Núcleo de software da infraestrutura cibernética a bordo do caça unificado F-35

Uma visão geral dos principais componentes do "Sistema de Informação Logística Autônoma" (ALIS) do caça caça unificado F-35. Uma análise detalhada da “unidade de apoio ao combate” e seus quatro componentes principais: 1) uma interface humano-sistema, 2) um sistema de controle executivo, 3) um sistema imunológico a bordo, 4) um sistema aviônico. Algumas informações sobre o firmware do caça F-35 e sobre as ferramentas usadas para o software de bordo. É feita uma comparação com modelos anteriores de caças de combate, e perspectivas para o desenvolvimento da aviação do exército também são indicadas.

- Introdução
- Sistema de informação logística autônoma
- Unidade de apoio ao combate
- Interface homem-sistema
- Sistema de execução e controle
- Sistema imunológico a bordo
- Sistema aviônico avançado
- arquitetura de kernel ALIS

O F-35 é um enxame voador de todos os tipos de sensores de alta tecnologia, fornecendo um total de "consciência situacional de 360 ​​graus".

1. Introdução

Os sistemas de hardware da força aérea estão se tornando cada vez mais complexos ao longo do tempo. [27] Sua infra-estrutura cibernética (componentes de software e hardware que exigem ajuste fino de algoritmos) está gradualmente se tornando mais complicada. Usando o exemplo da Força Aérea dos EUA, pode-se ver como a infra-estrutura cibernética de aeronaves militares - em comparação com seus componentes de hardware tradicionais - expandiu gradualmente de menos de 5% (para o F-4, um caça de terceira geração) para mais de 90% (para o F-35, lutador de quinta geração). [5] Para o ajuste fino da configuração algorítmica dessa infra-estrutura cibernética, o F-35 é responsável pelo software mais recente desenvolvido especialmente para esses fins: "Sistema de Informações Logísticas Autônomas" (ALIS).

Sistema de Informação Logística Autônoma

Na era dos caças de 5ª geração, a superioridade militar é medida, antes de tudo, pela qualidade da consciência situacional. [10] Portanto, o caça F-35 é um enxame voador de todos os tipos de sensores de alta tecnologia, proporcionando um total de consciência situacional de 360 ​​graus. [11] Um novo sucesso nesse sentido é o chamado “Arquitetura de sensores integrados” (ISA), que inclui sensores que interagem dinamicamente de maneira independente (não apenas em um ambiente calmo, mas também em um ambiente tático contestado), o que, teoricamente, deve levar a um aumento ainda maior na qualidade da consciência situacional. [7] No entanto, para que essa teoria entre em prática, é necessário um processamento algorítmico de alta qualidade de todos os dados provenientes dos sensores.

Portanto, o F-35 carrega constantemente software em sua placa, cujo tamanho total dos códigos-fonte excede 20 milhões de linhas, para as quais é frequentemente chamado de “computador voador”. [6] Como a superioridade do combate é medida pela qualidade da consciência situacional na atual, quinta era dos combatentes, quase 50% desse código de programa (8,6 milhões de linhas) realiza processamento algorítmico complexo - para colar todos os dados provenientes dos sensores em uma única imagem do teatro de operações militares. Em tempo real

A dinâmica da mudança para garantir a funcionalidade a bordo dos caças dos EUA - em direção ao software

O “Sistema Autônomo de Informação Logística” (ALIS) é responsável por isso a bordo do F-35, que fornece ao lutador habilidades como 1) planejamento (através de sistemas aviônicos avançados), 2) manutenção (a capacidade de atuar como uma unidade de combate líder) e 3) fortalecimento (capacidade de agir como uma unidade de combate guiada). [4] O "código de ligação" é o principal componente do ALIS, responsável por 95% de todo o código do programa de bordo do caça F-35. Os outros 50% do código ALIS executam operações um tanto secundárias, mas também algoritmicamente muito intensivas. [12] Portanto, o F-35 é um dos sistemas de combate mais complicados já desenvolvidos. [6]

