Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и выбор направлений исследований устойчивости СКД телекоммуникационных систем к воздействию СШПЭМИ 15
1.1. Телекоммуникационные системы на основе документов нового поколения . 15
1.2. Документы со встроенным чипом , 21
1.3. Актуальность проблемы и методический подход к ее решению 24
1.4. Методы и средства обеспечения устойчивости УТК к СШП ЭМИ27
1.5. Состояние работ по разработке международного стандарта по устойчивости технических систем к СШП ЭМИ 29
1.6. Выбор направлении исследовании и постановка задач 33
2, Совершенствование расчетно-экспериментальных методов оценки устойчивости СКД к воздействию СШП ЭМИ 36
2.1. СШП и системы контроля доступа 36
2.2. Общая характеристика систем контроля доступа как объектов, подверженных воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ). 39
2.3. Анализ параметров существующих генераторов СШП ЭМИ и перспективных разработок , 45
2.4. Разработка и совершенствование методов расчета воздействия СШП-ЭМИ на элементы СКД 47
2.5. Физико-математическая модель процесса взаимодействия электромагнитного поля с системой проводников. 51
2.6. Расчет токов для модельной геометрии 57
2.7. Эффективность поражающего действия СШП ЭМИ различных источников на технические средства 61
2.8. Экспериментальные данные по воздействию СШП-ЭМИ на оборудование систем контроля доступа 63
Выводы 70
3. Разработка расчетных методов оценки эффективности экранирования терминалов СКД . , 72
З.1.. Эффективность электромагнитного экранирования 72
3.2. Влияние отверстий и щелей на целостность экранирования 74
3.3. Эффективность экранирования экрана с отверстиями 81
Выводы. 83
4, Методы и средства экспериментальных исследований 85
4.1. Генерирование сигналов СШП ЭМИ 85
4.2. Антенно-фидерные системы СШП ЭМИ 95
4.3. Параметры СШП излучателей, разработанных в России и за рубежом 99
4.4. Средства регистрации измерения СШП ЭМИ. 102
4.5. Экранированная камера для проведения экспериментальных исследований 109
4.6. Расчётная оценка экранирующих свойств камеры. 110
4.7. Расчёт формы сигнала СШП ЭМИ, прошедшего через отверстие в экране 117
4.8. Методика расчёта формы прошедшего сигнала. 117
4.9. Экспериментальные исследования. 119
4.10. Воздействие СШП ЭМИ на СКД 129
4.11. Разработка рекомендаций по обеспечению устойчивости СКД
телекоммуникаций к воздействию СШП ЭМИ 131
Выводы. 139
Заключение. 141
Список использованных источников 144
Приложение. 155
Протокол испытаний.
- Телекоммуникационные системы на основе документов нового поколения
- Общая характеристика систем контроля доступа как объектов, подверженных воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ).
- Эффективность электромагнитного экранирования
- Генерирование сигналов СШП ЭМИ
Введение к работе
Широкое распространение микроэлектроники в современных информационных
системах учета, планирования и регулирования приводит к. возрастанию вероятности отказов ответственных систем управления и связи при воздействии электромагнитного импульса (СШП ЭМИ) ядерного взрыва и электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения (грозовых разрядов, разрядов статического электричества, электромагнитных полей радиопередающих и радиолокационных станций, высоковольтных линий электропередачи).
Поэтому актуальными в этих условиях становятся проблемы защиты информационных ресурсов, оценка устойчивости гражданских объектов, обеспечение функциональной безопасности информационных и. телекоммуникационных систем. Решение этих проблем проводится по следующим основным направлениям:
1. Задание в качестве требований в нормативно-технических документах
обоснованных, типизированных параметров электромагнитных факторов.
2. Создание и модернизация имитаторов для воспроизведения заданных в
стандартах параметров электромагнитных полей.
Испытание объектов к действию электромагнитных факторов с использованием имитаторов.
Разработка методов и средств защиты.
Обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических систем.
В нашей стране и за рубежом ведется целенаправленная работа по решению этих проблем. Завершается работа над комплексом российских стандартов по ЭМС. Активно работают комитеты МЭК.
Основные направления исследований по проблеме ЭМС представлены на рис. В.1.
