Способ адаптивного обеспечения помехозащищенности автотранспортных средств Российский патент 2024 года по МПК G01R31/00 H02K11/02 H05K9/00 G01R29/08 

Изобретение относится к автотранспортным средствам (АТС) и может быть использовано для адаптивного обеспечения помехозащищенности бортового электрооборудования к внешнему высокочастотному электромагнитному полю (ЭМП) при эксплуатации АТС, в частности беспилотного автомобильного транспорта, в условиях сложной электромагнитной обстановки (ЭМО), влияющей на работоспособность* электрооборудования.

Согласно п. 3.2 ГОСТ Р 56397-2015 «Техническая экспертиза работоспособности радиоэлектронной аппаратуры, оборудования информационных технологий, электрических машин и приборов. Общие требования», статус - действующий, под работоспособностью оборудования подразумевают такое его состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность оборудования выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативной, технической и/или конструкторской документации. Согласно п. 3.3 данного ГОСТ под неработоспособным состоянием оборудования подразумевают такое его состояние, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность оборудования выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативной, технической документации и (или) конструкторской (проектной) документации.

Из монографии Г. Отт («Методы подавления шумов и помех в электронных системах» Москва: Мир, 1979. - 317 с.) известен способ повышения помехозащищенности электронных систем, основанный на применении пассивных радиоэлементов, различные комбинации которых реализуют в электрических схемах систем фильтры и гальванические развязки.

Данный способ обеспечивает уменьшения уровня ЭМП, проникающего в электронные системы по линиям связи за счет внесения потерь.

Недостатком данного способа является наличие паразитных связей в фильтрах и гальванических развязках, вследствие чего в частотной характеристике помехоподавления образуются паразитные колебательные контуры, характеризующиеся низкими потерями на резонансных частотах; при совпадении с частотой ЭМП наведенные помехи проникают в электронную систему без ослабления, вызывая нарушения ее работоспособности.

Из книги Николаев П.А. Электромагнитная совместимость автотранспортных средств [Текст] / Николаев П.А., Кечиев Л.Н. / Под ред. Л.Н. Кечиева. - М.: Грифон, 2015. - 424 с. - (Библиотека ЭМС) известен способ повышения помехозащищенности электрооборудования автотранспортных средств, основанный на измерении уровня текущего значения сигнала и программном его сравнении с усредненным значением, которое вычисляется за серию предыдущих измерений.

При попадании текущего значения в заданное окно / поле допуска, оно признается истинным и участвует в дальнейшей обработке. При выходе за пределы окна / поля допусков, текущее измеренное значение признается наведенной ЭМП помехой и исключается из алгоритма обработки как грубая ошибка.

Недостатком способа является его эффективность лишь в отношении исключения влияния кратковременных ЭМП при медленно меняющихся во времени полезных информационных сигналах. При воздействии длительного непрерывного ЭМП вычисление усредненного значения полезного сигнала происходит с учетом наведенной помехи, которая вносит ошибки в алгоритм работы электронной системы.

За прототип предлагаемого изобретения принят известный из патента RU 2571430, МПК F02P 17/00, опубл. 20.12.2015, способ повышения помехозащищенности бортового электрооборудования АТС к внешнему высокочастотному ЭМП, заключающийся в том, что при попадании АТС в сложную электромагнитную обстановку, бортовыми системами производится установление факта опасного воздействия ЭМП и посредством заложенной программы происходит переход в помехоустойчивый режим работы конкретного бортового электрооборудования.

Переход в специальный помехозащищенный режим производится уже по факту искажения полезной информации и не может быть использован для априорного предотвращения нарушения работоспособности бортового электрооборудования АТС.

Задачей изобретения было создание способа адаптивного обеспечения помехозащищенности АТС, в частности беспилотного автомобильного транспорта, относительно внешнего высокочастотного ЭМП, обеспечивающего снижение влияния ЭМП на бортовое электрооборудование АТС.

Указанная задача решается в способе, заключающемся в том, что при попадании АТС в сложную электромагнитную обстановку, бортовыми системами производится установление факта воздействия ЭМП и посредством заложенной программы происходит переход в помехоустойчивый режим работы бортового электрооборудования для предотвращения нарушения работоспособности АТС - возникновения проблем электромагнитной совместимости (ЭМС).