O ALIS é um sistema de piloto automático condicional que combina um complexo integrado de uma ampla variedade de subsistemas aéreos; e também inclui interação eficaz com o piloto, fornecendo a ele informações de qualidade sobre o teatro de operações (percepção situacional). O kernel do software ALIS está constantemente em execução em segundo plano, ajudando o piloto a tomar decisões e dando dicas a ele em momentos críticos de vôo. [13]

Unidade de apoio ao combate

Um dos subsistemas mais importantes do ALIS é a "unidade de apoio ao uso em combate", composta por cinco elementos principais [13]:

1) “Interface homem-sistema” - fornece visualização de alta qualidade do teatro de guerra (ergonômica, abrangente, concisa). [12] Assistindo a este teatro, o piloto toma decisões táticas e distribui equipes de combate, que por sua vez são processadas pela unidade do ICS.

2) "Sistema de execução e controle" (IKS) - interagindo com as unidades de controle de armas a bordo, garante a execução das equipes de combate que o piloto fornece através da interface homem-sistema. A IKS também registra o dano real causado pelo uso de cada equipe de combate (através de sensores de feedback), para posterior análise pelo sistema aviônico.

3) “Sistema imunológico a bordo” (LSI) - monitora ameaças externas e, quando detectadas, realiza contramedidas necessárias para eliminar ameaças. Ao mesmo tempo, o LSI pode contar com o apoio de unidades de combate amigas que participam de uma operação tática conjunta. [8] Para isso, o LSI interage estreitamente com os sistemas aviônicos - através de um sistema de comunicação.

4) “Sistema aviônico” - converte o fluxo bruto de dados provenientes de todos os tipos de sensores em consciência situacional de alta qualidade, acessível ao piloto por meio de uma interface humano-sistema.

5) "Sistema de comunicação" - controla o tráfego de rede interno e externo, etc. serve como um link entre todos os sistemas de bordo; bem como entre todos os participantes de uma operação tática conjunta, unidades de combate.

Interface do sistema humano

Para atender à necessidade de alta qualidade e consciência situacional abrangente, a comunicação e a visualização no cockpit de um lutador são cruciais. A face do ALIS em geral e da unidade de apoio ao combate em particular é o "subsistema de exibição para visualização panorâmica" (L-3 Communications Display Systems). Ele inclui uma grande tela sensível ao toque de alta definição (LADD) e um canal de comunicação de banda larga. O software L-3 é executado no Integrity 178B OS (sistema operacional em tempo real da Green Hills Software), que é o principal sistema operacional a bordo do caça F-35.

Os arquitetos de infraestrutura cibernética do F-35 escolheram o Integrity 178B OS, guiado por seis recursos específicos deste sistema operacional: 1) conformidade com padrões de arquitetura aberta, 2) compatibilidade com Linux, 3) compatibilidade com API POSIX, 4) alocação segura de memória, 5) requisitos especiais 6) suporte para a especificação ARINC 653. [12] O ARINC 653 é uma interface de software aplicativo para uso em aviônicos. Essa interface governa a separação temporal e espacial dos recursos de um sistema aeronáutico de computador, de acordo com os princípios da aviônica modular integrada; e também define a interface do programa que o software aplicativo deve usar para acessar os recursos de um sistema de computador.

Exibir subsistema de visualização panorâmica

Sistema de Controle Executivo

Como já mencionado acima, o ICS, interagindo com as unidades de controle de armas a bordo, garante a execução das equipes de combate e o registro dos danos reais do uso de cada equipe de combate. O coração do ICS é um supercomputador, que também é naturalmente chamado de "armas aéreas".

Como o volume de tarefas atribuídas ao supercomputador de bordo é enorme, ele aumentou a resistência e atende aos altos requisitos de tolerância a falhas e poder de processamento; Também é equipado com um eficiente sistema de refrigeração líquida. Todas essas medidas foram tomadas para garantir que o sistema de computador de bordo possa processar eficientemente grandes conjuntos de dados e executar processamento algorítmico avançado - que fornece ao piloto uma percepção situacional eficaz: forneça informações abrangentes sobre o teatro de operações. [12]

