CC BY
125
ТЕХНОЛОГИИ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ КОРАБЕЛЬНОГО РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ВООРУЖЕНИЯ НАДВОДНЫХ КОРАБЛЕЙ В ОТНОШЕНИИ ЭФФЕКТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ
Лазарев
Дмитрий Владимирович,
к.т.н., ведущий научный сотрудник Центрального научно-исследовательского института «Курс» г. Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова:
электромагнитное проектирование; корабельное радиоэлектронное средство; электромагнитная совместимость; электромагнитная безопасность; электромагнитная стойкость; специализированный аппаратно-программный комплекс.
£
О
с
Рассмотрены актуальные проблемы и современные решения системного проектирования и сопровождения корабельного радиоэлектронного вооружения надводных кораблей в отношении эффектов электромагнитной обстановки: обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, обеспечения электромагнитной безопасности в отношении промышленных и биологических рецепторов, обеспечение электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств к воздействию мощных импульсных электромагнитных излучений мобильных комплексов электромагнитного оружия. На современном этапе проектирования и сопровождения корабельного радиоэлектронного вооружения надводных кораблей одним из важных аспектов является электромагнитное проектирование морских радиотехнических систем верхней палубы. Это обусловлено большой плотностью размещения антенных постов многофункциональных широкополосных радиоэлектронных средств различного назначения радиолокационного и радиосвязного профиля. Задача электромагнитного проектирования надводных кораблей заключается в определении эффектов электромагнитной обстановки, складывающейся при функционировании радиоэлектронного вооружения. Актуальные решения в определении этих эффектов заключаются в решении следующих подзадач: электродинамическое моделирование электромагнитных процессов СЧ-СВЧ диапазонов для целей обеспечения внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, для целей обеспечения объектовой и внеобъектовой электромагнитной безопасности в отношении промышленных и биологических рецепторов, для целей обеспечения электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств к воздействию мощных импульсных электромагнитных излучений мобильных комплексов электромагнитного оружия. Для решения каждой из указанных подзадач и общей задачи электромагнитного проектирования надводных кораблей разработаны технология системного проектирования радиоэлектронного вооружения, оригинальные запатентованные инструменты в виде комплекса программного и аппаратного обеспечения. Разработанная совокупность организационного, методического, программного и технического обеспечения позволяет на ранних этапах проектирования решать поставленные задачи, проводить электромагнитное сопровождение надводных кораблей на основных этапах его жизненного цикла и снижать временные, материальные, финансовые, трудовые затраты, возникающие на этапах проектирования, строительства, испытаний и эксплуатации надводных кораблей.
На современном этапе проектирования и сопровождения корабельного радиоэлектронного вооружения надводных кораблей одним из важных аспектов является электромагнитное проектирование корабельных радиотехнических систем верхней палубы. Это обусловлено большой плотностью размещения антенных постов многофункциональных широкополосных радиоэлектронных средств различного назначения радиолокационного и радиосвязного профиля. Задача электромагнитного проектирования надводных кораблей заключается в определении эффектов электромагнитной обстановки, складывающейся при функционировании радиоэлектронного вооружения [1]. Актуальные направления в определении этих эффектов заключаются в решении следующих подзадач: электродинамическое моделирование электромагнитных процессов СЧ-СВЧ диапазонов для целей обеспечения внутрисистемной и межсистемной электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМС РЭС), для целей обеспечения объектовой и внеобьекговой электромагнитной безопасности (ЭМБ) в отношении промышленных и биологических рецепторов, для целей обеспечения электромагнитной стойкости радиоэлектронных средств (ЭМСт РЭС) к воздействию мощных импульсных электромагнитных излучений мобильных комплексов электромагнитного оружия.
Целью проводимых исследований является предложение современного научно-методического и аппаратно-программного обеспечения для решения проблемы системного проектирования радиоэлектронного вооружения надводных кораблей при их «электромагнитном сопровождении» на основных этапах жизненного цикла.
