автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка алгоритмов размещения бортовых устройств и прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости

На правах рукописи

Ромо Фусптес Карлос

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ РАЗМЕЩЕНИЯ БОРТОВЫХ СТРОЙСТВ И ПРОКЛАДКИ ТРАСС КАБЕЛЕЙ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация иа соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 200В

1 2 при 2000

003457247

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая электротехника» Московского азивдчоииого института (государственного технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

зав. каф. «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (государственного технического университета) Владимир Юрьевич Кириллов

Официальные оппоненты; доктор технических наук, профессор

зав. каф. РТУиС

Московского института электроники и

математики

Ксчиев Л.Н.

доктор технических наук, профессор зав. каф. «Технология приборостроения» Московского авиационного института (государственного технического университета) Москалев А.И

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

Московский государственный индустриальный университет (ГОУ МГИУ)

Зашита состоится «#» 2008 г, в часов на заседании

диссертационного совета&?# ./¿¿¿У в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического института)

Автореферат разослан« » 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212,125.01, профессор, д.т.н

2

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время при проектировании бортовых систем подвижных ъектов существует тенденция увеличения количества электронных устройств, едств связи, навигации, автоматизированных систем управления и т.д.

Тенденция увеличения плотности упаковки при размещении элементов и тройств, электронных блоков и систем различного назначения приводить к обходимости решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС).

Если при конструировании бортовой электронной аппаратуры не едпринимшотся специальные меры, направленные на ослабление или полное давление электромагнитных помех, то при эксплуатации подвижного объекта гут возникнуть сбой или даже отказы в работе бортовых систем. Источники мех могут быть, например, устройства, в состав которых входят силовые реключающие цепи, использующие электронные переключающие устройства, ммутируемые с высокой скоростью и т.п.

Применения нанотехнологии в микроэлектронике приводит к повышению вствительности аппаратуры, которые становиться несовместимо с мощными ртовыми передатчиками и устройствами, создающими мощные ектромагнитные помехи.

Оптимизация прочностных параметров конструкций с целью улучшения ссагабаритных характеристик приводит к снижению толщин металлических ранирующих элементов ии перфорированное™ или применению металлических композитных материалов, что приводить к увеличению влияния

«УЧИЙММ» ПМММ ИИ нрионрм И *»ММН||

Создание некоторой «системы» из совместно функционирующих подвижных ъоктоп, даже в том случае, если они имеют различное назначение, означает, что

эти объекты в общем случае, расположены в непосредственной близости друг к другу и что для успешной работы системы необходимо обеспечить их электромагнитную совместимость.

Существующие инструкции по установке и монтажу традиционно связаны лишь с функциональными требованиями и часто не учитывают взаимовоздействие электромагнитных помех создаваемых бортовыми электронными устройствами; методы и алгоритмы автоматизированного проектирования трасс жгутов кабелей не учитывают условия электромагнитной совместимости между кабелями и проводниками в жгутах. Поэтому, решение проблем ЭМС является редким не только для инженеров, устанавливающих и монтирующих системы, но и для специалистов, ответственных за разработку оборудования фнрм*изготопитслей.

В связи с вышеизложенным, исследование электромагнитной обстановки внутри системы и разработка моделей и алгоритмов прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости, являются актуальными научно-техническими задачами, имеющими важное значение при проектировании бортовых систем подвижных объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Цель диссертационной работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов поиска трасс жгутов позволяющих обеспечить электромагнитную совместимость проводников и кабелей бортовой сети и размещения приборов и устройств на борту подвижных объектов в областях внутреннего пространства с наименьшем уровнем излучаемых электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели, б работе решены следующие научно-следовательские и практические задачи: Проведено математическое моделирование влияния излучаемых помех на электрические цепи элементов и устройств с целью исследования резонансных характеристик линии связи.

Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств. Разработана методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были пользованы методы математического анализа, методы теории линейных ектрических цепей, теоретические основы электротехники, методы расчета метрической емкости, методы расчета индуктивностей, методы экранирования аратуры и кабелей связи, методы измерения импульсных магнитных и ектрических полей, методы математического анализа графов, сетей и горитмов, численные методы анализа, методы подавления шумов и помех в ектроиных системах, методы анализа радиоэлектронных средств и мощных ектромагнитных помех, методы оптимизации, методы испытаний вктромагнитной совместимости, математические модели реализовались в виде

компьютерных программ на языке программирования MatLab и математических расчетов в Excel.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электромагнитной совместимости кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (государственного технического института).