O supercomputador de bordo do caça F-35 é capaz de executar continuamente 40 bilhões de operações por segundo, o que garante a execução multitarefa de algoritmos de aviônicos avançados com uso intensivo de recursos (incluindo o processamento de dados eletro-ópticos, infravermelhos e radares). [9] Em tempo real. Para o caça F-35, não é possível realizar todos esses cálculos algoritmicamente intensivos ao lado (para não equipar cada unidade de combate com um supercomputador), porque a intensidade do fluxo total de dados provenientes de todos os sensores excede em pelo menos 1000 vezes a taxa de transferência dos sistemas de comunicação mais rápidos. [12]

Para garantir maior confiabilidade, todos os sistemas críticos de bordo do caça F-35 (incluindo até certo ponto o supercomputador de bordo) são implementados usando o princípio de redundância: para que vários dispositivos diferentes possam potencialmente executar a mesma tarefa a bordo. Além disso, o requisito de redundância é tal que elementos duplicados foram desenvolvidos por fabricantes alternativos e possuem uma arquitetura alternativa. Devido a isso, a probabilidade de falha simultânea do original e da duplicata é reduzida. [1, 2] Incluindo, portanto, o computador host está executando um sistema operacional semelhante ao Linux e os escravos estão executando o Windows. [2] Além disso, para que um dos computadores falhe, a unidade de suporte de combate pode continuar funcionando (pelo menos no modo de emergência), a arquitetura do kernel do ALIS é construída com base no princípio de "servidor cliente multithread para computação distribuída". [18]

Sistema imunológico transportado pelo ar

Em um ambiente tático contestado, manter a imunidade a bordo requer uma combinação eficaz de estabilidade, redundância, diversidade e funcionalidade distribuída. A aviação militar de ontem não tinha um único sistema imunológico aéreo (BIS). Sua aviação, LSI, estava fragmentada e consistia em vários componentes de ação independente. Cada um desses componentes foi otimizado para suportar um conjunto específico e estreito de sistemas de armas: 1) projéteis balísticos, 2) mísseis apontando para uma fonte de sinal de radiofrequência ou eletro-óptico, 3) radiação laser, 4) radiação radar, etc. Quando um ataque é detectado, o subsistema LSI correspondente é automaticamente ativado e executa contramedidas.

Os componentes do LSI de ontem foram projetados e desenvolvidos de forma independente por diferentes contratados. Como esses componentes, em regra, tinham uma arquitetura fechada, a modernização do LSI - à medida que novas tecnologias e novos sistemas de armas se tornaram disponíveis - se resumiu à adição de outro componente LSI independente. A desvantagem fundamental de um LSI fragmentado - que consiste em componentes independentes com uma arquitetura fechada - é que seus fragmentos não podem interagir entre si e não são passíveis de coordenação centralizada. Em outras palavras, eles não podem se comunicar e executar operações conjuntas, o que limita a confiabilidade e a adaptabilidade de todo o LSI como um todo. Por exemplo, se um dos subsistemas imunes falhar ou for destruído, os outros subsistemas não poderão compensar efetivamente essa perda. Além disso, a fragmentação de LSIs geralmente leva à duplicação de componentes de alta tecnologia, como processadores e monitores, [8] que, no contexto do "problema eternamente verde", reduzem o SWaP (tamanho, peso e consumo de energia) [16] - muito desperdiçador. Não é de surpreender que esses primeiros LSIs estejam gradualmente se tornando obsoletos.

Os LSIs fragmentados estão sendo substituídos por um único sistema imunológico on-board distribuído, controlado por um "Intelligent Cognitive Controller" (ICC). O KIC é um programa especial, o sistema nervoso central a bordo, que funciona em cima dos subsistemas integrados incluídos no LSI. Este programa integra todos os subsistemas LSI em uma única rede distribuída (com informações comuns e recursos compartilhados) e também conecta todos os LSIs a um processador central e outros sistemas de bordo. [8] A base dessa associação (incluindo a integração com componentes que serão desenvolvidos no futuro) é o conceito geralmente aceito de um "sistema de sistemas" (SoS), [3] com suas características distintivas, como escalabilidade, especificação pública e arquitetura aberta. hardware e software.

