VLIV ELEKTROMAGNETICKÉ KOMPATIBILITY NA BEZPEČNOST LETOVÉHO PROVOZU INFLUENCE OF THE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY ON THE AIR TRAFFIC SAFETY

Transkript

1 348 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" VLIV ELETROMAGNETICÉ OMATIBILITY NA BEZEČNOST LETOVÉHO ROVOZU INFLUENCE OF THE ELECTROMAGNETIC COMATIBILITY ON THE AIR TRAFFIC SAFETY Stanislav RYDLO 1 - Milan VAŠE Abstract: The aer deal with o the electromagnetic comatibility (EMC) roblems at ositioning assessment o the new radio engineering devices rom standoint o their inluence on the contemorary radio engineering devices used or securing o the air traic. Correct oeration o the radio engineering devices used or securing o the air traic is determined how their reliability thus their mutual coexistence. Is here methodology rogress or solving the electromagnetic comatibility and undamental mathematic aliance state. ey Words: electromagnetic comatibility, requency analysis, level analysis 1 ÚVOD Současný rozvoj letecké doravy a zvyšování její hustoty, klade stále vyšší ožadavky na systémy zabezečení a řízení letového rovozu. Zavádění nových složitějších systémů, ředevším radioelektronických radionavigačních a komunikačních, které mají stále větší výkonnost, klade vysoké nároky na jejich koexistenci a to ředevším na elektromagnetickou komatibilitu (EMC). Tato roblematika však není vždy zcela doceněna a studie, které by ji řešily řed zavedením nového systému nebývají často vůbec zracovány. EMC je vědní obor, jehož rozvoj začal v druhé olovině dvacátého století jako následek rychlého vývoje radioelektroniky a elektrotechniky. Zabývá se zkoumáním vzájemného chování různých radioelektronických (elektronických) systémů (rostředků) z hlediska elektromagnetické komatibility ve solečném racovním (zájmovém) rostoru, který je v současné době velmi nasycen různými vysílači a řijímači elektromagnetických signálů. Zkoumá jak nízkorekvenční systémy (n) tak i systémy vysokorekvenční (v). Všechny rostředky, které jsou zaváděné do rovozu, musejí vykazovat maximálně takové vyzařování, aby neovlivňovaly svou činností vlastní okolí a to jak okolní elektronické systémy tak životní rostředí. Nově zaváděné, rostředky (systémy) řed uvedením do rovozu, musejí odstouit zkoušky na EMC ve seciálních zkušebnách, kde se určuje jejich míra vyzařování rušivých signálů jak na nosném kmitočtu tak na arazitních (nežádoucích) kmitočtech. Rušivý signál do obvodů řijímače roniká různými cestami, ale v říadě radioelektronických zabezečovacích rostředků na letišti, kdy signál je řenášen vzduchem, se na řijmu rušení nejvíce odílejí antény. Nejhorší variantou jsou otáčející se antény (nař. radiolokátory roti sobě), kdy energie vyzařovaná vysílačem je druhým řijímačem zracovávána. Tomuhle jevu se dá ředejít jenom srávnou synchronizací systémů. Vedle rostředků a systémů na letišti existuje celá řada jiných radioelektronických rostředků a systémů, které se mohou ovlivňovat. Na letišti jsou rozmístěny radionavigační, radiolokační, radiokomunikační rostředky a systémy, ale mimo letiště se nacházejí další systémy oužívané civilními službami a různými uživateli (nař. televizní řijímače a vysílače, síť mobilních komunikačních systémů, radiostanice ro civilní sektor atd.), na které mohou mít letecké radioelektronické systémy nežádoucí (rušící) vliv a naoak. Článek se zabývá ostuem ři řešení roblematiky elektromagnetické komatibility a rovádění výočtu kmitočtové analýzy i úrovňové analýzy na základě znalosti matematického aarátu výočtu. mitočtová analýza je na výočet oměrně náročná, oněvadž zkoumá jak kmitočtové sektrum vysílače, tak řijímače a orovnáním těchto sekter hledá kmitočty, které se vzájemně kryjí. Druhá část výočtu (úrovňová analýza) je odmíněna výsledkem kmitočtové analýzy a rovádí se 1 Ing., CSc.; UO, ounicova 65, Brno, e- mail: stanislav.rydlo@unob.cz Ing., h.d.; Univerzita obrany, ounicova 65, Brno, e- mail: milan.vasek@unob.cz

