«Михайлов Виктор Алексеевич РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ...»

Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт «Аргон»

На правах рукописи

Михайлов Виктор Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ

УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор А.В.Царегородцев Москва

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………. ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы оценки устойчивого функционирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях преднамеренного воздействия мощных электромагнитных излучений..… 1.1 Анализ нормативных документов по обеспечению устойчивости инфокоммуникационных систем к воздействию СК ЭМИ в России и за рубежом 1.2 Особенности воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК………... 1.3 Обзор существующих методов анализа и оценки деструктивного воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК………………………………... 1.3.1 Расчетные методы ………………….………………………………….…. 1.3.2 Экспериментальные методы …………………………………….…..….. 1.3.3. Расчетно-экспериментальные методы………………………………….. 1.4 Анализ методов и средств обеспечения устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию мощных СК ЭМИ…………………………………....... 1.5 Выводы по главе и выбор направления исследований…………….….… ГЛАВА 2 Методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ…..…............. 2.1 Структура интеллектуальной системы анализа устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ……………………………………............ 2.2 Интеллектуальные методы решения задач оценки устойчивости элементов и узлов БЦВК к деструктивному действию СК ЭМИ………….……. 2.3 Нейросетевые методы обнаружения деструктивных ЭМВ...……….….. 2.4 Гибридные средства обнаружения деструктивных ЭМВ на элементы и узлы БЦВК…………………………………………………………………….… 2.4.1 Эволюционно-генетический подход…………………………………… 2.4.2 Нейросетевые экспертные системы в задачах обнаружения деструктивных ЭМВ…………………………………………………………………..… 2.4.3 Нейро-нечеткие методы для обнаружения деструктивных ЭМВ….….. 2.5 Выводы по главе…………………………………………………………..... ГЛАВА 3 Модели взаимодействия мощных импульсных электромагнитных полей с элементами БЦВК………………………………………………….…. 3.1 Структура и характеристики современных БЦВК…………………..….... 3.2 Организация систем информационного обмена и требования к стойкости каналов передачи данных современных БЦВК……………………….…. 3.3 Математическая модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных и управления БЦВК………………………………………………..….…… 3.3.1 Особенности построения высокоскоростных бортовых сетей на основе технологии Gigabit Ethernet………………………………………………..… 3.3.2 Анализ воздействия деструктивных ЭМИ на каналыопередачи данных БЦВК на основе технологииоGigabit Ethernet…………………………….…... 3.3.3 Математическая модель потерь кадров в сетяхоGigabitоEthernet при воздействии СК ЭМИ………..…………………………………………………. 3.4 Математическая модель взаимодействия СК ЭМИ с универсальными вычислителями контура управления БЦВК…………………………….….…. 3.4.1 Исследование воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на универсальные вычислители БЦВМ………………………….…..……. 3.4.2 Математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с микропроцессорными устройствами БЦВМ…………………………………. 3.4.3 Эффективность поражающего действия СК ЭМИ на печатные платы управляющих устройств БЦВК…………………………………………….….. 3.5 МетодикаооценкиовоздействияоСКИ ЭМИ наотиповые микропроцессорныеоустройства контураоуправления БЦВК…………………………..….. 3.6 Выводы по главе…………………………………………………………….. ГЛАВА 4 Критериально-математический аппарат построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ…………………………………………………...………….. 4.1 Базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ ………... 4.2 Основные этапы построения интеллектуальной системы с использованием адаптивных средств для обнаружениядеструктивных ЭМП на элементы и узлы БЦВК……………………………………….……………… …….…. 4.2.1 Иерархия уровней системы обнаружения деструктивных ЭМВ…….... 4.2.2 Организация иерархии уровней системы обнаружения деструктивных ЭМВ……………………………………………………………………..…….…. 4.3 Разработка показателей стойкости элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ……………………………………………….…… 4.3.1 Требования к элементам БЦВК………………………………………..… 4.3.2 Анализ эффектов, возникающих в БЦВК при деструктивном воздействии СК ЭМИ…………………………………………………..…………….… 4.3.3 Критерии оценки уязвимости БЦВК от воздействия деструктивных СК ЭМИ…………………………………………………………………….…… 4.4 Методика оценки стойкости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ 4.5 СценарииоработыоСОДЭМВопоообнаружениюовоздействияонао 4.5.1 Сервис маршрутизации……………………………………………..…… 4.6 Выводы по главе………………………………………………………….…. ГЛАВА 5 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивочти БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ 5.1 Модельоинтеллектуальной системыоанализа устойчивости элементовои узлов БЦВКок деструктивному воздействию СК ЭМИ…………………. 5.1.1 Модель системыообнаружения деструктивныхоЭМВ………………… 5.2 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.… 5.2.1 Нейросетевая реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ………............. 5.2.2 Организацияомногофункциональной памяти…………………….……. 5.2.3 Оценкаоэффективности реализации процессовоинтеллектуальной системы анализаои оценки устойчивостиоБЦВК к деструктивномуо 5.3 Структурныеорешенияонейросетевойореализации ИСАУоБЦВК….….. 5.3.1 Командные пулыоуровня формальногоонейрона………………….…... 5.3.2 Командныеопулы уровняослоя формальныхонейронов………….…… 5.4 Аппаратно-программные средстваоинтеллектуальнойосистемы обеспеченияоустойчивости БЦВК кодеструктивному воздействиюоЭМИ…….….. 5.5 Программнаяореализацияорежимов ИСАУ БЦВК при воздействии деструктивных СК ЭМИ…………………………….…………….…………….. ГЛАВА 6 Экспериметнальные исследования воздействия преднамеренных сверхкоротких элнктромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК… 6.1. Научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК……..……………………..….. 6.1.1. Выбор и обоснование объектов и условий для проведения экспериментальных исследований на воздействие СК ЭМИ……………………..….. 6.1.2 Выбор и обоснование экспериментальной базы для проведения экспериментальных исследований на воздействие СКИ ЭМП………………….… 6.1.3.Программаоиометодикиопроведенияоэкспериментальных исследований устойчивости БЦВКоковоздействиюомощныхоСКИ ЭМП…………………. 6.1.4 Обоснование требований предъявляемых к образцу, методам и средствам его испытаний на воздействие СКИ ЭМИ…………………………..… 6.2 Экспериментальные исследования воздействия СКИ ЭМИ на элементы 6.2.1 Критерии оценки устойчивости БЦВК при воздействии СКИ ЭМИ… 6.2.2 Результаты исследований устойчивости различных БЦВМ в условиях 6.2.3 Результатыоисследованийостойкостиоканаловопередачиоданных и управления БЦВК в условиях воздействия СКИ ЭМП……………………… 6.3 Методы обеспечения устойчивости бортовых вычислительных комплексов в условиях воздействия электромагнитных полей…………………. 6.3.1 Обобщенные рекомендации для защиты БЦВК………………………... 6.3.2. Практические рекомендации по результатам экспериментальных исследований БЦВК …………………………………………………………….... 6.3.3 Требования, предъявляемые к средствам защиты от СК ЭМИ…………. 6.4 Модельные эксперименты по оценке эффективности функционирования ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ…………………... Список сокращений и условных обозначений …………………..…………..

ВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие необходимость обеспечения защищенности элементов и узлов инфокоммуникационных систем от мощных электромагнитных излучений (ЭМИ) становится обязательным условием при проектировании многих объектов. Такое требование диктуют новейшие достижения в области генерации сверхмощных широкополосных электромагнитных полей (СШП ЭМП), а также имеющие место быть во многих сложных технических системах значительные по протяженности распределенные кабельные сети.

Кроме того, под влиянием развития элементной базы микроэлектроники все процессы в информационных системах смещаются в сторону увеличения быстродействия. Причем повышение быстродействия инфокоммуникационных систем сегодня происходит с временами переключения единицы и доли наносекунд, что позволяет существенно увеличивать объем информации, обрабатываемой в единицу времени. Особенно высокие требования по быстродействию предъявляются к системам, работающим в реальном масштабе времени. В таких системах значение оценки отношение стоимость/быстродействие с повышением быстродействия при неизменной стоимости постоянно снижается.

При этом надо иметь в виду, что компоненты любой сложной системы распределены в пространстве и связь между ними физически осуществляется при помощи сетевых соединений, реализованных в виде структурированных кабельных систем (СКС) (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т.п.). Всё это выставляет определенные требования, как к электронному оборудованию, так и к информационной инфраструктуре, которые следует рассматривать как единое целое, и нарушение информационной целостности в одном звене приведет к нарушению работы всей системы. К тому же, технология, обеспечивающая высокие скорости обработки информации, обладает повышенной чувствительностью к наведенным напряжениям и токам, вызванным электромагнитными полями от различных источников естественного и искусственного происхождения, включая преднамеренные силовые электромагнитные воздействия [35].

Особенно это относится к современным бортовым цифровым вычислительным комплексам, функционирующих в условиях преднамеренного воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений, которые занимают особое место в системах управления и контроля подвижными объектами, и все в большей степени оснащаются электронными элементами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. В связи с чем, сегодня особо остро стоит задача по защите бортовых цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) от воздействия сверхкороткоимпульсного электромагнитного излучения (СКИ ЭМИ). Кроме того, имеется устойчивая тенденция всё большего использования в современных бортовых цифровых вычислительных комплексах микропроцессорных устройств с временами срабатывания единицы и доли наносекунд и значительного уменьшения уровней и длительности сигналов для передачи информации, а также появление более мощных стационарных и мобильных излучателей, формирующих периодические и однократные сверхкороткие электромагнитные импульсы и обладающие принципиально новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников ЭМИ: соразмерностью длительности воздействующих импульсов с длительностью информационных сигналов.

Это приводит к тому, что уровень наведенных помех от ЭМИ становится сопоставим с уровнем информационных сигналов и, как следствие, возрастает вероятность разрушения обрабатываемой информации циркулирующей в БЦВК, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. [2, 69, 91, 98-99, 179, 186].

Также установлено, что эти источники способны оказывать воздействия на БЦВК и его элементы, приводящие к частичному нарушению целостности и полной потери передаваемого информационного сигнала, а в некоторых случаях к нарушению функционирования элементов и узлов БЦВК. При этом важной особенностью данного воздействия является часто не физическое разрушение элементной базы вычислительных комплексов и физических каналов связи, а искажение обрабатываемой информации.

В то же время существующие системы защиты БЦВК в условиях воздействия ЭМИ являются, как правило, малоэффективными, а в ряде случаев неприемлемыми как с технической, так и с экономической стороны, что существенно повышает важность решения проблемы по поиску новых методов обеспечения устойчивого функционирования бортовых систем управления.

Особую актуальность данная проблема приобретает еще и в связи с принятием нового поколения национальных и международных стандартов по электромагнитным явлениям и разработкой новых типов источников электромагнитной энергии, которые характеризуются более высокими значениями ЭМП и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной и субнаносекундной областях. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2-3 раза амплитуды напряженности полей с длительностью фронта до нескольких долей наносекунд. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие ЭМИ, сложность современного бортового оборудования затрудняют получение достоверной информации о степени поражения и механизмах поражения [3, 6, 38-41, 149-152].

