связи, навигации и др. Эффективность применения таких систем существенным образом определяется процессами добывания сведений об объектах мониторинга, то есть зависит от этапов выполнения процедур поиска, обнаружения, оценки параметров, распознавания и принятия решения, реализуемых в подсистеме первичной обработки информации указанных радиоэлектронных средств [1].
Сложные условия радиоэлектронной обстановки, которые обусловлены особенностями функционирования как объектов мониторинга, так и наличием преднамеренных и непреднамеренных помех, создают повышенные требования по помехоустойчивости, предъявляемые к пространственно-распределенным системам радиомониторинга.
Источники энергии на новых физических принципах применяются в современных средствах постановки помех. Они позволяют генерировать мощные электромагнитные помехи, которые вызывают определенные нарушения работы системы, вплоть до повреждения и полного отказа отдельных элементов [2], основанные на новых механизмах поражения (электромагнитном, тепловом, плазменном). Границы существования механизмов поражения зависят от плотности потока энергии, несущей частоты и длительности излучения помехи, частоты следования импульсов, длительности облучения объекта воздействия - системы радиомониторинга, его состояния и внешних условий в момент воздействия. Так как функциональная структура элементов пространственно-
Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-80-19
Кравцов Евгений Владимирович - ВУНЦ ВВС «ВВА», канд. техн. наук, тел. 8 (908) 137-83-31, e-mail: [email protected]
Пашук Михаил Федорович - ОАО «НТЦ РЭБ», первый заместитель генерального директора, e-mail: [email protected]
Стадников Максим Дмитриевич - ВУНЦ ВВС «ВВА», адъюнкт, тел. 8 (920) 219-77-66, e-mail: [email protected]
распределенных систем радиомониторинга, являясь аппаратурным отображением алгоритмов реализации операций мониторинга, представляет собой совокупность взаимозависимых элементов, отказ (нарушение работоспособности) любого из них приводит к снижению эффективности применения системы в целом.
Данное обстоятельство существенно осложняет задачу проектирования средств радиомониторинга с заданными параметрами помехоустойчивости, достигаемыми, как правило, за счет применения различных форм резервирования.
Это является причиной значительного увеличения объема аппаратурных затрат на реализацию таких систем в условиях эксплуатации, характерных для аппаратуры специального назначения, когда действие различных негативных факторов способствует возрастанию на несколько порядков интенсивности отказов ее функциональных элементов по сравнению с лабораторными условиями.
Существующее методическое и аппаратурное обеспечение испытаний радиоэлектронной техники на помехоустойчивость к воздействию мощных электромагнитных помех не удовлетворяет потребностям практики по достоверности и информативности результатов испытаний, точности измерения характеристик излучений и приема РЭС, частотному диапазону и времени на их планирование и проведение. Кроме того, проведение таких экспериментов связано с риском повреждения входных трактов радиоприемных устройств, испытываемых РЭС. Данное противоречие между необходимостью создания помехоустойчивых систем радиомониторинга и невозможностью проведения экспериментальных испытаний требует поиска альтернативных способов оценки помехоустойчивости и разработки технологии проектирования радиоэлектронных систем с требуемыми параметрами помехоустойчивости.
Результаты проведенного анализа выявили и позволили определить цель данной статьи -изыскание способов повышения помехоустойчивости систем радиомониторинга на основе применения технологии прогнозирования отказов ее основных подсистем и элементов на ран-
них этапах проектирования. Научный аспект решения сформулированной задачи заключается в поиске эффективных алгоритмов и способов оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга для обоснования требований к их подсистемам и элементам, а также создание специальных систем моделирования, позволяющих исследовать варианты схемотехнического и конструктивно-технологического исполнения данных систем на ранних этапах проектирования. Это позволит применительно к типовым задачам проектирования наиболее полно реализовать архитектуру интегрированной информационной среды и структуру проблемно-ориентированного программного обеспечения для прогнозирования помехоустойчивости систем радиомониторинга.
Текущий уровень функционирования системы радиомониторинга можно представить как некоторую композицию помехозащищённости ее подсистем, состояния которых формализуется безразмерными величинами в диапазоне (0...1), отображающими их возможности по выполнению функций по основному назначению в условиях воздействия помех:
ьсрм = ц ® ц ®... ® ьы, (1)
где Ц ... - уровни функционирования подсистем системы радиомониторинга.