A CCI tem acesso às informações de todos os subsistemas do BIS; sua função é comparar e analisar as informações provenientes dos subsistemas LSI. A CCI trabalha constantemente em segundo plano, interagindo continuamente com todos os subsistemas LSI - identificando cada ameaça em potencial, localizando-a e finalmente recomendando ao piloto um conjunto ideal de contramedidas (levando em consideração os recursos exclusivos de cada subsistema LSI). Para isso, o CCI utiliza algoritmos cognitivos avançados [17–25].

T.O. Cada aeronave possui sua própria CCI individual. No entanto, para alcançar uma integração ainda maior (e, como resultado, maior confiabilidade), o TPI de todos os aviões participantes de uma operação tática é unido em uma única rede comum, coordenada pelo "Sistema de Informação Logística Autônoma" (ALIS). [4] Quando uma das CCI identifica uma ameaça, o ALIS calcula as contramedidas mais eficazes, usando as informações de todas as CCI e o apoio de todas as unidades de combate que participam da operação tática. O ALIS “conhece” as características individuais de cada CCI e as utiliza para implementar contramedidas coordenadas.

O LSI distribuído lida com ameaças externas (relacionadas às hostilidades do inimigo) e internas (relacionadas à maneira de pilotar e nuances operacionais). A bordo do caça F-35, o sistema aviônico é responsável pelo processamento de ameaças externas, e o VRAMS ("um sistema inteligente para comunicar os riscos associados às manobras perigosas ao equipamento") é responsável pelo processamento de ameaças internas. [13] A principal tarefa do VRAMS é estender os períodos de operação da aeronave entre as sessões de manutenção necessária. Para isso, o VRAMS coleta informações em tempo real sobre a integridade dos subsistemas básicos de bordo (motor de aeronave, acionamentos auxiliares, componentes mecânicos, subsistemas elétricos) e analisa suas condições técnicas; levando em consideração parâmetros como picos de temperatura, quedas de pressão, dinâmica de vibração e todos os tipos de interferência. Com base nessas informações, o VRAMS fornece ao piloto recomendações antecipadas sobre como agir para deixar o avião são e salvo. O VRAMS “prediz” quais consequências essas ou outras ações piloto podem levar e também fornece recomendações sobre como evitá-las. [13]

O benchmark que o VRAMS busca é a manutenção nula, mantendo a super confiabilidade e a fadiga estrutural reduzida. Para realizar essa tarefa, os laboratórios de pesquisa estão trabalhando na criação de materiais com uma estrutura inteligente - capaz de trabalhar efetivamente em condições de manutenção zero. Pesquisadores desses laboratórios estão desenvolvendo métodos para detectar microfissuras e outros fenômenos que precedem falhas, a fim de evitar possíveis avarias com antecedência. Também estão sendo realizadas pesquisas para uma melhor compreensão do fenômeno da fadiga estrutural, de modo que, usando esses dados, regular as manobras da aeronave para reduzir a fadiga estrutural - e assim por diante. prolongar a vida útil da aeronave. [13] Nesse sentido, é interessante notar que cerca de 50% dos artigos da revista “Advanced in Engineering Software” são dedicados à análise da resistência e vulnerabilidade do concreto armado e outras estruturas.

Sistema de comunicação de risco inteligente para manobras perigosas a equipamentos

Sistema aviônico avançado

A unidade de bordo para garantir o uso em combate do caça F-35 inclui um sistema aviônico avançado, projetado para resolver uma tarefa ambiciosa:

Os sistemas aviônicos de ontem incluíam vários subsistemas independentes (controle de sensores infravermelhos e ultravioleta, radar, sonar, guerra eletrônica e outros), cada um deles equipado com seu próprio monitor. Por esse motivo, o piloto teve que se revezar olhando para cada um dos monitores e analisar e comparar manualmente os dados provenientes deles. , , 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; } 

Para resumir, pode-se notar que, no ambiente tático contestado, as unidades de combate da Força Aérea possuem infraestrutura cibernética a bordo que combina efetivamente estabilidade, redundância, diversidade e funcionalidade distribuída. O KIC e o ALIS da aviação moderna atendem a esses requisitos. No entanto, o grau de sua integração no futuro também será expandido para interagir com outras unidades do exército, enquanto agora a integração efetiva da Força Aérea cobre apenas sua unidade.