При проектировании, испытаниях и эксплуатации судов и специализированных морских объектов, укомплектованных значительным количеством радиоэлектронных средств различного назначения, а также на протяжении основных этапов их жизненного цикла, необходимо иметь возможность оперативно проводить экспертизу, оценку, мониторинг и анализ интегральных электромагнитных полей радиочастот в локальных областях и точках пространства для уменьшения рисков в отношении электромагнитных эффектов для персонала, легковоспламеняющихся жидкостей и газов, боеприпасов инициируемых электрическим зарядом, радиоэлектронного оборудования.
Автоматизированный комплекс моделирования электромагнитной обстановки и расчета параметров ЭМП СЧ-СВЧ диапазона на судах и специализированных морских объектах (АКМ-ЭМБ) предназначен для моделирования электромагнитной обстановки на проектируемых и эксплуатируемых судах и других морских инженерных сооружениях различного назначения, создаваемой их радиотехническим оборудованием непрерывного и импульсного излучения радиолокационного и радиосвязного профилей с целью научно-методической и конструкторско-техноло-гической информационной поддержки организационных и технических решений проектантов и эксплуатантов по обеспечению электромагнитной безопасности (ЭМБ) в отношении персонала и перевозимых грузов [2].
Программный комплекс АКМ-ЭМБ позволяет проводить расчеты для следующих радиотехнических систем:
расчет электрической напряженности (плотности потока мощности) электромагнитных полей, создаваемых РЭС с проволочными антеннами СЧ диапазона, со штыревыми антеннами ВЧ диапазона в ближней и дальней зоне, с вибраторными антеннами ОВЧ-УВЧ диапазона в ближнейи дальней зоне, с апертурными антеннами УВЧ-СВЧ диапазона в ближней и дальней зоне, с апертурными антеннами УВЧ-СВЧ диапазона в ближней дальней зоне. Программный комплекс АКМ-ЭМБ состоит из нескольких модулей: база данных судовых передающих РЭС радиолокационного и радиосвязного профилей, модуль обработки и графической конструкторской информации об исследуемом морском объекте и составе его РЭС, модуль выбора или задания нормируемых уровней электрической и магнитной составляющих напряженности электромагнитного поля, модуль расчета точечных и непрерывных значений парциальных и интегральных электромагнитных полей, создаваемых судовыми РЭС радиолокационного и радиосвязного профилей СЧ-СВЧ диапазона и анализа их уровней в соответствии с предельно-допустимыми уровнями (ПДУ), модуль формирования отчетов (визуализации) по результатам проведенных расчетных оценок проектов исследуемых морских объектов, модуль сохранения и загрузки рассчитанных проектов исследуемых морских объектов, модуль импорта файлов результатов измерений, полученных с помощью мобильного аппаратурного комплекса измерений.
Апробация комплекса моделирования электромагнитной обстановки и оценки электромагнитной безопасности на морских объектах (АКМ-ЭМБ) и заложенных в него аналитических методов расчёта электромагнитных полей (ЭМП) от радиоэлектронных средств различных диапазонов частот проведена на примере расчётно-оценочной экспертизы обеспечения электромагнитной безопасности в отношении персонала проекта отечественного универсального атомного ледокола (рис. 1). Комплекс моделирования позволяет рассчитывать карту распределения электромагнитных полей СЧ-СВЧ диапазона и их относительное превышение над предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) (рис. 2). Возможно детальное построение диаграмм энергетического вклада РЭС и гистограмм распределения парциальных и интегральных ЭМП (рис. 3).
Для каждого случая превышения ПДУ в контрольных точках для радиоэлектронных средств, имеющих высокие уровни парциальных электромагнитных полей и вносящих существенный вклад в интегральную электромагнитную обстановку, разрабатываются организационно-технические рекомендации (снижение излучаемой мощности, смена рабочих частот излучения, увеличение высоты расположения антенного поста, применение специальных затеняющих-экранирующих надстроек) по снижению уровней электромагнитных полей до допустимых.