Научная новизна

1. Предложены топологические модели для проектирования трасс прокладки бортовой кабельной сети.

2. Разработан алгоритм определения трасс для прокладки яаутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей соединяющих приборы и устройства с учетом электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта, создаваемой излучаемыми электромагнитными помехами.

5. Разработан критерий определения границ ближней и дальней распространения импульсных электромагнитных помех.

6. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей с использованием моделей бортовых приборов.

Практнчвшая ценность диссертационной работы

Предложенные алгоритмы н методики размещения устройств и определения .ее кабелей с учетом ЭМС позволяют предотвратить ухудшение качества акционирования бортового приборного комплекса; обеспечить требуемое 1ество аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых по кабелям; обеспечить шцешюсть бортовых приборов и устройств от копдуктивных и(или) учаших помех; улучшить функционирование электрических, электронных , товых устройств, а также минимизировать длину бортовой кабельной сети.

Тема диссертационной работы связана с планами Межправительственной ограммы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о грудничестае между МГУ и МАИ.

Реализации результатов работы

Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе федры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института У).

Апробация работы

Основные положения н результата диссертационного исследования

кладывались автором и обсуждались: на международной «Китайско-

ссийская» конференции» (г. Москва 2007г.), на 4-й научно-практической

нференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной

омышлениостн», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого» (г. Москва

07г.), на 6-й международной конференции «Авиация и космонавтика»(г.

7

Москва 2007г.), на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (г. Москва, 2008г.), на 10-й научно-техническая конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (г. Санкт-Петербург, 2008г.), на 6-й международной конференции «Авиация и космонавтика» (г. Москва 2008г.) а также на заседаниях кафедры 309 «Теоретическая Электротехника». Тезисы докладов опубликованы. Опубликована статья под названием «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» в журнале «ЭМС-технологии», Москва, 2008 г, № 2(25), 47-50 стр..

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах. В том числе опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страниц машинописного текста, включая 106 рисунков и 11 таблиц. Список литературы включает 43 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страницы.

2. С0Ш'ЖАИиеВАШШ

Во циедсшш обосновала актуальность теми, сформулирована цель ишюзапмй, определении рещггмиг imyuno-тахтшсскиа задачи, показаны ей чтя иооюма и практическая ценность результатов, дана информация о ктуре, апробации, публикациях н практическому использованию материалов сертаиионной работы.

В яерио» главе диссертации излагаются основные характеристики ктромапштной обстановки внутри малогабаритного подвижного объекта, дегдвлацы светит необходимые для проведения исследований иределення напряжения по длине линии и резонансных характеристик проводной линии без экрана и экранированной скрученной линии, ледованы кодцуктншше и излучаемые электромагнитные помехи в ктрических цепях бортовой кабельной сети. Устанавливаемые на платформах малогабаритных подвижных объектов жебвде системы, комплексы полезной нагрузки, системы электропитания, темы обеспечения температурного режима, системы передачи еметричеекой информации, системы управления движением подвижного екта создают сложную электромагнитную обстановку, которую необходимо тьщать при проектировании элементов и устройств этих систем. Для ведения нспыташй приборов и определения уровней электромагнитных iex, которые могут воздействовать на другие приборы и устройства, бходимо конкретизировать методику испытаний.

В тех случаях, когда уровни электромагнитных помех в отсеках подвижного екта превышают допустимые значения, возникает необходимость в разработке одор защита от помех, ухудшающих качество функционирования бортового (борного комплекса,

В результате воздействия излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств в бортовой кабельной сети могут возникнуть резонансные явления. В главе проведены исследования резонансных свойств бортовых кабелей при воздействии на них излучаемых электромагнитных помех в широком частотном диапазоне.

На рис. 1-2 представлены резонансные характеристики и распределение напряжение по длине двупроводной линии при воздействии излучаемых электромагнитных помех.

Приведенные исследования и анализы позволяют определить резонансные частоты, на которых под воздействием излучаемых электромагнитных помех возможно ухудшение качества функционирования бортовых систем, а также определить уровней наведенных напряжений при различных значениях параметров линии связи и параметров излучаемых помех.

Рис.1. Резонансные характеристики двупроводной линии.

Рис.2 Распределение напряжение по длине двупроводной линии.