Уровень функционирования системы радиомониторинга в целом может быть рассчитан на основе зависимости
1 (2)
lcpm
—1 + -
- +... + -
а
Ц1 Ц2 ЦЫ
где ах - коэффициенты важности подси-
стем, которые определяются экспертным путем. При этом должно выполняться условие нормировки:
(3)
а
срм
=а +а2+...+aN = 1.
В этом случае такое свойство системы радиомониторинга и ее подсистем, как выполнение своих функций и сохранение параметров в пределах установленных норм во время и после действия помех можно характеризовать некоторой упорядоченной совокупностью определяющих показателей N = (п,п2,...,щ), характеризующих уровни функционирования в зависимости от состава и количественных характеристик (частота Г , амплитуда А , длительность т, период следования электромагнитных импульсов Т ) помех. Следовательно, каждая подсистема характеризуется множеством критичных элементов и множеством каналов проникновения помеховых сигналов. На рис. 1 в качестве примера представлен состав каналов проникновения помех и критичные элементы в типовом комплексе радиомониторинга.
iJ
пор
(4)
Рис. 1. Каналы проникновения помеховых сигналов,
возникающих в результате воздействия мощных электромагнитных помех
Уровни функционирования подсистем системы радиомониторинга можно определить как отношение их возможностей по решению поставленных задач в помеховой обстановке к штатным возможностям:
( N Л
Li = Li ШТ ' 1 Sn V J=l
где L - уровень функционирования i-ой подсистемы системы радиомониторинга в условиях воздействия помех; Li[UI. - штатный уровень
функционирования i-ой подсистемы системы радиомониторинга; SJnop - степень поражения j -
го критичного элемента; j=1..N - номера критичных элементов.
Расчеты с использованием зависимости (4) проводятся для всех подсистем системы радиомониторинга, способствующих поддержанию основной (целевой) функции в зависимости от изменения параметров помеховой обстановки. Из полученных значений уровней функционирования подсистем системы радиомониторинга выбирается минимальный. Он будет определять помехоустойчивость системы радиомониторинга в целом, то есть
lcpm = min {А — Ln }. (5)
С учетом изложенного алгоритм оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга в средствах проектирования должен включать следующие операции:
- моделирование воздействий мощных электромагнитных помех;
- формирование состава и структуры каналов проникновения помеховых сигналов и аппроксимация их проходных характеристик;
- определение реакции критичных элементов на помеховые воздействия;
- расчет показателей помехозащищенности подсистем системы радиомониторинга;
- определение помехоустойчивости системы радиомониторинга;
- формирование требований к функционально-структурным характеристикам системы радиомониторинга.
Порядок оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга с учетом функциональной иерархии задачи, представлен на рис. 2. С его помощью можно дать точное описание алгоритмического обеспечения прогнозирования помехоустойчивости систем радиомониторинга к воздействию мощных электромагнитных помех (рис. 3).
Входными данными являются:
- последовательность входных воздействий - мощных электромагнитных помех, представленных в виде массива. Размерность массива определяется частотами дискретизации мощных электромагнитных помех МЭМП!, МЭМП2 ,.МЭМП1, где МЭМП1 - 7-ый член модели.
- состав и структура каналов проникновения помех КРр,КРр,...,КРр , представляемых в виде последовательности размера т, где т -количество узлов, определяемое как сумма рецепторов помехи и критичных элементов.
Рис. 2. Состав процедур оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга
Выходными данными алгоритмического обеспечения будет последовательность Рагащ, Рагащ,...,Рагат, определяющая реакцию критичных элементов на помеховые сигналы и значения контролируемых параметров, превышающие допустимые значения критичных элементов.
блоке (В) аппроксимируется входное воздействие. Результатом аппроксимации являются параметры мощного электромагнитного излучения. Во втором блоке (В) аппроксимируется состав и структура каналов проникновения по-меховых сигналов. Результатом аппроксимации являются параметры канала проникновения помех. В третьем блоке (В) определяются реакции критичных элементов к воздействию мощных электромагнитных помех. Для этого создается обширное семейство «созидающих» функций, определяющих реакцию критичных элементов. При этом формируется список путей проникновения помеховых сигналов в виде поддеревьев. После чего упорядочиваются метки всех узлов (критичных элементов) в дереве канала проникновения помех.