Также в настоящее время Международная электротехническая комиссия (МЭК), являющаяся законодателем в области создания стандартов по электротехнике и электронике во всём мире, уделяет огромное внимание решению проблемы стандартизации, касающейся воздействия переходных электромагнитных явлений большой энергии. В серию международных стандартов МЭК 61000 (в России комплекс стандартов «Мороз»), регламентирующих мероприятия по обеспечению устойчивости аппаратуры к воздействию ЭМИ, включен МЭК 61000-2-13, "Электромагнитная совместимость. Сверхширокополосный электромагнитный импульс", определяющий форму и спектральный состав СШП ЭМИ.

Решение проблемы обеспечения стойкости БЦВК к воздействию мощных импульсных электромагнитных полей представляет собой сложный многоэтапный процесс. Особенностью заданий на разработку БЦВК является наличие одновременно различных по спектру действующих ЭМИ, что требует анализа и оценки воздействия ЭМИ на отдельные элементы и узлы, а в конечном итоге на весь бортовой комплекс в целом.

Деструктивное воздействие ЭМИ на бортовые вычислительные комплексы может быть обусловлено как непосредственным воздействием импульсных электромагнитных полей на элементы бортового комплекса, так и наведенными в соединительных линиях и цепях токами и напряжениями. Чувствительность элементов и узлов БЦВК к воздействию ЭМИ в зависит от целого ряда факторов, в частности, положения относительно направления векторов электрического и магнитного полей, геометрических размеров электрических цепей и контуров, их конфигурации, взаимных связей, номиналов электрических нагрузок, величин емкостных и индуктивных связей с элементами конструкций системы и окружающей средой, качества экранирования и т.д.

При этом, следует иметь в виду, что даже для тех элементов и узлов БЦВК, корпуса которых могут выполнять роль электромагнитных экранов, электромагнитные импульсы будут оказывать деструктивное воздействие через соединительные линии и разъемы. Таким образом, все виды проводящих систем, имеющихся в бортовом комплексе, играют роль коллекторов опасной энергии ЭМИ. Наведенные в проводниках токи и напряжения могут привести либо к электрическому пробою (изоляции кабеля), либо к повреждению подключенных к проводникам устройств, если в них имеются чувствительные к перенапряжению элементы. Наведенные импульсы могут разрушить и нарушить работу элементов БЦВК почти одновременно в ряде мест [82, 84, 130].

Особую опасность для элементов и узлов БЦВК, кроме наличия возможных протяженных проводящих систем, представляют также сравнительно низкая электрическая прочность элементов и, напротив, высокая чувствительность к электрическим помехам. Отдельно следует отметить, что актуальность данной работы определяется созданием в России Системы национальных стандартов по защите информации от преднамеренного электромагнитного воздействия в целях выявления, противодействия и минимизации последствий воздействия ЭМИ. В частности, появление проектов и вновь разработанных национальных стандартов, регламентирующих обеспечение устойчивости радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в первую очередь, военного и специального назначения, к воздействию СШП ЭМИ, в которых впервые выдвинуты требования по стойкости к воздействиям мощных электромагнитных импульсов техногенного происхождения. А также принятие в России стандарта, регламентирующего требования по стойкости РЭА к СШП ЭМИ - с июля 2008 г. введен ГОСТ Р 52863-2007 «

Защита информации.

Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к намеренным силовым электромагнитным воздействиям. Общие требования».

Кроме того, данная работа согласуется и с требованиями рекомендаций НТС ВПК от 23 марта 2007 г. № ВПК (НТС)-8прс по завершению создания в рамках комплексной программы развития АСУ ВС РФ на период до 2015 г. защищенных от электромагнитных воздействий средств автоматизированных систем военного назначения (АСВН).

И, наконец, глобализация мирового сообщества, интернационализация рынков, вступление России в ВТО – выдвигают дополнительные требования, и в этих условиях особую роль начинают играть стандарты, на соответствие которым проводится обязательная сертификация технических средств. Обязательное соответствие их требованиям является неотъемлемым фактором создания конкурентоспособной продукции, поэтому методология проектирования, инсталляции, эксплуатации радиоэлектронного оборудования должна адаптироваться под эти изменения, ориентируясь на безусловное выполнение требований стандартов при минимальных временных и материальных затратах, включая и требования к намеренным силовым электромагнитным воздействиям.

Проведенный анализ позволил выделить следующие направления исследований по данной проблеме в нашей стране и за рубежом:

- разработка методов расчета параметров электромагнитного поля (ЭМП);

- исследование воздействия электромагнитного импульса на БЦВК с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей объекта применения;

- разработка специальных методов оценки воздействия электромагнитного импульса на БЦВК и установление перечня параметров, определяющих поражающее действие ЭМИ;

- разработка системных методов и средств обеспечения устойчивости БЦВК к заданным воздействиям излучения.

Значительный опыт теоретического решения вопросов взаимодействия электромагнитных полей с конструкциями электронных средств накоплен в области ЭМС. Методы и технические решения, эффективно применяемые для обеспечения ЭМС, могут быть частично использованы для снижения уязвимости БЦВК в условиях воздействия ЭМИ [59, 122, 124]. По мере роста быстродействия БЦВК, требования к электрическим параметрам систем и помехозащищённости устройств ужесточались, что заставляло проводить более детальный анализ, основанный на более совершенных математических моделях.

На сегодняшний день несколькими научными школами, возглавляемыми российскими (Ю.В. Парфеновым, Н.В. Балюком, Ю. Сахаровым, Т.Р. Газизовым, М. И. Жуковским, С.А. Сухоруковым) и зарубежными (W. Radasky, C. Baum, D. Nitsch, I. Kohlberg, D. Giri, F. Tesche, H. Garbe, F. Sabath, M. Ianoz) специалистами, проведено значительное количество исследований, подтверждающих, что с помощью генераторов сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ), инжектирующих тем или иным способом импульсы напряжения в физическую среду передачи информации, можно воздействовать на обмен данными по сети между оконечными пользователями. При этом существующими средствами диагностики факт такого воздействия может не определиться, так как сетевое соединение при этом не разрушается.

Анализ литературных источников показывает, что вопросам защиты инфокоммуникационных систем уделялось и уделяется значительное внимание. Широко известны работы российских специалистов Барсукова В.С., Петрова В.А., Петракова А.В., Ярочкина В.И., Батурина Ю.М., Жодзинского А.М., Герасименко В.А., Мироничева С.Ю., Сюнтюренко О.В., Степанова П.В., Царегородцева А.В. и др. Практические рекомендации по защите средств вычислительной техники даны в материалах Гостехкомиссии, а также в стандарте TEMPEST и др. Но, как правило, приведенные материалы носят характер частных технических решений. Это не позволяет разрабатывать опережающие технические решения на серьезном теоретическом фундаменте.

Определенные успехи были достигнуты в решении задач анализа стойкости различных систем, создании методов измерений и экспериментальной проверки методик расчета, наведенных ЭМИ токов и напряжений в кабельных линиях, экранах и антеннах. Большой вклад в решение этой проблемы внесли советские и российские ученые: Кечиев Л.Н., Соколов А.А., Мырова Л.О., Сахаров К.Ю., Степанов П.В., Михеев О.В., Туркин В.А., Комягин С.И., Крохалев Д.И., Царегородцев А.В., а также научные коллективы ФГУ 12 ЦНИИ МО, ОАО «МНИРТИ», ФГУП «ВНИИОФИ», МИЭМ, ОАО «АРГОН», ОИВТ РАН, ФГУП «ЦентрИнформ», НИИПП, НИИИТ, ГНИИИ ПТЗИ.

Среди сотрудников НИИ «АРГОН», внесших свой неоценимый вклад в создание отечественных БЦВК, известные в стране и за рубежом специалисты в области вычислительной техники: Еремин А.Т., Карасик В.М., Китович В.В., Кондрашев А.Ф., Крутовских С.А., Ларионов А.М., Левшин В.И., Монахов Г.Д., Пржиялковский В.В., Смирнов Р.В., Соловьев А.А., Терещенко М.А., Черкесов В.Г., Штейнберг В.И., Шпиев В.А. и др.

В то же время, оценка стойкости структурно-сложных иерархических систем, какими являются, в частности, бортовые вычислительные комплексы представляют пока малоисследованную научную проблему. Систематизация и обобщение этих результатов, которые бы определили методологию обеспечения и оценки стойкости бортовых вычислительных управляющих комплексов к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов, прогноза параметров воздействия, средств защиты до сих пор не проведены.

Наряду со значительными достижениями в области обеспечения стойкости отдельных элементов и узлов бортовых комплексов существующие методы оценки воздействия сверхкороткого импульсного электромагнитного поля (СКИ ЭМП) не позволяют проводить достоверную оценку воздействия ЭМИ на БЦВК в целом [5, 9, 11-13, 25, 46, 78-79]. Это в значительной мере обусловлено структурной сложностью и иерархичностью бортового комплекса, и определяется целым рядом факторов, связанных как с непосредственным воздействием импульсных электромагнитных полей на элементы бортового комплекса, так и наводками токов и напряжений в коммуникационных каналах, что требует разработки современных и эффективных методов оценки воздействия ЭМИ на БЦВК. При этом, следует отметить, что в связи с насыщенность БЦВК аппаратурой со сложными электрическими цепями, оценка их стойкости в условиях воздействия СШП ЭМИ в большей части была получена только экспериментальным путем с использованием излучателей СШП ЭМИ. Но наличие научно-обоснованных математических моделей является непременным условием достоверной оценки уязвимости БЦВК при деструктивном электромагнитном воздействии. Отдельные подходы в области разработки методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих выполнение соответствующих требований при проектировании БЦВК представлены в работах Князева А.Д., Кечиева Л.Н., Петрова Б.В., Отта Г., Уайта Дж., Пауля К., Барнса Дж. Однако, эти подходы опять же носят частный характер, имеют ограниченную область применения, и не позволяют получить достоверную оценку предполагаемого воздействия. В связи с этим требуется анализ и систематизация имеющихся расчетно-экспериментальных данных и на этой основе развитие и совершенствование методов обеспечения устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию сверхкоротких электромагнитных излучений.

С учетом изложенного можно заключить, что в настоящее время сверхкороткоимпульсные электромагнитные воздействия являются новой серьезной угрозой для бортовых комплексов подвижных объектов, и в современных условиях проблема воздействия этих электромагнитных импульсов на такой класс систем управления становится одной из ключевых.

Все это требует пересмотра традиционных подходов к обеспечению и оценке стойкости бортовых вычислительных управляющих комплексов к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов и прогноза параметров воздействия в рамках новой методологии, позволяющей не только оценивать уровень устойчивости бортовых цифровых вычислительных комплексов к деструктивному воздействию СК ЭМИ, но и обеспечивать требуемый уровень их устойчивости путем реализации перспективных эффективных мер, таких как реконфигурация бортового комплекса и т.п.

