Núcleo de software de la infraestructura cibernética a bordo del caza de combate unificado F-35

Una descripción general de los componentes clave del "Sistema de Información Logística Autónoma" (ALIS) del caza de ataque unificado F-35. Un análisis detallado de la "unidad de apoyo de combate" y sus cuatro componentes clave: 1) una interfaz de sistema humano, 2) un sistema de control ejecutivo, 3) un sistema inmune a bordo, 4) un sistema de aviónica. Parte de la información sobre el firmware del caza F-35 y sobre las herramientas que se utilizan para su software integrado. Se hace una comparación con modelos anteriores de combatientes de combate, y también se indican las perspectivas para un mayor desarrollo de la aviación del ejército.

- Introducción
- Sistema de información logística autónomo.
- Unidad de apoyo de combate
- Interfaz humano-sistema
- Sistema de ejecución y control.
- Sistema inmune a bordo
- Sistema de aviónica avanzado
- Arquitectura del núcleo ALIS

Fighter F-35 es un enjambre volador de todo tipo de sensores de alta tecnología, que proporciona un total de "conciencia situacional de 360 ​​grados".

Introduccion

Los sistemas de hardware de la fuerza aérea se vuelven cada vez más complejos con el tiempo. [27] Su infraestructura cibernética (componentes de software y hardware que requieren un ajuste algorítmico preciso) se está volviendo gradualmente más complicada. Usando el ejemplo de la Fuerza Aérea de EE. UU., Uno puede ver cómo la infraestructura cibernética de los aviones militares, en comparación con sus componentes de hardware tradicionales, se expandió gradualmente de menos del 5% (para el F-4, un caza de tercera generación) a más del 90% (para el F-35, luchador de quinta generación). [5] Para el ajuste fino de la configuración algorítmica de esta infraestructura cibernética, el F-35 es responsable del último software especialmente desarrollado para estos fines: "Sistema de Información Logística Autónoma" (ALIS).

Sistema de Información Logística Autónoma

En la era de los combatientes de quinta generación, la superioridad militar se mide, en primer lugar, por la calidad de la conciencia situacional. [10] Por lo tanto, el caza F-35 es un enjambre volador de todo tipo de sensores de alta tecnología, que proporciona un total de conciencia situacional de 360 ​​grados. [11] Un nuevo éxito en este sentido es el llamado La “Arquitectura de sensores integrados” (ISA), que incluye sensores que interactúan dinámicamente de forma independiente entre sí (no solo en un ambiente táctico tranquilo, sino también en un entorno táctico impugnado), lo que, en teoría, debería conducir a un aumento aún mayor en la calidad de la conciencia situacional. [7] Sin embargo, para que esta teoría entre en práctica, es necesario un procesamiento algorítmico de alta calidad de todos los datos provenientes de los sensores.

Por lo tanto, el F-35 lleva constantemente software en su placa, cuyo tamaño total de los códigos fuente supera los 20 millones de líneas, por lo que a menudo se le llama la "computadora voladora". [6] Dado que la superioridad del combate se mide por la calidad de la conciencia situacional en la quinta era actual de los combatientes de ataque, casi el 50% de este código de programa (8,6 millones de líneas) lleva a cabo un procesamiento algorítmico complejo, para pegar todos los datos provenientes de los sensores en una sola imagen del teatro de operaciones militares. En tiempo real

La dinámica del cambio para garantizar la funcionalidad a bordo de los aviones de combate estadounidenses: hacia el software

El "Sistema de Información Logística Autónoma" (ALIS) es responsable de esto a bordo del F-35, que proporciona al luchador habilidades tales como 1) planificación (utilizando sistemas avanzados de aviónica), 2) mantenimiento (la capacidad de actuar como una unidad de combate líder), y 3) fortalecimiento (capacidad de actuar como una unidad de combate guiada). [4] El "código de vinculación" es el componente principal de ALIS, que representa el 95% de todo el código de programa a bordo del caza F-35. El otro 50% del código ALIS realiza operaciones algo secundarias, pero también algorítmicamente muy intensivas. [12] Por lo tanto, el F-35 es uno de los sistemas de combate más complicados jamás desarrollados. [6]

ALIS es un sistema de piloto automático condicional que combina un complejo integrado de una amplia variedad de subsistemas en el aire; y también incluye una interacción efectiva con el piloto al proporcionarle información de calidad sobre el teatro de operaciones (conciencia situacional). El núcleo del software ALIS se ejecuta constantemente en segundo plano, ayudando al piloto a tomar decisiones y brindándole consejos en momentos críticos de vuelo. [13]

Unidad de apoyo de combate

Uno de los subsistemas más importantes de ALIS es la "unidad de apoyo de uso de combate", que consta de cinco elementos principales [13]:

1) "Interfaz del sistema humano": proporciona una visualización de alta calidad del teatro de guerra (ergonómica, integral, concisa). [12] Al ver este teatro, el piloto toma decisiones tácticas y entrega equipos de combate, que a su vez son procesados ​​por la unidad ICS.

