Softwarekern der On-Board-Cyber-Infrastruktur des einheitlichen Streikkämpfers F-35

Ein Überblick über die Schlüsselkomponenten des „Autonomen Logistikinformationssystems“ (ALIS) des einheitlichen Streikkämpfers F-35. Eine detaillierte Analyse der „Kampfunterstützungseinheit“ und ihrer vier Schlüsselkomponenten: 1) eine Schnittstelle zwischen Mensch und System, 2) ein System zur Kontrolle der Exekutive, 3) ein Immunsystem an Bord, 4) ein Avioniksystem. Einige Informationen zur Firmware des F-35-Jägers und zu den Tools, die für seine On-Board-Software verwendet werden. Es wird ein Vergleich mit früheren Modellen von Kampfkämpfern durchgeführt, und es werden auch Aussichten für die weitere Entwicklung der Armeefliegerei angegeben.

- Einführung
- Autonomes Logistikinformationssystem
- Kampfunterstützungseinheit
- Mensch-System-Schnittstelle
- Ausführungs- und Kontrollsystem
- Immunsystem an Bord
- Fortschrittliches Avioniksystem
- ALIS-Kernelarchitektur

Der Fighter F-35 ist ein fliegender Schwarm aller Arten von High-Tech-Sensoren, der ein "360-Grad-Situationsbewusstsein" bietet.

Einführung

Hardware-Systeme der Luftwaffe werden im Laufe der Zeit immer komplexer. [27] Ihre Cyber-Infrastruktur (Software- und Hardwarekomponenten, die eine feine algorithmische Abstimmung erfordern) wird allmählich komplizierter. Am Beispiel der US-Luftwaffe kann man sehen, wie sich die Cyber-Infrastruktur von Militärflugzeugen im Vergleich zu ihren traditionellen Hardwarekomponenten allmählich von weniger als 5% (für die F-4, ein Jäger der dritten Generation) auf mehr als 90% (für die F-35, Kämpfer der fünften Generation). [5] Für die Feinabstimmung der algorithmischen Konfiguration dieser Cyber-Infrastruktur ist der F-35 für die neueste Software verantwortlich, die speziell für diese Zwecke entwickelt wurde: „Autonomous Logistics Information System“ (ALIS).

Autonomes Logistikinformationssystem

In der Ära der Kämpfer der 5. Generation wird die militärische Überlegenheit zunächst an der Qualität des Situationsbewusstseins gemessen. [10] Daher ist der F-35-Jäger ein fliegender Schwarm aller Arten von High-Tech-Sensoren, der ein Situationsbewusstsein von insgesamt 360 Grad bietet. [11] Ein neuer Hit in dieser Hinsicht ist der sogenannte „Architektur integrierter Sensoren“ (ISA), zu der Sensoren gehören, die unabhängig voneinander dynamisch miteinander interagieren (nicht nur in einer ruhigen, sondern auch in einer umstrittenen taktischen Umgebung), was theoretisch zu einer noch stärkeren Verbesserung der Qualität des Situationsbewusstseins führen sollte. [7]. Damit diese Theorie in die Praxis umgesetzt werden kann, ist jedoch eine qualitativ hochwertige algorithmische Verarbeitung aller von den Sensoren kommenden Daten erforderlich.

Daher hat der F-35 ständig Software auf seiner Platine, deren Gesamtgröße die Quellcodes 20 Millionen Zeilen überschreitet, für die er oft als „fliegender Computer“ bezeichnet wird. [6] Da die Überlegenheit des Kampfes an der Qualität des Situationsbewusstseins in der gegenwärtigen fünften Ära der Streikkämpfer gemessen wird, führen fast 50% dieses Programmcodes (8,6 Millionen Zeilen) eine komplexe algorithmische Verarbeitung durch - um alle von den Sensoren kommenden Daten in ein einziges Bild des Schauplatzes militärischer Operationen zu kleben. In Echtzeit.