При этом следует учитывать, что отличительной чертой воздействия СК ЭМИ на современные БЦВК является не физическое разрушение элементной базы бортового комплекса, а нарушение целостности информации, передаваемой по каналам связи и обрабатываемой бортовыми вычислительными машинами. Для идентификации воздействия ЭМИ на элементы и узлы БЦВК очень важно определить факт начала воздействия электромагнитного импульса, чтобы система автоматически могла предпринять своевременные меры по предотвращению процессов искажения циркулирующей в бортовой сети информации. Так, при обнаружении начала воздействия ЭМИ на элементы и узлы БЦВК появляется возможность еще до момента искажения или уничтожения информации, передаваемой по каналам связи и обрабатываемой бортовыми вычислительными машинами, в автоматическом режиме своевременно выдать команды управления о приостановке работы бортового оборудования, что позволяет свести к минимуму количество отказов и сбоев в работе или вовсе их исключить, существенно сократить временные затраты на восстановление работы отдельных подсистем БЦВК после возникновения сбоев и, как следствие, повысить качество функционирования ботового комплекса в целом.

Таким образом, анализ методов и средств оценки воздействия ЭМИ на структурно-сложные иерархические системы, какими являются бортовые вычислительные комплексы, показал, что для достоверной оценки устойчивости их к воздействию СК ЭМИ требуется разработка новой методологии, позволяющей проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия СК ЭМИ на БЦВК и его элементы.

Следовательно, проблема разработки и совершенствования методов оценки воздействия преднамеренных СКИ ЭМИ на БЦВК, а также разработка системных методов обеспечения их стойкости к электромагнитным воздействиям, является в настоящее время особенно актуальной, решение которой естественным образом вписывается в современные тенденции развития науки и техники и позволит обеспечить снижение деструктивного влияния СК ЭМИ и тем самым повысить эффективность функционирования существующих и вновь разрабатываемых перспективных бортовых цифровых вычислительных комплексов.

Данная работа призвана восполнить отмеченный пробел, так как посвящена решению научной проблемы, имеющей важное значение для экономики страны, а именно, разработке научно-методологических основ обеспечения и оценки стойкости бортовых вычислительных управляющих комплексов к воздействию мощных электромагнитных полей с учетом требований международных стандартов и прогноза параметров воздействия, и их интеграции в рамках единого комплекса интеллектуальных методов анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию перспективных и опасных сверхкоротких электромагнитных излучений.

Таким образом, актуальность поставленной проблемы определяется:

- дальнейшим совершенствованием генераторов сверхширокополосных электромагнитных импульсов и появлением перспективных типов источников электромагнитной энергии, которые характеризуются более высокими значениями электромагнитных полей и более короткими временными характеристиками, лежащими в наносекундной и субнаносекундной областях, являющихся одним из главных видов электромагнитных средств поражения XXI века и представляющих наибольшую опасность для информационной инфраструктуры структурносложных иерархических систем [3, 6, 36, 131];

- принятием нового поколения национальных и международных стандартов по электромагнитным явлениям и отсутствием систематизированных требований к методам и средствам защиты современных структурно-сложных систем, учитывающих характер и особенности деструктивного воздействия СК ЭМИ[3, 6, 38, 149];

- слабой теоретической и экспериментальной изученностью воздействия наносекундных электромагнитных полей на элементы и узлы бортовых вычислительных комплексов;

- отсутствием эффективных методов и расчетных моделей оценки воздействия полей ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, с возможностью их интеграции в рамках единого комплекса, позволяющего проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ на БЦВК;

- отсутствием эффективных методов обеспечения стойкости бортовых систем управления к деструктивному воздействию перспективных и опасных сверхкоротких электромагнитных излучений и эффективных механизмов, обеспечивающих возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации БЦВК в реальном режиме времени.

Цель работы. Обеспечение устойчивости функционирования БЦВК в условиях воздействия СК ЭМИ, на основе разработки новых эффективных методов и расчетных моделей оценки воздействия полей ЭМИ на элементы и узлы БЦВК позволяющих проводить интеллектуальный анализ параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного воздействия ЭМИ на БЦВК, включая минимизации временных затрат на восстановление комплекса после сбоев Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) анализ состояния проблемы обеспечения устойчивого функционирования структурно-сложных иерархических систем в условиях воздействия преднамеренных импульсных электромагнитных излучений;

2) обобщение существующих методов и моделей оценки устойчивости РЭА к воздействию СК ЭМИ и исследование особенностей воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы бортовых вычислительных комплексов;

3) разработка адаптивных моделей взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ;

4) разработка модели оценки воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК, отражающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их места воздействия, временных, частотных и энергетических характеристик;

5) разработка модели интеллектуальной системы анализа устойчивости элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ;

6) разработка методов интеллектуального анализа и оценки устойчивости бортового вычислительного комплекса к воздействию СК ЭМИ;

7) разработка методов защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока;

8) разработка научно-методического обеспечения проведения экспериментальных исследований бортовых вычислительных комплексов на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений;

9) проведение экспериментальных исследований устойчивости ряда БЦВМ к воздействию сверхкоротких импульсных ЭМП и анализ полученных результатов исследований;

разработка единого методологического комплекса системного решения проблемы обеспечения эффективного функционирования БЦВК, позволяющего проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в бортовом вычислительном комплексе для предотвращения деструктивного действия ЭМИ.

Объект исследования. Объектами исследования в работе выбраны типовые БЦВК, разработанные в НИИ «Аргон», их элементы, как общего, так и специального назначения.

Выбранные объекты являются наиболее перспективными для использования в авиационных и космических комплексах при решении задач управления и контроля на подвижных объектах.

Предмет исследования. Методы и модели анализа и оценки устойчивости функционирования БЦВК к преднамеренному воздействию СК ЭМИ.

Методологические и теоретические основы исследования. Методы исследования базируются на применении основных результатов теории больших систем, системного анализа, нейронных сетей, теории информации, теории вероятностей и теории случайных процессов, теории электромагнитизма и методов математической статистики. Активно использовались методы имитационного (в средах MATLAB Neural Network, MATLAB Simulink), полунатурного и натурного моделирования.

Научная новизна исследования.

Получены следующие основные новые научные результаты:

1. На основе проведенного аналитического обзора исследований по теме диссертации, показана необходимость пересмотра традиционных подходов к обеспечению работоспособности структурно-сложных систем при воздействии на их элементы СК ЭМИ и сформулированы предпосылки к разработке принципиально новых расчетных моделей анализа и оценки воздействия полей ЭМИ на структурно-сложные системы с возможностью их интеграции в рамках единого методологического комплекса, позволяющего проводить достоверную оценку устойчивости такого класса систем к воздействию СК ЭМИ на основе интеллектуальных методов анализа и оценки параметров искажений информационного потока в системе для предотвращения деструктивного действия СК ЭМИ.

2. Сформулированы базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости (ИСАУ) БЦВК на основе адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий (СОДЭМВ) на элементы и узлы БЦВК, являющейся ядром интеллектуальной системы. При этом нижний уровень решает проблемы оперативной идентификации ЭМВ, а верхний - накопления опыта по обнаружению последствий деструктивных ЭМВ на БЦВК путем использования датчиков ЭМВ, распределенных по структуре ИСАУ.

3. Предложена модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, учитывающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их места воздействия, временных, частотных и энергетических характеристик.

4. Разработаны адаптивные модели взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, в том числе:

- модель воздействия СК ЭМИ на микропроцессорные управляющие устройства БЦВК, учитывающая возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их амплитуды, фронта импульса и энергии;

- модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных (на основе технологий Fast и Gigabit Ethernet) современных БЦВК при воздействии периодических импульсных помех, учитывающая длину кадра и межкадрового интервала, с целью своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока;

5. Разработаны методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ на основе использования интеллектуальных механизмов нейронных сетей, нечеткой логики и гибридных, в частности, нейро-нечетких систем, а также генетических алгоритмов и эволюционных процессов наследования, развития, адаптации и отбора, обеспечивающих возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК в реальном режиме времени.

6. Разработана система показателей и комплекс методов защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока, позволяющий, в том числе, оптимизировать соотношение «стоимость/эффективность» защиты за счет размещения на иерархических уровнях ИСАУ только необходимых датчиков ЭМВ и оценивать устойчивость БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ через величины относительного ущерба и интегральные показатели активности распределенных по структуре ИСАУ датчиков ЭМВ.

7. Разработано научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК, позволяющее формировать программу проведения испытаний и критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

8. Разработана новая методология, направленная на решение проблемы обеспечения устойчивости функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов, позволяющая проводить интеллектуальный анализ и оценку параметров искажений информационного потока в системе для предотвраще-ния деструктивного действия ЭМИ на БЦВК, включая минимизацию временных затрат на восстановление БЦВК после сбоев вызванных этими воздействиями.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Новые базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК на основе адаптивной многоуровневой системы обнаружения деструктивных ЭМВ на элементы и узлы БЦВК.

2) Модель интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ, позволяющая обеспечить возможность идентификации и исправления периодических искажений в потоке обрабатываемой информации в реальном масштабе времени.

3) Комплекс моделей взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с элементами БЦВК для интеллектуального анализа и оценки устойчивости их к деструктивному воздействию СК ЭМИ, учитывающие возможные варианты реализации таких воздействий с учетом их амплитуды, фронта импульса и энергии, а также длин кадра и межкадрового интервала, с целью своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока.

4) Методы интеллектуального анализа параметров искажений информационного потока в системе с учетом априорного опыта экспертов и возможности извлечения любых знаний с целью повышения достоверности оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ.

5) Методы защиты БЦВК от воздействия СКИ ЭМИ на основе своевременного обнаружения фактов искажений информационного потока, позволяющие повысить устойчивость БЦВК и оптимизировать соотношение «стоимость/эффективность» защиты.

6) Методики проведения экспериментальных исследований БЦВК на воздействие преднамеренных СК ЭМИ, позволяющее формировать критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

7) Новая методология, направленная на решение проблемы обеспечения устойчивого функционирования бортовых вычислительных управляющих комплексов в условиях воздействия СК ЭМИ, позволяющая предотвращать деструктивное воздействие ЭМИ, включая минимизацию временных затрат на восстановление системы после сбоев.

Материалы, представленные в диссертации, характеризуются общей направленностью разработок. Они содержат совокупность новых научных обобщений и отвечают задачам современного развития теории и практики в области обеспечения эффективного функционирования современных и перспективных бортовых вычислительных комплексов в условиях воздействия сверхкоротких импульсных электромагнитных помех.

Практическая значимость.

Практическими результатами диссертационной работы являются:

1. Комплекс методик проектирования интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.

2. Комплекс моделей взаимодействия СК ЭМИ с элементами БЦВК интегрированных в адаптивную многоуровневую систему обнаружения деструктивных электромагнитных воздействий на элементы и узлы БЦВК.

3. Комплекс методик по оценке воздействия ЭМИ на кабельные линии и элементы современных бортовых вычислительных комплексов.

4. Требования к аппаратно-программным комплексам, обеспечивающим реализацию алгоритмов работы современных сетевых устройств БЦВК по передаче и обработке потоков цифровых информационных сигналов в соответствии с современными телекоммуникационными протоколами сетевого обмена.