Для решения задач обеспечения ЭМС РЭС и устранения недостатков, присущих стандартным способам измерений параметров электромагнитных полей (ЭМП) (универсальные наземные мобильные системы мониторинга ЭМП радиочастот, летающие лаборатории на базе самолетов), а также учёта особенностей эксплуатации технических
Iii t ^ ( L 1 I
Рис. 1. Проект атомного ледокола с указанием исследуемых контрольных точек
объектов морского базирования (ТОМБ) был разработай оригинальный способ измерений параметров физических полей верхней полусферы морских объектов [5].
Технический результат рассматриваемого изобретения заключается в повышении точности измерений, снижении затрат на их проведение, доступности и простоты проведения для проектантов и эксплуатантов исследуемого морского объекта. Указанный результат достигается за счёт того, что в заявленном способе фиксируются значения параметров ЭМП крупногабаритного морского объекта, без вывода его из эксплуатации, для любых положений чувствительных элементов радиоизмерительного комплекса по пеленгу, углу места и дальности по отношению к исследуемому морскому объекту и отсутствует необходимость применения сложных дорогостоящих операций с применением летаю-
щих лабораторий и наземных измерительных комплексов.
Данный способ основан на использовании морского автоматизированного воздушного радиоизмерительного комплекса (МАВРИК) с применением вертолётного беспилотного летательного аппарата (БПЛА), в том числе привязного типа. Способ предназначен для определения параметров интегрального или парциального электромагнитного поля, создаваемого радиотехническими средствами морского объекта, в локальных областях и точках пространства. К параметрам интегрального электромагнитного поля относятся энергетические, частотные, фазовые, временные и поляризационные параметры ЭМП [3].
Данный способ основан на использовании морского автоматизированного воздушного радиоизмерительного комплекса (МАВРИК) с применением вертолётного бес-
Q Kompejwa тожи Контре пы**точки
В«дашя гр»«я
| 0.Я41 а
0.4453351
Ö.37WS81
0.3076402
Ö.2387B23
Нижняя rfrawuS
0.1699443
Рис. 2. Карта распределения превышений ПДУ ЭМП
Рис. 3. Параметры парциальных электромагнитных полей в контрольной точке
пилотного летательного аппарата (БПЛА), в том числе привязного типа. Способ предназначен для определения параметров интегрального или парциального электромагнитного поля, создаваемого радиотехническими средствами морского объекта, в локальных областях и точках пространства. К параметрам интегрального электромагнитного поля относятся энергетические, частотные, фазовые, временные и поляризационные параметры ЭМП [3].
На рис. 4 показано взаимодействие различных компонентов измерительной системы, обеспечивающей реализацию первого варианта предлагаемого способа, где 1 - измеряемое ЭМП крупногабаритного морского объекта; 2 - источник измеряемого физического поля, например, антенна радиолокационной станции; 3 - крупногабаритный морской объект (например, корабль); 4 - управляемое беспилотное вертолётное аэроподъёмное устройство (АПУ) привязного типа, содержащее управляемый с внешней ЭВМ радиоизмерительный комплекс ЭМП (элементы радиоизмерительного комплекса);
5 - совокупность электрических кабелей, обеспечивающих работу валов электродвигателей, связанных с воздушными винтами аэроэлекгроподъёмного устройства (АПУ), обеспечивающих электропитание радиоизмерительного комплекса, обеспечивающих управление работой радиоизмерительного комплекса (также возможна реализация управления как АПУ, так и радиоизмерительным комплексом по беспроводным радиоканалам, однако такое техническое решение необходимо обосновать с позиций ЭМС РЭС); 6 - контейнер для транспортировки АПУ, содержащий также, например, рабочее место оператора, проводящего измерения, содержащий, в свою очередь, по меньшей мере управляющую ЭВМ; 7 - самоходный подвижный морской объект (например, катер). При этом рассматриваемый вариант данного способа может осуществляться как при стоянке исследуемого морского объекта, так и при его движении.
