Гизатуллин монография 1

Как было рассмотрено в предыдущем разделе, наиболее распространенной средой передачи в СКС является неэкранированная витая пара. На сегодняшний день наиболее распространенным является неэкранированная витая пара категории 5 и 5е.

Что касается второго основного приемника электромагнитных помех в рамках здания, кабелей системы электропитания, то они обычно представляют собой неэкранированные двухпроводные линии. По своим геометрическим параметрам и из-за отсутствия какой либо защиты (например, экранирования, скрутки и т.п.) на данных кабелях, при воздействии широкополосных электромагнитных воздействий могут возникать существенные электромагнитные помехи. Но, в соответствии со своими функциональными назначениями, к данным кабелям присоединяют только порты питания СВТ. Существующие результаты экспериментальных исследований и теоретические результаты показывают, что опасный для помехоустойчивости цифрового СВТ уровень электромагнитных помех в сети электропитания здания должно быть больше на несколько порядков по сравнению с опасным уровнем для информационных входов цифровых элементов СВТ [78, 100, 178 – 180]. Таким образом, анализ помехоустойчивости цифровых СВТ при воздействии через сеть электропитания, в основном, актуальна для случая кондуктивного воздействия, например, контактным способом.

Далее рассмотрим указанные основные широкополосные источники с точки зрения специфики возникновения, путей воздействия и проявления по отношению к объекту исследования (цифровые СВТ внутри зданий).

Проблемы с помехоустойчивостью СВТ при ЭСР возникают при быстром разряде между заряженными телами, во время которого появляются импульсы тока со временем нарастания в наносекундном или субнаносекундном диапазоне [181, 182]. В зависимости от эксплуатационных материалов, покрытия пола и влажности воздуха в помещении человек может зарядиться примерно до на-

31

пряжения 30 кВ. Начиная с этого напряжения, наступают заметные частичные разряды, которые вызывают увеличение проводимости окружающей среды. В результате устанавливается стационарный потенциал равновесия. Обычно возникающие при ходьбе по коврам такие потенциалы имеют значение от 5 до 15 кВ. Накопленная энергия, в зависимости от емкости заряженного тела, равной 50 – 1500 пФ (емкость человека – 150 пФ), может составлять несколько десятых долей джоуля [23, 38, 39]. При рассмотрении помехоустойчивости СВТ при ЭСР необходимо отметить следующие особенности данного воздействия:

–источник находится внутри здания, т.е. он является внешним по отношению к СВТ и внутренним к зданию, что позволяет не углубляться в особенности здания и более подробно рассматривать конструкцию самого СВТ;

–наиболее вероятным и опасным случаем является непосредственное воздействие ЭСР на корпус СВТ или на объекты

внепосредственной близости от него;

–при воздействии ЭСР на корпус СВТ или на другие сложные объекты ток разряда сложно описать аналитическими методами и поэтому целесообразно применение экспериментальных методов или современных средств моделирования электромагнитных полей в трехмерной области на основе эффективных численных методов;

–частотный спектр тока ЭСР достигает 1 ГГц.

Разряды молнии – это наиболее распространенный и мощный источник электромагнитных помех естественного происхождения. В природе различают несколько типов грозовых разрядов и линейная молния (узкая полоса между облаком и землей; между облаками или между отдельными скоплениями объемных зарядов внутри облака) встречается в природе наиболее часто и является, по сравнению с другими видами грозовых разрядов, самым распространенным источником мощной электромагнитной помехи. Разряды молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами

32

200 кА возникают в 0,7...1,0 % случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Число случаев ударов молний с величиной тока до 30 кА составляет порядка 75 %. Временные характеристики импульса тока молнии изменяются в широких пределах и носят вероятностный характер. По данным многочисленных наблюдений при разряде молнии длительность фронтов волн колеблется в пределах от 0,25 до 20 мкс, а длительность импульса достигает 25 ... 500 мкс [6]. При рассмотрении помехоустойчивости СВТ внутри зданий при воздействии ЭМИ разряда молнии необходимо отметить следующие особенности:

–источник находится вне здания, поэтому при его рассмотрении необходимо учесть экранирующие свойства и различные неоднородности его стен (например, окна);

–СВТ внутри зданий находятся в области ближней или дальней зоны электромагнитного поля разряда молнии;

–основным приемниками электромагнитных помех внутри здания при воздействии ЭМИ разряда молнии, в первую очередь, являются фрагменты СКС и кабельная часть системы электропитания;

–частотный спектр ЭМИ разряда молнии достигает нескольких МГц.