По оценке специалистов проблема ЭМС и устойчивость технических средств выходит на ведущую позицию при разработке электронной и телекоммуникационной аппаратуры и систем на их основе [1 - 10]. Широкое распространение вычислительных сетей (ВС) ставит новые задачи по обеспечению ЭМС [4, 5, 7, 11 - 17]. Это объясняется рядом факторов, важнейшими из которых являются:
распределенная топология сетей, которая может формироваться по всему объему здания или производственного помещения значительной площади, что, в частности, усложняет проблему заземления электронного оборудования;
постоянно повышающееся быстродействие вычислительных систем, что вызывает все более жесткие требования к стабильности времен распространения
сигналов по линиям связи и качеству согласования последних, а также снижает помехозащищенность систем;
снижение энергетических порогов срабатывания микросхем, что увеличивает их
чувствительность к воздействию внешних и внутренних помех различной
природы;
широкое применение искусственных материалов (пластмасс) как в аппаратуре,
так и в оборудовании служебных помещений, что усложняет разработку экранов и способствует возникновению электростатических зарядов на аппаратуре и окружающих предметах и оборудовании. Региональные телекоммуникационные системы в настоящий момент переживает период коренной реконструкции. Основным ее направлением является повсеместное внедрение информационно-вычислительных систем повышенного быстродействия, компьютерных технологий, внедрение локальных и глобальных вычислительных сетей и построение систем телекоммуникаций на их основе, внедрение новых идентификационных документов в системы МВД, миграционной службы и т.п. Это детально рассмотрено в работах автора [26 - 28] При решении данной проблемы приходиться сталкиваться с рядом трудностей, которые определяются несовершенством инфраструктуры зданий и помещений,: предназначенных для размещения аппаратуры, нового поколения, отсутствием ряда стандартов и методик проектирования [18 - 24], В первую очередь, это относится к задачам электромагнитной совместимости (ЭМС) и информационной безопасности, поскольку устаревшее оборудование было относительно невосприимчиво к большинству типов непреднамеренных и намеренных помех, которые присутствуют в производственном помещении. Попытки решить проблему ЭМС на этапе отладки установленных телекоммуникационных систем (ТК) приводят к значительным затратам и:в ряде случаев требуют коренной реконструкции помещений и переналадки оборудования. Очевидно, что наиболее приемлемым является решение проблемы ЭМС телекоммуникационного оборудования и соответствующих кабельных: систем на возможно более ранних этапах их инсталляции* включая строительство зданий, отделку помещения, прокладку коммуникаций и структурированных кабельных систем (СКС), силовых цепей, выполнение заземления и т.п. В публикациях автора [25 - 30] рассмотрены основные задачи обеспечения ЭМС терминального оборудования системы контроля доступа как наиболее уязвимого в системе технических средств основанных на идентификационных документах нового поколения, обоснованы методы решения задачи1 сохранения функциональной способности при наличии деструктивных электромагнитных воздействий и разработаны методы расчета и программы, внедрение которых позволило
существенно сократить сроки ввода в строй новых объектов и модернизацию старых, что в конечном итоге привело к значительному техническому эффекту. Основные направления исследований по проблеме ЭМС терминального оборудования систем телекоммуникаций представлены на рис. В.1.
Экспериментальная база
Оценка устойчивости технических средств
Методы и средства испытаний
Концепция защиты
Рис. В.1. Основные направления исследований по проблеме ЭМС устройств телекоммуникаций
Топологически ЛВС могут быть реализованы в виде шины, звезды, кольца или их комбинации. В любом варианте физическая протяженность СКС может достигать сотен метров. Для прокладки коммуникаций в строительных конструкциях предусматриваются или вновь создаются каналы, в которых укладываются не только линии связи для передачи данных, но и телефонные линии, телевизионные кабели и другие коммуникации. В большинстве случаев в непосредственной близости располагаются и линии первичного электропитания. Все это создает весьма сложную электромагнитную обстановку в сетевых каналах, что требует повышенного внимания к проблеме обеспечения ЭМС.
Кроме электромагнитных полей от сторонних источников, возрастает напряженность полей от аппаратуры, которая входит в состав ЛВС: компьютеры, принтеры, копиры и др., поскольку насыщенность этой аппаратурой и её плотность на единицу площади возрастает, а применение пластмассовых корпусов снижает эффективность экранирования рецепторов и источников помех.
Непосредственно к проблеме обеспечения ЭМС примыкает проблема защиты информации, а именно, ее задачи обеспечения целостности и доступности информации, которая рассмотрена в [19,25].
В большинстве случаев ослабление внешних электромагнитных полей за счет строительных конструкций является недостаточным: Для этих целей применяются специальные методы экранирования помещений. Наиболее ответственные компоненты (серверы, компьютеры и т.п.) ЛВС, к которым предъявляются повышенные требования по обеспечению ЭМС и защите информации, могут располагаться в специальных выделенных помещениях [23, 30]. Эти помещения должны отличаться - повышенной^ эффективностью и целостностью экранирования.
Распределенная сеть подвода электрической энергии является мощным и одним из основных источников индустриальных помех в вычислительных сетях. Значительные протяженности этих сетей определяют значительные антенные эффекты. Кроме этого, малые расстояния между проводами питающей сети и информационными шинами, которые определяются условиями прокладки коммуникаций в технологических каналах здания, способствуют увеличению уровня индуцированных помех в информационных шинах [1, 31].
Грозозащита зданий является; важным фактором сохранения работоспособности ЛВС при грозовых разрядах. Грозозащита ТС осуществляется общепринятыми мерами [1, 6, 32] при выполнении основных требований: разделение на силовую, рабочую, защитную землю; минимизации общих путей для/ токов заземления указанных систем земель; минимизация сопротивления систем заземления, включая сопротивление заземлителей [1, 32].
Качество функционирования ТС во многом определяется наличием помех в информационных шинах. Эти помехи можно разделить на два основных вида: помехи отражения и.индуцированные помехи. Помехи отражения вызываются рассогласованием линий связи. При этом уровень помех, приводящих к значительным искажениям формы сигнала, может быть достаточно велик. Это может привести к ложным срабатываниям системы, а в худшем случае - выходу аппаратуры из строя за счет перегрузки входных каскадов. Индуцированные помехи вызываются близко расположенными линиями
9 (информационными или энергопитания), из которых за счет взаимных емкостных и индуктивных параметров линий электромагнитная энергия переносится на линию-рецептор.
Борьба с индуцированными помехами в основном сводится к выбору рационального способа экранирования и применению фильтров [1,2,6,34-41].
Эффективным методом снижения уровня помех является применение балансного включения линий с дополнительным экранированием или применение витых пар в балансном включении, В настоящее время предпочтительной средой распространения сигнала в СКС является витая пара.
