Анализ и прогнозирование устойчивости систем управления движением поездов к сверхширокополосным электромагнитным импульсам преднамеренного воздействия

Abstract

Рассматривается проблема обеспечения устойчивости систем железнодорожной автоматики к сверхширокополосным импульсам электромагнитного поля. Эти импульсы могут быть использованы для преднамеренного воздействия на аппаратуру этих систем. Показано, что современные комплексные системы управления и обеспечения безопасности движения поездов оказываются уязвимыми для электромагнитных импульсов преднамеренного воздействия. Выделены особенности, которые определяют отличие проблемы обеспечения устойчивости систем железнодорожной автоматики от информационных систем. В частности, микропроцессорные системы автоматики территориально распределены и доступны для воздействия с близкого расстояния. Испытательные генераторы, используемые для подтверждения устойчивости к электромагнитным импульсам преднамеренного воздействия, являются уникальными установками. Поэтому для сокращения количества испытаний требуются расчетные оценки и комплексные испытания на устойчивость к электромагнитным помехам. Электростатические разряды обладают наибольшей шириной частотного спектра. Они воздействуют на те же апертуры в корпусах технических средств систем железнодорожной автоматики, что и импульсы преднамеренного воздействия. Уровень поглощаемой в электронных узлах энергии может быть рассчитан по теореме Рэлея. Электромагнитное поле внутри корпуса определяется по известным соотношениям для излучения антенн и зависит от спектра электрической составляющей поля в раскрыве антенны. Этот спектр, в свою очередь, зависит от спектра импульса электростатического разряда и геометрических параметров антенны. При падении электромагнитной волны импульса преднамеренного воздействия апертура выделяет этот импульс и передает его внутрь корпуса. Поэтому излучаемый внутрь корпуса импульс преднамеренного воздействия и импульс электростатического разряда могут быть сопоставлены по форме и амплитуде. Импульсы разной формы, в свою очередь, могут быть сопоставлены с помощью спектрально-энергетического условия эквивалентности. Импульс преднамеренного воздействия, эквивалентный импульсу электростатического разряда и, соответственно, имеющий с ним одинаковую энергию, вызывает точно такие же отказы или сбои элементной базы. Амплитуда импульса, принимаемого апертурой, и амплитуда излучаемого импульса связаны коэффициентом использования антенны. Таким образом, получена методика косвенной оценки влияния электромагнитного импульса преднамеренного воздействия на системы железнодорожной автоматики по данным расчетного прогнозирования их устойчивости к электростатическим разрядам. Получен аналог уравнения силового подавления радиоэлектронных средств, который позволяет найти параметры генератора электромагнитных импульсов, создающего опасные импульсы для систем железнодорожной автоматики. Также это уравнение позволяет рассчитать размеры зоны подавления для данного генератора.

Problem of ensuring stability of railway automation systems to ultra-wideband pulses of an electromagnetic field is considered. These pulses can be used to intentionally affect the equipment of these systems. It is shown that modern complex systems of control and safety of train traffic are vulnerable to electromagnetic impulses of intentional action. The features that determine the difference between the problem of ensuring the stability of railway automation systems from information systems are highlighted. In particular, microprocessor-based automation systems are geographically distributed and accessible for action from a short distance. The test generators used to prove immunity to electromagnetic impulses from intentional exposure are unique installations. Therefore, to reduce the number of tests design estimates and comprehensive tests for immunity to electromagnetic interference are required. Electrostatic discharges have the widest frequency spectrum. They act on the same apertures in the housings of technical means of railway automation systems as impulses of intentional action. The level of energy absorbed in electronic nodes can be calculated using the Rayleigh theorem. The electromagnetic field inside the housing is determined by the known relations for the radiation of the antennas and depends on the spectrum of the electric component of the field in the antenna aperture. This spectrum, in turn, depends on the spectrum of the electrostatic discharge pulse and the geometric parameters of the antenna. When an electromagnetic wave of an intentional impulse is incident, the aperture releases this impulse and transmits it into the housing. Therefore, the intentional impulse emitted into the housing and the electrostatic discharge impulse can be compared in shape and amplitude. Pulses of different shapes, in turn, can be compared using the spectral-energy equivalence condition. Intentional impulse equivalent to an electrostatic discharge impulse and, accordingly, having the same energy with it, causes exactly the same failures or setback of the element base. The amplitude of the pulse received by the aperture and the amplitude of the transmitted pulse are related by the utilization of the antenna. Thus, authors have obtained a technique for indirectly assessing the influence of an electromagnetic pulse of intentional action based on the calculated prediction of the resistance of railway automation systems to electrostatic discharges. An analogue of the equation of power suppression of radio-electronic means is obtained, which allows finding the parameters of an electromagnetic pulse generator that creates dangerous pulses for railway automation systems. Also, this equation allows calculating the size of the suppression zone for a given generator.