Технический результат достигается тем, что в течение времени эксплуатации АТС осуществляют постоянный мониторинг внешней электромагнитной обстановки, а переход в помехоустойчивый режим работы бортового электрооборудования, имеющего определенную эксплуатационную наработку, происходит на основании выполнения адаптивного условия

Е_изм≥E_{i max} -Е_{σ max},

где Е_изм - уровень ЭМП, непрерывно измеряемый в процессе эксплуатации установленными на борту АТС датчиками;

E_{i max} - адаптивно уменьшаемый в процессе эксплуатации предельно-допустимый уровень помехоустойчивости АТС;

где i=1,2,3,…n - номер итерации корректировки (уменьшения) предельно-допустимого уровня помехоустойчивости;

Е_{σ max} - максимальное среднеквадратичное отклонение ЭМП, определенное на основании накопленных текущих измерений ЭМП в процессе эксплуатации АТС до момента перехода его в помехоустойчивый режим при условии

Е_изм≤E_min,

где E_min - минимальный предельно-допустимый уровень помехоустойчивости электрооборудования АТС к ЭМП, при котором допустима эксплуатации АТС.

Для итерации i=1, E_1max - начальный максимальный предельно-допустимый уровень помехоустойчивости электрооборудования АТС к ЭМП, заложенный в конструкцию АТС в процессе его разработки; а для итерации i=n, E_{n max}=E_min.

Переход на более низкий уровень помехоустойчивости E_{i+1 max} у конкретного АТС производят при условии

E_{i+1 max} Е_ЭМС≤E_{i max} - Е_{σ max},

где Е_ЭМС - измеренный (зафиксированный) уровень ЭМП, при котором появлялись у АТС проблемы ЭМС.

Помехоустойчивый режим работы АТС реализуют посредством уменьшения количества взаимосвязей между бортовыми системами электрооборудования на время воздействия ЭМП при сохранении основных функций, определяющих возможность продолжения эксплуатации АТС (минимизируется матрица поражаемости электрооборудования).

Изобретение поясняется следующими чертежами, иллюстрирующими принцип адаптивного обеспечения помехозащищенности АТС.

Фиг. 1 иллюстрирует функционал обеспечения помехозащищенности АТС и его взаимосвязь с бортовым комплексом: 1 - АТС; 2 - блок обеспечения помехозащищенности; 3 - устройство приема ЭМП; 4 - детектор; 5 - анализатор; 6 - контроллер управления помехозащищенностью бортового электрооборудования; 7 - устройства или системы бортового электрооборудования; 8 - информационно-диагностическая линия.

На фиг.2 изображен обобщенный график зависимости помехоустойчивости бортового электрооборудования АТС 1 в зависимости от времени эксплуатации, где в начальный момент времени E_max=E_{1 max}.

Изобретение может быть реализовано в АТС 1, содержащем в своем составе, кроме штатных устройств/систем 7 бортового электрооборудования и информационно-диагностической линии 8, блок 2 обеспечения помехозащищенности, включающий в себя устройство 3 приема ЭМП, детектор 4, анализатор 5 и контроллер 6 управления помехозащищенностью бортового электрооборудования - совокупный состав и логические связи между упомянутыми звеньями АТС 1 показаны на структурной схеме Фиг. 1.

Дополнительно к показанному на структурной схеме:

- Звенья блока 2 обеспечения помехозащищенности могут быть либо скомпонованными в отдельно расположенном на АТС корпусе, либо выполненными интегрированными, по меньшей мере частью своего состава, в корпус какого-либо из устройств любой из бортовых электротехнических систем АТС. В качестве устройства 3 приема ЭМП может быть применена одна или несколько антенн, работающих в заданном диапазоне частот, или могут быть использованы электрические провода бортовой сети АТС, как и антенны, являющиеся приемниками внешнего ЭМП и преобразователями ЭМП в электрический сигнал. При этом как антенны, так и провода могут содержать в своем составе полосовые фильтры.

- Анализатор 5 сформирован снабженным энергонезависимой памятью (ПЗУ), выполненной с возможностью внесения в ПЗУ и извлечения из ПЗУ информации о величинах предельно-допустимого уровня помехоустойчивости АТС (E_max) и минимально-допустимого уровня помехоустойчивости АТС к ЭМП, при котором допустима эксплуатация АТС (E_min), значения которых определяются на этапах опытно-конструкторских работ при создании АТС. При этом анализатор 5 выполнен с возможностью вычисления среднеквадратичных отклонений ЭМП, а также сравнения сигнала, поступающего с выхода детектора 4, с хранящейся в ПЗУ информацией о предельно-допустимым уровне помехоустойчивости АТС и, предпочтительно, с информацией о минимально - допустимом уровне помехоустойчивости АТС к ЭМП, при котором допустима эксплуатация АТС.