Для реализации разработанной технологии мониторинга ЭМП верхней полусферы кораблей и иных сложных техниче-
Рис. 4. Реализация разработанного способа измерения ЭМП для корабля
ских объектов морского базирования было разработать программное обеспечение визуализации результатов натурных испытаний морских объектов «Монитор ЭМО» [4]. Внешний вид программного обеспечения представлен на рис. 5.
Проблема обеспечения стойкости радиотехнических систем различного назначения (радиолокация, навигация, связь) к преднамеренным мощным электромагнитным воздействиям (МЭМВ) актуальна для всех современных радиоэлектронных комплексов гражданского и специального назначения. Острая необходимость обеспечения радиоэлектронной защиты (РЭЗ) современных многофункциональных радиоэлектронных комплексов обусловлена высокой степенью интеграции основных видов базовых несущих конструкций радиоэлектронного оборудования, начиная от шкафов и стоек до блоков и функциональных узлов, вплоть до компонентного уровня электронной элементной базы. При этом существенно увеличивается подверженность к различным видам отказов таких систем при влиянии
мощного внешнего электромагнитного воздействия, в том числе искусственного происхождения. Функционирование разрабатываемых радиоэлектронных систем в сложной электромагнитной обстановке (ЭМО) становится более традиционным условием их эксплуатации, особенно это характерно для подвижных объектов и сложных наземных инфраструктурных объектов. Тенденция к ужесточению эксплуатационной ЭМО, а также возможная вероятность преднамеренных МЭМВ приводит к выдвижению повышенных требований к РЭЗ и анализу стойкости, в первую очередь, особо ответственных стратегических радиотехнических объектов специального назначения.
Непосредственное влияние МЭМВ на радиоэлектронные средства различного назначения может привести к трём основным качественным эффектам: при воздействии источника МЭМВ на расстояниях порядка тысяч метров от рецептора воздействия происходит информационное подавление, проявляющееся в интенсивном воздействии элек-
Рис. 5. Внешний вид программы «Монитор ЭМО»
тромагнитных радиопомех, приводящих к полной потери полезного сигнала на время действия электромагнитного возмущения; при воздействии источника МЭМВ на расстояниях порядка сотен метров от рецептора воздействия происходит функциональное подавление, проявляющееся в полной или частичной потере работоспособности радиоэлектронного оборудования, которая сохраняется не только на время действия электромагнитного возмущения, но и после него, вследствие чего для восстановления работоспособности радиотехнической системы требуется вмешательство оператора; при воздействии источника МЭМВ на расстояниях порядка десятков метров от рецептора воздействия происходит физическое подавление, проявляющееся в физическом разрушении радиотехнических цепей и электрорадиоэлементов оборудования, приводящее к полному выходу из строя отдельных трактов радиотехнической системы, для восстановления работоспособности которой требуется замена функциональных узлов.
Рассматривая влияние излучаемых МЭМВ на радиотехнические системы различного назначения необходимо в первую очередь рассматривать такое влияние через антен-но-фидерные тракты таких систем, как наиболее уязвимых к данному виду воздействий. Для решения задачи расчётной оценки электромагнитной стойкости РЭС от воздействия
мощных импульсных электромагнитных излучений мобильных комплексов электромагнитного оружия разработано численно-аналитическое методическое обеспечение, позволяющее проводить оценку применительно к морским радиотехническим системам различного назначения, функционирующим в различных диапазонах радиочастотного спектра. При рассмотрении излучаемых ЭМП на радиотехнические системы различного назначения, в первую очередь, рассмотрено воздействие через их антенно-фидерные тракты, которые являются наиболее вероятными рецепторами и наиболее уязвимыми к данному виду воздействий.
По разработанной технологии и научно-методическому обеспечению было разработано специализированное исследовательское программное обеспечение (СИПО), позволяющее исследовать влияние каждого из восьми контуров прохождения электромагнитного процесса от источника к рецептору (рис. 6) [6].