Die Dynamik der Verlagerung, um die Onboard-Funktionalität von US-Kampfflugzeugen sicherzustellen - hin zu Software

Das „Autonome Logistikinformationssystem“ (ALIS) ist an Bord der F-35 dafür verantwortlich. Es vermittelt dem Kämpfer Fähigkeiten wie 1) Planung (unter Verwendung fortschrittlicher Avioniksysteme), 2) Aufrechterhaltung (Fähigkeit, als führende Kampfeinheit zu agieren) und 3) Stärkung (Fähigkeit, als geführte Kampfeinheit zu agieren). [4] Der „Bonding Code“ ist die Hauptkomponente von ALIS, die 95% des gesamten Bordprogrammcodes des F-35-Jägers ausmacht. Die anderen 50% des ALIS-Codes führen etwas sekundäre, aber auch algorithmisch sehr intensive Operationen aus. [12] Daher ist die F-35 eines der kompliziertesten Kampfsysteme, die jemals entwickelt wurden. [6]

ALIS ist ein bedingtes Autopilotsystem, das einen integrierten Komplex einer Vielzahl von luftgestützten Subsystemen kombiniert. und beinhaltet auch eine effektive Interaktion mit dem Piloten, indem ihm hochwertige Informationen über das Operationsgebiet zur Verfügung gestellt werden (Situationsbewusstsein). Der ALIS-Software-Kernel läuft ständig im Hintergrund und unterstützt den Piloten bei Entscheidungen und gibt ihm Tipps zu kritischen Flugzeiten. [13]

Kampfunterstützungseinheit

Eines der wichtigsten Subsysteme von ALIS ist die „Combat Use Support Unit“, die aus fünf Hauptelementen besteht [13]:

1) „Mensch-System-Schnittstelle“ - bietet eine qualitativ hochwertige Visualisierung des Kriegsschauplatzes (ergonomisch, umfassend, präzise). [12] Beim Betrachten dieses Theaters trifft der Pilot taktische Entscheidungen und gibt Kampfteams aus, die wiederum von der ICS-Einheit verarbeitet werden.

2) "Ausführungs- und Kontrollsystem" (IKS) - Die Interaktion mit Waffenkontrolleinheiten an Bord gewährleistet die Ausführung von Kampfteams, die der Pilot über die Schnittstelle zwischen Mensch und System bereitstellt. IKS zeichnet auch den tatsächlichen Schaden durch den Einsatz jedes Kampfteams (über Rückkopplungssensoren) für die anschließende Analyse durch das Avioniksystem auf.

3) „On-Board-Immunsystem“ (LSI) - überwacht externe Bedrohungen und führt bei Erkennung Gegenmaßnahmen durch, die zur Beseitigung von Bedrohungen erforderlich sind. Gleichzeitig kann LSI die Unterstützung freundlicher Kampfeinheiten genießen, die an einer gemeinsamen taktischen Operation teilnehmen. [8] Dafür interagiert LSI eng mit Avioniksystemen - über ein Kommunikationssystem.

4) „Avioniksystem“ - wandelt den Rohdatenstrom aller Arten von Sensoren in ein qualitativ hochwertiges Situationsbewusstsein um, das dem Piloten über die Schnittstelle zwischen Mensch und System zugänglich ist.

5) „Kommunikationssystem“ - steuert den Bordverkehr und den externen Netzwerkverkehr usw. dient als Verbindung zwischen allen Bordsystemen; sowie zwischen allen, die an einer gemeinsamen taktischen Operation teilnehmen, Kampfeinheiten.

Menschliche Systemschnittstelle

Um dem Bedarf an qualitativ hochwertigem und umfassendem Situationsbewusstsein gerecht zu werden, sind Kommunikation und Visualisierung im Cockpit eines Kämpfers von entscheidender Bedeutung. Das Gesicht von ALIS im Allgemeinen und der Kampfunterstützungseinheit im Besonderen ist das „Anzeigesubsystem für die Panorama-Visualisierung“ (L-3 Communications Display Systems). Es enthält einen großen hochauflösenden Touchscreen (LADD) und einen Breitbandkommunikationskanal. Die L-3-Software läuft unter dem Betriebssystem Integrity 178B (Echtzeitbetriebssystem von Green Hills Software), dem Hauptbetriebssystem des F-35-Jägers.

Die Architekten der Cyber-Infrastruktur F-35 entschieden sich für das Betriebssystem Integrity 178B, das von sechs für dieses Betriebssystem spezifischen Funktionen geleitet wurde: 1) Einhaltung offener Architekturstandards, 2) Linux-Kompatibilität, 3) POSIX-API-Kompatibilität, 4) sichere Speicherzuweisung, 5) spezielle Anforderungen Sicherheit und 6) Unterstützung für die ARINC 653-Spezifikation. [12] ARINC 653 ist eine Anwendungssoftware-Schnittstelle zur Verwendung in der Avionik. Diese Schnittstelle regelt die zeitliche und räumliche Trennung der Ressourcen eines Luftfahrtcomputersystems gemäß den Prinzipien der integrierten modularen Avionik. und definiert auch die Programmschnittstelle, über die Anwendungssoftware auf die Ressourcen eines Computersystems zugreifen soll.