2 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" 349 v říadě kmitočtové neslučitelnosti šetřené dvojce. ři hodnocení elektromagnetické komatibility jsou výsledné (vyočítané) hodnoty získané úrovňovou analýzou orovnávány s dovolenou úrovní, kterou daný řijímač dokáže zracovat a která nemá vliv na unkčnost systému. V závislosti na intenzitě rušení může dojít k omezení rovozu rušeného systému a nebo systém může být úlně vyřazen z činnosti důsledkem zahlcení kanálu říjmu rušivým signálem. ROBLEMATIA EMC Elektromagnetická komatibilita (též koexistence, slučitelnost) EMC [] je deinována jako schonost zařízení, systému či řístroje vykazovat srávnou činnost i v rostředí, v němž ůsobí jiné zdroje elektromagnetických signálů, řírodních nebo uměle vyvolaných, a ve stejnou dobu svým elektromagnetickým vyzařování neovlivňuje své okolí. Elektromagnetická komatibilita tedy vyjadřuje schonost současné srávné unkce zařízení (systémů) nacházejících se ve solečném elektromagnetickém rostředí a to bez závažného ovlivňování jejich normálních unkcí. Základní roblematiku EMC můžeme rozdělit do dvou odskuin, jak je uvedeno na obr. 1. roblémy EMC na straně vysílače řeší elektromagnetická intererence a na straně řijímače elektromagnetická suscetibilita. Elektromagnetická komatibilita EMC Elektromagnetická intererence (rušení) EMI Obr. 1 Základní členění EMC Elektromagnetická suscetibilita (odolnost, imunita) EMS Elektromagnetická intererence (EMI) je roces, ři kterém se signál, generovaný zdrojem rušení, řenáší rostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. Úkolem EMI je zabývat se ředevším identiikací zdrojů rušení, oisem a měřením rušivých signálů a identiikací arazitních řenosových cest. EMI se hlavně týká říčin rušení a jejich odstraňováním. Elektromagnetická suscetibilita či imunita (EMS) vyjadřuje schonost zařízení a systému racovat bez oruch nebo s řesně deinovaným říustným vlivem v rostředí, v němž se vyskytuje elektromagnetické rušení. EMS se tedy zabývá ředevším technickými oatřeními, které zvyšují u objektu jeho elektromagnetickou imunitu, tedy jeho odolnost roti vlivu rušivých signálů. Úkolem EMS je odstraňování důsledků rušení, bez odstraňování jejich říčin. Elektromagnetická komatibilita zkoumá tři důležité oblasti, na které oukazuje základní řetězec EMC zobrazený na obrázku. Tento řetězec vymezuje nejdůležitější oblasti, které mají vliv na vzniku rušení, na řenosové cesty rušících signálů a ronikání rušících signálů do řijímače. ři řešení tyto částí musíme brát v úvahu. Zdroj elektromagnetického rušení Obr. řenosové rstředí, elektromagnetická vazba Základní řetězec EMC Rušený řijímač, řjímač rušení Obecně oblast zdrojů elektromagnetického rušení (motory, relé, zářivky, elektrostatické výboje aj.) zahrnuje zkoumání obecných otázek mechanizmů vzniku rušení, jeho charakteru a intenzity. Druhá část, řenosové rostředí a elektromagnetické vazby (vzdušný rostor, energetické kabely, datové vodiče atd.), se zabývá zůsoby a cestami, kterými energie ze zdroje rušení roniká do rušených objektů. roblematika řijímačů rušení (telekomunikační systémy, televizní řijímače, navigační systémy, výočetní technika atd.) se zabývá klasiikací a odrobnou seciikací rušivých účinků a to na základě analýzy konstrukčních a technologických arametrů zařízení.