Практическая значимость разработанной технологии и методического обеспечения каждого её этапа заключается в возможности на ранних этапах проектирования радиоэлектронных средств на основе расчётно-оценочной экспертизы их стойкости к потенциальным мощным преднамеренным электромагнитным воздействиям обосновать организационно-технические, конструкгивно-технологи-
Рис. 6. Внешний вид главной формы и результатов расчёта разработанного СИПО
ческие и структурно-схемотехнические решения, направленные на достижение заданного уровня радиоэлектронной защиты, а также существенно улучшить разработку программы и методик лабораторных, полигонных и натурных испытаний на этапе контрольно-инструментальной экспертизы (КИЭ) стойкости радиоэлектронных устройств к мощным преднамеренным электромагнитным воздействиям и интерпретации протоколов таких испытаний.
Полученная совокупность разработанных технологий, научно-методического и программно-аппаратного обеспечения для решения проблемы системного проектирования радиоэлектронного вооружения надводных кораблей при их «электромагнитном сопровождении» на основных этапах жизненного цикла позволит существенно сократить временные, материальные, финансовые и трудовые затраты разработчиков, строителей и эксплуатантов кораблей и специализированных морских объектов.
Литература
1. Бурутин А.Г., Балюк Н.В., Кечиев Л.Н. Электромагнитные эффекты среды и функциональная безопасность радиоэлектронных систем вооружения // Технологии ЭМС. 2010. № 1 (32). С. 3-27.
2. Лазарев Д.В., Горчакова Е.А. Научно-методическое обеспечение и аппаратно-программный комплекс оценки электромагнитной безопасности при функционировании объектов морской инфраструктуры II Проблемы развития
корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования. 2012. №1.С. 27-38.
3. Патент РФ 2481601. Способ измерения параметров физических полей верхней полусферы морского объекта / Клячко Л.М., Лазарев Д.В., Седов В.А., Чуриков А.Ю., Гор-чаковаЕ.А. Заявл. 04.08.2011. Опубл. 10.05.2013. Бюл. № 13.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014618032. Программный комплекс обработки параметров и визуализации конфигурации электромагнитных полей морских объектов в верхней полусфере / Лазарев Дмитрий Владимирович, Крутько Александра Николаевна, Чуриков Алексей Юрьевич, Седов Владимир Аркадьевич; per. от 08.08.2014, РОСПАТЕНТ.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614255. Автоматизированный комплекс моделирования электромагнитной обстановки, расчёта уровней электромагнитных полей, анализа экспериментальных данных и оценки электромагнитной безопасности морских объектов / Лазарев Дмитрий Владимирович, Глушко Елена Юрьевна, Союстова Алина Олеговна; per. от 13.04.2015, РОСПАТЕНТ.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015616004. Расчётная оценка стойкости радиоэлектронных средств к воздействию мощных сверхкоротких импульсных электромагнитных излучений / Лазарев Дмитрий Владимирович, Бикгеева Анастасия Максимовна; per от 28.05.2015, РОСПАТЕНТ.
Для цитирования:
Лазарев Д.В. Технологии системного проектирования и сопровождения корабельного радиоэлектронного вооружения надводных кораблей в отношении эффектов электромагнитной обстановки // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 5. С. 20-27.
TECHNOLOGY OF SYSTEM DESIGN AND MAINTENANCE OF SHIP RADIOELECTRONIC EQUIPMENT IN RELATION OF ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT EFFECTS
Dmitriy V. Lazarev,
Moscow, Russia, [email protected]
Abstrart
Actual problems and modern solutions for system design and maintenance of the ship's electronic equipment of surface ships against the effects of electromagnetic environment: ensuring electromagnetic compatibility of radio electronic means and ensuring electromagnetic safety for industrial and biological receptors, providing the electromagnetic immunity of electronic means to the effects of high-power pulsed electromagnetic radiation of mobile systems electromagnetic weapons. At the present stage of the design and maintenance of the ship's electronic equipment of surface ships with one of the important aspects is the electromagnetic design of marine radio systems of the upper deck. This is due to high-density multi-functional broadband antenna stations of radio electronic equipment for various purposes of radar and radio communication profile. The task of designing an electromagnetic surface ships is to determine the effects of electromagnetic situation emerging in the operation of electronic equipment. Recent decisions in the determination of these effects is to address the following subtasks: electrodynamic simulation of electromagnetic processes midrange UHF bands for the purpose of ensuring intra and inter-system electromagnetic compatibility of radio electronic means, for purposes of the object and out object electromagnetic safety for industrial and biological receptor, for the purposes of ensuring electromagnetic radio-electronic means of resistance to the effects of high-power pulsed electromagnetic radiation of mobile complexes of electromagnetic weapons. In order to solve each of these subtasks, and the general problem of the electromagnetic design of surface ships developed technology electronic equipment system design, original patented tools in the form of complex software and hardware. Developed a set of organizational, methodological, software and hardware allows the early stages of design to solve tasks, to carry out an electromagnetic tracking surface ships on the main stages of its life cycle and reduce the time, material, financial, labor costs incurred during the design, construction, testing and operation of surface ships.