Anzeige-Subsystem der Panorama-Visualisierung

Executive Control System

Wie bereits oben erwähnt, stellt ICS in Interaktion mit Waffenkontrolleinheiten an Bord die Ausführung von Kampfteams und die Aufzeichnung des tatsächlichen Schadens durch den Einsatz jedes Kampfteams sicher. Das Herzstück des ICS ist ein Supercomputer, der natürlich auch als "Luftwaffen" bezeichnet wird.

Da das dem integrierten Supercomputer zugewiesene Aufgabenvolumen enorm ist, hat es eine erhöhte Festigkeit und erfüllt hohe Anforderungen an Fehlertoleranz und Verarbeitungsleistung. Es ist auch mit einem effizienten Flüssigkeitskühlsystem ausgestattet. All diese Maßnahmen wurden ergriffen, um sicherzustellen, dass das Bordcomputersystem in der Lage ist, große Datenfelder effizient zu verarbeiten und fortschrittliche algorithmische Verarbeitung durchzuführen - was dem Piloten ein effektives Situationsbewusstsein vermittelt: Geben Sie ihm umfassende Informationen über den Einsatzort. [12]

Der integrierte Supercomputer des F-35-Jägers kann kontinuierlich 40 Milliarden Operationen pro Sekunde ausführen, wodurch die Multitask-Ausführung ressourcenintensiver Algorithmen der fortgeschrittenen Avionik (einschließlich der Verarbeitung elektrooptischer, infraroter und Radardaten) sichergestellt wird. [9] In Echtzeit. Für den F-35-Jäger ist es nicht möglich, alle diese algorithmisch intensiven Berechnungen nebeneinander durchzuführen (um nicht jede Kampfeinheit mit einem Supercomputer auszustatten), da die Intensität des gesamten Datenflusses aller Sensoren den Durchsatz der schnellsten Kommunikationssysteme um mindestens das 1000-fache übersteigt. [12]

Um eine höhere Zuverlässigkeit zu gewährleisten, werden alle kritischen Bordsysteme des F-35-Jägers (einschließlich des Onboard-Supercomputers) nach dem Prinzip der Redundanz implementiert, sodass möglicherweise mehrere verschiedene Geräte dieselbe Aufgabe an Bord ausführen können. Darüber hinaus ist die Redundanzanforderung derart, dass doppelte Elemente von alternativen Herstellern entwickelt wurden und eine alternative Architektur aufweisen. Aufgrund dessen wird die Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Versagens des Originals und des Duplikats verringert. [1, 2] Einschließlich daher wird auf dem Host-Computer ein Linux-ähnliches Betriebssystem ausgeführt, und auf den Slaves wird Windows ausgeführt. [2] Damit einer der Computer ausfällt, kann die Kampfunterstützungseinheit weiterhin funktionieren (zumindest im Notfallmodus). Die ALIS-Kernelarchitektur basiert auf dem Prinzip "Multithread-Client-Server für verteiltes Rechnen". [18]

Luftgestütztes Immunsystem

In einer umstrittenen taktischen Umgebung erfordert die Aufrechterhaltung der Immunität an Bord eine effektive Kombination aus Stabilität, Redundanz, Vielfalt und verteilter Funktionalität. Die Militärluftfahrt von gestern hatte kein einziges luftgestütztes Immunsystem (BIS). Ihr LSI in der Luftfahrt war fragmentiert und bestand aus mehreren unabhängig voneinander wirkenden Komponenten. Jede dieser Komponenten wurde optimiert, um einem bestimmten engen Satz von Waffensystemen standzuhalten: 1) ballistische Projektile, 2) Raketen, die auf eine Quelle für hochfrequentes oder elektrooptisches Signal richten, 3) Laserstrahlung, 4) Radarstrahlung usw. Wenn ein Angriff erkannt wird, wird das entsprechende LSI-Subsystem automatisch aktiviert und ergreift Gegenmaßnahmen.