Одним из наиболее эффективных путей обеспечения электромагнитной мйстиуостн приборного комплекса является путь основанной на остальном размещении бортовых устройств и соединяющих их кабели, валяющий минимизировать влияние на них излучаемых электромагнитных

Во ufayoil главе диссертации предложены топалогинескве модйли положения бортовых приборов и устройств и разрешенных трасс прокладки тов проводников н кабелей. Разработан алгоритм проектирования трасс товой кабельной сети на плоской Ьоверхности с учетом электромагнитной месвшестн проводников и кабелей в жгутах. Предложена пространственная ологичеекая модзль расположения бортовых прибороз и устройств в разных еках шжзнзшого объекта.

Во внутреннем объеме конструкции подвижного объекта размещаются юоры н устройства различных бортовых систем, объединенные бортовой елыюй сетью, Кабели, соединяющие бортовые приборы объединяются в ты. Жгуты прокладываются но определенным трассам внутри подвижного екта.

В качестве примера приведены схема конфигурации соединении между юйсгвами ы схема расположения бортовых устройств и разрешенных трасс кладки жгутов в отсеке подвижного объекта на рне. 3 н рис. 4 соответственно.

Рис. 3. Схема соединений между Рис. 4. Схема расположения бортовых

устройствами: У1-У8- бортовые устройств и разрешенных трасс

приборы или устройства; К,у -кабели прокладки жгутов в отсеке подвижного

соединяющие устройства /' и у. объекта: 1... 8 - бортовые устройства.

Разрешенным трассам для прокладки жгутов проводников и кабелей можно поставить в соответствие топологическую модель в виде графа

На рис. 5 приведена схема топологической модели расположения бортовых устройств и разрешенных трасс для прокладки жгутов проводников и кабелей в виде графа.

Рис.5. Схема топологической модели расположения бортовых устройств и разрешенных трасс для прокладки жгутов проводников и кабелей в виде графа: 1-8 - вершины графа, соответствующие бортовым устройствам; а,у (у=1...8) - весовые коэффициенты ребер графа, соответствующие длинам разрешенных трасс в отсеке подвижного объекта.

На основе предложенной топологической модели разработан алгоритм, цель орого заключается в нахождении кратчайших путей, по которым должны полагаться жгуты кабелей, соединяющие бортовые приборы и устройства в еках подвижного объекта, при условии выполнения электромагнитной местимости кабелей в жгутах. Основные этапы алгоритма указаны на схеме на .6.

.6. Схема основных этапов алгоритма проектирования трасс бортовой ельной сети на плоской поверхности с учетом электромагнитной местимости проводников и кабелей в жгутах.

На основе заданного расположения бортовых устройств в различных отсеках - ижного объекта, строится пространственная топологическая модель в виде фа, позволяющая определить оптимальные пути прокладки трасс жгутов елей в конструкции подвижного объекта, на рис. 7. приведена странственная топологическая модель расположения бортовых устройств в еках подвижного объекта.

0К8«3

Вне. 7, Схеш

пра&транеедгрвйй тойашдаадшй модели ршшложеаиа бортевых устройся» в отсеках иодшшшге объекта.

В более общем случае, для тщттнт оптимальных путей трасс жгутов кабелёй во виутренш пространства подвижного объекта достаточно использовать I разработавый адгаритм.

В третьей глав« щщраща предложен критерий дам и&шттши градаш звн распространения излучаемых импульсных электромагнитных помех. Разработан алгоритм размещения бортовых устройств с учетом уровней | излучаемых электромагнитных помех и пороговых значений помехоустойчивости бортовых устройств. Разработан алгоритм определений трвев прокладки жгутов кабелей и праведнике» е учетом влияния излучаемых зяевтромагвдтшх ивм«х создаваемых бортййымн устройствами и парогещх значений васпрянычивооти щйипей и щр@щщшж-

Критерий для нахождения границы зон распространения швдромарщтдара нет при появлении импульсных раарщов ттшттщ »

шншшаи уелавш;

\Fijw ? ■ 4ш ш к I ШШ! ■*

ш ® V / ВГ(! - щттцш чай:®-«;

V - «короед. рш$ро£тран§йш щдучаемщ ЭМИ;

и

Яф - расстояние от источника ЭМП до границы раздела зон; к - коэффициент, определяющий величину энергии излучаемой помехи в жней зоне;

Б (/<у) - спектральная функция излучаемой электромагнитной помехи.