2) "Sistema de ejecución y control" (IKS): al interactuar con las unidades de control de armas a bordo, se garantiza la ejecución de los equipos de combate que el piloto proporciona a través de la interfaz del sistema humano. IKS también registra el daño real del uso de cada equipo de combate (a través de sensores de retroalimentación), para su posterior análisis por el sistema de aviónica.

3) “Sistema inmune a bordo” (LSI): monitorea las amenazas externas y, cuando se detecta, lleva a cabo las contramedidas necesarias para eliminar las amenazas. Al mismo tiempo, LSI puede disfrutar del apoyo de unidades de combate amigas que participan en una operación táctica conjunta. [8] Para esto, LSI interactúa estrechamente con los sistemas de aviónica, a través de un sistema de comunicación.

4) “Sistema de aviónica”: convierte el flujo sin procesar de datos provenientes de todo tipo de sensores en una conciencia situacional de alta calidad, accesible para el piloto a través de una interfaz de sistema humano.

5) "Sistema de comunicación": controla el tráfico de red interno y externo, etc. sirve como enlace entre todos los sistemas a bordo; así como entre todos los que participan en una operación táctica conjunta, unidades de combate.

Interfaz del sistema humano

Para satisfacer la necesidad de una conciencia situacional integral y de alta calidad, la comunicación y la visualización en la cabina de un luchador son cruciales. La cara de ALIS en general y de la unidad de apoyo de combate en particular es el "subsistema de visualización para visualización panorámica" (L-3 Communications Display Systems). Incluye una gran pantalla táctil de alta definición (LADD) y un canal de comunicación de banda ancha. El software L-3 se ejecuta en el sistema operativo Integrity 178B (sistema operativo en tiempo real del software Green Hills), que es el principal sistema operativo a bordo del caza F-35.

Los arquitectos de infraestructura cibernética F-35 eligieron Integrity 178B OS, guiados por seis características específicas de este sistema operativo: 1) cumplimiento con estándares de arquitectura abierta, 2) compatibilidad con Linux, 3) compatibilidad con POSIX API, 4) asignación segura de memoria, 5) requisitos especiales seguridad y 6) soporte para la especificación ARINC 653. [12] ARINC 653 es una interfaz de software de aplicación para uso en aviónica. Esta interfaz rige la separación temporal y espacial de los recursos de un sistema informático aeronáutico de acuerdo con los principios de la aviónica modular integrada; y también define la interfaz del programa que el software de la aplicación debe usar para acceder a los recursos de un sistema informático.

Visualizar subsistema de visualización panorámica

Sistema de control ejecutivo

Como ya se señaló anteriormente, ICS, al interactuar con las unidades de control de armas a bordo, garantiza la ejecución de los equipos de combate y el registro del daño real del uso de cada equipo de combate. El corazón del ICS es una supercomputadora, que naturalmente también se conoce como "armas aerotransportadas".

Dado que el volumen de tareas asignadas a la supercomputadora a bordo es enorme, ha aumentado su resistencia y cumple con los altos requisitos de tolerancia a fallas y potencia de procesamiento; También está equipado con un eficiente sistema de refrigeración líquida. Se han tomado todas estas medidas para garantizar que el sistema informático de a bordo pueda procesar de manera eficiente grandes conjuntos de datos y realizar un procesamiento algorítmico avanzado, lo que proporciona al piloto una conciencia situacional efectiva: le brinda información completa sobre el teatro de operaciones. [12]

La supercomputadora a bordo del caza F-35 es capaz de realizar continuamente 40 mil millones de operaciones por segundo, debido a lo cual proporciona la ejecución multitarea de algoritmos intensivos en recursos de aviónica avanzada (incluido el procesamiento de datos electroópticos, infrarrojos y de radar). [9] En tiempo real. Para el caza F-35, no es posible realizar todos estos cálculos algorítmicamente intensivos en el costado (para no equipar cada unidad de combate con una supercomputadora), porque la intensidad del flujo total de datos provenientes de todos los sensores excede el rendimiento de los sistemas de comunicación más rápidos al menos 1000 veces. [12]

Para garantizar una mayor confiabilidad, todos los sistemas críticos a bordo del caza F-35 (incluida, en cierta medida, la supercomputadora a bordo) se implementan utilizando el principio de redundancia: de modo que varios dispositivos diferentes podrían realizar la misma tarea a bordo. Además, el requisito de redundancia es tal que los elementos duplicados fueron desarrollados por fabricantes alternativos y tienen una arquitectura alternativa. Debido a esto, se reduce la probabilidad de falla simultánea del original y el duplicado. [1, 2] Incluyendo, por lo tanto, la computadora host ejecuta un sistema operativo similar a Linux, y los esclavos ejecutan Windows. [2] Además, para que una de las computadoras falle, la unidad de soporte de combate podría continuar funcionando (al menos en modo de emergencia), la arquitectura del kernel ALIS se basa en el principio de "cliente-servidor multiproceso para computación distribuida". [18]