5. Системные методы защиты бортовых вычислительных комплексов от СКИ ЭМИ с использованием структурно-функциональных и алгоритмических подходов к построению системы защиты от воздействия импульсного ЭМИ и рекомендации по совершенствованию методов и средств защиты БЦВК от воздействия СК ЭМИ.

6. Комплекс методик проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК, позволяющий формировать программу проведения испытаний и критерии оценки стойкости бортовых вычислительных комплексов с учетом требований к метрологическим, эксплуатационным и конструктивным характеристикам излучателей.

7. Обобщенная методика тестирования каналов передачи данных (на основе технологий Fast и Gigabit Ethernet) современных БЦВК в условиях воздействия СК ЭМИ.

8. Новые результаты экспериментальных исследований воздействия импульсных электромагнитных полей на БЦВК, позволяющие определять пороговые уровни и режимы воздействия излучателей СК ЭМИ на бортовую кабельную сеть и БЦВК.

9. Практические рекомендации по защите БЦВК от СКИ ЭМИ, позволяющие обеспечить стойкость бортового вычислительного комплекса в сложной электромагнитной обстановке.

10. Методические разработки на базе основных результатов диссертационной работы, предназначенных для инженерной практики и совершенствовании учебного процесса в вузах.

Достоверность полученных автором научных и практических результатов определяется математическими доказательствами сформулированных положений, расчетами и примерами, подтверждающими их эффективность, и сопряжением с существующими методами, а также:

­ обоснованностью выбора исходных данных, основных допущений и ограничений при постановке частных задач исследования и принятых в процессе математического моделирования;

­ удовлетворительным согласованием результатов с данными, полученными другими авторами для частных случаев и опубликованными в научнотехнической литературе;

­ соответствием расчетов с результатами экспериментальных исследований, проведенных лично автором;

­ апробацией результатов исследований автора на международных, всероссийских и ведомственных научно-технических конференциях.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Основные теоретические и практические результаты диссертации реализованы в ОАО «НИИ «Аргон» при непосредственном участии автора в разработке ряда унифицированных БЦВМ, информационно-управляющих систем авиационных объектов в НИОКР «Конверт», «Форейтор» и «Окно», 2009 г.; вычислительной системы телекоммуникационных спутников серии «Ямал», 2010 г.;

средств комплексирования бортовой системы управления космических аппаратов;

разработке промышленной технологии создания унифицированного отказоустойчивого вычислителя для комплекса бортового оборудования в ОКР «Кластер», 2012 г.; разработке технологии создания специального, отказоустойчивого, высокопроизводительного, модифицируемого бортового вычислительного комплекса специального назначения со встроенной гигабитной волоконно-оптической средой передачи информации для авиационных и мобильных объектов автоматизации и управления в ОКР «Волопас», 2013 г.

2. Разработанные методики, программы, технические решения использовались при формировании технических заданий на создание БЦВМ нового поколения. Использование результатов данной работы позволило повысить показатели устойчивости БЦВМ к воздействию перспективных СК ЭМИ.

3. Разработанные технические решения по защите от импульсных ЭМИ использовались в ОАО «МНИРТИ» при создании помехозащищенных спутниковых станций радиосвязи в ОКР «Метеор».

4. Результаты диссертационной работы находят широкое применение в учебном процессе в МИЭМ НИУ ВШЭ и МИРЭА. На их основе для подготовки студентов и магистров на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации»

существенно переработаны учебные курсы «Основы проектирования РЭА», «Сверхширокополосные импульсные электромагнитные воздействия на РЭС».

Научные результаты работы использованы для написания учебных пособий, методических указаний для студентов направления 210200.

Имеются 4 Акта о внедрения полученных автором результатов.

Апробация результатов исследования.

Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:

10-ой Российской НТК «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов», г. С-Петербург, 2008 г.; НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2008 г.; 6-й Международной конференции «Информационные и телекоммуникационные технологии в интеллектуальных системах», Греция, 2-6 июня 2008 г; научно-практической конференции ИНФО- «Инновации в условиях развития информационно-ком-муникационных технологий», 1-10 октября, 2008г., Сочи; 8-м и 9-м Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, СПб, 2009, 2011 гг.;

Международной НТК «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование», Москва, 21-25 ноября 2011 г; 8-й международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Абхазия, 17-29 сентября 2012 г.; 6-й Всероссийской НТК «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 19-22 ноября, 2012 г.; Международная конференция IREMW2013 Access Data Collection: {88682AA2-B816-4B9A-AAE4F418ECC88666} «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2013», Дивноморское, Геленджикский район, 23 июня-28 июня 2013 г.; научно-технических семинарах МИЭМ, МИРЭА с 2009 г. по 2012 г. и т.д.

Публикации. Научные и практические результаты работы отражены в опубликованных работах, в том числе 29 статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций. Получено 2 патента по теме диссертации: № 2132598 от 20.08.98 г., № 2138931 от 09.10.98 г., подана заявка на изобретение № 2014105854 от 18.02.2014 г.

Таким образом, на основе проведенных исследований в области создания помехоустойчивых телекоммуникационных систем, в частности, бортовых вычислительных комплексов, осуществлено обобщение и решение научнотехнической проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, позволяющая обеспечить повышение помехоустойчивости и эффективное функционирование бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях деструктивных электромагнитных воздействий.

Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены автором самостоятельно и соответствуют пунктам 3, 11 и 12 паспорта специальности 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит основная роль при постановке и решении задач, а также обобщении полученных результатов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и изложена на 390 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 91 рисунков и приложения с документами, подтверждающими внедрение основных результатов работы. Список литературы включает 276 наименований.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ

УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО

ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

1.1 Анализ нормативных документов по обеспечению устойчивости инфокоммуникационных систем к воздействию СК ЭМИ в России и за рубежом Лучшиеопрактики по разработкеои эксплуатации современныхотехнических средств связиоиосистем управленияопоказывают, чтоона сегодняшнийодень одной из самых сложныхопроблемоявляется обеспечение их устойчивой работыовоусловиях воздействия мощных электромагнитных излучений (ЭМИ) природного и техногенного происхождения [3, 59, 76, 149-152, 177, 187,197-199]. Как правило,овыделяют следующиеоглавные источники ЭМИ:огрозовые разряды, мощныеорадиопередающие средствао(РПС) и радиолокационныеостанции (РЛС), высоковольтныеолинии электропередачо(ВЛЭП), контактнаяосеть железныходорог (КСЖД), ЭМИ ядерногоовзрываои т.д.

При исследовании такогооуникального физическогооявления, какоядерный взрыв (ЯВ)обыли обнаруженыоособые,освойственные толькооэтому явлениюопроцессы, обладающиеотакже поражающимиофакторами: электромагнитный импульс радиочастотногоодиапазона, рентгеновскоеоизлучение иообширные ионизированныеообласти. РезультатыоисследованийоЯВ показали, что ЭМИ ЯВообладаетовыраженнойоспецификой воздействия на технические средстваоиообъекты воовсех окружающихосредах: вовоздушной среде,она поверхностиоземли, в грунте,оиоявляетсяосамымомощным искусственным источником электромагнитногооизлучения [6, 8, 38, 147, 150-152, 201].

Однакоово1963 годуобыл принят Международный мораторий на проведение ядерных испытанийовотрехосредах,опоэтому дляо продолженияоисследований электромагнитных процессов, возникающихопри ЯВи оказывающиходеструктивное воздействиеона техническиеосистемы и объекты,опотребовалось сооружение имитаторовоЭМИоЯВ, имитирующих оотдельные факторыовоздействия ядерногоовзрыва, что,ов своюоочередь, привелоокоформированию новогоонаучногоонаправления поосиловомуоэлектромагнитномуовоздействию на радиоэлектроннуюоаппаратуру. Воходеосоздания новых видовоядерного оружия изменялись иопараметры ЭМИ,овозникающих приоЯВ. Существенноосокращалась длительностьовоспроизводимых ЭМИ.оК началуо90-хогодов был освоенодиапазонодлительностей порядкаонаносекунд.оЭтооприводило корасширению спектра ЭМИовообластьовысоких частотои усиливалоовоздействие.оКромеотого,о результаты исследованийопоказали,очто повторяющиеся ЭМИоподобнойодлительности обладаюторядомосвойств, позволяющихоиспользоватьоих дляорешения задачодеструктивногоовоздействия на РЭА.

В связиос чем,ов последниеогодыона этой базеосталиоактивно продвигаться исследованияопоосозданиюооружия на основеоприменения ЭМИ соповышеннымовыходом электромагнитныхоизлучений (ЭМИ-оружия).оПоэтому параметры ЭМИовотечение 80-90-хог.онеоднократно видоизменялись, иовонастоящееовремяоони существенно отличаютсяооторанееоизвестныхопараметров и стандартизованыовосторону ужесточения.оВосвязи с этим,от.е.опостоянным совершенствованиемоядерныхобоеприпасов, уточнениемофизикиопроцессов меняются и параметрыовоздействующихофакторов, чтооприводит конеобходимости развития математических моделейовзаимодействия,ометодов расчета воздействия ЭМИ на РЭА, аотакжеосовершенствованиеометодовообеспечения стойкости. Иззаоограниченияоиспытания ядерногоооружияов последнееодесятилетие выполнениеоэтих требованийовоосновном обеспечивалосьоразработкойомаксимально строгихофизическихои математическихомоделейопроцессов, сопровождающих развитиеоядерногоовзрыва.

В связис этим, исследование действия современногооэлектромагнитного оружия, разрабатываемого вонастоящее времяовоСША, России и других ядерных странах,ооснованыонаопринципах излучения сверхкороткого электромагнитного импульса (ЭМИ)обольшойомощности,оспособного вывести вывестиоизострояорадиоэлектронную аппаратуруо(РЭА),ов первуюоочередь цифровую,опутем разрушенияополупроводниковыхоприборов,ополностьюоили частично нарушив ихонормальную работу.оПри этом, былооустановлено, что особенно ярко эти свойства проявляются при уменьшении длительности ЭМИ доозначений порядка десятков-сотенопикосекунд, когдаоих спектральный составолежитов интервалеоотосотен МГц дооединицоГГц. Отсюдаопоявился новый разделоприкладной электродинамики, оперирующийосоподобными импульсами – электродинамикаокоротких сверхширокополосныхоимпульсов или как принято называтьов настоящееовремя - сверхкороткие электромагнит-ные импульсы (СК ЭМИ).

излучений традиционныхоисточников преднамеренныхопомех сверхширокополосностью иобольшой импульснойоамплитудой. Спектральная плотность их распределенаовоинтервале от сотеноМГц дооединиц ГГц.

Отличительнойоособенностью данногоотипа излучения являетсяотакже соизмеримостьодлительностиовоздействующихоимпульсов с длительностью рабочих импульсов,оприообработке цифровойоинформации. Поэтому при воздействииоСКоЭМИонаокомпьютеры иоцифровые устройстваов их цепях наводятсяосигналы,оаналогичныеорабочим, чтооприводитоконарушению работыоцифровых систем.оПоэтому однойоиз возможныхообластей примененияотаких излучателейоявляется дистанционноеопоражение электронных компонентовоРЭА, вочастности цифровыхоустройств. Сегодняоони работаютонаовсеоболее высокихочастотах и болееонизких напряженияхопри большойоплотности элементов и,отаким образом,остановятсяонамного, более восприимчивы коимпульснымоСК ЭМИ. Кромеотого, необходимооучитывать, что наосовременном этапе отмечаетсяорезкое увеличениеодоли программного обеспеченияопо сравнению соаппаратными средствамопри одновременном увеличенииобыстродействияокомпонентов РЭА; переходоотосистем PDH к системамосинхроннойоцифровой иерархии (SDH)оиокоприменению широкополосных системоB-ISDN и АТМ.