Если приемник (бортовое устройство) располагается на расстоянии Яп < 11^, следовательно, он находится в ближней зоне, где ЯП)= У/ю^. Пересчет ветров излучаемой электромагнитной помехи - напряженностей рического и магнитного полей на ближнее к бортовому устройству •ояние осуществляется по формулам для индукционной зоны. Значения коэффициента к при определения границы разделения ближней и ней зон могут измениться в пределах 0,9 - 0,99.

При заданной конфигурации расположения бортовых приборов и устройств I эи отсеков подвижного объекта, бортовые приборы и устройства оложены на близком расстоянии друг от друга. Такое расположение швых приборов и устройств может создавать внутри отсека подвижного екта недопустимые электромагнитные помехи, которые могут ухудшить ство функционирования бортовых приборов и устройств. Для обеспечения ромагнитной совместимости необходимо исследовать электромагнитную ановку создаваемую всеми приборами. Действующее на электронное ойство электромагнитное поле является суммарным электромагнитным ем создаваемым другими бортовыми устройствами, уровень которого может вышать максимальное пороговое значение помехоустойчивости каждого ойства.

Основные этапы алгоритма расположения бортовых устройств с учетом вней излучаемых электромагнитных помех и пороговых значений ехоустойчивости бортовых устройств указаны на схеме на рис. 8.

Рис. 8. Схема основных этапов алгоритма размещения бортовых устройств с учетом уровней излучаемых электромагнитных помех и пороговых значений помехоустойчивости бортовых устройств.

В алгоритме осуществляется проверка превышение порогового значения помехоустойчивости бортовых устройств. В случае превышения порогового значения осуществляется перемещение бортовых устройств на новые позиции внутри области разрешенного перемещения.

Перемещение бортовых приборов н устройств, основано на методе оптимизации возможных направлений, позволяющем определить наилучшее направление перемещения устройств для нахождения места, где уровень суммарных излучаемых помех не превышает пороговое значение помехоустойчивости бортовых устройств.

1й

¡Алгоритм позволяет определять коэффициенты экранирования бортовых йств для обеспечения их нормального качества функционирования. ¡В качестве примера на рис. 9 представлена схема отображающая результаты :енения алгоритма для размещения шести бортовых устройств на плоской хности отсека подвижного объекта в пределах границ областей щенных перемещений.

УМ

1.5}—

0.5

-0.5

•1.5

У2

о •

У6 ;

УХ

...УЗ...........

о

У5

'в'-""

У4

-05

0.5

Начальные позиции

□

Конечные позиции

1.5

ХМ

9. Схема результатов применения алгоритма размещения бортовых ойств.

Результирующие излучаемые электромагнитные помехи, как результат хения создаваемых устройствами полей, воздействует не только на бортовые ойства, но и на кабельную сеть. Для соединения бортовых устройств южны различные варианты прокладки кабеля, и поэтому необходимо найти ¿ант, при котором уровень индуцированной кондуктивной электромагнитной

помехи в кабеле не превышает допустимое стандартом нормативное значение, с учетом наименьшей дяодш кабеля.

Основные этапы разработанного алгоритма определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех создаваемых бортовыми устройствами, пороговых значений восприимчивости кабелей и наименьшей длины трасс прокладки жгутов указаны на схеме на рис. 10.

Рис. 10. Схема основных этапов алгоритма определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех создаваемых бортовыми устройствами, пороговых значений восприимчивости кабелей и наименьшей длины трасс.

В алгоритме включена проверка превышения порогового значения восприимчивости кабеля для всех вариантов его прокладки между устройствами.

В качества примера на рие, 11 приведены диаграммы отображающие результатов применения алгоритма.

ра рис. 11 а) приведен вариант прокладки трассы жгута кабелей, при Ьм уровень индуцированной кондуктивной помехи превышает заданное артом нормативное значение. 1

1а рис. 11 б) индуцированная кондуктивная помеха ниже нормативное пие. I

Вариант 1

Вариант 5

Мг «

«в

я!

! I

!

4

Ц

Й-

».....

~4

т № <« я »и «» «ч »1» и

«е 95* в» т 5.1 ву гч ш 43

вышение уровня

б) Ниже уровня восприимчивости. Соответствие условию ЭМС

иимчивости. тветствие условию ЭМС

1. Диаграммы результатов применения алгоритма.