Для снижения уровня индуцированных помех в плоских кабелях применяется рациональная организация линий связи в виде "тройки проводов". В этом случае сигнальный провод располагается между двумя проводами, несущими возвратный ток и выполняющих роль экрана. Такая организация, позволяет стабилизировать волновое сопротивление1 линии связи, снизить уровень индуцированных помех от соседних проводов и от внешних источников электромагнитных полей.
Фильтрация является мощным средством подавления помех в информационных цепях. Среди перспективных технических решений следует отметить применение фильтров-контактов, которые позволяют снизить объемы и массу оборудования, а также -ферритовых помехоподавляющих элементов [1-7].
Фильтры могут быть установлены в аппаратуре, но больший интерес представляет установка фильтров на информационные линии связи и линии электропитания в процессе интегрирования ТС на объекте. Наиболее пригодны для этих целей ферритовые помехоподавляющие элементы. К сожалению, номенклатура подобных: отечественных изделий весьма ограничена.
Технические средства обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств в условиях производственных помещений базируются на следующих важнейших направлениях: заземление, экранирование, фильтрация и обеспечение качества электроэнергии.
Проблема обеспечения ЭМС при создании: современных вычислительных комплексов представляет весьма сложную задачу. В тех случаях, когда системы распределены на значительньгх площадях в специальных зданиях и помещениях, что имеет место при монтаже локальных вычислительных сетей, в комплекс задач включаются и задачи оценки электромагнитных свойств строительных конструкций, распределения энергии и заземления и ряд других специальных вопросов. Актуальность этих вопросов подтверждает следующее.
По данным [18] на частотах между I МГц и 100 МГц среднее ослабление электрического поля при его проникновение в здание составляет от 20 до 25 дБ. При этом перегородки. здания играют роль полосно-пропускающих фильтров. На низкой частоте (около 100 кГц) ослабление магнитного поля сравнительно невелико и составляет 10... 15 дБ. Уменьшение эффективности экранирования на частотах около 60 МГц наблюдается в местах нарушения электрической непрерывности бетонных конструкций, например в местах стыков перегородок и стен.
На частотах свыше нескольких сот МГц проникающая через оконные проемы и другие отверстия в стенах здания энергия становится соизмеримой по амплитуде с энергией, проникающей через стены. На частотах около 10 ГГц преобладающую роль играют окна, которые необходимо защищать экранирующими стеклами или другими приемами.
В целом задача обеспечения ЭМС для снижения стоимости проекта должна решаться на максимально ранних этапах проектирования систем. Если в проект входят этапы строительства и подготовки производственных помещений, помещений вычислительных центров и т.п., то эти этапы должны выполняться с обязательным участием специалистов по обеспечению ЭМС. Это позволит минимизировать затраты при проведении мероприятий по обеспечению ЭМС на последующих этапах строительства зданий, оборудования помещений, монтажа и эксплуатации оборудования.
К основным задачам, требующим комплексного решения, можно отнести:
экранирование зданий и помещений;
экранирование оборудования;
обеспечение качества электроэнергии;
снижение уровня индустриальных помех и разработка методов защиты от них;
защита оборудования от воздействия электростатических разрядов;
рациональная прокладка цепей питания и коммуникаций, которая обеспечивает минимальный уровень помех в них и от них;
организация заземления.
Решение этих задач должно увязываться с обеспечением целостности сигнала, который распространяется в информационных цепях.
Проблема обеспечения ЭМС телекоммуникационных средств становиться одной из самых актуальных. Информационные сигналы в ТС представляют собой дискретные уровни напряжения или тока в форме импульсов. Полезное с точки зрения ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС) электромагнитное излучение (работа радиостанций,
систем навигации и телекоммуникаций и пр.) рассматривается в этом случае как помеха. Задача обеспечения ЭМС ТС возникла по следующим причинам:
возрастание общего числа РЭС и ТС,
возрастание общего уровня помех, главным образом от индустриальных источников,.
усложнение функций, состава и пространственной протяженности ТС,
сосредоточение различных видов РЭС и ТС в ограниченном пространстве (например, в одном помещении), с одной стороны, и распределенный характер компьютерных сетей - с другой,
несовершенство технических характеристик ТС, от которых зависит ЭМС,
снижение энергии полезных сигналов и уменьшению отношения сигнал/помеха.
В местах размещения технических средств МЭК установлены следующие
категории и виды, электромагнитных помех: низкочастотные и высокочастотные (кондуктивные и излучаемые), электростатические разряды и электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва (ЭМИ ВЯВ), СШП ЭМИ.
Понятия "излучение помех" в проблеме ЭМС обычно применяется в более широком смысле: это не только излучение электромагнитных волн в качестве помех, но и образование любых видов помех другим ТС и РЭС. Основными путями проникновения и излучения помех в устройстве (ТС) являются:
кондуктивные пути: линия питания, внешняя линия связи, цепь заземления;
пространственные пути: корпус, разъемы, отверстия в корпусе.
Источники помех чрезвычайно разнообразны. По сути дела, каждое изменение напряжения или тока в любой электрической цепи и сопутствующее ему изменение напряженности электрического и магнитного полей могут рассматриваться как потенциальный источник помех.
По характеру протекания процесса во времени различают помехи гармонические, импульсные и шумы. По месту расположения источника помех различают помехи внутренние и внешние. Внутренней является помеха, источник которой является частью рассматриваемого ТС, а внешней - помеха, источник которой не является частью рассматриваемого ТС.