3 350 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" Obrázek 3 vymezuje základní ojmy týkající se roblematiky elektromagnetického rušení. Vysvětlení jednotlivých ojmů je uvedeno od obrázkem. úroveň odolnosti rušení [dbm] rezerva návrhu z hlediska EMS mez odolnosti rezerva odolnosti komatibilní úroveň rezerva vyzařování rezerva EMC mez vvyzařování rezerva návrhu z hlediska EMI úroveň vyzařování Obr. 3 Deinice úrovní a mezí vyzařování Úroveň vyzařování je rušení generované samotným sotřebičem či zařízením, měřené ředesaným zůsobem a vyjádřené v dbm ro daný kmitočet. Mez vyzařování je maximální říustná úroveň vyzařování, která je deinována normou, daného zařízení. Rezerva návrhu je dána rozdílem ředchozích dvou úrovní a to z hlediska EMI. Z hlediska EMS je to rozdíl úrovně odolnosti a meze odolnosti. Úroveň odolnosti je maximální úroveň ůsobícího rušení na konkrétní zařízení a to tak, aby nedošlo ke zhoršení jeho rovozu. Mez odolnosti je nejnižší normou ožadovaná úroveň odolnosti zařízení. Rezervu EMC daného zařízení určuje rozdíl mezí odolnosti a vyzařování. Z obrázku je zřejmé, že k tomu, aby zkoušené zařízení vyhovělo ožadavkům EMC, musí být jeho úroveň vyzařování vždy nižší než maximální říustná úroveň, tj. než mez vyzařování. Úroveň odolnosti zařízení musí být vždy větší než minimální ožadovaná úroveň, tj. než mez jeho odolnosti. ro dosažení dostatečné rezervy EMC zařízení musí být mez odolnosti vyšší než mez vyzařování. 3 METODOLOGICÝ OSTU ŘEŠENÍ EMC aždá změna racovního arametru (kmitočet, výkon aj.) řijímače nebo vysílače může vyvolat změnu chování systému ve vztahu k okolním systémům a mít za následek, že vysílač res. řijímač bude nechtěně rušit jiný systém nebo jiným systémem bude rušen. To stejné latí ro nově zaváděné systémy, kdy mohou ovlivňovat už existující rostředky rozmístěné v rádiolektronickém rostoru nebo mohou být těmito rostředky ovlivňovány. V každém říadě, než začneme řelaďovat technické arametry (kmitočet, výkon) nebo složitě rozmisťovat racovitě a rostředky v terénu, je leší udělat matematický rozbor kmitočtové analýzy a následně, vyžaduje-li to situace, rovést úrovňovou analýzu a tímto ředejít ozdějším roblémům, které by se mohly rojevit elektromagnetickou neslučitelností systémů. ři analýze elektromagnetické komatibility dvojice vysílač-řijímač (V-) vycházíme ze znalostí technických arametrů jak zkoumaného vysílače tak řijímače. Na základě technických arametrů a oužitím matematického aarátu rovedeme analýzu elektromagnetické komatibility zkoumané dvojice V-. rvním krokem řešení elektromagnetické komatibility je kmitočtová analýza, ři které určíme kmitočtové kanály vysílače a řijímače. Na základě sočítaných kanálů (kmitočtových sekter) stanovíme kmitočtově neslučitelné dvojice vysílač-řijímač ro danou koniguraci. mitočtovou analýzu dvou systémů můžeme vysvětlit jako řekrývání kmitočtových sekter (složek) vysilače a řijímače, tak jak je znázorněno na obrázku 4. Mějme kmitočtové kanály vysílače (1,, 3), na kterých vysílač vysílá rušivý signál a V kanály řijímače (1,, 3, 4), řes které rušivý signál může ronikat do řijímače. e kmitočtové neslučitelnosti, odle znázorněné situace uvedené na obrázku 4, dochází mezi kanály číslo řijímače a vysílače. Část elektromagnetické energie touto cestou (kanálem) z vysílače může být řenesena