твертой главе диссертации предложена методика испытаний на ;иимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств Ьлей с использованием моделей бортовых приборов.

Модель бортового прибора является устройством, создающим такие же |аемые помехи как бортовое устройство. Определение параметров моделей аждого бортового прибора осуществляется на основе стандартизованных таний на излучаемую помехоэмиссию.

Предложенная методика испытаний позволяет определить внутреннюю электромагнитную обстановку и обеспечить электромагнитную соимсстимост устройств и приборов и бортовой кабельной сети бортового комплекса, |

Для создания электромагнитной обстановки, модели расставляются на мест установки бортовых устройств, конфигурация расположения моделей совпадает« конфигурацией расположения бортовых устройств внутри подвижного объекта.

На рис. 12 приведена схема создания электромагнитной обстановки в вид: совокупности излучаемых электромагнитных помех создаваемых моделями.

Рис. 12. Схема воздействия электромагнитных помех создаваемых моделями н| бортовое устройство на макете технического средства. П - генератор сигнала | И/ - модель бортового устройства /; БУ - бортовое устройство; СП - сеть питани бортового устройства; г - расстояние г.

Целью проведения испытаний является анализ качества функционировали

бортового устройства под воздействием электромагнитных помех создаваемы

моделями бортовых устройств. Результатами испытаний являются нахожденк;

конфигурации расположения бортовых приборов и устройств, при которы?

обеспечиваются их требуемые качества функционирования.

Преимущество разработанной методики испытаний перед методог

испытаний в Т-камере заключается в том, что появляется возможность оценить

20

етры суммарной излучаемой электромагнитной помехи с учетом яний между моделями и устройствами и различных видов помехи от го устройства.

1а месте бортового устройства могут быть установлены антенны и датчики ияющие измерить параметры суммарных излучаемых электромагнитных ! в виде электрического или магнитного поля от моделей. |азработана методика испытания, также включает исследование уровней даруемых напряжений в кабелях, под воздействием суммарного зомагнитного поля от приборов и устройств на борту подвижного объекта. 1а рис. 13 приведена схема измерения наведенного напряжения на нительном кабеле с использованием моделей бортовых устройств.

ПШ^Щ/

г/*,/»/

13. Схема измерения наведенного напряжения на соединительном кабеле с шзованием моделей бортовых устройств.

доведения испытаний с целью определения индуцированных кондуктавных ромагнитных помех в соединительном кабеле, на макете подвижного :та, возможно, использовать модели бортовых устройств, создающие шемые помехи разных видов сигналов.

Полученные результаты испытаний также позволяют определить расстояни для прокладки кабеля от бортовых устройств, при которых индуцируемы напряжения и токи, возникающие под воздействием излучаемых помех в кабеле не превышают заданные стандартом нормативные значения кондуктивных помех

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны топологические модели размещения бортовых приборов разрешенных трасс прокладки жгутов кабелей и проводников на бор подвижного объекта.

2. На основе предложенных топологических моделей, разработан алгорит поиска трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников, позволяющи находить кратчайший путь прокладки жгутов с минимальной длиной пр условии выполнения электромагнитной совместимости кабелей в жгутах, н плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкци подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учето влияния создаваемых ими излучаемых электромагнитных поме позволяющий находить места расположения, где уровень суммарног воздействующего поля меньше порогового значения восприимчивости.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияш излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств, позволяющи определять трассы прокладки, в которых результирующие излучаемы электромагнитные помехи индуцируют кондуктивные помехи, уровн

. которых не превышают уровни допустимые стандартами.

гг

Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым ктромагиитным помехам бортовых устройств и кабелей, предназначенная для ождсния конфигурации размещения бортовых приборов и устройств, при рых обеспечиваются требуемые качества юс функционирования под действием суммарных излучаемых электромагнитных помех, создаваемых елями бортовых устройств.

4. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ромо Фуентес Карлос, «Типовые проекты и состав бортовых комплексов малых космических аппаратов», сборник трудов международной «Китайско-роесийской конференции, Москва, 2007г. стр. 232.

2. Ромо Фуентес Карлос, «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети космических аппаратов с учетом ЭМС», сборник трудов 4-й научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого», Москва, 2007г. стр.923.

3. Ромо Фуентес Карлос, «Анализ электромагнитной совместимости кабельной сети малого космического аппарата», сборник трудов б-Й международной конференции «Авиация и космонавтика», Москва, 2007р. стр.128.

