Анализ электромагнитных воздействий на электронные системы беспилотного летательного аппарата

В работе предложена математическая модель, которая позволяет рассчитывать уровни электромагнитных помех в линиях связи беспилотного летательного аппарата при электромагнитных воздействиях. Приведен пример расчета уровня электромагнитных помех при радиочастотных воздействиях на межблочные линии связи беспилотного летательного аппарата. 

Разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА) – одно из наиболее перспективных направлений развития современной авиации. На сегодняшний день БЛА используют не только в военных целях, но и для аэрофотосъемки, патрулировании, геодезических изысканий, мониторинга различных объектов. В настоящее время ведутся исследования по защите БЛА от электромагнитных воздействий в разных направлениях, но конечные результаты еще не достигнуты, поэтому данный вопрос остается актуальным и представляет огромный интерес для исследования. Разработаны стандарты защищенности аппаратуры и известны эффективные способы средств защиты. Самым важным и уязвимым местом в БЛА является электронная система (ЭС). Компоненты системы являются основными устройствами для правильного функционирования БЛА. Именно электронная система осуществляет проверку и обработку сигналов внешних команд [1-6].

Радиочастотные воздействия, которые будут рассмотрены в данной работе в зависимости от диапазона частот делятся на низкочастотные и радиочастотные. Воздействие радиочастотных помех в первую очередь представляет опасность для радиоаппаратуры (особенно высокочувствительных приемников). Сравнительно уязвимой к воздействию радиочастотных помех является любая аппаратура проводной связи на высокой частоте. Это касается, в частности, скоростных цифровых линий связи и магистралей локальных вычислительных сетей. Традиционная аппаратура высокочастотной связи по высоковольтным линиям обычно использует слишком низкие частоты и высокие мощности, чтобы оказаться подверженной влиянию источников радиочастотных полей. Однако с ростом частот передачи проблема электромагнитной совместимости становится одной из основных для систем связи [1].

Целью работы является разработка математического обеспечения для анализа внешних электромагнитных воздействий на электронные системы беспилотного летательного аппарата.

Для того, чтобы провести анализ воздействий на ЭС БЛА необходимо найти величину помехи, выраженной в виде напряжения на нагрузках межблочных линиях связи БЛА.

Рассмотрим простейшую модель воздействия электромагнитных влияний на линии связи БЛА. За основу возьмем два блока электронных систем, соединенных параллельными проводниками линии связи. Следующим шагом, в решении данной задачи является введение нагрузочных цепей. Предполагаем, что длина самого проводника линии связи равняется l. На концах линии связи установлены нагрузки R_s, и  R_l. Данная конфигурация линии связи представлена на рис.1.

Рисунок.1. Постановка задачи анализа внешнего электромагнитного воздействия

Для расчета напряжения электромагнитных помех используются следующие выражения (1-2):

                                                                      (1)

                                                                        (2)

где, , – величина помех на концах лини связи; , – напряженность электрического и магнитного полей; s – расстояние между проводниками линии связи; (x), (x) – напряжение и ток в проводнике линии связи.

После упрощения данных выражений путем игнорирования индуктивности и емкости в проводниках и допуски, что векторы напряженности электрического и магнитного полей не меняют свое положение[2]. Напряжение и ток вычисляются по следующим выражениям (3-4):

                                                                            (3)

                                                                            (4)

где  – угловая частота воздействующего электромагнитного поля;  – магнитная проницаемость, равная =4 Гн/м; A – площадь контура,  которая вычисляется по формуле: A = s×l.                                                                                 

Напряжения на нагрузках , определяются по итоговым формулам (5-6):

                                                       (5)

                                                    (6)

Результаты расчета напряжения электромагнитной помехи от длины проводника представлены на рис. 2.

                                а)                                                        б)

Рисунок. 2. Зависимость величины помехи от длины  линии связи (а - в начале проводника, б - в конце проводника).

По проделанной работе можно сделать следующие выводы:

- в работе предложена математическая модель, позволяющая рассчитывать напряжения электромагнитных помех в линиях связи при радиочастотном электромагнитном воздействии;

- из результатов исследования видно, что величина наведенной помехи в проводнике линии связи будет тем больше, чем больше будет длина проводника, на который оказывает воздействие радиочастотные влияния.

 В связи с этим, при проектировании и конструировании оборудования нужно стараться минимизировать площадь, на которую может воздействовать помеха. Также для защиты от помех можно использовать различные экраны, так часть помех будет задерживаться экраном и влияние на проводник помех уменьшится [7].

Список литературы:

1. Гайнутдинов Р.Р., Чермошенцев С.Ф. Помехоустойчивость бортового оборудования беспилотного летательного аппарата при прямом разряде молнии // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. – 2015. – № 6. – С. 143-148.

2. Гайнутдинов Р.Р.,  Чермошенцев С.Ф. Методология обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости бортового оборудования беспилотных летательных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2016.  - № 4.

3. Гайнутдинов Р.Р. Методика прогнозирования помехоустойчивости средств вычислительной техники при преднамеренном воздействии кратковременных электромагнитных импульсов // Технологии электромагнитной совместимости. - 2014. - № 1. - С. 53–62.

4. Кравченко В.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи / В.И. Кравченко, Е.А. Болотов, Н.И. Латунова. М.: Радио и связь, 1987 – 137с.

5. Chemoshencev S.F., Gaynutdinov R.R.  Modeling the external electromagnetic influences on the complex electronic equipment // Proceedings of the XVIII International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM), May 19–21, 2015, St. Petersburg, Russia. P. 90-92.

6. Gaynutdinov R.R.,  Chermoshentsev S.F. Study immunity to disturbance of electronic system aircraft by influences of intentional ultrashort electromagnetic pulses // Proceedings of the 2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE), September 22-23, 2016, Saratov, Russia. P. 107-112.

7.  Paul C.R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2nd ed. Wiley, 2006. – 533с.