В четвертом блоке (В) оцениваются показатели помехозащищенности для всех поддеревьев каналов проникновения помех, а полученные значения показателей в блоках В и В6 сравниваются с допусками множества контролируемых параметров. В пятом блоке (В) оцениваются необратимые эффекты критичных элементов, а следовательно, необратимые катастрофические отказы элементов системы радиомониторинга. В шестом блоке ( В ) оцениваются обратимые эффекты критичных элементов и обратимые и необратимые деградацион-ные отказы подсистем системы радиомониторинга.
В случае несоответствия требованиям помехозащищенности (блок В ) формируются требования к оптимизации состава и структуры уязвимого канала проникновения помех. Для этого в блоках В и В ранжируется список помехозащищенности критичных элементов для канала проникновения помех и список помехозащищенности подсистем системы радиомониторинга. Это позволяет выявить все возможные рецепторы помех и оценить помехозащищенность подсистем системы радиомониторинга. В восьмом блоке ( В ) оценивается помехоустойчивость системы радиомониторинга в целом и формируются требования к ее функционально-структурным характеристикам.
Таким образом, приведенный вариант реализации алгоритма оценки помехоустойчивости системы радиомониторинга позволяет учитывать воздействия мощных электромагнитных помех на ранних этапах проектирования.
В приведенной на рис. 2 схеме алгоритма выполняются процедуры оценки помехоустойчивости системы радиомониторинга. В первом
В1 Аппроксимация мощных электромагнитных помех (А, а,ß ,w0,k,fs)
анализ входных воздействий
1
в: Аппроксимация каналов проникновения помех (IV* и, 5) формирование состава и структуры каналов проникновения помех «—
▼
вз read I(t); read U(I);
определение реакции критичных элементов Create ( V.Т1.Т2..Т:) Label (п,Т)
r
В4 Определение показателей помехозащищенности LeveEVoise (n,T) Parent (n,T)
В 5 __ Е>Едоп : =» Да
f нет
В6 А>Адоп Да
нет
В7 WTite(pz)
LevelNoise (iuT) Parent (n,T) Root (T)
I
B8 write(pu)
определение помехоустойчивости
и формирование требований к функционально-структурным характеристикам системы радиомониторинга
Рис. 3. Схема алгоритма оценки помехоустойчивости систем радиомониторинга в условиях воздействия мощных электромагнитных помех
Литература
1. Бененсон, Л.Д. Рассеяние электромагнитных волн антеннами [Текст] / Л.Д. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. - 1988. - Т. 33. - № 2. - С. 225 -245.
2. Воскресенский, Д.И. Эффективная поверхность рассеяния остронаправленных антенн и антенных решеток. Вопросы снижения эффективной поверхности рассеяния [Текст] / Д.И. Воскресенский, Л.И. Пономарев, А.В. Шаталов; под ред. П.Я. Уфимцева. - М.: ИЭ РАН. - 1989. -С. 117 - 125.
3. Панычев, С.Н. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Измерительная техника. - 1995. - № 5. - С. 56 -58.
4. Гладышев, А.К. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС [Текст] / А.К. Гладышев, Е.Ф. Иванкин, С.Н. Панычев // Измерительная техника. - 1995. - № 2. - С. 48 - 50.
5. Еремин, В.Б. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток [Текст] / В.Б. Еремин, С.Н. Панычев // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - № 8. - С. 61 - 70.
6. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенны на энергетические параметры спутниковых систем связи [Текст] / С.Н. Панычев // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 2001. - № 3-4. - С. 74 - 79.
7. Панычев, С.Н. Косвенный метод определения структурной составляющей рассеяния антенны [Текст] / С.Н. Панычев, Э.А. Соломин // Радиопромышленность. -М.: НИИЭИР. - 1993. - С. 60 - 62.
8. Панычев, С.Н. Оценка влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения плотности потока энергии электромагнитного поля [Текст] / С.Н. Панычев, П.М. Мусабеков // Метрология. -1998. - Т. 6. - С. 36 - 41.
9. Панычев, С.Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ [Текст] / С.Н. Панычев // Антенны.
- 2001. - №. 5(51). - С. 68 - 70.
10. Гладышев, А.К. Экспериментально-расчетная модель оценки характеристик рассеяния апертурных антенн [Текст] / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Метрология. - 1993. - № 11. - С. 24 - 28.