К внутренним помехам можно отнести шумы, индуцированные помехи и помехи от рассогласования линий связи, определяющие целостность информационных сигналов. Шум - флуктуационный процесс, обусловленный дискретной природой электрического тока и представляющий собой последовательность очень коротких импульсов, появляющихся хаотически в большом количестве. Индуцированная помеха - помеха,
12 возникающая вследствие непредусмотренной схемой и конструкцией рассматриваемого объекта передачи по паразитным связям напряжения, тока, заряда или магнитного потока из источника помехи в рассматриваемую часть объекта. Под паразитной связью при этом следует понимать связь по электрическим и (или). магнитным полям, появляющуюся независимо от желания конструктора или интегратора систем при монтаже на объекте. В зависимости от физической природы элементов паразитных электрических цепей различают паразитную связь через общее полное сопротивление, емкостную паразитную связь и индуктивную паразитную связь.
Помеха от рассогласования [7, 31] представляет собой нежелательный переходный процесс в рассматриваемой электрической, цепи^ объекта, содержащей участки с распределенными и сосредоточенными параметрами, возникающий вследствие рассогласования между неоднородными участками линий связи. В локальных сетях подобные неоднородности могут возникать при неправильном подборе коаксиальных кабелей или'витых пар, соединителей и входных сопротивлений сетевых портов. При применении стандартных СКС необходимо обосновано определять режимы их работы, а научно обоснованные выводы должны лежать в основе разработки новых стандартов и рекомендаций.
К внешним помехам можно отнести промышленные (индустриальные), от радиопередающих средств, атмосферные (в т.ч. разряды молний) и космические. Внешние помехи ТС безотносительно к первоисточнику их возникновения подразделяют на внешние индуцированные помехи, помехи из сети питания, из внешних линий связи и помехи от разрядов электростатических зарядов.
Под помехами из внешних линий связи подразумеваются помехи, попадающие в аппаратуру рассматриваемого объекта из линий связи с устройствами, не являющимися частями объекта. Наиболее характерными помехами из внешних линий связи являются симметричные и несимметричные импульсные помехи и помехи от неэквипотенциальности точек заземления, что весьма типично для протяженных ЛВС [11 - 13].
Напряжение симметричной импульсной помехи из однофазной линии связи приложено между входными зажимами прямого и обратного проводов связи, из дифференциальной линии - между дифференциальными входными зажимами. Напряжение несимметричной импульсной помехи по линии связи приложено между проводом линии связи и землей. Напряжение помехи от неэквипотенциальности точек заземления приложено между точками заземления отдельных устройств. Если связи между двумя устройствами являются гальваническими, а обратные провода связей
13 соединены с корпусами устройств, то напряжение от неэквипотенциальности оказывается приложенным к обратному проводу связи.
К внешним помехам, наиболее часто приводящим к сбоям и отказам в работе ТС, относятся: импульсные и длительные возмущения в сети питания переменного тока, неэквипотенциальность точек заземления, разряды электростатических зарядов, помехи от импульсных электрических и магнитных полей, помехи от напряжения промышленной частоты, помехи от ВЧ электромагнитных излучений, которые рассмотрены в [1, 2,42].
Импульсные помехи в ЛВС между ТС появляются из-за внешних наводок и. неэквипотенциальности точек заземления корпусов ТС. Наибольшие значения амплитуд, импульсов помех в системных линиях связи наводятся при грозовых разрядах. Другая причина наводимых в линиях связи помех - наличие в окружающем пространстве импульсных полей, создаваемых различного рода источниками искусственного происхождения: электрическими аппаратами, высоковольтными установками и ЛЭП, радиопередающими устройствами. В этом случае амплитуды напряжения помех в линиях связи не столь велики, как при грозах, но зато частота следования таких помех выше.
Основные источники электромагнитных помех естественного происхождения: грозовые разряды, электростатические разряды, мощный электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва.
К основным мерам, направленным на обеспечения ЭМС, относятся экранирование, фильтрация и заземление. В принципе, следует отдавать предпочтение пассивным средствам обеспечения ЭМС (например, использование пассивных фильтров), рассчитанным на весь срок службы устройств, перед активными (например, использование активных фильтров). Применяют фильтры в сигнальных и питающих линиях. Устанавливают источник бесперебойного < питания для улучшения качества электроэнергии. Для экранирования применяют экранирующие корпуса, в том числе из металлизированных пластмасс, экранированные разъемы, экранированные сигнальные и питающие линии. Экранируют помещения, где расположена аппаратура, путем облицовки экранирующими материалами, нанесением токопроводящей краски. Используют определенную топологию цепей заземления для устранения неэквипотенциальности точек заземления устройств, входящих в комплекс или систему.
Настоящая работа посвящена теоретическому обобщению и решению научной задачи имеющей важное значение, а именно разработке научно-методических основ оценки устойчивости СКД телекоммуникационных систем (ТКС) к воздействию сверхширокополосного электромагнитного импульса (СШП ЭМИ).
Научная новизна работы заключается:
в разработке на основе теории интегральных уравнений методов расчета воздействия СШП ЭМИ на проволочные структуры и экраны с неоднородностями, что позволяет оценивать электромагнитную обстановку вне и внутри реального объекта и прогнозировать характеристики воздействия СШП ЭМИ на элементы систем контроля доступа;
в развитии принципов и методов распределенных вычислений при проектировании систем защиты терминалов, доведенных, до конкретных пользовательских интерфейсов систем;
в обосновании рекомендаций по оценке устойчивости СКД.