4. Ромо Фуентес Карлос, «Методы компоновки приборов и размещения кабелей в отсеках подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости», сборник трудов всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике», Москва, 2008г. стр. 100.

5. В.Ю. Кириллов, Ромо Фуентес Карлос, «Размещение бортовых устройств подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости»,

23

сборник труден 10-й 1»учно-гех»иисской конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность», Санкт-Петербург, 2008г. стр. 320.

6. Ромо Фуеитее Карлое, «Алгоритмы компоновки бортовых устройств и размещения кабелей в отсеках подшшшх обьектоа с учетом электромагнитной совместимости» сборник трудов 7-й международной конференции «Авиация и космонавтика», Москва, 2008г., стр. 99.

7, В ,10. Кириллов, Ромо Фуеитее Карлое, «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» // Технологии электромагнитной совместимости, № 2(25), Москва, 2008 г., стр. 47-50.

Оглавление.

Введение.

1. Проектирование элементов и устройств подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС).

1.1. Состав и компоновка элементов и устройств подвижных объектов.

1.2. Электромагнитная обстановка на борту подвижного объекта.

1.2.1. Кондуктивные ЭМП в электрических цепях бортовой кабельной сети от источников излучаемых электромагнитных помех.

1.2.2. Воздействие излучаемых ЭМП на электрические цепи бортовых устройств.

2. Проектирование бортовой кабельной сети подвижного объекта с учетом электромагнитной совместимости.

2.1. Критерии и исходные данные прокладки жгутов кабелей.

2.2. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников при условиях электромагнитной совместимости между проводниками в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях.

2.3. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Методы компоновки приборов и размещения кабелей.

3.1. Определение уровней помехоэмиссии бортовых элементов и устройств.

3.1.1. Элементарный электрический излучатель.

3.1.2. Элементарный магнитный излучатель.

3.1.3. Определение распределения напряженности электрического и магнитного поля по результатам измерения.

3.2. Алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.

3.3. Алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.

4. Методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

4.1. Исследование электромагнитной восприимчивости бортовых кабелей

4.2. Исследование помехоустойчивости бортовых устройств.

4.3. Методика испытания электромагнитной обстановки подвижного объекта с использованием моделей бортовых приборов.

4.3.1. Корректирование нормативных значений стандарта СЕ 102.

Актуальность темы

В настоящее время при проектировании бортовых систем подвижных объектов существует тенденция увеличения количества электронных устройств, средств связи, навигации, автоматизированных систем управления и т.д.

Тенденция увеличения плотности упаковки при размещении элементов и устройств, электронных блоков и систем различного назначения приводит к необходимости решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС).

Если при конструировании функционирующей электронной аппаратуры не предпринимаются специальные меры, направленные на ослабление или полное подавление электромагнитных помех, то при эксплуатации подвижного объекта могут возникнуть сбой или даже отказы в работе бортовых систем. Источниками помех могут быть, например, устройства, в состав которых входят силовые переключающие цепи, использующие электронные переключающие устройства, коммутируемые с высокой скоростью и др.

Применение нанотехнологии в микроэлектронике приводит к повышению чувствительности аппаратуры, что несовместимо с мощными бортовыми передатчиками и устройствами, создающими мощные электромагнитные помехи.

Оптимизация прочностных параметров конструкций с целью улучшения массагабаритных характеристик приводит к снижению толщины металлических экранирующих элементов и перфорированное™ или к использованию неметаллических композитных материалов, что приводит к увеличению влияния излучаемых помех на приборы и кабели.

Создание некоторой «системы» из совместно функционирующих подвижных объектов, даже если они имеют различное назначение, означает, что эти объекты расположены в непосредственной близости друг к другу и что для успешной работы системы необходимо обеспечить их электромагнитную совместимость.

Существующие инструкции по установке и монтажу традиционно связаны лишь с функциональными требованиями и часто не учитывают взаимовоздействие электромагнитных помех создаваемых бортовыми электронными устройствами; методы и алгоритмы автоматизированного проектирования трасс, жгутов кабелей не учитывают условия электромагнитной совместимости между кабелями и проводниками в жгутах. Поэтому, решение проблем ЭМС является редким не только для инженеров, устанавливающих и монтирующих системы, но и для специалистов, ответственных за разработку оборудования фирм-изготовителей.

