Разработка методов и моделей анализа и оценки устойчивого функционирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях преднамеренного воздействия сверхкоротких электромагнитных излучений - Диссертация

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Аргон» РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МОДЕЛЕЙ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДНАМЕРЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙЧувствительность 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. 11 ламентирующих 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. 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. 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. 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.В связиос чем,ов последниеогодыона этой базеосталиоактивно продвигаться исследованияопоосозданиюооружия на основеоприменения ЭМИ соповышенны-мовыходом электромагнитныхоизлучений (ЭМИ-оружия).ОПОЭТОМУ параметры ЭМИОВОТЕЧЕНИЕ 80-90-хог.онеоднократно видоизменялись, иовонастоящееовре-мяоони существенно отличаютсяооторанееоизвестныхопараметров и стандарти-зованыовосторону ужесточения.ОВОСВЯЗИ с этим,от.е.опостоянным совершенство-ваниемоядерныхобоеприпасов, уточнениемофизикиопроцессов меняются и пара-метрыовоздействующихофакторов, чтооприводит конеобходимости развития математических моделейовзаимодействия,ометодов расчета воздействия ЭМИ на РЭА, аотакжеосовершенствованиеометодовообеспечения стойкости. Стандарт дает общееовведениеов даннуюообласть деятельности,отермины и определения, аотакже содержитосведения обоэлектромагнитных воздействиях большой мощности,оих влиянииона системыогражданского назначенияои методах защитыоси-стем отоэлектромагнитных воздействийобольшойомощности. Обзор работ вопредыдущих разделах и предварительные исследования [60-62] показали,очто при воздействии СКОЭМИ на кабель (витуюопару) с использованием емкостной или индуктивной связи достигаетсяонаибольшее количество-одеструктивных эффектов по уничтожению,оискажению иоблокированию информации, передаваемойопо бортовой кабельной сети. Каждыйометод может быть использованодля решения определенного класса задач.ОТАК, методы геометрической иофизической оптики могут бытьоисполь-зованы при расчете откликаобольших антенн (например, радиоастрономически-хорадаров) или поля вблизиобольших рассеивающих объектов.ОПОЛУЧЕННЫЕ результаты могут служить исходными данными при решении другой частиозадачи другим методом (вочастности, FDTD). Решение задачиооценки воздействия СК ЭМИОНА РЭА методами математическогоомоделирования на сегодня неопредставляется возможным ввиду отсутствияосоответствующего методического аппарата.ОПРИ этом анализ численныхометодов решения таких задачопоказывает невозможность полученияодостоверных расчетных результатов существующимиометодами в связи сотем, что: а) временныеопараметры СК ЭМИ (длительностьофронта импульса-?ф., длительностьоимпульса-?0,5) существенно короче, чемоаналогичные параметры ЭМИ ЯВ.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………. 7 ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы оценки устойчивого функционирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в условиях преднамеренного воздействия мощных электромагнитных излучений..… 27

1.1 Анализ нормативных документов по обеспечению устойчивости инфокоммуникационных систем к воздействию СК ЭМИ в России и за рубежом 27 1.2 Особенности воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК………... 41 1.3 Обзор существующих методов анализа и оценки деструктивного воздействия СК ЭМИ на элементы и узлы БЦВК………………………………... 49 1.3.1 Расчетные методы ………………….………………………………….…. 49 1.3.2 Экспериментальные методы …………………………………….…..….. 68 1.3.3. Расчетно-экспериментальные методы………………………………….. 69 1.4 Анализ методов и средств обеспечения устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию мощных СК ЭМИ…………………………………....... 71 1.5 Выводы по главе и выбор направления исследований…………….….… 74 ГЛАВА 2 Методы интеллектуального анализа данных в задачах оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию СК ЭМИ…..…............. 78 2.1 Структура интеллектуальной системы анализа устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ……………………………………............ 78 2.2 Интеллектуальные методы решения задач оценки устойчивости элементов и узлов БЦВК к деструктивному действию СК ЭМИ………….……. 83 2.3 Нейросетевые методы обнаружения деструктивных ЭМВ...……….….. 90 2.4 Гибридные средства обнаружения деструктивных ЭМВ на элементы и узлы БЦВК…………………………………………………………………….… 100 2.4.1 Эволюционно-генетический подход…………………………………… 101 2.4.2 Нейросетевые экспертные системы в задачах обнаружения деструктивных ЭМВ…………………………………………………………………..… 114 2.4.3 Нейро-нечеткие методы для обнаружения деструктивных ЭМВ….….. 118 2.5 Выводы по главе…………………………………………………………..... 122 ГЛАВА 3 Модели взаимодействия мощных импульсных электромагнитных полей с элементами БЦВК………………………………………………….…. 124