На защиту выносится:
результаты теоретических и экспериментальных, исследований воздействия СШП ЭМИ на СКД с учетом их конструктивных особенностей;
рекомендации по методам и средствам защиты СКД телекоммуникаций от воздействия СШП ЭМИ.
математические модели, описывающие воздействие СШП ЭМИ на СКД и разработанные на их основе алгоритмы расчета и программы с применением пакета Mathematical
Телекоммуникационные системы на основе документов нового поколения
В настоящее время все более актуальной становится задача предотвращения террористических акций, необходимым элементом решения которой становится усиление контроля за миграцией, выявление перемещений преступных элементов.
Одним из способов решения задачи контроля за перемещением преступных элементов является обеспечение надежной идентификации личности путем создания защищенной автоматизированной системы идентификации с использованием биометрических параметров и применением криптографических методов защиты персональных данных, в том числе электронной цифровой подписи (ЭЦП), как показано в работах автора [25 - 2S].
В соответствии с задачей, поставленной Президентом Российской Федерации и Председателем Правительства Российской Федерации, с учетом проводящихся в настоящее время консультаций в рамках стран «восьмерки» и рекомендаций международных организаций, должны быть созданы идентификационные дорожные документы нового поколения и инфраструктура их обращения. При этом целесообразно рассмотреть единый подход и общую производственно-технологическую базу для всех документов нового поколения: дорожных, внутренних, личных, транспортных, служебных и т.д.
В силу различных причин в стране и в мире возрастает уровень преступности, в том числе и наиболее опасных ее проявлений; все более актуальной становиться задача защиты граждан и общества от преступных посягательств, наряду с этим усиливается значение предотвращения и раскрытия преступлений, их профилактика.
В первую очередь необходимо поставить заслон на пути совершения террористических акций, сокращения числа серьезных преступлений.
При подготовке к совершению подобных преступлений, а также после совершения преступления террорист или обычный преступник, как правило, пытается уйти, скрыться от ответственности путем изменения места жительства, замены документов, изменения имени, иногда внешности. Поэтому важной составной частью борьбы с преступлениями и террористическими акциями наряду с оперативно-разыскными мероприятиями является точная достоверная идентификация личности, следящий учет перемещений и мест жительства, мест работы по каждому индивидууму, а также регистрация таких дополнительных данных на человека, как уровень образования, характеристика здоровья, крупные денежные операции, предоставленные льготы, выезды за границу, наличие транспортных средств и водительского удостоверения, характеристики армейской службы, работы и т.д.
Особое значение приобретает фиксация правонарушений и преступлений, неадекватного и неформального поведения индивидуума. Отметка, сделанная по поводу преступления в ячейке базы данных и в личном документе нового поколения явится клеймом, ограничивающим в правах преступника, отличающего его от добропорядочных граждан.
Все эти данные необходимо сосредотачивать в информационных центрах, объединенных в единую справочную систему с различными правами доступа для силовых структур И; ведомств, с обеспечением быстрого доступа должностным лицам, располагающим соответствующими правами.
При этом данные на каждого человека должны накапливаться в соответствующей ячейке информационной системы (базы данных) от его рождения до смерти ив соответствии с законом должны быть недоступны для несанкционированных просмотров и изменений.
Важным элементом построения подобной системы является наличие, на руках человека идентификационного документа с отражением части его данных, характеристик и положения в обществе, как в открытом, так и в недоступном, закодированном виде, для которого невозможно провести несанкционированные изменения. Для повышения оперативности и достоверности идентификации личности в режиме офф-лайн, такой документ в скрытом виде может содержать также и биометрические данные человека, например, цифровую фотографию и/или отпечатки пальцев.
В качестве подобного документа, например, целесообразно применение пластиковой карты с электронной микросхемой, как наиболее технологически подготовленного и распространенного носителя.
Такой электронный документ в будущем мог бы стать единым и единственным документом на руках человека, удовлетворяющим всем требованиям социальных, информационных и гражданских потребностей человека и общества. Как переходный вариант можно рассмотреть применение ограниченного ряда из нескольких документов, идентифицирующих человека в различных подсистемах: социальных, гражданских, транспортных и т.д., и обеспечивающих его гражданские и жизненные потребности. Подобные документы могут быть выполнены по единой технологической схеме и работать в общей или единой информационной среде.
Как частный случай единого документа могут быть рассмотрены дорожные документы нового поколения, интеллектуальные транспортные документы: водительские удостоверения, паспорт технического средства, свидетельство о регистрации, удостоверения личности.
Идентификация должна проводиться для определения благонадежных граждан, для которых создается максимально благоприятная среда при жизни, и неблагонадежных граждан, для которых проводятся мероприятия по надзору, вводятся ограничения, проводится их отсеивание. Документы нового поколения позволяют организовать и автоматизировать процесс выявления неблагонадежных граждан. Достоверная идентификация на основе базы данных и документов нового поколения не позволит неблагонадежным гражданам воспользоваться поддельными документами
Преимущества автоматической идентификации заключаются в: уменьшении издержек и потерь для добропорядочных граждан, нахождении под контролем в любой момент времени и в любом месте неблагонадежных граждан (надзор и контроль в местах пребывания, просеивание, селекция и т.п.), высокой оперативности достоверной идентификация личности за счет применения в документах биометрических параметров.
Достижению цели способствует: усиление защищенности документов от подделки, подмены, фальсификации за счет размещения данных в чипе и применении средств криптографии (ЭЦП), исключение субъективного фактора при всех фазах жизни документов, начиная с изготовления заготовок, персонализации бланков, выдачи документов, их контроле и до утилизации документа за счет автоматизации процессов.