Sistema inmune en el aire

En un entorno táctico en disputa, mantener la inmunidad a bordo requiere una combinación efectiva de estabilidad, redundancia, diversidad y funcionalidad distribuida. La aviación militar de ayer no tenía un solo sistema inmune en el aire (BIS). Su aviación, LSI, estaba fragmentada y consistía en varios componentes que actuaban independientemente. Cada uno de estos componentes ha sido optimizado para resistir un conjunto estrecho específico de sistemas de armas: 1) proyectiles balísticos, 2) misiles que apuntan a una fuente de señal de radiofrecuencia o electroóptica, 3) radiación láser, 4) radiación de radar, etc. Cuando se detecta un ataque, el subsistema LSI correspondiente se activa automáticamente y toma contramedidas.

Los componentes del LSI de ayer fueron diseñados y desarrollados independientemente por diferentes contratistas. Como estos componentes, por regla general, tenían una arquitectura cerrada, la modernización de la LSI, a medida que las nuevas tecnologías y los nuevos sistemas de armas estuvieron disponibles, se redujo a la adición de otro componente LSI independiente. El inconveniente fundamental de un LSI tan fragmentado, que consta de componentes independientes con una arquitectura cerrada, es que sus fragmentos no pueden interactuar entre sí y no son susceptibles de coordinación centralizada. En otras palabras, no pueden comunicarse entre sí y realizar operaciones conjuntas, lo que limita la confiabilidad y adaptabilidad de todo el LSI en su conjunto. Por ejemplo, si uno de los subsistemas inmunes falla o es destruido, los otros subsistemas no pueden compensar efectivamente esta pérdida. Además, la fragmentación de los LSI a menudo conduce a la duplicación de componentes de alta tecnología, como procesadores y pantallas, [8] que, en el contexto del "problema eternamente verde", reduce SWaP (tamaño, peso y consumo de energía) [16] - muy derrochador. No es sorprendente que estos primeros LSI se vuelvan gradualmente obsoletos.

Los LSI fragmentados están siendo reemplazados por un sistema inmunitario integrado distribuido, controlado por un "Controlador Cognitivo Inteligente" (ICC). El KIC es un programa especial, el sistema nervioso central a bordo, que funciona sobre los subsistemas integrados incluidos en el LSI. Este programa integra todos los subsistemas LSI en una única red distribuida (con información común y recursos compartidos), y también conecta todos los LSI con un procesador central y otros sistemas integrados. [8] La base para dicha asociación (incluida la integración con componentes que se desarrollarán en el futuro) es el concepto generalmente aceptado de un "sistema de sistemas" (SoS), [3] con sus características distintivas como la escalabilidad, una especificación pública y una arquitectura abierta hardware y software

El KIC tiene acceso a la información de todos los subsistemas BIS; su función es comparar y analizar la información proveniente de los subsistemas LSI. El KIC trabaja constantemente en segundo plano, interactuando continuamente con todos los subsistemas de LSI, identificando cada amenaza potencial, localizándola y finalmente recomendando al piloto un conjunto óptimo de contramedidas (teniendo en cuenta las capacidades únicas de cada subsistema de LSI). Para esto, el KIC utiliza algoritmos cognitivos avanzados [17-25].

T.O. Cada avión tiene su propio KIC individual. Sin embargo, para lograr una integración aún mayor (y, como resultado, una mayor confiabilidad), el ICC de todos los aviones que participan en una operación táctica se unen en una única red común, coordinada por el "Sistema de Información Logística Autónoma" (ALIS). [4] Cuando uno de los KIC identifica una amenaza, ALIS calcula las contramedidas más efectivas, utilizando la información de todos los KIC y el apoyo de todas las unidades de combate que participan en la operación táctica. ALIS "conoce" las características individuales de cada KIC y las utiliza para implementar contramedidas coordinadas.