Die Komponenten des gestrigen LSI wurden von verschiedenen Auftragnehmern unabhängig voneinander entworfen und entwickelt. Da diese Komponenten in der Regel eine geschlossene Architektur hatten, ging es bei der Modernisierung des LSI - als neue Technologien und neue Waffensysteme verfügbar wurden - darauf an, eine weitere unabhängige LSI-Komponente hinzuzufügen. Der grundlegende Nachteil eines solchen fragmentierten LSI, das aus unabhängigen Komponenten mit einer geschlossenen Architektur besteht, besteht darin, dass seine Fragmente nicht miteinander interagieren können und nicht für eine zentrale Koordination zugänglich sind. Mit anderen Worten, sie können nicht miteinander kommunizieren und gemeinsame Operationen ausführen, was die Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit des gesamten LSI insgesamt einschränkt. Wenn beispielsweise eines der Immunsubsysteme ausfällt oder zerstört wird, können die anderen Subsysteme diesen Verlust nicht effektiv kompensieren. Darüber hinaus führt die Fragmentierung von LSIs häufig zu einer Verdoppelung von High-Tech-Komponenten wie Prozessoren und Displays [8], was im Kontext des „ewig grünen Problems“ die SWaP (Größe, Gewicht und Stromverbrauch) reduziert [16] - sehr verschwenderisch. Es ist nicht überraschend, dass diese frühen LSIs allmählich veraltet sind.

Fragmentierte LSIs werden durch ein einzelnes verteiltes integriertes Immunsystem ersetzt, das von einem „Intelligent Cognitive Controller“ (ICC) gesteuert wird. Das KIC ist ein spezielles Programm, das integrierte Zentralnervensystem, das zusätzlich zu den im LSI enthaltenen integrierten Subsystemen funktioniert. Dieses Programm integriert alle LSI-Subsysteme in ein einziges verteiltes Netzwerk (mit gemeinsamen Informationen und gemeinsam genutzten Ressourcen) und verbindet alle LSIs mit einem Zentralprozessor und anderen integrierten Systemen. [8] Grundlage für eine solche Zuordnung (einschließlich der Integration in Komponenten, die in Zukunft entwickelt werden) ist das allgemein anerkannte Konzept eines „Systems of Systems“ (SoS) [3] mit seinen Unterscheidungsmerkmalen wie Skalierbarkeit, öffentlicher Spezifikation und offener Architektur Hardware und Software.

Der KIC hat Zugriff auf die Informationen aller BIS-Subsysteme. Seine Funktion besteht darin, die von den LSI-Subsystemen kommenden Informationen zu vergleichen und zu analysieren. Der KIC arbeitet ständig im Hintergrund, interagiert kontinuierlich mit allen LSI-Subsystemen - identifiziert jede potenzielle Bedrohung, lokalisiert sie und empfiehlt dem Piloten schließlich einen optimalen Satz von Gegenmaßnahmen (unter Berücksichtigung der einzigartigen Fähigkeiten jedes LSI-Subsystems). Dafür verwendet der KIC fortschrittliche kognitive Algorithmen [17–25].

T.O. Jedes Flugzeug hat seinen eigenen KIC. Um jedoch eine noch stärkere Integration (und damit eine höhere Zuverlässigkeit) zu erreichen, werden die ICC aller an einer taktischen Operation beteiligten Flugzeuge zu einem einzigen gemeinsamen Netzwerk zusammengefasst, das vom „Autonomen Logistikinformationssystem“ (ALIS) koordiniert wird. [4] Wenn einer der KIC eine Bedrohung identifiziert, berechnet ALIS die effektivsten Gegenmaßnahmen unter Verwendung der Informationen aller KIC und der Unterstützung aller an der taktischen Operation beteiligten Kampfeinheiten. ALIS „kennt“ die individuellen Merkmale jedes KIC und setzt sie zur Umsetzung koordinierter Gegenmaßnahmen ein.