Предполагается обеспечить единый информационно-технологический подход к личным, дорожным, транспортным документам (визам и загранпаспортам, удостоверениям личности, водительским удостоверениям и т.д.).
Общая характеристика систем контроля доступа как объектов, подверженных воздействию сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ).
Современные системы контроля доступа (СКД) все в большей степени оснащаются электронными системами управления, микропроцессорными устройствами, чувствительными к электромагнитным воздействиям. Повышение степени интеграции элементной базы электроники,. и, как следствие, снижение электрической прочности отдельных компонентов аппаратуры приводит к понижению устойчивости систем к воздействию электромагнитных факторов различного происхождения.
С другой стороны, средства электромагнитного поражения радиоэлектронной техники также совершенствуются, создаются поражающие средства воздействия на системы связи и управления нового типа. Так в последние годы: появились новые стационарные и подвижные генераторы, излучающие периодические и однократные сверхширокополосные электромагнитные импульсы (СШП ЭМИ). Такие устройства обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренньпс помех - сверхширокополосностью и большой амплитудой излучаемых: электромагнитных полей. Одной из возможных областей применения таких излучателей является дистанционное поражение (до 2 км.) электронных компонентов систем контроля доступа (СКД), телекоммуникационных (ТКС), информационно-управляющих систем различного назначения, технических средств связи. Уровни плотности потоков электромагнитного излучения этих генераторов таковы, что могут приводить к нарушению работоспособности радиоэлектронной; аппаратуры, а в ряде: случаев, к, необратимым изменениям ее параметров. Кроме того, электронные компоненты и цепи, такие как микропроцессоры, составляющие сегодня основную часть используемых элементов, работают на все более высоких частотах и низких напряжениях и, таким образом, становятся все более восприимчивыми к СШП ЭМИ.
Данные тенденции в развитии генераторов сверхмощных электромагнитных полей обуславливают необходимость проведения исследований, направленных на обеспечение стойкости систем контроля доступа к электромагнитным воздействиям.
О перспективности средств электромагнитного поражения можно также судить хотя бы по тому, что в США в начале 90-х годов научно-техническое направление создания ЭМИ-оружия было выделено, как самостоятельное и включено в перечень наиболее важных военных технологий [112, 124]. В связи с этим в настоящее время вступило в действие новое положение национальных и международных стандартов, в которых установлены более жесткие требования по безопасности и стойкости изделий, аппаратуры и оборудования (технических средств) при воздействии электромагнитных факторов природного и техногенного происхождения. Новые параметры воздействующих электромагнитных полей существенно отличаются от действующих ранее как по амплитудным, так и по временным характеристикам. Увеличены в 2 - 3 раза амплитуды напряженностей полей с длительностью фронта до нескольких долей наносекунд. Кроме того, невозможность учета всех факторов, влияющих на поражающее действие СШП ЭМИ, сложность современных телекоммуникационных систем затрудняют получение достоверной информации о степени поражения систем и механизмах поражения с применением расчетных методов.
Из анализа следует, что в настоящее время преднамеренные сверхширокополосные электромагнитные помехи являются новой серьезной угрозой для различных систем. Тем более что. зависимость общества от компьютерных систем за последнее десятилетие быстро возросла, и восприимчивость электронных систем к СШП ЭМИ помехам стремительно растет.
Такое качественное переоснащение отечественных систем контроля доступа и систем связи современной компьютерной техникой, повышение требований по стойкости к. действию различных электромагнитных полей телекоммуникационной аппаратуры приводит к тому, что в современных условиях проблема воздействия электромагнитных импульсов на СКД, средства связи и управления становится одной из ключевых.
Преднамеренная электромагнитная помеха опасна еще и тем, что она может создаваться тайно, анонимно и на большом удалении от поражаемого объекта. Она может поразить большое число целей и не оставлять никаких следов. Поэтому, особенно актуально, на настоящий момент, стоит вопрос о защите СКД от воздействия сверхширокополосных ЭМИ; при котором снижается- эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах и увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах высокочастотных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов или имеющие плетеные и витые экраны, что приводит к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры [1 - 10, 120, 121, 124].
Сегодня СШП ЭМИ является очень слабо изученным: поражающим фактором, способным выводить из строя современные системы связн и управления.
В связи с этим, важным этапом при решении задач, направленных на обеспечение стойкости систем контроля доступа к действию электромагнитных факторов, является проведение исследований с использованием математических моделей взаимодействия СШП ЭМИ с элементами СКД. Для проведения исследований воздействия СШП ЭМИ на СКД необходима соответствующая система исходных данных, полученная на основе анализа перспективных характеристик генераторов СШП ЭМИ и существующих методов оценки их воздействия на элементы технических средств.
Наряду со значительными достижениями в области обеспечения стойкости технических систем существующие методы оценки воздействия импульсных электромагнитных, полей (ЭМП) не позволяют проводить достоверную оценку воздействия СШП ЭМИ на СКД. Это в значительной мере обусловлено отсутствием1 совершенных методов расчета воздействия СШП ЭМИ на элементы РЭА и несовершенством метрологического обеспечения измерений в этих диапазонах. Поэтому исходные данные по амплитудно-временным параметрам СШП ЭМИ в работе получены из анализа известных характеристик генераторов СШП ЭМИ, проекта международного стандарта по СШП ЭМИ, средств измерений и эталонов электромагнитных полей субнаносекундного диапазона [85, 88].
