Noyau logiciel de la cyber-infrastructure embarquée du chasseur d'attaque unifié F-35

Un aperçu des éléments clés du «Système autonome d'information logistique» (ALIS) du chasseur d'attaque unifié F-35. Une analyse détaillée de «l'unité d'appui au combat» et de ses quatre éléments clés: 1) une interface homme-système, 2) un système de contrôle exécutif, 3) un système immunitaire embarqué, 4) un système avionique. Quelques informations sur le firmware du F-35 Fighter et sur les outils utilisés pour son logiciel embarqué. Une comparaison est faite avec les modèles antérieurs de chasseurs de combat, et les perspectives de développement de l'aviation militaire sont également indiquées.

- Présentation
- Système d'information logistique autonome
- Unité d'appui au combat
- Interface homme-système
- Système d'exécution et de contrôle
- Système immunitaire embarqué
- Système avionique avancé
- Architecture du noyau ALIS

Le Fighter F-35 est un essaim volant de toutes sortes de capteurs de haute technologie, offrant une «conscience de la situation à 360 degrés».

Présentation

Les systèmes matériels des forces aériennes deviennent de plus en plus complexes au fil du temps. [27] Leur cyberinfrastructure (composants logiciels et matériels nécessitant un réglage algorithmique fin) se complique progressivement. En utilisant l'exemple de l'US Air Force, on peut voir comment la cyber-infrastructure des avions militaires - par rapport à ses composants matériels traditionnels - est progressivement passée de moins de 5% (pour le F-4, un chasseur de troisième génération) à plus de 90% (pour le F-35, chasseur de cinquième génération). [5] Pour affiner la configuration algorithmique de cette cyber-infrastructure, le F-35 est responsable du dernier logiciel spécialement développé à ces fins: «Autonomous Logistics Information System» (ALIS).

Système d'information logistique autonome

À l'ère des chasseurs de 5e génération, la supériorité militaire se mesure tout d'abord par la qualité de la conscience de la situation. [10] Par conséquent, le chasseur F-35 est un essaim volant de toutes sortes de capteurs de haute technologie, offrant un total de conscience situationnelle à 360 degrés. [11] Un nouveau succès à cet égard est le soi-disant «Architecture de capteurs intégrés» (ISA), qui comprend des capteurs qui interagissent dynamiquement indépendamment les uns avec les autres (non seulement dans un environnement tactique calme mais aussi contesté), ce qui, théoriquement, devrait conduire à une augmentation encore plus grande de la qualité de la conscience de la situation. [7]. Cependant, pour que cette théorie soit mise en pratique, un traitement algorithmique de haute qualité de toutes les données provenant des capteurs est nécessaire.

Par conséquent, le F-35 transporte constamment sur sa carte un logiciel dont la taille totale des codes sources dépasse 20 millions de lignes, pour lesquelles il est souvent appelé «ordinateur volant». [6] Étant donné que la supériorité au combat est mesurée par la qualité de la connaissance de la situation dans la cinquième ère actuelle des chasseurs d'attaque, près de 50% de ce code de programme (8,6 millions de lignes) effectue un traitement algorithmique complexe - pour coller toutes les données provenant des capteurs dans une seule image du théâtre des opérations militaires. En temps réel.

La dynamique du changement pour assurer la fonctionnalité à bord des avions de chasse américains - vers le logiciel

Le «Système Autonome d'Information Logistique» (ALIS) est responsable de cela à bord du F-35, qui fournit au combattant des compétences telles que 1) la planification (grâce à des systèmes avioniques avancés), 2) le maintien (la capacité d'agir en tant qu'unité de combat de pointe), et 3) le renforcement (capacité d'agir en tant qu'unité de combat guidée). [4] Le «code de liaison» est le principal composant d'ALIS, qui représente 95% de l'ensemble du code de programme à bord du chasseur F-35. Les 50% restants du code ALIS effectuent des opérations quelque peu secondaires, mais également très intensives sur le plan algorithmique. [12] Par conséquent, le F-35 est l'un des systèmes de combat les plus compliqués jamais développés. [6]

ALIS est un système de pilote automatique conditionnel qui combine un complexe intégré d'une grande variété de sous-systèmes aéroportés; et comprend également une interaction efficace avec le pilote en lui fournissant des informations de qualité sur le théâtre des opérations (connaissance de la situation). Le noyau du logiciel ALIS fonctionne constamment en arrière-plan, aidant le pilote à prendre des décisions et lui donnant des conseils aux heures de vol critiques. [13]

Unité de soutien au combat

L'un des sous-systèmes les plus importants d'ALIS est «l'unité de soutien à l'utilisation au combat», composée de cinq éléments principaux [13]:

1) «Interface homme-système» - offre une visualisation de haute qualité du théâtre de guerre (ergonomique, complète, concise). [12] Regardant ce théâtre, le pilote prend des décisions tactiques et donne des équipes de combat, qui à leur tour sont traitées par l'unité ICS.