Distributed LSI befasst sich mit externen (im Zusammenhang mit den Feindseligkeiten des Feindes) und internen (im Zusammenhang mit der Art der Steuerung und den operativen Nuancen) Bedrohungen. An Bord des F-35-Jägers ist das Avioniksystem für die Verarbeitung externer Bedrohungen verantwortlich, und VRAMS („ein intelligentes System zur Kommunikation der mit gerätegefährdenden Manövern verbundenen Risiken“) ist für die Verarbeitung interner Bedrohungen verantwortlich. [13] Die Hauptaufgabe von VRAMS besteht darin, die Betriebszeiten des Flugzeugs zwischen den Sitzungen der erforderlichen Wartung zu verlängern. Zu diesem Zweck sammelt VRAMS Echtzeitinformationen über den Zustand grundlegender Onboard-Subsysteme (Flugzeugtriebwerk, Hilfsantriebe, mechanische Komponenten, elektrische Subsysteme) und analysiert deren technischen Zustand. Berücksichtigung von Parametern wie Temperaturspitzen, Druckabfällen, Schwingungsdynamik und allen Arten von Störungen. Basierend auf diesen Informationen gibt VRAMS dem Piloten vorab Empfehlungen, wie er vorgehen soll, um das Flugzeug sicher und gesund zu verlassen. VRAMS „sagt“ voraus, welche Konsequenzen diese oder andere Pilotaktionen haben können, und gibt auch Empfehlungen, wie diese vermieden werden können. [13]

Der von VRAMS angestrebte Benchmark ist wartungsfrei bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit und reduzierter struktureller Ermüdung. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten Forschungslabors an der Schaffung von Materialien mit einer intelligenten Struktur, die unter wartungsfreien Bedingungen effektiv arbeiten können. Die Forscher dieser Labors entwickeln Methoden zur Erkennung von Mikrorissen und anderen Phänomenen, die vor einem Ausfall auftreten, um mögliche Fehlfunktionen im Voraus zu vermeiden. Es wird auch an einem besseren Verständnis des Phänomens der strukturellen Ermüdung geforscht, um diese Daten zur Regulierung von Flugzeugmanövern zu verwenden, um die strukturelle Ermüdung zu verringern - und so weiter. verlängern die Nutzungsdauer des Flugzeugs. [13] In diesem Zusammenhang ist es interessant festzustellen, dass etwa 50% der Artikel in der Zeitschrift „Advanced in Engineering Software“ der Analyse der Festigkeit und Verwundbarkeit von Stahlbeton und anderen Strukturen gewidmet sind.

Intelligentes Risikokommunikationssystem für gerätegefährdende Manöver

Fortschrittliches Avioniksystem

Die an Bord befindliche Einheit zur Sicherstellung des Kampfeinsatzes des F-35-Jägers umfasst ein fortschrittliches Avioniksystem, das zur Lösung einer ehrgeizigen Aufgabe entwickelt wurde:

Zu den Avioniksystemen von gestern gehörten mehrere unabhängige Subsysteme (Steuerung von Infrarot- und Ultraviolettsensoren, Radar, Sonar, elektronische Kriegsführung und andere), die jeweils mit einem eigenen Display ausgestattet waren. Aus diesem Grund musste der Pilot abwechselnd die einzelnen Anzeigen betrachten und die von ihnen kommenden Daten manuell analysieren und vergleichen. Andererseits repräsentiert das heutige Avioniksystem, mit dem der F-35-Jäger insbesondere ausgestattet ist, alle Daten, die zuvor als eine einzige Ressource unterschiedlich waren. auf einem gemeinsamen Display. T.O. Das moderne Avioniksystem ist ein integriertes netzwerkzentriertes Datenzusammenführungssystem, das dem Piloten das effektivste Situationsbewusstsein vermittelt. Dies entlastet ihn von der Notwendigkeit, komplexe analytische Berechnungen durchzuführen. Infolgedessen kann der Pilot aufgrund des Ausschlusses des menschlichen Faktors aus der analytischen Schleife nicht mehr von der Hauptkampfmission abgelenkt werden.

– 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.

, , – . . ALIS , F-35 . - , ALIS . ALIS «.h-» «.cpp-». (. ).

#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; } 

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Kampfeinheiten der Luftwaffe in der umstrittenen taktischen Umgebung über eine integrierte Cyber-Infrastruktur verfügen, die Stabilität, Redundanz, Vielfalt und verteilte Funktionalität effektiv kombiniert. Der KIC und ALIS der modernen Luftfahrt erfüllen diese Anforderungen. Der Grad ihrer Integration in die Zukunft wird jedoch auch auf die Interaktion mit anderen Armeeeinheiten ausgeweitet, während die effektive Integration der Luftwaffe nur noch ihre Einheit umfasst.