Следовательно, задача разработки и совершенствования методов оценки, средств определения характеристик СШП ЭМИ и результатов его воздействия на технические системы, а также разработка и уточнение требований к средствам защиты, является в настоящее время особенно актуальной. Кроме того, следует отметить, что подкомитетом 77С МЭК ведется разработка международных стандартов по СШП ЭМИ, которая в настоящее время находится в стадии подготовки рабочего проекта. Это еще раз подтверждает актуальность поставленной задачи.
Эффективность электромагнитного экранирования
Электромагнитным экраном называют конструкции, предназначенные для. ослабления электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей;этих источников. В подавляющем большинстве случаев электромагнитные экраны делаются из металла: меди, алюминия, стали. Для СШП ЭМИ экран работает в дальней зоне, что позволяет- рассматривать его строго как-электродинамический экран, в отличие от режимов электростатического и магнитостатического экранирования, которые характерны для работы в ближней зоне.
Наиболее широко применяемое теоретическое описание работы экрана основано на предположении, что действия электромагнитного экрана состоит в отражении и направлении потока энергии, создаваемый источниками поля, предотвращая ее попадание в защищаемую область пространства (Рис 3.1) [29,30, 129- 134].
Механизм отражающего и направляющего: действия экранов на потоки электромагнитной энергии неразрывно связан с возникновением на поверхности и в толще конструкций зарядов, токов и поляризации.
Качество экранирования описывается эффективностью экранирования (S), которая определяется так: 5ДБ = 1 Отпадающая энергия/пропущенная энергия], где падающая энергия - это энергия в точке измерения до установки экрана, а пропущенная.энергия - энергия в той же точке, но уже после установки экрана. Это выражение определяется как потеря и, поэтому значение S всегда положительно.
Степень ослабления, обеспечиваемая экраном, зависит от трех механизмов. Первый - это отражение волны от границы. Второй - поглощение волны по мере ее прохождения через слой металла. Третий - повторное. отражение, которое имеет место при достижении волной противоположной стороны металлического слоя и так далее неограниченное число раз. Ниже будет рассматриваться только первое переотражение.
В общем случае экран не только ослабевает, но и искажает поле источника в защищаемой области. Поэтому его эффективность экранирования оказывается различной для электрической и магнитной составляющих поля и от координат точки измерения. Это обстоятельство существенно затрудняет ее количественную оценку.
Для напряженности двух полей, измеряемых в одной среде с определенным волновым сопротивлением, выражение будет выглядеть так: ДБ = 20lg(E/E3) для электрического поля, 5ЛБ = 201g(H/H3) для магнитного поля, где: Е - напряженность электрического поля до установки экрана, Е, -напряженность электрического поля после установки экрана, Н - напряженность магнитного поля до. установки экрана, Нэ - напряженность магнитного поля после установки экрана
Для расчета эффективности через параметры экрана существует формула: S = A + R + B,pp,. где А - определяет эффективность экранирования, за счёт поглощения электромагнитной волны в толще экрана, R - составляющая, определяющая отражение от границы раздела при входе волны в экран, В - характеризует потери за счёт многократных отражений в толще экрана.
Однако на практике корпуса терминального оборудования, которые играют роль экранов, не являются сплошными. Они должны иметь крышки для доступа к узлам и блокам, дверцы, отверстия для проводов, вентиляции, переключателей и измерительных приборов, а также механического соединения и швы, которые образуют дополнительный канал для проникновения поля (Рис. 3.3 и Рис. 3.4), Вследствие этого эффективность экрана уменьшается. С точки зрения практики собственная эффективность экранирования материала экрана представляет меньший интерес, чем утечки через швы, соединения и отверстия.
Значение утечки через разрывы в экране зависит главным образом от трех факторов: 1) максимального линейного размера отверстия; 2) волнового сопротивления; 3) частоты источника.
Тот факт, что максимальный размер, а не площадь определяет величину утечки, лучше всего можно понять, рассмотрев экранирования с точки зрения теории цепей. Поля шумов индуцируют токи в экране, а индукционные токи создают дополнительные поля. Эти новые поля нейтрализуют первоначальное поле в некоторых областях пространства. Для того чтобы это происходило, такие токи должны иметь возможность протекать без возмущений в направлении, заданном падающем полем. Если в экране имеется разрыв, вынуждающие индукционные токи отклоняться от первоначального пути, эффективность экранирования уменьшается. Если стенки экрана очень тонкие, а отверстия незначительные, то поле создается в основном за счет проникновения сквозь стенки. Смена материала и утолщение стенок могут в этом случае повысить эффективность экранирования. Если стенки относительно толстые, а отверстия и щели значительны, то поле снаружи создается в основном за счет проникновения через эти отверстия и щели, так что утолщение стенок малоэффективно (Рис. 3.5).
Поле слоя заряда, введенного в отверстие экрана с конечной толщиной стенок
Проникновение поля через отверстие можно существенно ослабить путем насадки на это отверстие патрубка (Рис. 3.6). В данном случае отверстие можно рассматривать как запредельный волновод. На показано, что если увеличить путь волны утекающей через отверстие, который она проходит от плоскости корпуса до открытого пространства, то можно получить достаточную эффективность экранирования, пренебрегая щелями размером в несколько сантиметров.
Значительное ослабление проникновения поля через отверстие можно получить, применяя одновременно разделение одного большого отверстия на несколько малых и «углубление» каждого из этих малых отверстий с помощью патрубка. Например, на Рис. 3.8 одно большое квадратное отверстие разделено на 64 малых, на каждое из которых насажен патрубок с / = Ь\. В результате для квазиэлектростатического поля общее ослабление равно 880, а для квазимагнитостатического - 184.