Контроллер 6 управления помехозащищенностью бортового электрооборудования выполнен с возможностью управления уровнем помехозащищенности (помехозащищенностью) устройств/систем 7 бортового электрооборудования АТС в зависимости от величины допустимого уровня помехоустойчивости АТС. При этом реализация управления помехозащищенностью обеспечена электрической связью выхода контроллера 6 и устройств/систем 7 бортового электрооборудования, осуществленной посредством информационно-диагностической лини 8.

Работа заявляемого иллюстрируется нижеследующими пояснениями.

В процессе эксплуатации АТС, посредством устройства 3 приема ЭМП, детектора 4 и анализатора 5 непрерывно выполняют измерение уровня ЭМП внешней ЭМО и производят дальнейшую обработку измеренных значений.

На вход устройства 3 приема ЭМП (в качестве которого может выступать или одна широкополосная антенна/датчик, или несколько антенн/датчиков, перекрывающих некоторый заданный диапазон частот, например, от 100 кГц до 18 ГГц, или электрические провода бортовой электросети с заранее известным коэффициентом передачи) поступает аддитивная смесь электромагнитных сигналов, как генерируемых работающим электрооборудованием АТС, так и поступающих из внешней, для АТС, среды. При этом посредством антенны (антенн) может быть реализован прямой, а посредством электрических проводов бортовой электросети, косвенный методы измерения параметров (в контексте заявляемого - амплитуды) ЭМП. Детектор 4 выделяет огибающую амплитуды (уровня) сигнала ЭМП, которая поступает в анализатор 5, где производится ее обработка, заключающаяся в определении / вычислении максимального значения и максимального среднеквадратичного отклонения, а также в сравнении измеренного с заблаговременно записанной в ПЗУ информацией о величине предельно-допустимого уровня помехоустойчивости АТС и, предпочтительно, с величиной минимально-допустимого уровня помехоустойчивости АТС к ЭМП, при котором допустима эксплуатация АТС. Сформированная анализатором 5 информация транслируется на вход контроллера 6.

При выполнении условия перевода устройств/систем 7 бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы, контроллер 6 управления помехозащищенностью устройств/систем 7 бортового электрооборудования по информационно-диагностической линии 8 передает устройствам/системам 7 бортового электрооборудования сформированный контроллером 6 сигнал управления (фрейм) о переводе устройств/систем 7 в помехозащищенный режим.

Помехоустойчивый режим реализуется за счет перехода на резервный аварийный внутренний режим работы каждого бортового устройства, обеспечивающий сохранение основных функций определяющих эксплуатацию АТС, но с уменьшенным функционалом взаимосвязей, а также внутренней диагностики, вследствие чего минимизируется количество электрических каналов и вариантов проникновения ЭМП в системы бортового электрооборудования. При этом контроллер 6 периодически выполняет опрос устройств/систем 7 бортового электрооборудования на наличие диагностических данных о нарушении их работоспособности, сопоставляет диагностические данные с текущим уровнем ЭМП, и в случае совпадения времени воздействия ЭМП и проблем ЭМС, адаптивно уменьшает предельно-допустимый уровень помехоустойчивости АТС - последующий переход в помехоустойчивый режим бортового электрооборудования происходит с учетом выполнения адаптированного условия.

В случае отсутствия условия перевода устройств/систем 7 бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы, контроллер 6 управления помехозащищенностью устройств/систем 7 бортового электрооборудования по информационно-диагностической линии 8 передает устройствам/системам 7 бортового электрооборудования сформированный контроллером 6 фрейм о работе устройств/систем 7 в номинальном режиме или возврате в номинальный режим.

Значения предельно-допустимого уровня помехоустойчивости АТС (E_max) и минимально - допустимого уровня помехоустойчивости АТС к ЭМП, при котором допустима эксплуатация АТС (E_min) определяются на этапах опытно-конструкторских работ при создании АТС и могут быть заданы, например, E_max=100 В/м и E_min=30 В/м.

При достижении минимально допустимого уровня помехоустойчивости к ЭМП, при котором допустима эксплуатации АТС, выдается диагностическое сообщение о необходимости провести сервисное обслуживание АТС на предмет диагностики текущего состояния устройств/систем 7 бортового электрооборудования и последующего устранения выявленных проблем.

Заявляемое техническое решение основано на понимании того, что чем больше функциональных взаимосвязей между устройствами/системами 7 бортового электрооборудования, тем выше матрица поражаемости АТС электромагнитным полем. Любое нарушение работоспособности, из-за воздействия ЭМП, может прямо или косвенно сказаться на безопасности АТС. Из-за процессов естественного старения компонентов устройств/систем 7 бортового электрооборудования, и/или компонентов коммутирующей их электрической сети, а также вследствие издержек эксплуатации АТС, происходит снижение порога помехоустойчивости электрооборудования, поэтому до момента времени достижения минимально допустимого уровня помехоустойчивости, производят адаптивную корректировку предельно-допустимого уровня и уровня перевода устройств/систем 7 бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы.