2) "Système d'exécution et de contrôle" (IKS) - en interaction avec les unités de contrôle d'armes embarquées, assure l'exécution des équipes de combat que le pilote donne via l'interface homme-système. IKS enregistre également les dommages réels résultant de l'utilisation de chaque équipe de combat (grâce à des capteurs de rétroaction), pour son analyse ultérieure par le système avionique.

3) «Système immunitaire embarqué» (LSI) - surveille les menaces externes et, lorsqu'il est détecté, prend les contre-mesures nécessaires pour éliminer les menaces. Dans le même temps, le LSI peut bénéficier du soutien d'unités de combat amies participant à une opération tactique interarmées. [8] Pour cela, LSI interagit étroitement avec les systèmes avioniques - à travers un système de communication.

4) «Système avionique» - convertit le flux brut de données provenant de toutes sortes de capteurs en une connaissance de la situation de haute qualité, accessible au pilote via l'interface homme-système.

5) «Système de communication» - contrôle le trafic à bord et sur le réseau externe, etc. sert de lien entre tous les systèmes embarqués; ainsi qu'entre tous ceux qui participent à une opération tactique conjointe, les unités de combat.

Interface système humain

Pour répondre au besoin d'une connaissance de la situation globale et de haute qualité, la communication et la visualisation dans le cockpit d'un chasseur sont cruciales. Le visage d'ALIS en général et de l'unité d'appui au combat en particulier est le «sous-système d'affichage pour la visualisation panoramique» (L-3 Communications Display Systems). Il comprend un grand écran tactile haute définition (LADD) et un canal de communication à large bande. Le logiciel L-3 fonctionne sur le système d'exploitation Integrity 178B (système d'exploitation en temps réel de Green Hills Software), qui est le principal système d'exploitation embarqué du chasseur F-35.

Les architectes de la cyber-infrastructure F-35 ont choisi le système d'exploitation Integrity 178B, guidé par six fonctionnalités spécifiques à ce système d'exploitation: 1) la conformité aux normes d'architecture ouverte, 2) la compatibilité Linux, 3) la compatibilité avec l'API POSIX, 4) l'allocation de mémoire sécurisée, 5) les exigences spéciales sécurité et 6) prise en charge de la spécification ARINC 653. [12] ARINC 653 est une interface logicielle d'application destinée à être utilisée en avionique. Cette interface régit la séparation temporelle et spatiale des ressources d'un système informatique aéronautique conformément aux principes de l'avionique modulaire intégrée; et définit également l'interface du programme que le logiciel d'application doit utiliser pour accéder aux ressources d'un système informatique.

Sous-système d'affichage de la visualisation panoramique

Système de contrôle exécutif

Comme déjà indiqué ci-dessus, ICS, en interaction avec les unités de contrôle des armes à bord, assure l'exécution des équipes de combat et l'enregistrement des dommages réels résultant de l'utilisation de chaque équipe de combat. Le cœur de l'ICS est un supercalculateur, qui est tout aussi naturellement appelé «armes aéroportées».

Étant donné que le volume des tâches assignées au supercalculateur embarqué est énorme, il a augmenté sa résistance et répond à des exigences élevées en matière de tolérance aux pannes et de puissance de traitement; Il est également équipé d'un système de refroidissement liquide efficace. Toutes ces mesures ont été prises pour s'assurer que le système informatique de bord est capable de traiter efficacement d'énormes matrices de données et d'effectuer un traitement algorithmique avancé - qui fournissent au pilote une connaissance de la situation efficace: donnez-lui des informations complètes sur le théâtre des opérations. [12]