Такимообразом, можно заключить, чтооработыопоосозданию источников мощныхоЭМИоведутся в следующихонаправлениях:

- создание источниковоэлектромагнитного излучения соосверхшироким спектромов диапазонеоото0,1 до 10 ГГц. Этаотехникаодостигла высокого уровняосовершенстваонаобазе генераторов искровымиои полупроводниковыми ключевыми элементами,оописанных,онапример, во[183-185, 187, 194, 196]. ЭМИ оэтогоотипаонаводятоимпульсы большой амплитуды наокабелиопитания, ввода – выводаоинформации,отелефонные линииосвязи,окоторые проникаюток элементамоцифровыхоустройств. Недостатком ЭМИосооспектром ниже 100 МГц являетсяонеобходимость создания передающейоантенныобольшой длины.

Вопротивном случаеоэффективностьоизлучения ЭМИ резко падает;

- созданиеоузкополосных сверхвысокочастотныхоЭМИ, которые более эффективныокаков частиопроникновенияовоаппаратуру не только путемонаводоконаокабельные линии, нооиочерез отверстия, щели,остыкиои экраныовоаппаратуре.

Кроме того, повышениеоизлучаемойомощности возаданном направлении легко обеспечиваетсяоСВЧоантеннами совысоким усилением.

Открытое обсуждениеопроблемыопреднамеренных электромагнитных воздействий (ЭМВ) началосьонаоконференции АмерЭМ 1996 г.осопленарной лекции профессораоВ.оЛоборева [35, 249]. В февралео1997 г.онаоЦюрихском симпозиуме пооэлектромагнитной совместимостиоМеждународныйосоюз радиоинженеров URSIообразовалоспециальный электромагнитногоотерроризмаоподоруководством Х. Уипфа. В февралео1998 г.осостоялисьопарламентские слушания воконгрессеоСША. С этогоомомента исследованияов СШАои рядеоевропейских страно(в первую очередь, в ГерманииоиоШвеции)ополучили резкоеоускорение.

Важным событиемостала резолюцияоСовета URSIопо преступной деятельности сопомощью электромагнитныхосредств [270]. Во2000 г.о«Угроза электромагнитногоотерроризма» впервыеостала отдельным разделомов списке тем Вроцлавского симпозиумаопооЭМС 2000 г.

В 2001 г.осостояласьопервая отдельнаяосекцияос рецензируемымиостатьями Цюрихского симпозиума пооЭМС [263]. Затем доклады, связанныеосопоражающим действиемо(ПД) ЭМВ, стали появлятьсяона каждомосимпозиумеопо ЭМС и на некоторыходругих конференциях.оИз отечественных публикаций следуетоотметитьоразделопо ПДоЭМВ «Технологии защиты системобезопасностиоотоэлектромагнитного терроризма»ов книгео[ 4, 7, 76, 77]. оПервая, целиком посвященная этой проблеме,околлективная монография [203]опоявилась в России. Наконец,она ЦюрихскомосимпозиумеопооЭМС 2007 г. воМюнхене впервыеосостоялсяовводныйокурс пооПД ЭМВо(Tutorial on Intentional IEMI) [218].оЭтот фактоярко свидетельствует оотом, чтоонакопилосьоужеодовольно многоонаучныхоисследованийопо этой проблеме,очто-быоможно было знакомитьос ееоосновами,ои что необходимоознакомитьосоэтой проблемойоширокий кругоспециалистов.оВотечениеопоследующихопят-надцатиолет была испытанаоогромная номенклатураообъектов,оначиная совооружения и военной техникиоиозаканчиваяобанкоматами,окассовымиоаппа-ратами и т.п.

Позжеопоявились книгиоизосерии «Библиотека ЭМС»о[10, 59], которыерассматривают специфику мощных электромагнитных воздействий наоаппаратуруои средстваотелекоммуникации,оа также справочник «Оружиеомира» [184], в котором описаныоосновные типыоэлектромагнитногоооружия.

В России ежеквартальнооиздается журнало«ТехнологииоЭМС», который освещаетоотечественные исследования поопроблеме электромагнитных воздействий.

Ежегодноопроводятся международныеоконференции иосимпозиумы по даннойопроблеме. Основныеоиз них: AMEREM/EUROEM,оEMC (USA),оEMC Asia, EMC Europe. В течение годаопроводятся рабочиеовстречи,оорганизуемые идеологомоданногоонаправленияоRadasky W.A и егоосоратникамиои объединяющиеоспециалистовоизоразных стран по проблеме защитыоот преднамеренных электромагнитныховоздействий. Наиболееоактивнымиоучастниками являются США,оГермания,оШвеция,оЯпония,оКитайоиотакиеоученые,окак W. Radasky, C.Baum, D. Nitsch, I. Kohlberg, D. Giri, F. Tesche, H. Garbe, F. Sabath, M. Ianoz и др.

В России раз водва годаопроводитсяоМеждународныйосимпозиум пооэлектромагнитной совместимостиои электромагнитнойоэкологии воСанктПетербургскомогосударственном электротехническомоуниверситете «ЛЭТИ»

им.В.И. Ульянова (Ленина). Ввидуобольшого количестваодокладов по исследованиямоПД ЭМВов 2009 г. воходе очередного симпозиумаобыла сформированаосекцияопооэлектромагнитнойобезопасности. Инициаторами создания осекции выступили Н.Б. Сафронов и Л.Н. Кечиев.

Потенциальную значимость вопросаооценкиоуязвимости информациионныхосистемопоказывает и разработкаокомплекса стандартов, регламентирующихотребования иопорядок проведения испытанийосистем обработки информации,овыполненных в защищённомоисполнении, к действиюоСКИ ЭМИ.

Работаопо разработкеокомплекса стандартов ведется кооперацией оорганизацийопредставляющих промышленность,оГосстандарт, ФСБ, ФСТЭК.

Как ужеоотмечалось, URSI инициировал,оа Международнаяоэлектротехническая комиссияо(МЭК) организовалаоактивную работуопо созданиюоряда новых стандартов,освязанных соПД ЭМВ. Этаоработа идет поообычной схеме координацииоМЭК и ее подкомитетовосодругимиоорганизациями (рисунок 1.1 [35] ).

Стоит отметить,очто во1999 г. приоМЭК был созданотехнический подкомитет ТК77С,озанимающийся исключительно вопросамиостандартизацииовообласти преднамеренных мощных электромагнитных воздействий иозащиты отоних [17]. Докладыопо состояниюоработ по стандартизацииовообласти ПД ЭМВ регулярнооделаютона симпозиумахопооЭМС МануэльоУик и Уильям Радаски, председательоТК77С в МЭК. оВонастоящий моментоосновное вниманиеостандартов ТК77Cосмещено восторону защиты отоЭМИ высокой мощности (HighоPower Electromagnetic — HPEM). Разработаныо19 документов: 14 международных стандартовои 5отехническиходокладовоМЭК,овокоторых изложены обзороданного вида ЭМИ, методологияоизмерений, параметры нагружения приоиспытаниях тыо(таблица 1.1)опо методам защиты распределенныхосистем электроннойоинфраструктуры от ПД ЭМВои методам оценкиоустойчивости систем коHPEM воздействиям [230-232].

IEC CENELEC

Рисунок 1.1 - Организация международной деятельности Т а б л и ц а 1.1 - Стандарты МЭК Электромагнитная совместимость. Части 4–35. Методы испытаний и измерений. Краткое руководство по устройствам, IEC/TR 61000-4-35: IEC/TS 61000-5-8: ГОСТ Р 51318.20-2012 Совместимость технических средств электромагнитная. Приемники звукового и телевизионного вещания и связанное с ГОСТ Р 51318.25-2012 Совместимость технических средств электромагнитная.

Транспортные средства, моторные лодки и устройства с двигателями внутреннего сгорания. Характеристики индустриальных радиопомех. Нормы и методы измерений для защиты ГОСТ Р 55266-2012 Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование сетей связи. Требования и методы испытаний ГОСТ 30804.4.11-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний ГОСТ 30804.4.7-2013 Совместимость технических средств электромагнитная общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств ГОСТ 32134.1-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства радиосвязи. Общие технические требования и методы испытаний ГОСТ CISPR 16-1-4-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости и методы измерений. Часть 1-4. Аппаратура для измерения радиопомех и помехоустойчивости. Антенны и испытательные площадки для В 2005ог МСЭ-Т (исследовательская комиссияо№ 15 (SG15)) былионачаты обсуждения рекомендаций, связанныхос исследованием влиянияоПД ЭМВ на телекоммуникационнуюоаппаратуру.

Одной изопоследних является РекомендацияоМСЭ-ТоИК 5 K.81о“HPEM immunity guideоfor telecommunication systems”, посвященнаяоиспытаниям на устойчивостьотелекоммуникационной аппаратурыоиоцентровообработки данныхок ПД ЭМВ [273, 275], аотакже проектостандарта IEEE P1642 [233], вокотором приводятся практическиеометоды защиты компьютерныхосистем от ПД ЭМВ.

Опираясь наомеждународный опытосоздания стандартов, направленных наозащиту отоэлектромагнитнойоугрозы, в России ведетсяоработа по созданиюосистемы национальных стандартовов областиозащиты информацииоот преднамеренных электромагнитныховоздействий.

При ФСТЭКоРФ сформированотехнический комитетопоостандартизациио«Защита информации»о(ТК 362).оЭтим комитетоморазрабатывается целеваяосистема стандартов поозащите от ПД ЭМВ [17, 65, 190- 193].

В 2007ог. даннаяоугроза включенаовосостав ГОСТоР 50922-2007, содержащий термины,оопределения иоперечень факторов, овоздействующих на информацию.оВ этоможеогоду разработан ГОСТ Р 52863-2007 «Защита информации.

Автоматизированные системы в защищенном исполнении.оИспытания наоустойчивость копреднамеренным силовымоэлектромагнитнымовоздействиям. Общиеотребования».оЭтот ГОСТ устанавливает:

­ требования устойчивости коПДоЭМВ;

­ степени жесткостиоиспытаний;

­ методы испытаний.

Воначале 2010 г. принят ГОСТ Ро51317.1.5-2009 «Совместимость технических средств электромагнитная.оВоздействия электромагнитныеобольшой мощностионаосистемы гражданскогооназначения.оОсновныеоположения». Стандарт дает общееовведениеов даннуюообласть деятельности,отермины и определения, аотакже содержитосведения обоэлектромагнитных воздействиях большой мощности,оих влиянииона системыогражданского назначенияои методах защитыосистем отоэлектромагнитных воздействийобольшойомощности.