LSI distribuido trata con amenazas externas (relacionadas con las hostilidades del enemigo) e internas (relacionadas con la forma de pilotar y matices operativos). A bordo del caza F-35, el sistema de aviónica es responsable del procesamiento de las amenazas externas, y VRAMS ("un sistema inteligente para informar los riesgos asociados con las maniobras peligrosas de los equipos") es responsable del procesamiento de las amenazas internas. [13] La tarea principal de VRAMS es extender los períodos de operación de la aeronave entre sesiones de mantenimiento necesario. Para hacer esto, VRAMS recopila información en tiempo real sobre el estado de los subsistemas básicos a bordo (motor de aeronave, unidades auxiliares, componentes mecánicos, subsistemas eléctricos) y analiza su condición técnica; teniendo en cuenta parámetros como picos de temperatura, caídas de presión, dinámica de vibraciones y todo tipo de interferencias. En base a esta información, VRAMS ofrece al piloto recomendaciones anticipadas sobre cómo actuar para dejar el avión sano y salvo. VRAMS "predice" qué consecuencias pueden tener estas u otras acciones piloto, y también ofrece recomendaciones sobre cómo evitarlas. [13]

El punto de referencia por el que VRAMS se esfuerza es el mantenimiento cero mientras mantiene una súper confiabilidad y reduce la fatiga estructural. Para lograr este objetivo, los laboratorios de investigación están trabajando en la creación de materiales con una estructura inteligente, que podrán trabajar de manera efectiva en condiciones de cero mantenimiento. Los investigadores de estos laboratorios están desarrollando métodos para detectar microgrietas y otros fenómenos que preceden las averías, a fin de evitar posibles fallos de antemano. También se están llevando a cabo investigaciones para comprender mejor el fenómeno de la fatiga estructural a fin de utilizar estos datos para regular las maniobras de los aviones con el fin de reducir la fatiga estructural, y así sucesivamente. prolongar la vida útil de la aeronave. [13] En este sentido, es interesante observar que alrededor del 50% de los artículos en la revista "Advanced in Engineering Software" están dedicados al análisis de la resistencia y vulnerabilidad del hormigón armado y otras estructuras.

Sistema inteligente de comunicación de riesgos para maniobras peligrosas en equipos.

Sistema de aviónica avanzado

La unidad a bordo para garantizar el uso de combate del caza F-35 incluye un sistema de aviónica avanzado que está diseñado para resolver una tarea ambiciosa:

Los sistemas de aviónica de ayer incluían varios subsistemas independientes (control de sensores infrarrojos y ultravioleta, radar, sonar, guerra electrónica y otros), cada uno de los cuales estaba equipado con su propia pantalla. Debido a esto, el piloto tuvo que turnarse para mirar cada una de las pantallas y analizar y comparar manualmente los datos que provienen de ellas. , , F-35 – , , ; . T.O. – , ; . , , .

– F-22. , , 1,7 . , 90% Ada. , – ALIS, – F-35, F-22 .

ALIS F-22. 1,7 , – 8,6 . , C/C++. , , – , . , , , . T.O. , F-35, , - – . [12]

ALIS

, , : ; ; ; , , , ; . ALIS – , F-35.

Sin embargo, esta arquitectura, como todas las ingeniosas, es simple. El concepto de máquinas de estados finitos se tomó como base. La aplicación de este concepto en el marco de ALIS se implementa porque todos los componentes del software a bordo del F-35 Fighter tienen una estructura unificada. En combinación con la arquitectura de un servidor de cliente multiproceso para la informática distribuida, el núcleo automatizado ALIS cumple con todos los requisitos conflictivos descritos anteriormente. Cada componente de software ALIS consta de una interfaz "archivo .h" y configuración algorítmica de un "archivo .cpp". Su estructura generalizada se da en los archivos fuente adjuntos al artículo (ver los tres spoilers siguientes).

#include "battle.h" CBattle::~CBattle() { } BOOL CBattle::Battle() { BATTLE_STATE state; switch (m_state) { case AU_BATTLE_STATE_1: if (!State1Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_2: if (!State2Handler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; case AU_BATTLE_STATE_N: if (!StateNHandler(...)) return FALSE; m_state = AU_STATE_X; break; } return TRUE; } 

 #ifndef AUTOMATA1_H #define AUTOMATA1_H typedef enum AUTOMATA1_STATE { AU1_STATE_1, AU1_STATE_2, ... AU1_STATE_N }; class CAutomata1 { public: CAutomata1(); ~CAutomata1(); BOOL Automata1(); private: BOOL State1Habdler(...); BOOL State2Handler(...); ... BOOL StateNHandler(...); AUTOMATA1 m_state; }; #endif 

 #include "automata1.h" void main() { CAutomata1 *pAutomata1; pAutomata1 = new CAutomata1(); while (pAutomata->Automata1()) {} delete pAutomata1; } 

En resumen, se puede observar que en el entorno táctico en disputa, las unidades de combate de la Fuerza Aérea poseen una infraestructura cibernética a bordo que combina efectivamente estabilidad, redundancia, diversidad y funcionalidad distribuida. El KIC y ALIS de la aviación moderna cumplen con estos requisitos. Sin embargo, el grado de su integración en el futuro también se ampliará para interactuar con otras unidades del ejército, mientras que ahora la integración efectiva de la Fuerza Aérea cubre solo su unidad.