Изобретение обеспечивает повышение помехозащищенности АТС, основанное на постоянном, во время эксплуатации АТС, мониторинге внешней электромагнитной обстановки. В случае попадания АТС в сложную электромагнитную обстановку и реализации событий с высокой вероятностью поражаемости АТС внешним высокочастотным ЭМП контроллер 6 обеспечения помехозащищенности, на время воздействия ЭМП, купирует часть связей узлов/систем 7 бортового электрооборудования (ограничивает количество их функциональных взаимосвязей), с сохранением основных функций бортового электрооборудования, определяющих возможность продолжения эксплуатации АТС, вследствие чего минимизируется количество электрических каналов и вариантов проникновения ЭМП в бортовое электрооборудование.

Техническим результатом изобретения является создание АТС с повышенной устойчивостью к воздействию внешнего ЭМП.

Изобретение относится к автотранспортным средствам (АТС) и может быть использовано для адаптивного обеспечения помехозащищенности бортового электрооборудования к внешнему высокочастотному электромагнитному полю (ЭМП) при эксплуатации АТС, в частности беспилотного автомобильного транспорта, в условиях сложной электромагнитной обстановки, влияющей на работоспособность электрооборудования. В течение эксплуатации АТС осуществляют постоянный мониторинг внешней электромагнитной обстановки с постоянным определением уровня ЭМП. При попадании АТС в сложную электромагнитную обстановку, при которой высока вероятность поражаемости АТС электромагнитным полем, реализуют перевод бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы, осуществляемый уменьшением количества взаимосвязей между устройствами/системами бортового электрооборудования на время воздействия ЭМП при сохранении основных функций, определяющих возможность продолжения эксплуатации АТС. Из-за процессов старения компонентов бортового электрооборудования происходит постепенное снижение порога устойчивости АТС к воздействию ЭМП; до момента достижения минимально допустимого уровня помехоустойчивости, производят адаптивное ограничение количества функциональных взаимосвязей устройств/систем бортового электрооборудования, что уменьшает количество электрических каналов и вариантов проникновения ЭМП в бортовое электрооборудование и, как следствие, снижает вероятность нарушения работоспособности АТС и обеспечивает его повышенную электромагнитную устойчивость. 2 ил.

Способ адаптивного обеспечения помехозащищенности автотранспортного средства, заключающийся в установлении бортовыми системами автотранспортного средства факта опасного воздействия на автотранспортное средство внешнего высокочастотного электромагнитного поля и в переводе бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы, отличающийся тем, что перевод бортового электрооборудования в помехоустойчивый режим работы осуществляют на основании выполнения адаптивного условия

Е_изм≥E_{i max} - Е_{σ max},

где Е_изм - уровень электромагнитного поля, непрерывно измеряемый в процессе эксплуатации автотранспортного средства бортовым устройством приема электромагнитного поля;

E_{i max} - адаптивно уменьшаемый в процессе эксплуатации предельно-допустимый уровень помехоустойчивости автотранспортного средства; где i=1, 2, 3, … n - номер итерации корректировки предельно-допустимого уровня помехоустойчивости;

Е_{σ max} - максимальное среднеквадратичное отклонение значения электромагнитного поля, определяемое на основании накопленных текущих измерений электромагнитного поля в процессе эксплуатации автотранспортного средства до момента перехода его в помехоустойчивый режим при условии

Е_изм≤E_min,

где E_min - минимально допустимый уровень помехоустойчивости к воздействующему электромагнитному полю, при котором допустима эксплуатация автотранспортного средства,

где для итерации i=1, E_1max - начальный максимальный предельно-допустимый уровень помехоустойчивости к электромагнитному полю, заложенный в конструкцию автотранспортного средства в процессе его разработки, а для итерации i=n, E_{n max}=E_min,

при этом перевод на более низкий предельно-допустимый уровень помехоустойчивости E_i+1max конкретного автотранспортного средства производят при условии

E_i+1max=Е_ЭМС≤E_{i max} - Е_{σ max},

где Е_ЭМС - измеренный уровень электромагнитного поля, при котором у автотранспортного средства выявлены проблемы электромагнитной совместимости,

при этом помехоустойчивый режим работы автотранспортного средства реализуется за счет уменьшения количества взаимосвязей между бортовыми устройствами/системами электрооборудования на время воздействия электромагнитного поля при сохранении основных функций, определяющих возможность продолжения эксплуатации автотранспортного средства.