Наиболее мощным преднамеренным искусственным источником ЭМИ является высотный ЯВ [60, 66 – 70, 71, 183, 184] . При рассмотрении помехоустойчивости СВТ внутри зданий при воздействии ЭМИ ЯВ необходимо отметить следующие особенности:

–наиболее масштабным и опасным считается ЭМИ высотного ЯВ в ранней стадии развития. Это справедливо если поражаемая система не слишком велика по своим физическим размерам (СВТ внутри зданий). При этом эффекты промежуточного и позднего ЭМИ игнорируются, так как они существенны для больших систем, например, электроэнергетические системы или линии дальней связи [184];

–форма напряженности раннего ЭМИ высотного ЯВ имеет вид близкий к двойной экспоненте с длительностью фронта примерно 2 – 5 нс и временем спада 50 – 400 нс;

33

–источник находится вне здания и при его рассмотрении необходимо учесть экранирующие свойства и различные неоднородности его стен (например, окна);

–СВТ внутри зданий находятся в дальней зоне воздействия ЭМИ высотного ЯВ;

–преимущественно ЭМИ высотного ЯВ поляризована горизонтально [64];

–основным приемниками электромагнитных помех ЭМИ высотного ЯВ в первую очередь являются: СКС, кабельная часть системы электропитания, межсоединения МПП СВТ;

–частотный спектр ЭМИ высотного ЯВ достигает нескольких сотен МГц.

Своим возникновением проблема «электромагнитного терроризма» в основном обязана развитию техники генерации мощных коротких широкополосных или сверхширокополосных ЭМИ, которые в руках злоумышленника могут служить оружием наступательной информационной войны. Ее рассмотрение должно вестись

спозиций помехоустойчивости и учета при комплексной информационной безопасности СВТ внутри зданий. По оценкам специалистов [54, 74, 185], величина напряженности электрического поля (экспериментальная) достаточная для нарушения нормального функционирования современных СВТ составляет:

–персональные компьютеры: 0,5 кВ/м, фронт сигнала 200 пс, частота повторения 100 – 1000 Гц – отказ мыши, клавиатуры и т.п.; 1 кВ/м – сбой видеосистемы персональных компьютеров; более 2 – 4 кВ/м – сбой и зависание компьютеров, самопроизвольная перезагрузка; более 20 кВ/м (или магнитное поле более 100 А/м) – вывод из строя;

–локальные компьютерные сети (UTP, S-UTP): 0,5 – 1 кВ/м – ошибки в работе локальной сети, сопровождаемые разрывом соединения, искажение передаваемой информации, снижение скорости передачи; более 6 кВ/м – временное нарушение работы; более 12 кВ/м – вывод из строя.

34

При рассмотрении помехоустойчивости цифровых СВТ внутри здания, при воздействии ЭМИ СЭТ, необходимо отметить следующие особенности:

–источник находится вне или внутри здания;

–основным приемниками электромагнитных помех широкополосных ЭМИ СЭТ являются: СКС, кабельная часть системы электроснабжения, межсоединения МПП СВТ;

–частотный спектр широкополосных ЭМИ СЭТ достигает нескольких ГГц.

35

Глава 2. СКВОЗНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ВНУТРИ ЗДАНИЙ ПРИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

2.1. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости средств вычислительной техники внутри зданий методом электромагнитных топологий

Решение проблемы обеспечения помехоустойчивости CВТ внутри зданий можно представить в виде итерационного процесса, где выделяется две части: сквозное прогнозирование помехоустойчивости и повышение помехоустойчивости СВТ (рис. 2.1) [186, 187].

Рис. 2.1. Решение проблемы обеспечения помехоустойчивости СВТ

На практике, как правило, СВТ всегда располагаются внутри зданий, а источники электромагнитных воздействий могут находиться вне или внутри здания (разряд молнии, предна-