Le superordinateur embarqué du chasseur F-35 est capable d'effectuer en continu 40 milliards d'opérations par seconde, ce qui garantit l'exécution multitâche d'algorithmes gourmands en ressources de l'avionique avancée (y compris le traitement des données électro-optiques, infrarouges et radar). [9] En temps réel. Pour le chasseur F-35, il n'est pas possible d'effectuer tous ces calculs intensifs algorithmiquement sur le côté (afin de ne pas équiper chaque unité de combat d'un superordinateur), car l'intensité du flux total de données provenant de tous les capteurs dépasse au moins 1000 fois le débit des systèmes de communication les plus rapides. [12]

Pour assurer une fiabilité accrue, tous les systèmes embarqués critiques du chasseur F-35 (y compris dans une certaine mesure le supercalculateur embarqué) sont mis en œuvre en utilisant le principe de redondance: de sorte que plusieurs appareils différents pourraient potentiellement effectuer la même tâche à bord. De plus, l'exigence de redondance est telle que les éléments en double ont été développés par des fabricants alternatifs et ont une architecture alternative. De ce fait, la probabilité de défaillance simultanée de l'original et du duplicata est réduite. [1, 2] Y compris, par conséquent, l'ordinateur hôte exécute un système d'exploitation de type Linux et les esclaves exécutent Windows. [2] Aussi, pour que l'un des ordinateurs tombe en panne, l'unité de soutien au combat pourrait continuer à fonctionner (au moins en mode d'urgence), l'architecture du noyau ALIS est construite sur le principe du "client-serveur multi-thread pour l'informatique distribuée". [18]

Système immunitaire aéroporté

Dans un environnement tactique contesté, le maintien de l'immunité à bord nécessite une combinaison efficace de stabilité, de redondance, de diversité et de fonctionnalité distribuée. L'aviation militaire d'hier ne disposait pas d'un seul système immunitaire aéroporté (BIS). Elle, aviation, LSI était fragmentée et se composait de plusieurs composants agissant indépendamment. Chacun de ces composants a été optimisé pour résister à un ensemble spécifique de systèmes d'armes: 1) projectiles balistiques, 2) missiles pointant vers une source de signal radiofréquence ou électro-optique, 3) rayonnement laser, 4) rayonnement radar, etc. Lorsqu'une attaque est détectée, le sous-système LSI correspondant est automatiquement activé et prend des contre-mesures.

Les composants du LSI d'hier ont été conçus et développés indépendamment par différents entrepreneurs. Étant donné que ces composants avaient, en règle générale, une architecture fermée, la modernisation du LSI - à mesure que de nouvelles technologies et de nouveaux systèmes d'armes devenaient disponibles - se résumait à l'ajout d'un autre composant LSI indépendant. L'inconvénient fondamental d'un tel LSI fragmenté, composé de composants indépendants avec une architecture fermée, est que ses fragments ne peuvent pas interagir les uns avec les autres et ne se prêtent pas à une coordination centrale. En d'autres termes, ils ne peuvent pas communiquer entre eux et effectuer des opérations conjointes, ce qui limite la fiabilité et l'adaptabilité de l'ensemble du LSI dans son ensemble. Par exemple, si l'un des sous-systèmes immunitaires tombe en panne ou est détruit, les autres sous-systèmes ne peuvent pas compenser efficacement cette perte. En outre, la fragmentation du LSI conduit très souvent à la duplication de composants de haute technologie, tels que les processeurs et les écrans [8], ce qui, dans le contexte du «problème éternellement vert», réduit le SWaP (taille, poids et consommation d'énergie) [16] - très gaspillage. Il n'est pas surprenant que ces premiers LSI deviennent progressivement obsolètes.

Les LSI fragmentés sont remplacés par un seul système immunitaire intégré distribué, contrôlé par un «contrôleur cognitif intelligent» (ICC). Le KIC est un programme spécial, le système nerveux central embarqué, qui fonctionne au-dessus des sous-systèmes intégrés inclus dans le LSI. Ce programme intègre tous les sous-systèmes LSI dans un seul réseau distribué (avec des informations communes et des ressources partagées), et connecte également tous les LSI avec un processeur central et d'autres systèmes embarqués. [8] La base d'une telle association (y compris l'intégration avec des composants qui seront développés à l'avenir) est le concept généralement accepté d'un «système de systèmes» (SoS), [3] avec ses caractéristiques distinctives telles que l'évolutivité, une spécification publique et une architecture ouverte. matériel et logiciel.