3

3.1 Структура и характеристики современных БЦВК…………………..….... 126 3.2 Организация систем информационного обмена и требования к стойкости каналов передачи данных современных БЦВК……………………….…. 138 3.3 Математическая модель воздействия СК ЭМИ на каналы передачи данных и управления БЦВК………………………………………………..….…… 150 3.3.1 Особенности построения высокоскоростных бортовых сетей на основе технологии Gigabit Ethernet………………………………………………..… 151 3.3.2 Анализ воздействия деструктивных ЭМИ на каналыопередачи данных БЦВК на основе ТЕХНОЛОГИИОGIGABIT Ethernet…………………………….…... 154 3.3.3 Математическая модель потерь кадров в СЕТЯХОGIGABITОETHERNET при воздействии СК ЭМИ………..…………………………………………………. 158 3.4 Математическая модель взаимодействия СК ЭМИ с универсальными вычислителями контура управления БЦВК…………………………….….…. 163 3.4.1 Исследование воздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов на универсальные вычислители БЦВМ………………………….…..……. 163 3.4.2 Математическая модель взаимодействия электромагнитного поля с микропроцессорными устройствами БЦВМ…………………………………. 166 3.4.3 Эффективность поражающего действия СК ЭМИ на печатные платы управляющих устройств БЦВК…………………………………………….….. 175 3.5 МЕТОДИКАООЦЕНКИОВОЗДЕЙСТВИЯОСКИ ЭМИ наотиповые микропроцессорныеоустройства контураоуправления БЦВК…………………………..….. 177 3.6 Выводы по главе…………………………………………………………….. 179 ГЛАВА 4 Критериально-математический аппарат построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ…………………………………………………...………….. 181 4.1 Базовые принципы построения интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ ………... 181 4.2 Основные этапы построения интеллектуальной системы с использованием адаптивных средств для обнаружениядеструктивных ЭМП на элементы и узлы БЦВК……………………………………….……………… …….…. 185 4.2.1 Иерархия уровней системы обнаружения деструктивных ЭМВ…….... 188 4.2.2 Организация иерархии уровней системы обнаружения деструктивных

4

ЭМВ……………………………………………………………………..…….…. 191 4.3 Разработка показателей стойкости элементов и узлов БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ……………………………………………….…… 197 4.3.1 Требования к элементам БЦВК………………………………………..… 197 4.3.2 Анализ эффектов, возникающих в БЦВК при деструктивном воздействии СК ЭМИ…………………………………………………..…………….… 201 4.3.3 Критерии оценки уязвимости БЦВК от воздействия деструктивных