На сегодняоразработаны стандарты, находящиеся на стадии утверждения:

- ГОСТ Р «Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Средства защиты от преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. Общие требования».

- ГОСТ Р «Защита информации. Автоматизированные системы в защищенном исполнении. Средства обнаружения преднамеренных силовых электромагнитных воздействий. Общие требования».

Стандарты по безопасности ИТ, принятые в 2012-13 г.

ГОСТ Р ИСО/МЭК Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий. Часть 1. Введение и общая модель ГОСТ Р ИСО/МЭК Информационная технология. Методы и средства 18045- ГОСТ Р ИСО/МЭК Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий. Часть 3.

ГОСТ Р ИСО/МЭК Информационная технология. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки безопасности информационных технологий. Часть 2.

В стандартах по средствам обнаружения и защиты дана их классификация и определены предъявляемые к нимотребования.

Стандартопооорганизации иосодержаниюоработ поозащите от ПД ЭМВ разработан соучетом:

­ применения научноообоснованного системногооподхода кообеспечению защиты, предусматривающегоорациональное сочетаниеоее различныхоструктурных компонент:озащиты помещения,осредств обеспеченияо(электропитания, заземления,окоммуникации), повышенияоустойчивости коПД ЭМВосамих о средств информатизации,опримененияосредств обнаруженияои защиты,оорганизационных мер.оЗащитаостроитсяоадекватноопроектной угрозе;

­ интеграцииосистемы защитыоот ПДоЭМВ вокомплексную системуобезопасности объектаопутем ееодополнения иофункционального расширения;

­ реализацииоэтапов проведенияоработ приосоздании системыозащитыоиопри эксплуатации АСЗИов защищенном исполнении.

Планируемоеов 2014 г.овведение стандартов в действиеов совокупностиос ГОСТ Р 52863-2007 позволит образоватьооснову нормативной базы,окоторая станет одной изоосновополагающих компонент отечественной системыоорганизационно-технических мероприятий по защитеоинформации от даннойоугрозы. Последующее развитиеои конкретизация нормативнойобазыодолжны производиться ужеопреимущественно наоведомственномоуровне.

Дальнейшимионаправлениями деятельностиопо даннойотематикеоявляются:

1.оРазработкаоГОСТ пооорганизацииои проведению контроля защищенности автоматизированныхосистемов защищенномоисполнениио(АСЗИ) от отоПД ЭМВ.

2. Развитие и конкретизацияоположений стандартовов нормативныходокументаховедомств/отраслей соучетом ихоспецифики.оТакимиодокументами должны стать: модельоугроз;оспециальные требованияоиорекомендации, строительные нормыоиоправила; типовые методики испытаний; инструкцииопо эксплуатации. Неотъемлемой составной частью процессаозащиты АСЗИ отоПДоЭМВоявляетсяопроведение контроля защищенностиообъектов информатизацииоотоданной угрозы.оОн долженоосуществлятьсяонаофедеральном, ведомственномои объектовом уровняхои связан совыполнениемоопределенных целевых процедур,опроводимых уполномоченными органамиои должностными лицами.оОчевидно, чтоопервоочереднымиотребованиями,опредъявляемымиок контролю защищенностиоАСЗИ, выступают егоообъективность и независимость.

Дляоэтого необходимоосозданиеосоответствующейоорганизационно-технической системы,опостроениеоиофункционирование которой требуетонормативного обеспечения вовидеоГОСТ.оЕго разработкаовоближайшее времяодолжнаов основномозавершитьоформированиеонормативнойобазы поозащитеоАС отоПД ЭМВ, вочастности,оПроект нормативного документа «Специальные требованияоиорекомендации по технической защитеоинформации от преднамеренных деструктивных электромагнитных иоэлектрических воздействий».

Такимообразом, создаваемая системаонациональных стандартов по защите информации отопреднамеренных электромагнитных воздействий открывает широкиеоперспективы для практическогоорешения вопросов повышения безопасностиоинформации и объектовоинформатизации в РФ.

Понятие «сверхширокополосный»овпервые было официальноовведеноов 1990 г.оКомиссия Управления перспективных военныхоНИОКРоМинобороныоСША (DAPRA) для разделения радиотехническихосистем по занимаемой ими полосе частот ввелаообщее определениеоотносительной полосыочастот гдеоfhоиоflо– верхняя и нижняя границы спектральной полосы по уровню –10 дБ ( 10 дБосоответствует уровню 0,7).

В соответствии соэтим определениемосистемыоилиосигналы, имеющие о 0,01, отнесены к узкополосным;о0,01 < 0,25 – к широкополосным;

0,25 < 1 – к сверхширокополосным (СШП оUWB). Это определениеов настоящееовремя широкооиспользуетсяов отечественнойоиозарубежной литературе.

Данное определениеобыло скорректировано Федеральнойокомиссией связио(FCC) США в 2000 г. По определению FCC, к СШП относятся все системы со спектральной полосойоне менеео1,5 ГГц,оаотакже устройства,оу которых ширина спектральнойополосы по уровню – 10 дБ составляет, по крайнейомере, 25 % отозначения центральной частоты.

В стандарте МЭК 61000-2-13 [149] для классификации сигналов вводится процентная ширина спектра (percent bandwidth) Стандарт определяетоследующие типы электромагнитныхосигналов в зависимости отопроцентной ширины спектра:

оузкополосный сигнало (narrowband signal)о pbw < 1 % (например, радиосигнал с амплитудной модуляцией (AM));

сигналосоосреднейошириной спектрао(moderate bandwidnh signal) 1о%о< pbw < 25 % (например, телевизионный сигнал);

сверхширокополосный сигнал (ultrawideband (UWB)signal)pbw > 25 %.

Энергетический спектроСШП-ЭМИ.

На рисунке 1.2опредставлены характеристикиоразличных типовоэлектромагнитногооизлучения:огрозовойоразряд;оЭМИовысотногооЯВ; сверхширокополосный ЭМИ;оузкополосныйоЭМИ.о Рисунок 1.2 - Различные типы электромагнитной обстановки Частотныйодиапазон от сотеномегагерцодо гигагерцовключаетовосебяо помехиоискусственногоонеядерного происхождения. Этоокакоразосфера, наокоторуюораспространяетсяоупомянутый выше стандарт МЭК 61000-2-13.оВ неморассматриваются мощныеоэлектромагнитныеовоздействияо(HPEM – High powerоelectromagnetic). Болееоопределенно:окоHPEM относятся электромагнитные излучения искусственногоопроисхожденияос пиковым электрическим 100 В/мо(чтоосоответствуетоплотностиопотокаоэнергии 26,5оВт/м2)ов частотном диапазоне отосотен мегагерц доонескольких гигагерц. Выборотакого частотногоодиапазона связаносотем,очтоодостаточно интенсивныеосигналыоводиапазоне от 200 МГц до 5 ГГц вызываютоповреждения воомногих системах,оа также с возможностямиосовременных излучателей.оДанный стандарторассматривает СШПокак часть HPEM, кудаовходят также другие виды воздействий вотом жеочастотномодиапазоне,онапример узкополосныеоизлучения (HPM – High power microwave).

Таким образом, согласно стандарту МЭК 61000-2-13 под СШП ЭМИ понимаются импульсные электромагнитныеополя искусственногоонеядерного происхожденияос параметрами:оpbwо>о25о%; амплитуда электрическогоополя оВ/мои более; частотный диапазон отосотеноМГцодоонесколькихоГГц [130].

Важнооучесть, что на расстоянии Rоот источникаомощностьоЭМИозависит ототехнологииосоздания аппаратуры иосовершенностиоконструкцииоантенны.

Разработанные в настоящееовремя излучателиоСШП ЭМИосоздают поляонапряженностью доо100 кВ/м.о Анализ источников электромагнитныхоизлучений [47, 79, 82, 93, 191-193, 197, 264] показал:

1. Источникамиоэлектромагнитных помехоестественного происхождения являются:омолнии, геомагнитныеобури,оэлектростатическиеоразряды. Анализ существующихоматериаловопоказывает,очтоовоэтойообластиов основном проработаны физика воздействия,ометоды оценки и соответствующиеометоды защиты.

2. Источникамиоэлектромагнитных помехоискусственного происхожденияоявляются: ЭМИовысотного ядерногоовзрыва,оизлученияоРЛСои РПС, индустриальные помехиоЛЭП, КСЖД, высоковольтныеоустановки ЭМИоЯВ, генераторы сверхширокополосного иомикроволнового излучения, технические средстваонамеренного силового воздействия. Анализоих показал,очто:

- излученияоРЛСои РПС,оиндустриальные помехи ЛЭП, КСЖДотакже в основном проработаны физика воздействия,ометодыооценкиои соответствующие методы защиты;

- ЭМИ высотного ядерногоовзрыва, высоковольтные установкиоЭМИ ЯВ,огенераторы сверхширокополосного иомикроволнового излучения,отехнические средстваонамеренного силовогоовоздействия постоянно осовершенствуютсяосоучетомосовременных достиженийонауки, отехникиои современных требований по электромагнитнойобезопасности.

ЭМИ ВЯВ имеетокрутой фронт (единицы наносекунд) большие размеры зоновоздействия полей на поверхностиоЗемли и в воздухео(сотни – тысячи километров),онаводит большие амплитуды импульсов напряженияои тока в технических системахо(сотни киловольтонаометр).оЭкспериментальныеоданные натуральныховзрывов свидетельствуютоо выходеоизострояосистем связиои энергоснабженияонаорасстоянияхоото100одо 2000окмоотоэпицентраовзрыва.о Основные сведения по параметрам ЭМИоВЯВоизложены в стандартеоМЭК 61000-2-9, поотокамои напряжениямовоМЭК 61000-2-10.

3. Методы оценкиоустойчивости информационных систем иотребования к средствам защитыоих от существующих генераторовоСШП ЭМИоиоперспективных разработокодолжны разрабатываться,оисходя изоследующихопараметровоЭМП:

- напряженность электрическогоополя водиапазоне от 1 до 200 кВ/м;

- длительность фронта импульса – от 100 до 500 пс;

- длительность импульса – от сотен пикосекунд до единиц наносекунд;

- частота повторения импульсов – от 0,1 до 1000 Гц.

4. Микроволновое излучение - электромагнитное излучение наносекундной и микросекундной длительности в узкой полосе частот, расположенной между 500 МГц – 10 ГГц. Пиковая мощность в антенне от 10 кВт до 20 ГВт, энергия на выходе генератора от 100 Дж до 20 кДж, напряженность электрического поля от кВ/м до 100 кВ/м, частота повторения импульсов до 1 кГц, несущая частота от до 15 ГГц.

5. Параметры электромагнитных факторов являются основой для разработки методов расчета воздействия, стандартов, методов и средств воспроизведения, испытаний и защиты.

6. Проблема защиты информационных систем и объектов от действия мощных электромагнитных помехофундаментальна, актуальна, сложнаои многогранна. Базируетсяос одной стороны наофундаментальных исследованияхОфизики явления,омеханизмововзаимодействия полейос объектами, а с другой стороны наоимеющихся возможностях методов воспроизведения,оиспытаний и существующихосредств защиты.