Генерирование сигналов СШП ЭМИ
Первые искровые излучатели электромагнитных волн использовались в опытах Герца и Попова. Затем, в связи с изобретением электронной лампы, интерес к искровым генераторам пропал. Исследование искровых генераторов возобновилось только во второй половине 20-го века в связи с проблемой имитации ЭМИ ядерного взрыва и развитием техники мощных наносекундных генераторов для целей физического эксперимента. Наиболее интенсивно техника генерирования мощных повторяющихся субнаносекундных импульсов стала развиваться с начала 90-х годов прошлого века, когда была осознана исключительная роль СШП ЭМИ в развитии новых перспективных отраслей радиотехники,
В качестве межэлектродной изоляции искровых разрядников могут выступать вакуум, газ, жидкость и твердое тело. Твердотельная изоляция разрушается после пробоя и пригодна только для генерирования однократных импульсов.
В вакууме нет среды для развития искрового канала и разряд может происходить только в парах материала электродов. Испарение происходит под действием автоэлектронной эмиссии с микроострий на поверхности электродов. Процесс этот достаточно длительный и субнаносекундного времени коммутации в вакуумных искровых разрядниках получить не удается [127, 128].
Таким образом, на роль субнаносекундных генераторов повторяющихся импульсов могут претендовать только жидкостные и газовые разрядники.
Генераторы с жидкостными разрядниками. Время коммутации ( жидкостного разрядника, как экспериментально показано Мартином (см., например, [127]), представляет собой сумму двух составляющих -резистивной TR И индуктивной IL tk = TR+ Я , гдетц = 230/(Zlfl JV1/3 Еш); TL = LI(NZ); Z- волновое сопротивление цепи, Ом; Я - напряженность электрического поля в зазоре разрядника в момент пробоя, В/м; N -число искровых каналов в разрядном промежутке; L - индуктивность искрового канала.
В реальных субнаносекундных генераторах при Z 20 Ом вклад индуктивной составляющей относительно невелик и при оценке tk как правило не учитывается. Оптимальные по соображениям электрической прочности, коаксиальных фидеров значения Z лежат в интервале 25 - 60 Ом, что приводит к изменению TR В пределах ±15%. Таким образом, основное влияние на значение TR оказывает поле Е в момент пробоя, т.е. фактически, электрическая прочность жидкости.
Оказалось, что жидкостная изоляция обладает замечательным свойством существенно увеличивать электрическую прочность при кратковременном воздействии приложенного напряжения. Впервые систематические исследования электрической прочности жидкостей при воздействии прямоугольных импульсов напряжения длительностью 3—300 не были проведены авторами работы [128].
Для большинства конфигураций электродов наибольшей электрической, прочностью обладает трансформаторное масло. При уменьшении длительности импульса со 100 до 3 не прочность масла в слабо неоднородном поле возрастает в 4 раза и достигает для 3 не значений 3,5 МВ/см. При дальнейшем уменьшении длительности прочность возрастает еще быстрее.
Впервые устройство и работа частотного генератора на основе маслонаполненных искровых разрядников подробно описаны в работе [98]. Авторами работы был проведен обширный круг исследований, связанных с предельными коммутационными характеристиками масляного разрядника. Проведены исследования по выбору оптимальной формы электродов разрядника и способов перекачки масла через искровой зазор. От скорости потока масла в зазоре зависит предельная частота следования импульсов. При увеличении скорости потока в нем из-за кавитации возникают газовые
пузырьки, снижающие электрическую прочность среды и не позволяющие увеличить частоту импульсов. Электрическая прочность масла постепенно уменьшается из-за накопления продуктов разряда (сажа, распыленный материал электродов, пузырьки выделяющихся газов, в том числе водорода). В итоге при частоте следования импульсов 200 Гц удалось при фронте 0,28 не получить на нагрузке 97 Ом напряжение 290 кВ, что соответствует импульсной мощности 867 МВт. При частоте 1,2 кГц на той же нагрузке получено 170 кВ, что соответствует мощности 297 МВт. О ресурсе и режимах работы генератора сведений нет, указывается лишь, что за время экспериментов проведено 370 000 импульсов.
Все экспериментальные данные получены в коротких сериях (100 - 2000 импульсов за серию). По мнению авторов, основное преимущество системы с проточным масляным зазором по сравнению с проточным газовым зазором заключается в ее компактности. Перспектива повышения частоты до 4 — 10 кГц связывается с использованием менее вязкой жидкости и увеличением скорости потока. В заключение статьи утверждается, что "разрядники с жидким диэлектриком могут представить заманчивую возможность для будущих компактных импульсных генераторов с субнаносекундным временем нарастания".
В это же время и примерно с теми же результатами в Лос Аламосе в лаборатории Sandia National Laboratories был разработан генератор «SNIPER» на основе масляных проточных разрядников, заказчиком выступило министерство энергетики США. При частотах до 1,2 кГц на нагрузке около 60 Ом при фронте 250 пс получено напряжение 250 кВ, что соответствует мощности более 1 ГВт, Зазор обостряющего разрядника находился в пределах 0,2 - 0,4 мм, что соответствует напряженности поля в зазоре 10-15 МВ/см. Но в отличие от предыдущей работы сигнал был выведен на антенну (ТЕМ-рупор), что позволило получить на расстоянии 100 м напряженность поля порядка 4 кВ/м.