СК ЭМИ…………………………………………………………………….…… 207 4.4 Методика оценки стойкости БЦВКК деструктивному воздействию ЭМИ 214 4.5 СЦЕНАРИИОРАБОТЫОСОДЭМВОПОООБНАРУЖЕНИЮОВОЗДЕЙСТВИЯОНАО БЦВКОДЕСТРУКТИВНЫХ СКОЭМИ…………………………………..………..… 221 4.5.1 Сервис маршрутизации……………………………………………..…… 225 4.6 Выводы по главе………………………………………………………….…. 239 ГЛАВА 5 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа иоценкиустойчивочти БЦВКК деструктивному воздействию ЭМИ 242 5.1 Модельоинтеллектуальной системыоанализа устойчивости элементовои узлов БЦВКОК деструктивному воздействию СК ЭМИ…………………. 242 5.1.1 Модель системыообнаружения ДЕСТРУКТИВНЫХОЭМВ………………… 242 5.1.2 Модель ПОТОКАОЭМВ…………………………………………………… 245 5.2 Аппаратно-программная реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ.… 250 5.2.1 Нейросетевая реализация интеллектуальной системы анализа и оценки устойчивости БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ………............. 251 5.2.2 Организацияомногофункциональной памяти…………………….……. 260 5.2.3 Оценкаоэффективности реализации процессовоинтеллектуальной системы анализаои оценки УСТОЙЧИВОСТИОБЦВК к деструктивномуо воздействию СК ЭМИ……………………………………………………..…… 261 5.3 Структурныеорешенияонейросетевойореализации ИСАУОБЦВК….….. 263 5.3.1 Командные пулыоуровня формальногоонейрона………………….…... 269

5.3.2 Командныеопулы уровняослоя формальныхонейронов………….…… 274 5.4 Аппаратно-программные средстваоинтеллектуальнойосистемы обеспеченияоустойчивости БЦВК кодеструктивному ВОЗДЕЙСТВИЮОЭМИ…….….. 281

5

5.5 Программнаяореализацияорежимов ИСАУ БЦВК при воздействии деструктивных СК ЭМИ…………………………….…………….…………….. 288 5.6 Выводы по главе……………………………………………………………. 291 ГЛАВА 6 Экспериметнальные исследования воздействия преднамеренных сверхкоротких элнктромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК… 294 6.1. Научно-методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований на воздействие преднамеренных сверхкоротких электромагнитных излучений на элементы и узлы БЦВК……..……………………..….. 294 6.1.1. Выбор и обоснование объектов и условий для проведения экспериментальных исследований на воздействие СК ЭМИ……………………..….. 294 6.1.2 Выбор и обоснование экспериментальной базы для проведения экспериментальных исследований на воздействие СКИ ЭМП………………….… 296 6.1.3.Программаоиометодикиопроведенияоэкспериментальных исследований устойчивости БЦВКОКОВОЗДЕЙСТВИЮОМОЩНЫХОСКИ ЭМП…………………. 298 6.1.4 Обоснование требований предъявляемых к образцу, методам и средствам его испытаний на воздействие СКИ ЭМИ…………………………..… 304 6.2 Экспериментальные исследования воздействия СКИ ЭМИ на элементы и узлы БЦВК………………………………………………………………….…. 306 6.2.1 Критерии оценки устойчивости БЦВК при воздействии СКИ ЭМИ… 306 6.2.2 Результаты исследований устойчивости различных БЦВМ в условиях воздействия СКИ ЭМИ……………………………………………………..….. 308 6.2.3 Результатыоисследованийостойкостиоканаловопередачиоданных и управления БЦВК в условиях воздействия СКИ ЭМП……………………… 320 6.3 Методы обеспечения устойчивости бортовых вычислительных комплексов в условиях воздействия электромагнитных полей…………………. 325 6.3.1 Обобщенные рекомендации для защиты БЦВК………………………... 325 6.3.2. Практические рекомендации по результатам экспериментальных исследований БЦВК …………………………………………………………….... 328 6.3.3 Требования, предъявляемые к средствам защиты от СК ЭМИ…………. 330

6

6.4 Модельные эксперименты по оценке эффективности функционирования ИСАУ БЦВК к деструктивному воздействию ЭМИ…………………... 333 6.5 Выводы по главе …………………………………………………………... 344 Заключение…..………….………………..……………………………………. 348 Список сокращений и условных обозначений …………………..………….. 358 Список литературы……..……………………………………………………… 360