11. Гладышев, А.К. Оценка возможности применения измерительных антенн в качестве рабочих мер ЭПР / А.К. Гладышев, С.Н. Панычев, Е.Ф. Иванкин // Измерительная техника. - 1993. - № 2. - С. 57 - 59.
12. Ибрагимов, Н.Г. Методика и результаты эксперимента по исследованию характеристик отражения рупорной антенны в широком диапазоне частот [Текст] / Н.Г. Ибрагимов, С.Н. Панычев, В.А. Савинов. // Антенные измерения: сб. науч. трудов. Ереван: ВНИИРИ, 1990. - С. 191 - 192.
12. Кузнецов, А.А. Характеристики рассеяния линейных вибраторных решеток Ван-Атта [Текст] / А.А. Кузнецов // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - № 5. - С. 37 - 43.
13. Формализованный подход к генерации рациональных вариантов развития системы испытаний техники радиоэлектронной борьбы [Текст] / С.Н. Панычев. Д.М. Бывших, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2014. - Т. 10. - № 3-1. - С. 71-75.
14. Волков, А.В. Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области [Текст] / А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет // Вестник Воронежского государственного технического университета.
- 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 12-14.
15. Оптимальный прием и обработка радиосигналов в нелинейном канале ВЧ-облучения для дистанционного снятия акустической информации [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 5. - С. 94-98.
16. Расчетно-инструментальный метод анализа прохождения случайного процесса через нелинейную цепь
[Текст] / С.Н. Панычев, М.Ф. Пашук, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.Е. Ломовских // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. -№ 5. - С. 109-113.
17. Экспериментально--расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / В.М. Питолин, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, С.А. Акулинин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -
2013. - Т. 9. - №. 6-3. - С. 45-48.
18. Питолин, В.М. Анализ методов формирования сигналов и помех с заданными законами распределения параметров [Текст] / В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, А.В. Волков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - №. 5-1. - С. 34-36.
19. Панычев, С.Н. Алгоритм формирования имитационных помех с заданными спектральными и информационными свойствами [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, С.В. Канавин // Радиолокация, навигация, связь (RLNC- 2013): труды XIX Междунар. науч.-техн. конф. -Воронеж, 2013. - Т. 3. - С. 2012-2017.
20. Панычев, С.Н. Когнитивный алгоритм корреляционно-фильтровой обработки сложных сигналов на фоне гауссовых шумов [Текст] / С.Н. Панычев, С.В. Суровцев, Н.А. Самоцвет / Радиолокация, навигация, связь (RLNC-2014): труды XX Междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж,
2014. - Т. 4. - С. 2000-2008.
21. Экспериментально-расчетный метод определения двухсигнальной избирательности цифровых радиоприемных устройств [Текст] / С.Н. Панычев, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет, С.В. Суровцев // Интеллектуальные информационные системы: материалы ежегодной Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2014. - С. 4-8.
22. Панычев, С.Н. Методы формирования и обработки радиопомех с учетом их статистических свойств на основе технологий векторной генерации и анализа радиосигналов [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, Е.А. Сытник // Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО: материалы IV науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - М.: ГСКБ «Алмаз-Антей», - 2013. - С. 300306.
23. Авдеев, В.Б. Особенности современных методов моделирования приема и обработки случайных радиосигналов на фоне шумов и помех [Текст] / В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет // Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. - Воронеж: Воронежский институт ФСИН России, 2013. - № 4. - С. 90-97.
24. Панычев, С.Н. Моделирование приёма и обработки случайных радиосигналов и помех [Текст] / С.Н. Панычев, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: материалы XII Всерос. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, - 2013. - С. 18-19.
Воронежский государственный технический университет
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
Центр системных исследований и разработок - филиал ОАО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы» (г. Воронеж)
A METHOD OF EVALUATING NOISE IMMUNITY OF RADIO MONITORING SYSTEMS V.M. Pitolin, E.V. Kravtsov, M.F. Pashuk, M.D. Stadnikov
In article the algorithm and a way of a noise stability assessment in systems of radio monitoring for components justification and materials with the demanded characteristics, and also existence of resources for performance of basic researches at the circuitry and constructive-technological execution choice of data systems at early design stages are considered
Key words: noiseproof, design, radio monitoring