В связи с вышеизложенным, исследование электромагнитной обстановки внутри системы, а также разработка моделей и алгоритмов прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом их электромагнитной совместимости являются актуальными научно-техническими задачами, имеющими важное значение при проектировании бортовых систем подвижных объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов поиска трасс жгутов позволяющих обеспечить электромагнитную совместимость проводников и кабелей бортовой сети и размещения приборов и устройств на борту подвижных объектов в областях внутреннего пространства с наименьшем уровнем излучаемых электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие научно-исследовательские и практические задачи:

1. Проведено математическое моделирование влияния излучаемых помех на электрические цепи элементов и устройств с целью исследования резонансных характеристик линии связи.

2. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.

5. Разработана методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей, теоретические основы электротехники, методы расчета электрической емкости и индуктивности, методы экранирования аппаратуры и кабелей связи, методы измерения импульсных магнитных и электрических полей, методы математического анализа графов, сетей и алгоритмов, численные методы анализа, методы подавления шумов и помех в электронных системах, методы анализа радиоэлектронных средств и мощных электромагнитных помех, методы оптимизации, методы испытаний электромагнитной совместимости. Математические модели представлены в виде компьютерных программ на языке программирования MatLab и математических расчетов в Excel.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электромагнитной совместимости кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института.

Научная новизна

1. Предложены топологические модели для проектирования трасс прокладки бортовой кабельной сети.

2. Разработан алгоритм определения трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей, соединяющих приборы и устройства с учетом электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта, создаваемой излучаемыми электромагнитными помехами.

5. Разработан критерий определения границ ближней и дальней распространения импульсных электромагнитных помех.

6. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей с использованием моделей бортовых приборов.

Практическая ценность диссертационной работы

Предложенные алгоритмы и методики размещения устройств и определения трасс кабелей с учетом ЭМС позволяют предотвратить ухудшение качества функционирования бортового приборного комплекса; обеспечить требуемое качество аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых по кабелям; кроме того обеспечить защищенность бортовых приборов и устройств от кондуктивных и(или) излучаемых помех; улучшить функционирование электрических, электронных бортовых устройств, а также минимизировать длину бортовой кабельной сети.

Тема диссертационной работы связана с планами Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (ГТУ).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором и обсуждались: на международной Китайско-российской конференции» (Москва, 2007г.), на 4-ой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого» (Москва, 2007г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007г.), на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2008г.), на 10-ой научно-техническая конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2008г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2008г.), а также на заседаниях кафедры 309-й «Теоретическая электротехника». Тезисы докладов опубликованы. Кроме того опубликована статья под названием «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» в журнале «Технологии электромагнитной совместимости», Москва, 2008 г., №2(25) .

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах. В том числе, опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страницы машинописного текста, включая 106 рисунок и 11 таблиц. Список литературы включает 43 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе можно сформулировать в следующем виде:

1. Разработаны топологические модели размещения бортовых приборов и разрешенных трасс прокладки жгутов кабелей и проводников на борту подвижного объекта.

2. На основе предложенных топологических моделей, разработан алгоритм поиска трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников, позволяющий находить кратчайший путь прокладки жгутов с минимальной длиной при условии выполнения электромагнитной совместимости кабелей в жгутах, на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими излучаемых электромагнитных помех, позволяющий находить места расположения, где уровень суммарного воздействующего поля меньше порогового значения восприимчивости.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств, позволяющий определять трассы прокладки, в которых результирующие излучаемые электромагнитные помехи индуцируют кондуктивные помехи, уровни которых не превышают уровни допустимые стандартами.

5. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей, предназначенная для нахождения конфигурации размещения бортовых приборов и устройств, при которых обеспечиваются требуемые качества их функционирования под воздействием суммарных излучаемых электромагнитных помех создаваемых моделями бортовых устройств.

Заключение

1. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. — М.: Сов. радио, 1979. 464 стр.

2. Стандарт MIL-STD-461E. США.: 1999.

3. Ott Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. — М.: Мир, 1979.-317 стр.

4. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Ленинград: Энергия, 1969. - 240 стр.

5. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. — Ленинград: Энергоатомиздат, 1986. -488 стр.

6. Романовский П.И. Ряды фурье, теория поля, аналитические и специальные функции, преобразование лапласа. М.: Госиздат, технико-теоретической литературы, 1957.-291 стр.

7. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 121 стр.