4 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" 351 na vstu řijímače a tím unkčnost řijímače může být narušena. V některých říadech může nastat situace, že se kryje více kanálů a tím vzniká několik kanálů rušení. Samotný ostu řešení sočívá ve zkoumání všech možných kombinací V-. V Obr anál rušení Znázornění řekrývání kanálů Úrovňová analýza má za cíl deinitivně rozhodnout o slučitelnosti nebo neslučitelnosti kmitočtově neslučitelné dvojice vysílač-řijímač. Úrovňová analýza sočívá v tom, že sočítáme velikost rušivého signálu na vstuu řijímače a na základě znalostí ovolené úrovně rušivého signálu na vstuu řijímače zjistíme, je-li úrovňová odmínka slněna (slnění úrovňové odmínky znamená úrovňovou neslučitelnost dvojice) či nikoli. roblematický je říad, kdy je řijímač kmitočtově neslučitelný se dvěma vysílači. I v tomto říadě rovedeme úrovňovou analýzu ro dané dvojice vysílač-řijímač. Může nastat říad, že každá dvojice V- je úrovňově slučitelná, ale každý vysílač na vstuu řijímače řisívá určitou úrovní (množstvím) rušivého signálu. V tomto říadě musíme stanovit celkovou úroveň rušivého signálu na vstuu řijímače od obou (všech) vysílačů, které nebyly kmitočtově slučitelné s kritickým řijímačem a rozhodnout o slučitelnosti konigurace. 4 ovolená úroveň rušícího signálu na vstuu řijímače Celková úroveň rušícího signálu na vstuu řijímače Neslučitelnost Slučitelnost Úroveň rušícího signálu vstuu řijímače od V(1) na Úroveň rušícího signálu vstuu řijímače od V() na Obr. 5 Celkové hodnocení úrovňové analýzy Obrázek 5 ukazuje ovolenou úroveň rušícího signálu na vstuu řijímače, úrovně rušících signálů na vstuu řijímače, kterými řisívají jednotlivé vysílače a celkovou úroveň rušících signálu na vstuu řijímače od všech vysílačů. o rovedení úrovňové analýzy a stanovení celkové úrovně rušícího signálu na vstuu řijímače mohou nastat dva říady. Je-li celkový řísěvek rušivých signálů na vstuu řijímače od všech vysílačů menší než je hodnota ovolená, konigurace je elektromagneticky slučitelná. V říadě, řevyšuje-li celková úroveň rušivých signálů hodnotu ovolenou, je třeba rovést říslušná oatření, která by řisěla k odstranění nedostatků. Stanovíme vysílač jenž má největší vliv svým rušením na řijímač a změnou arametrů (změna racovního kmitočtu, výkonu vysílače aj.) se snažíme vytvořit odmínky vhodné ro elektromagnetickou komatibilitu konigurace. orovnáváním skutečné hodnoty rušivého signálu na vstuu řijímače s dovolenou hodnotou, tj. hodnotou, kterou musí řijímač ještě zracovat (otlačit) aby nedošlo k rušení, se zabývá oblast zvaná hodnocení elektromagnetické komatibility. 3.1 Stanovení možných kanálů řijmu radioelektronických rostředků aždý řijímač má nějaké nedostatky v konstrukci. Z tohoto důvodu se musí očítat s tím, že řijímač nebude řijímat jenom na naladěném racovním kmitočtu, ale i na kmitočtech vedlejších. V řijímači vzniká celá řada kmitočtových kanálů řijmu, které lze obecně matematicky osat a to na základě znalostí vlastností řijímače. Možné kanály řijmu řijímače lze osat následujícím vztahem:

5 35 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" kde u = (1) u kanál racovního kmitočtu, - kanál zrcadlového kmitočtu, - kanál mezirekvenčního kmitočtu, - kanál intermodulačních kmitočtů, - kanál křížové modulace. aždý z kanálů ředstavuje určitý interval kmitočtů, ve kterém mohou signály ronikat na výstu řijímače. řesáním rovnice (1) můžeme kanály řijmu vyjádřit v následujícím tvaru: kde = 1 B [ sign( ] ( m 1) B ( m 1) n n - naladěný racovní kmitočet řijímače, + MO m 1 B m m 1 B 1 1 B m n m 1 B B - šířka ásma roustnosti řijímače, MO - kmitočet místního oscilátoru, m - mezirekvenční kmitočet řijímače, m, n =1,,3,..., a zároveň musí latit ( m + n) 3. Rovnice () je kmitočtovým modelem řijímače a umožňuje vymezit intervaly kmitočtů, ve kterých může dojít k říjmu nežádoucích signálů. 