36

меренные источники, ЭСР и др.). Поэтому для адекватного прогнозирования помехоустойчивости СВТ необходимо правильно учитывать электромагнитную обстановку внутри здания, где они установлены. При этом непосредственно функциональные узлы, помехоустойчивость которых необходимо прогнозировать, в свою очередь, располагаются внутри корпуса СВТ. В данной работе для решения задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри здания, где они установлены, разработана методика на основе метода электромагнитных топологий. Метод электромагнитных топологий предложен в начале 1980 годов как формальный подход для анализа и проектирования сложных электронных систем [188 – 192]. Он является на сегодняшний день наиболее устоявшимся методом анализа ЭМС между и отдельными частями оборудования или распределенных систем. Данный подход предполагает разложения общей геометрии задачи на более мелкие части для создания совокупности отдельных решений для каждой области, связанных друг с другом. Такой подход обеспечивает хорошую методологию для прогнозирования помехоустойчивости сложных систем. Для больших и сложных систем, которыми и являются СВТ внутри зданий, метод электромагнитной топологии дает преимущество перед другими подходами из-за сложности, связанных с расчетами в больших областях и с участием многих путей взаимодействия. Имеются публикации по применению данного подхода для анализа электромагнитных процессов в летательных аппаратах и кораблях. Экспериментальные проверки были выполнены на EMPTAC (Electromagnetic Test Bed AirCraft),

самолете Боинг 707 ВВС США, специально оборудованном для испытаний на ЭМС и превращенном в испытательную лабораторию [188, 191]. Сравнения с измерениями, выполненными на EMPTAC, показали большое преимущество данного подхода, который позволяет выполнять вычисления на относительно небольших рабочих станциях с очень хорошими результатами. Также, на сегодняшний день имеются работы связанные с применени-

37

ем данного подхода для прогнозирования ЭМС спутниковых аппаратов при воздействии ЭСР [27, 29]. Достоверность результатов, полученных с применением метода электромагнитных топологий, обосновывается путем сравнения с экспериментальными исследованиями.

Для решения поставленной задачи сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий в работе предложена методика, основанная на применении метода электромагнитных топологий и которая включает следующие шаги [186, 187]:

1. Разработка топологической модели для сквозного прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях.

1.1.Определение подобластей, где анализ электромагнитной обстановки при широкополосных электромагнитных воздействиях можно рассчитывать как отдельные задачи (здание, помещение, корпус СВТ и т.п.).

1.2.Анализ путей проникновения внешних электромагнитных воздействий на разные подобласти задачи (через разные конструкционные элементы стен здания, через конструкционные отверстия корпуса СВТ и т.п.).

1.3.Выявление основных линий связи, приемников электромагнитных помех в рамках областей (например, в рамках здания – кабельные линии связи, межблочные линии связи СВТ; в рамках СВТ – межсоединения МПП, межблочные кабели и т.д.).

1.4.Анализ механизмов воздействия внешнего электромагнитного воздействия на линии связи, наиболее вероятные приемники электромагнитных помех (через пространство, кондуктивных воздействия).

1.5.Выделение функционального узла, непосредственного приемника электромагнитных помех.

1.6.Наполнение топологической модели конкретными математическими моделями для анализа.

2. Установка критерия нарушения помехоустойчивости функционального узла СВТ.

38

3. Сквозное прогнозирование помехоустойчивости СВТ внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях.

3.1.Прогнозирование электромагнитной обстановки внутри каждой подобласти задачи с учетом всех наиболее вероятных путей проникновения внешних электромагнитных воздействий.

3.2.Прогнозирование электромагнитных помех в линиях

связи.

3.3.Прогнозирование нарушения помехоустойчивости СВТ внутри зданий при широкополосных электромагнитных воздействиях.

В данной работе для решения задачи прогнозирования помехоустойчивости СВТ внутри зданий с учетом основных путей проникновения электромагнитных воздействий до конкретного цифрового элемента построена следующая топологическая модель (рис. 2.2) [186].

В данной топологической модели учитываются основные первичные пути распространения электромагнитных помех, воздействующие на информационные входы СВТ, наводимые излучаемыми электромагнитными полями (бесконтактным способом). Обозначение в топологической модели: S – источник электромагнитного воздействия; V1 – область внутри здания; V2 – область внутри корпуса СВТ; V3 – печатная плата; N1 – точка наблюдения внутри здания; N2 – точка наблюдения электромагнитных помех

всети электропитания внутри здания; N3 – точка наблюдения внутри корпуса СВТ; N4 – точка наблюдения электромагнитных помех в информационном кабеле внутри здания; N5 – точка наблюдения электромагнитных помех в сети питания элементов СВТ; N6 – точка наблюдения электромагнитных помех в информационной линии связи элементов СВТ; Z1 – путь взаимодействия через основной материал стены здания; Z2 – путь взаимодействия через армирующий материал стены здания; Z3 – путь взаимодействия через оконной проем в стене здания; Z4 – путь взаимодействия электромагнитного поля внутри здания с линиями электропереда-

39