Особенности воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК Как отмечалось выше,оважной особенностьюоСК ЭМИ являетсяопотенциальная эффективность иховоздействия на радиоэлектроннуюоаппаратуру. Широкополосность иовысокая частота повторенияоСК ЭМИ делаютоэтот вид электромагнитногоовоздействия значительнееоопаснее воздействияоэлектромагнитного импульсаоядерного взрыва.

Особенностью СК ЭМИоявляется ихомалая длительностьо(от десятков - сотенопикосекунд до единицонаносекунд дляопервых полупериодовоимпульсов пооуровню 0,5 от амплитуды),осоизмеримая с длительностьюорабочих сигналов электроннойоаппаратурыои сетей передачиоданных структурно-сложных систем.

Основнаяоспектральная плотность находится вополосеочастот от сотен мегагерц дооединиц гигагерц [225, 149]. Высокая скважность обеспечиваетобольшие значения импульсных напряженностейопри низких уровняхосредней мощности ( Uо> –b;

–0,5: еслионапряжение U (В) лежитов интервале –b > U > –a;

0: еслионапряжение U (В) лежит в интервале a > U > –a;

0,5: еслионапряжение U (В) лежитов интервале b > U > a;

1: еслионапряжение U (В) лежитов интервале > U > b.

Приовоздействии СК ЭМИ исходныйосигнал подвергается искажающему воздействиюоаддитивнойопомехиововидеоцентрированногоогауссова шума z, иззаочего, согласноомодели PAM-5-кодирования, возможныоследующие комбинацииоискажения исходнойопоследовательности символов, представленныеониже:

" 1" может принять значения " 0,5" может принять значения "0" может принять значения " 0,5" может принять значения Определимовероятность появленияонапряжений –1 В, –0,5 В, 0 В, +0,5 В, +1 В с помощьюоэкспериментальных методов.

экспериментальныхометодов. Примерообработки осциллограммыос помощью пакета MATLAB 2009b дляоудобства идентификацииоуровней сигналов «–1», «– 0,5» «0», «0,5» «1» иоподсчитаны частотыопоявления каждогоосимвола (рисунок 3.14).

Осциллограмма +0, Представление сигнала после обработки в Matlab Рисунок 3.14 - Результатообработки фрагментаоосциллограммы в пакете p(0) = 0,2150; p(0,5) = 0,1175; p(1) = 0,1775.

Аналогичноовыражаем вероятностьоединичного сбоя Pe для спецификации 1000Base-T:

эквивалентногоогауссоваошума, овероятность того, чтоомгновенная амплитудаогауссова шума z приметозначение, меньшее V, поосоотношению где erf(x) - функция ошибок.

значения p(-1), p(-0,5), p(0), p(0,5), p(1) и задавая уровниоa = 0,25; –a = –0,25;

b = 0,75; –b = –0,75, получаем вероятностьоискажения единичногоосимвола Подставляяополученные значенияов (3.3), окончательноополучаем мультисервисныхосетях Ethernet.

Отдельноорассмотрим, какоосуществляется учеторазличной длиныокадра вомультисервисных сетяхоEthernet вероятностномуораспределению Парето [66, 67] с параметрами Xm и k.

Плотностьовероятности убываетопо показательномуозакону Обозначим теперь Npacket – среднююодлину кадра, а Npause – среднюю прежними, ноозначение длиныокадра, котораяов ниховходит, подберемотак, В результатеовычисленийосамымоблизким значениемооказаласьосредняя распределеныопо законуоПарето, будетоследующей Видно, чтооотличие отоформулы (3.2) состоитотолько вотом, чтоовместо длиныокадра здесьостоит эффективнаяодлина кадра, определяемаяоравенством трафикаосводится коизменениюодлины кадра, поэтомуодалееоэтот вариантов работеонеорассматривается.

3.4 Математическаяомодель взаимодействия СК ЭМИ соуниверсальными вычислителямиоконтура управленияоБЦВК 3.4.1 Исследованиеовоздействия сверхкороткихоэлектромагнитных импульсовона универсальныеовычислители БЦВМ Воработах [69, 84, 85] показано, чтооуровни СК ЭМИ, приводящиеок нарушениюоработы микропроцессорныхоуправляющих устройств, составляют несколькоокВ/м. Поэтомуов качествеоисточника излученияоиспользовалась 4-х рупорнаяоантенная системаоапертурой 0,36м*0,36м, возбуждаемаяогенератором импульсовонапряжения амплитудойо30 кВ и длительностьюофронта около 200 пс. Частотаоследования импульсовоизлучателя составлялао100 Гц. Так как генератороне имеловозможности регулировкиоамплитуды импульсов, дляоослабления СКоЭМИ использовалсяорадиопоглощающий материалотипа «Терновник», которыйочастично перекрывалоапертуруоантенны [118-121, 171].

В качествеообъекта исследованияоиспользовался процессорныйомодуль БЦВМ, основныеотехнические характеристикиокоторого приведеныов таблице 3.2.

Приоисследовании процессорныйомодуль размещалсяона высоте 0,7 м отопола вопомещенииодлиной 20 м. Передопроведением испытанийопроводилось измерениеопараметров СК ЭМИосоздаваемых наоразличныхорасстояниях от апертурыоантенныопооосиоизлучения. Регистрацияопроводилась сопомощью полосковогооизмерительного преобразователяоИППЛ-5 (времяонарастания переходнойохарактеристики необолее 70 пс) иостробоскопического регистратораоTDSSODO (полоса 50 ГГц).

Результатыоэксперимента показали,очто амплитудаопервой положительнойополуволны сигналаополя изменяетсяопо закону 1/R. тооесть этаополуволна являетсяопрямым излучениемоотоантенны. Искажениеоимпульса поомереоудаления отоантенны свидетельствуетоо наличииоотражений импульсовополяоот стенопомещения. При расстоянияходо 6ом этиоотражения практическиоотсутствовали.

Вначале излучательорасполагался максимальноодалеко отообъекта исследований, затемомедленно придвигалсяоконему. Приоэтом фиксировалисьоэффекты уязвимостиопроцессорногоомодуля.

В результатеоиспытания былиополучены следующиеорезультаты. На расстояниио12,7 м (Е=3,l кВ/м) процессорныйомодуль «завис»очерез одну секунду.

Приоповторении послеоперезагрузки процессоро«завис» почти мгновенно.

Т.к. эффектыоот воздействияоСК ЭМИ наоуниверсальный вычислительоБЦВМ держалисьоподонаблюдением наорасстоянии от 12 до 14 м, гдеовоздействующий СКоЭМИ кромеопрямого излученногоосигналаовключают восебя отраженныеоот стеносигналы, былоосделано решениеов уменьшенииомощности излучателяос помощьюоперекрытия половиныоапертурыоантенны радиопоглощающимоматериаломоиоповторитьоиспытанияопри техоже уровняхополя, ноопри уменьшенных R. Приопроведении повторныхозамеров параметровоСК ЭМИобылоовычислено, чтооамплитудаоизлучаемых импульсовополя стала меньше, ноосама формаоосталась безокаких-либо изменений.

Приозатененной апертуреоизлучателяона дальностио12 метров, аозатем и приоувеличении близостиоизлучателя сначалаодо отметки 11 метров, а затем доо10 метров, отказовов работоспособностиопроцессорного модуляоне отмечалось. Наорасстоянии 9ометров (Е=2,7 кВ/м) процессоро«завис» сразу.оПри продолженииосближенияоизлучателяоэффектозависанияоснова воспроизводился, и точкиосамого плохогоопроявления эффектаозависания (время облучения до «зависания» доо20 секунд) находилисьона расстояниио7 метров (Е=4,2 кВ/ м) ио метров (Е=5,4 кВ/ м). Приодистанции 4ометров (Е=6,8 кВ/м) сбой вычислителяобыла черезо3-5 секунд [63].

Исходяоиз этого, при полнойоапертуре антенныосбой вычислителяоБЦВМ происходитонаобольшихорасстоянияхопри сравнительноомалом значенииоамплитуды прямогооизлученногоосигнала (2 кВ/м), затооамплитуда вторичныхоотраженных сигналов; которыеотакже воздействуютона облучаемыйообъект, велика. Приоуменьшении мощностиоизлучения заосчет перекрытияочасти апертурыорадиопоглощающим материаломоформаоизлучаемого сигналаоне менялась,оа устойчивыйоэффект сбояопоявляется приозначительно большемозначении амплитудыопрямого излучаемогооЭМИ (5 кВ/м и более). Получается, чтооосновной вкладов уязвимостьовычислителя вносятоотраженные отостен помещенияосигналы. Для оценкиоуязвимости вычислителяопри воздействииоСШП ЭМИ безоотражений, было сделаноорешение о проведенииоисследований наооткрытой площадке. Исследованияобыли проведеныопри полнойоапертуре антенн.оУменьшение силыоизлучаемого сигналаос цельюонахождения точкиосбоя процессораовычислялось при помощиоувеличения расстояния (повторныеоотражения отсутствовали).

Из результатовоэксперимента, следует, чтооформа импульсаополя от расстоянияопочти неизменна. Незаметныеоразличия в сигналахоможно наблюдать наовторой полуволнеоимпульса, которые, судяопо всему, вычисляютсяос помощьюоналожения на основнойосигнал отраженияоот земли (датчик иоизлучатель былиопа высоте 0,7 метра отоее поверхности).

Результатыонаблюденийоза воздействиямиоизлучаемых импульсовона универсальныйовычислитель БЦВМ показалиоследующее. Наодистанции 11 метров о(Е=3,7 к В/ м) неонаблюдалось сбояопроцессорного модуля. Наодистанции 6, метра (Е=6,5 кВ/ м) вычислительопочти сразуо«повис». Послеоперезагрузки иоповторе воздействияо«зависание» случалосьопочти мгновенно.

В таблице 3.3 собраныоглавные результатыонаблюдений вычислителя БЦВМ наооткрытом пространствеои вопомещении. Тутоуказаныозначенияонапряженностиополяои дистанцияодо излучателяопри полученииостабильного (повторяющегося) результатаосбоя универсальногоовычислителя.

Т а б л и ц а 3.3 - Значения напряженностейоэлектрическогоополя А36, половина апертуры 2,7 кВ/м (9 м)* 6,8 кВ/м (4 м) сбоиопроисходили нестабильно,опри уменьшенииорасстояния повторяемость зависанияоухудшалась.

Из вычисленныхорезультатов исследованийоможноосделать выводы:

вычислители наиболееоуязвимы вопомещениях, гдеоприсутствуют отраженияоот стен;

наооткрытом пространствеонет «провалов» в эффектеосбояопри сближенииоизлучателя иоисследуемого объекта, аов помещенииоони есть. Можетобыть, в помещенииоданные «провалы» объясняютсяоне понижениемоэффекта сбоя СК ЭМИоизлучением, а повышениемоэтого эффектаона больших расстоянияхоиз-за дополнительныхоотражений [130, 169, 194].