3. Matematický aarát úrovňové analýzy Matematický aarát úrovňové analýzy se zabývá komlexním řešením roblematiky týkající se stanovení velikosti úrovně rušivého signálu na vstuu řijímače a následným orovnáváním této úrovně s úrovní dovolenou. Aby bylo možné hodnotit vzájemné rušení dvojice vysílač-řijímač je třeba ro otenciální kanály rušení, stanovené omocí kmitočtové analýzy, nejrve určit úroveň rušivého signálu na vstuu řijímače. ak se tato hodnota orovnává s dovolenou (říustnou) úrovní rušivého signálu, která je dána ožadovaným odstuem užitečného signálu od rušivého na výstuu řijímače. Velikost úrovně rušivého signálu vysílače na vstuu rušeného řijímače stanovíme omocí vzorce: kde V G V G r vst V GV G = (4π ) D min r c 1 - výkon vysílače rušivého signálu, - zisk antény vysílače, - zisk antény řijímače, kmitočet rušivého signálu, c - rychlost šíření světla, D min - nejmenší vzdálenost mezi vysílačem a řijímačem, až k jsou koeicienty zeslabení rušivého signálu vlivem reálných odmínek šíření a jsou k1 9 Hodnota 6 7 bezrozměrné, nabývají hodnot z intervalu (0, 1). ředstavuje výkon signálu na vstuu řijímače, ale nejsou zde zahrnuty ztráty vst vzniklé v obvodech řijímače. V druhé části úrovňové analýzy se hodnotí vliv nežádoucích rušivých signálů na kvalitu zracování a vyhodnocení užitečného signálu. Vyhodnocuje se vliv charakteristik v a n částí na řenos rušivých signálů. 8 k 9 () (3)

6 roceedings o the Conerence "Modern Saety Technologies in Transortation - MOSATT 005" 353 Vliv charakteristik řijímače na řenos rušivého signálu vyjádříme řeočítáním výkonu rušivého signálu na vstuu řijímače: r vst = (4) vst 10 k11 k1 k13 k14 kde vst - výkon rušivého signálu na vstuu řijímače určený vztahem (3), k10 až k14 - jsou bezrozměrné koeicienty, vyjadřující vliv charakteristik řijímače a nabývající hodnot z intervalu (0, 1). Stanovení koeicientů zeslabení je velmi náročné. Rozhodujícím kriteriem je velikost kmitočtu rušivého signálu, která se mění na úrovni 500 MHz. Vliv těchto koeicientů je menší u kmitočtů menších než 500 MHz a nad touto hodnotou koeicienty řisívají větším zeslabením. V rámci úrovňové analýzy existuje možnost, vyžadují-li to okolnosti, omocí vzorce (3) a (4) stanovit minimální říustnou vzdálenost, která musí být zachována mezi vysílačem a řijímačem, aby byla zachována úrovňová slučitelnost dvojice. Další možností je stanovení ožadovaného kmitočtového odstuu, aby nedocházelo k rušení. 3.3 Hodnocení elektromagnetické slučitelnosti ro zhodnocení elektromagnetickou slučitelnosti RE rostředků je třeba deinovat říustnou úroveň výkonu rušivého signálu řeočteného na vstuu řijímače, ři které jsou zachovány ožadované unkce řijímače. O elektromagnetické slučitelnosti se rozhodne orovnáním celkového rušivého výkonu na řijímači s dovolenou hodnotou, která je dána úrovní výkonu užitečného signálu na vstuu řijímače a odstuem výkonu užitečného signálu od výkonu rušivého signálu. Nastane-li situace, kdy rušivý signál je větší než dovolený, musí se stanovit dvojice, která je hlavní říčinou neslučitelnosti a musí se hledat řešení ro odstranění tohoto nedostatku. Zde vycházíme z možností řeladění kmitočtu vysílače, úravou vzdálenosti mezi vysílačem a řijímačem, říadně v závislosti na okolnostech a reálných odmínkách hledáme nějakou jinou alternativu řešení. 4 ZÁVĚR V současné době, kdy roste hustota leteckého rovozu, jsou zaváděny nové výkonné radioelektronické rostředky zabezečení letového rovozu. Na druhé straně je rostor neustále zahušťován kmitočty komerčních uživatelů. ředevším bezdrátová komunikace systémů bezečnostních složek klade z hlediska koexistence těchto rostředků vysoké nároky. Článek oisuje možný řístu k metodologii řešení elektromagnetické koexistence a také uozorňuje na docenění této roblematiky v oblasti bezečnosti letového rovozu. LITERATURA 1. CHARVÁT, Z. Návrh řešení elektromagnetické koexistence radioelektronických rostředků na letišti. Závěrečná ráce, Vojenská akademie v Brně, Brno NOVOTNÝ, M., ILNÝ,.: Elektromagnetická slučitelnost, Vojenská akademie v Brně, Brno, VACULÍOVÁ,. a VACULÍ, E. Elektromagnetická komatibilita elektronických systémů. raha: Grada ublishing, ŽÁČE, J. Elektromagnetická komatibilita a rojektování elektrotechnických systémů. Automatizace, roč. 41, č. 1, s raha 1998, Recenzent: Doc. Ing. Drahoslav JUŘÍ, CSc., VLTSU, Ramová 7, ošice