Keywords: electromagnetic design; ship radio-electronic means; electromagnetic compatibility; electromagnetic safety; electromagnetic immunity; specialized hardware and software.
References
1. Burutin A.G., Baluk N.V. Kechiev L.N. Electromagnetic Environment Effects and functional safety of electronic weapons systems. Technologies of electromagnetic compatibility. 2010. No. 1 (32). Pp. 3-27. (In Russian).
2. Lazarev D.V., Gorchakova E.A. Scientific and methodological support and hardware-software complex assessment of electromagnetic safety in the operation of marine infrastructure. Problemy razvitiya korabel'nogo vooruzheniya i sudovogo radioelektronnogo oborudovaniya. 2012. No. 1. Pp. 27-38. (In Russian).
3. Patent RF 2481601. Sposob izmereniya parametrov fizich-eskikh poley verkhney polusfery morskogo ob"ekta [The method of measuring the parameters of physical fields of the upper hemisphere marine object]. Klyachko L.M., Lazarev D.V., Sedov V.A., Churikov A.Yu., Gorchakova E.A. Declared 04.08.2011. Published 10.05.2013. Bulletin No. 13. (In Russian).
4. Certificate of state registration of the computer program 2014618032. Programmnyy kompleks obrabotki parametrov i vizualizatsii konfiguratsii elektromagnitnykh poley mor-skikh ob"ektov v verkhney polusfere [The program complex of processing and visualization configuration parameters of electromagnetic fields offshore facilities in the upper hemisphere]. Dmitry Lazarev, Krut'ko Alexandra Nikolaevna, Churikov Alexey Yur'evich, Sedov Vladimir Arkad'evich; reg. 08.08.2014, ROSPATENT. (In Russian).
5. Certificate of state registration of the computer program 2015614255. Avtomatizirovannyy kompleks mode-lirovaniya elektromagnitnoy obstanovki, rascheta urovney elektromagnitnykh poley, analiza eksperimental'nykh dan-nykh i otsenki elektromagnitnoy bezopasnosti morskikh ob"ektov [The automated complex electromagnetic environment simulation, calculation of the levels of electromagnetic fields, analysis of experimental data and evaluation of electromagnetic safety of offshore facilities]. Dmitry Lazarev, Glushko Elena, Soyustova Alina O.; reg. 04.13.2015, ROSPATENT. (In Russian).
6. Certificate of state registration of the computer program 2015616004. Raschetnaya otsenka stoykosti radioelektron-nykh sredstv k vozdeystviyu moshchnykh sverkhkorotkikh impul'snykh elektromagnitnykh izlucheniy [The calculated estimation of resistance to the effects of radio-electronic means of high-power ultrashort pulse of electromagnetic radiation]. Bikteeva Anastasia Maksimovna, Lazarev Dmitriy Vladimirovich; reg. 05.28.2015, ROSPATENT. (In Russian).
Information about authors:
Lazarev D.V., Ph.D., leading researcher, Central Research Institute "Kurs".
For citation:
Lazarev D.V. Technology of system design and maintenance of ship radioelectronic equipment in relation of electromagnetic environment effects. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 5. Pp. 20-27.