3.4.2 Математическая модельовзаимодействияоэлектромагнитногоополя сомикропроцессорными устройствамиоБЦВМ В современныхомикропроцессорныхоустройствах БЦВКосистемная платаобазовогоовычислителя выполненаонаобазе процессорногоомодуля наопечатной плате. Приоэтомопроводники, которыеонапечатаны наоплате, становятсяоисточниками излученияоэлектромагнитныхополей (ЭМП). Послеовоздействия СКИ ЭМПоможет произойтионарушение работоспособностиотаких устройств.

Традиционныморешением приосозданииопечатныхоплат являетсяоиспользование чередующихсяоэкранирующихослоевос максимальнойоплощадьюоэкранирования.оОднако соувеличением быстродействияоаппаратуры данныйоспособ неодает достаточнооэффективной защитыоот внутреннихоэлектромагнитныхопомех, иззаоизлучений, которыеопроизводят печатныеопроводникиомикропроцессорныхоустройств.

Если о известен принципоустройства многослойнойоплаты, котораяосостоит изонескольких склеенныхомежду собойосигнальных слоев имеющих специальный рисунокопечатногоомонтажа иозаданные электрическиеосвязи междуослоями, то дляообеспеченияоуправляемыхоперекрестных наводокомногослойнаяопечатнаяоплата имеетосплошныеоэкранирующие слои. Онио соединеныонапрямую соослоем «GND» переменногоотока [28, 29, 122].

Минусыоэтой конструкции:

1. Оченьовысокая овероятность потериоработоспособности платыопри увеличенииогабаритных размеровоплаты и использованииосплошных экранирующих слоевоиз-за возможностиорасслоения, по винео физическихосвойств диэлектрикаоиопроводящего слоя.

2. Высокийоприростоуровняовнутреннихоэлектромагнитных помехоприоприменении печатнойоплаты вопроизводительных устройствах, котороеовызвано воздействиемовысокочастотных ЭМП.

3. Использованиеосплошныхоэкранирующихослоев приводитокоувеличению весаопечатной платы.

Пустьо такжеоизвестенопринцип устройстваомногослойной печатнойо платы состоящейоизонескольких сигнальныхослоев сооспециальным рисунком печатного монтажа, чередующихсяос экранирующимиослоями, которыеовыполны вовиде сетки, это позволяет понизитьовес платыои увеличить ее отказоустойчивостьоиз-за меньшейовероятностиоееорасслоения.

Минусы даннойоконструкции:

1. Плохаяоустойчивость копомехам и мощноеовлияние перекрестных наводокопри наличииопроводниковоразного сеченияои конфигурации, чтооговоритоо невозможностиоее примененияона повышенныхочастотах, приомалом временионарастания иоспадаоинформационного сигнала,оаотакже приоиспользовании приборовособольшим входнымосопротивлением, и соувеличением площадиомногослойнойоплаты всеонедостаткиорезко оувеличиваютсяов силе.

2. Большоеоувеличение уровняовнутренних электромагнитныхопомех приопримененииопечатной платыов производительныхоустройствах, вызванноеовоздействием СКИ ЭМП.

Оченьоблизким к правильномуотехническомуорешению являетсяоконструкция многослойнойопечатной платы, состоящейоизодиэлектрических сигнальныхослоев, которыеосодержат специальныйорисунок печатногоомонтажа, а такжеоэкранирующихослоев, выполненныхов виде сетки и оборудованных печатнымиопроводниками, повторяющимиоустройство проводниковоближайшего сигнальногоослоя.

Изъяном даннойоконструкции являетсяото, что приоиспользовании печатнойоплаты в производительныхоустройствах, оченьосильно возрастаетоуровень внутреннихоэлектромагнитных помех в результатеовоздействия ЭМП.

Перечисленныеовопредыдущем разделеоэффекты объясняютсяотем, что излучениеоСК ЭМИ наводитона печатномомонтаже микропроцессорныхобортовых устройствотоки и напряженияос частотойои формой сигналаоблизкимиок рабочимосигналам этихоприборов. В видуовысокой напряженностиовоздействующего поля, аотакже малыхоуровней рабочихосигналов восовременной технике, наведённыеоимпульсы приводяток сбоям и неправильномуофункционированию.

При построенииоматематическойомоделиовзаимодействия электромагнитного поля с печатнымомонтажом микропроцессорных бортовыхоустройств, расчетотоков ионапряжений, наведенныхона проводящийообъект,обудем осуществлятьос использованиемоинтегрального уравненияоэлектрического поляо(ИУЭП) вочастотном представлении [169]. Приоэтом сначалаобудем вычислятьотокиона частотах, аовременная формаоимпульсов тока находитсяообратнымопреобразованиемоФурьеодля свертки частотногоопредставления токов осо спектромовоздействующегооимпульсаополя.

Интегральное уравнениеоэлектрического поля Приовыводе ИУЭП полное электрическоеополе представляетсяов виде суммыопадающего E (ноля без объекта) иорассеянного E (обусловленногоотоками иозарядами, наведеннымиопадающим полемона поверхностиообъекта) полей где r - радиус-вектор точкиопространства: - частотаопадающего поля.

Рассеянноеополе выражаетсяочерез токи j r иозаряды r наоповерхности проводникаоS черезовекторный магнитныйопотенциал A r иоскалярный электрическийопотенциал Ф r следующим образом где k=2/ - волновое число; R=| r r | - расстояниеомежду произвольноорасполоэ ция вектора J.

Воуравнении (3.13) приозамене поверхностнойоплотности заряда плотностьюотока использованооуравнение неразрывности:

поверхностиоS импеданскоеограничное условиеоЛеонтовича в виде [83] где - поверхностный импеданс металла;ополучаемоинтегральноеоуравнение электрического поля:

где E tan r - касательная к S составляющая падающегооэлектрическогоополя.

Введение поверхностногооимпеданса позволяетопри решенииозадач рассеянияоилиоизлучения моделироватьоэлементы активногоои реактивногоосопротивления [11-13].

Для печатныхопроводниковона системнойоплате вычислителяоБЦВМ будеморешать уравнение (3.16) методомомоментов соиспользованием «тонкопроволочногооформализма». Приоэтом исследуемаяолинияомоделируется участкамиопроволокиокруглогоосечения, и делаютсяоследующиеоприближения:

ток течетотолько в направленииоосиопроволоки;

плотностиотока и зарядаоаппроксимируютсяонитямиотока I и заряда наооси проволоки;

условиео(3.15) применяетсяотолько к аксиальнойокомпоненте поляона поверхностиопроволоки.

С цельюочисленного решенияоуравнения (3.16) геометрияообъекта аппроксимируетсяопрямолинейными проволочнымиоотрезками (рисунок 3.15). Каждомуоместуосоединенияодвух проволочныхоотрезков (неграничному узлу) поставимов соответствиеобазисную функцию, отличнуюоот нуляолишь наосоответствующейопаре отрезков, гдеоона имеетовид (рисунок 3.16):

где n - номероузла;

знаки «-» и «+» в качествеоиндексов приписаны первому (W n ) и второму (W ) отрезку вопаре, соответственно;

I - длинаопроволочного отрезкаоW n ;

r n - радиус-вектор второгоо(отличного от n-го узла) концаопрополочного отрезка W.

Рисунок 3.15 - Отрезокопроволоки и егооаппроксимация Рисунок 3.16 - Модуль базиснойофункции, соответствующейоn-му узлу Ток наопроволочной структуре аппроксимируетсяоразложением пообазисным функциям где N – числообазисныхофункций (т.е. числоонеграничных углов);

I – коэффициентыоразложения.

Применяя колевой иоправой частям (3.16) процедуруовзвешивания соиспользованием, согласноометоду Галеркина, вокачестве весовыхофункций базисныеофункции, получимоNоуравнений вида проволочнойоструктуре, определенно как Переменная интегрированияоI в (3.20) связанаос осьюопроволочной структуры.

Вооизбежание двойногооинтегрирования приовычислении интеграловов тервалов,ов результаточего данныеопринимаютовид Подстановка разложенияотока (3.18) вовыражении (3.12), (3.13) приводит копреобразованию уравненийо(3.21) восистему линейныхоалгебраических уравненийо(СЛАУ):

Коэффициенты и правая часть СЛАУ вычисляются по формулам:

В соответствииос допущениямио«тонкопроволочного формализма», приФ овычислении A mn, интегрированиеопо поверхностиозаменено интегрироваmn ничныйовектор вонаправленииоосиопроволоки). Заметим, чтооинтегрированиеов (3.25), (3.26), какоиовоболееообщиховыражениях (3.12), (3.13), производится пооштрихованной координате.

Матрицао Z mn выражаетовлияние поверхностногооимпеданса Разрешаяосистему (3.22) относительноонеизвестных коэффициентоворазложения (3.21), получаемораспределение токовона заданнойочастоте. Соответствующиеонапряжения наоактивных иореактивных элементахообъекта, моделируемыхос помощьюоповерхностного импеданса,озаданного наоучастке I, могутобыть полученыос использованиемоформулы [11-13].

С использованиемовышеописанногоометодаои разработанногоонаоего основеопрограммного обеспеченияорешалась задача по расчетуоимпульсного тока, наводимогоов печатномомонтаже системнойоплаты вычислителяоБЦВМ приовоздействии импульсного ЭМП (рисунок 3.17) [109].

Вообобщенном видеорезультаты оценкиомаксимальных поо амплитуд, наводимыхоимпульсов токаовозависимости отодлины печатногоомонтажа L, представленыонаорисунке 3.18.

Рисунок 3.17 - Геометрия задачиои форма воздействующего импульсаополя Рисунок 3.18 - Максимальнаяопо амплитудаоимпульсов токаов печатном монтажеов зависимостиоот L приоамплитуде воздействующегооимпульса 1 В/м Максимальнаяоамплитуда токаодля проводниководо 20 мопри амплитудеомА.

воздействующегооимпульса 1 В/м составила Соответствующееоэтомуотокуонапряжениеонаонагрузкео50 Ом (приоусловии, чтоосопротивление нагрузкиорасположено воточке, гдеодостигается максимальнаяоамплитуда тока) составитооколо 0,25 В.

3.4.3 Эффективностьопоражающего действияоСК ЭМИ наопечатные платыоуправляющих устройствоБЦВК Эффективностьовоздействия СКоЭМИ в значительнойостепени определяется ихоширокополосностью, котораяообеспечивает воздействиеоэлектромагнитного излученияонаопечатные проводникиовычислителейоБЦВК совключением различныхомеханизмововзаимодействия Таковоздействие СШП ЭМИона печатнуюоплату можетобыть описаноос помощьюопередаточнойофункциио[11-13] F j - спектр выходнойофункции;

F j - спектр воздействия.

Эффективность воздействияоможетобытьоопределенаокакоотношение энергий Данная величинаобылаооцененаодля четырехотиповых двухэкспоненциальныхоимпульсов ЭМП, параметрыокоторых приведеныов таблицео3.4 [109]. В таблице 3.6 приведеныоплотности энергииоимпульсов соамплитудой 100 кВ/м.

Дляоупрощенияополагалось, чтоопередаточная функцияоG(j) равна 1 в определенномодиапазоне частотои равнаонулю внеонего.

Результатыооценкиоэффективностиовоздействия дляопечатного монтажаоразличной длиныоLоприведены в таблице 3.5 [109].