8. Уильяме Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. — М.: Технологии, 2004. 508 стр.

9. Атабеков Г. И., Купалян С. Д. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное Поле. М.: Энергия, 1979. - 431 стр.

10. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984. -454 стр.

11. Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации. М.: Сов. радио, 1980. - 269 стр.

12. Демидович Б. П., Амарон И., Шувалова Э. 3. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. - 368 стр.

13. Атабеков Г. И. Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1978. - 591 стр.

14. Гроднев И.И., Сергейчук К.Я. Экранирование аппаратуры и кабелей связи. — М.: Связьиздат, 1960. 316 стр.

15. Кравченко В.И., Болтов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987. — 256 стр.

16. Адольф И. Ш. Электромагнитная совместимость. — М.: Энергоатомиздат, 1995.-468 стр.

17. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники. — М.: Энергия, 1969.-352 стр.

18. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. — М.: Высшая школа, 1990.-335 стр.

19. Барис Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. -М.: Мир, 1990. 238 стр.

20. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. — М.: УМК МПС РФ, 2002. 637 стр.

21. Балюк Н.В., Болдырев В.Г., Булеков В.П., Кечиев JI.H., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников С.Б. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. — М.: Изд-во МАИ, 2005. 674 стр.

22. Гальперин Ю.И., Гладышев В.А., Козлов А.И. Электромагнитная совместимость научного комплекса АРКАД-3. М.: Наука, 1984. - 189 стр.

23. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков A.B. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. — М.: Энергоатомиздат, 2003. — 329 стр.

24. Кириллов В.Ю. Испытание космических аппаратов на воздействие электростатических разрядов. — М.: Изд-во МАИ, 2005. — 87 стр.

25. Кириллов В.Ю. Лабораторные работы по курсу "Методы и технические средства испытаний электромагнитной совместимости ЛА. М.: Изд-во МАИ, 2005.-46 стр.

26. Князев А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1983. — 336 стр.

27. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструированиерадиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. - 223 стр.

28. Кечиев Л.Н., Кузьмин В.И. Введение в электромагнитную совместимость электронного оборудования. М.: МГИЭМ, 1996. - 100 стр.

29. Кечиев JI.H., Кузьмин В.И. Электростатический разряд и электронное оборудование. — М.: МГИЭМ, 1996. 88 с.

30. Кечиев JI.H., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества: Учебное пособие. — М.: Технологии, 2005. 352 стр.

31. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров E.H. Молния и молниезащита.- М.: Знак, 2003. 329 стр.

32. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1991. —261 стр.

33. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995. — 295 стр.

34. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции. М.: Технологии, 2003.- 540 стр.

35. Кириллов В.Ю. Стандарты и методы испытаний электромагнитной совместимости технических средств. М.: Изд-во МАИ, 2006. - 68 стр.

36. Серьезное А.Н., Шашурин А.К. Методы и средства измерений в прочностном эксперименте. — М.: Издательство МАИ, 1990. — 196 стр.

37. Бердичевский Л.Д., Марченко В.А. Автоматизированное проектирование судовых кабельных сетей. Л .: Судостроение, 1978. - 213 стр.

38. Булеков В.П. Проектирование оптимальных жгутовых соединений электрооборудования // Изв. вузов Сер Электромеханика, 1986, № 11, стр 9194.

39. Булеков В.П., Тузов A.A., Шашурин А.К.Алгоритмы и программы для автоматизированного проектирования оптимальных трасс электрических сетей // Автоматизация проектирования электрических устройств и систем, Москва, 1986, стр. 20-21.

40. Матвеев Ю. И., Соболев Н.И. Алгоритмы оптимизация жгутового монтажа с заданной топологей // Техника средств связи, Сер. Техника проводной связи, 1982, Вып. 2, стр 128-134.

41. Прим Р.К. Кратчайшие связывающие сети и некоторые обобщения // Кибернетический сборник. Вып. 2, Москва, ИЛ, 1961, стр. 95-107.

42. Протопопов Н.Ю., Тузов A.A., Шашурин А.К. Алгоритм оптимального проектирования жгутовых соединений на плоских поверхностях // Системы и элементы электрооборудования летательных аппаратов, Казань, 1978, стр. 19-22.

43. Шестопалов Е.А., Киричкова Т.Б. Автоматизированная система проектирования проводного монтажа II Средства связи, 1982, Вып. 2, стр. 4345.