La KIC a accès aux informations de tous les sous-systèmes BIS; sa fonction est de comparer et d'analyser les informations provenant des sous-systèmes LSI. La KIC fonctionne en permanence en arrière-plan, interagissant en permanence avec tous les sous-systèmes LSI - identifiant chaque menace potentielle, la localisant et recommandant enfin au pilote un ensemble optimal de contre-mesures (en tenant compte des capacités uniques de chaque sous-système LSI). Pour cela, la KIC utilise des algorithmes cognitifs avancés [17–25].

T.O. Chaque avion a sa propre KIC individuelle. Cependant, afin de parvenir à une intégration encore plus grande (et, par conséquent, à une plus grande fiabilité), les ICC de tous les avions participant à une opération tactique sont réunis en un seul réseau commun, qui est coordonné par le «Système Autonome d'Information Logistique» (ALIS). [4] Lorsque l'un des CCI identifie une menace, ALIS calcule les contre-mesures les plus efficaces, en utilisant les informations de tous les CCI et le soutien de toutes les unités de combat participant à l'opération tactique. ALIS «connaît» les caractéristiques individuelles de chaque CCI et les utilise pour mettre en œuvre des contre-mesures coordonnées.

Le LSI distribué traite des menaces externes (liées aux hostilités de l'ennemi) et internes (liées à la manière de piloter et aux nuances opérationnelles). À bord du chasseur F-35, le système avionique est responsable du traitement des menaces externes, et la VRAMS («un système intelligent pour communiquer les risques associés aux manœuvres dangereuses liées à l'équipement») est responsable du traitement des menaces internes. [13] La tâche principale de VRAMS est de prolonger les périodes de fonctionnement de l'aéronef entre les sessions de maintenance nécessaires. Pour ce faire, VRAMS collecte des informations en temps réel sur la santé des sous-systèmes embarqués de base (moteur d'avion, entraînements auxiliaires, composants mécaniques, sous-systèmes électriques) et analyse leur état technique; en tenant compte de paramètres tels que les pics de température, les chutes de pression, la dynamique des vibrations et toutes sortes d'interférences. Sur la base de ces informations, VRAMS donne au pilote des recommandations préalables sur la façon d'agir afin de laisser l'avion sain et sauf. La VRAMS «prédit» les conséquences que ces actions ou d'autres actions pilotes peuvent entraîner, et donne également des recommandations sur la façon de les éviter. [13]

La référence VRAMS s'efforce de ne nécessiter aucun entretien tout en conservant une super fiabilité et une fatigue structurelle réduite. Pour atteindre cet objectif, les laboratoires de recherche travaillent à la création de matériaux avec une structure intelligente - qui pourront travailler efficacement dans des conditions sans maintenance. Les chercheurs de ces laboratoires développent des méthodes de détection des microfissures et autres phénomènes qui précèdent les pannes, afin de prévenir à l'avance d'éventuels dysfonctionnements. Des recherches sont également menées pour une meilleure compréhension du phénomène de fatigue structurelle afin d'utiliser ces données pour réguler les manœuvres des avions afin de réduire la fatigue structurelle - et ainsi de suite. prolonger la durée de vie utile de l'avion. [13] À cet égard, il est intéressant de noter qu'environ 50% des articles de la revue «Advanced in Engineering Software» sont consacrés à l'analyse de la résistance et de la vulnérabilité du béton armé et d'autres structures.

Système intelligent de communication des risques pour les manœuvres dangereuses liées à l'équipement

Système avionique avancé

L'unité embarquée pour assurer l'utilisation au combat du chasseur F-35 comprend un système avionique avancé conçu pour résoudre une tâche ambitieuse:

Les systèmes avioniques d'hier comprenaient plusieurs sous-systèmes indépendants (contrôle des capteurs infrarouges et ultraviolets, radar, sonar, guerre électronique et autres), chacun étant équipé de son propre écran. Pour cette raison, le pilote a dû examiner à tour de rôle chacun des écrans et analyser et comparer manuellement les données qui en émanaient. , , 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.

, , – . . 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; } 

En résumé, on peut noter que dans l'environnement tactique contesté, les unités de combat de l'Air Force possèdent une cyber-infrastructure embarquée qui combine efficacement stabilité, redondance, diversité et fonctionnalité distribuée. Le KIC et l'ALIS de l'aviation moderne répondent à ces exigences. Cependant, le degré de leur intégration à l'avenir sera également étendu à l'interaction avec d'autres unités de l'armée, tandis que l'intégration effective de l'Air Force ne couvre désormais que son unité.