统一打击战斗机F-35的车载网络基础设施的软件核心

F-35统一打击战斗机的“自治后勤信息系统”（ALIS）的关键组件概述。 对“作战支援部队”及其四个关键组成部分的详细分析：1）人机界面，2）执行控制系统，3）机载免疫系统，4）航空电子系统。 有关F-35战斗机固件及其机载软件使用的工具的一些信息。 与早期的战斗机模型进行了比较，并指出了陆军航空业进一步发展的前景。

-简介
-自主物流信息系统
-作战支援单位
-人机界面
-执行与控制系统
-机载免疫系统
-先进的航空电子系统
-ALIS内核架构

战斗机F-35是由各种高科技传感器组成的飞行群，总共提供“ 360度态势感知”。

引言

随着时间的推移，空军硬件系统变得越来越复杂。 [27]他们的网络基础设施（需要精细算法调整的软件和硬件组件）正变得越来越复杂。 以美国空军为例，与传统硬件相比，军用飞机的网络基础设施如何从不到5％（对于F-4，第三代战斗机）逐渐扩展到超过90％（对于F-35，第五代战斗机）。 [5]为了微调此网络基础设施的算法配置，F-35负责专门为这些目的而开发的最新软件：“自治物流信息系统”（ALIS）。

自主物流信息系统

在第五代战斗机时代，军事优势首先是通过态势感知的质量来衡量的。 [10]因此，F-35战斗机是各种高科技传感器的飞行群，可提供总共360度的态势感知。 [11]这方面的新热门是所谓的 “集成传感器的体系结构”（ISA），包括相互独立地动态交互的传感器（不仅在平静的环境中，而且在有争议的战术环境中），从理论上讲，这应该导致态势感知质量的更大提高。 [7]。 但是，要使该理论付诸实践，必须对来自传感器的所有数据进行高质量的算法处理。

因此，F-35经常在其板上搭载软件，其源代码的总大小超过2000万行，因此它通常被称为“飞行计算机”。 [6]由于在当前的第五代打击战斗机时代中，作战优势是由态势感知的质量来衡量的，因此该程序代码中的近50％（860万行）执行了复杂的算法处理-将来自传感器的所有数据粘贴到单个战场图片中。 实时地。

为确保美军战斗机的机载功能而进行的转变的动力-转向软件

F-35机上由“自治后勤信息系统”（ALIS）负责，该系统为战斗机提供以下技能：1）计划（通过先进的航空电子系统），2）维护（作为主要作战单位的能力）和3）加强（作为指导战斗单位的能力）。 [4]“绑定代码”是ALIS的主要组成部分，占F-35战斗机整个机载程序代码的95％。 其他50％的ALIS代码执行次要的操作，但在算法上也执行非常密集的操作。 [12]因此，F-35是有史以来最复杂的战斗系统之一。 [6]

ALIS是有条件的自动驾驶系统，结合了多种机载子系统的综合系统。 并且还包括通过向飞行员提供有关战区质量信息（态势感知）的有效互动。 ALIS软件内核一直在后台运行，可帮助飞行员做出决策并在关键飞行时间提供提示。 [13]

作战支援单位

ALIS的最重要子系统之一是“战斗支持基地”，它由五个主要要素组成[13]：

1）“人机界面”-提供战争战场的高质量可视化（人体工程学，全面，简洁）。 [12]飞行员看着这个战场，做出战术决策并派出战斗队，由ICS部门处理。

2）“执行与控制系统”（IKS）-与机载武器控制单元进行交互，确保飞行员通过人机界面进行交战。 IKS还记录了每个战斗团队使用后的实际损害（通过反馈传感器），供航空电子系统进行后续分析。

3）“机载免疫系统”（LSI）-监视外部威胁，并在检测到时采取必要措施以消除威胁。 同时，LSI可以享受参与联合战术行动的友好作战单位的支持。 [8]为此，LSI通过通信系统与航空电子系统紧密交互。

4）“航空电子系统”-将来自各种传感器的原始数据流转换为高质量的态势感知，飞行员可以通过人机界面访问。

5）“通讯系统”-控制车载和外部网络流量等。 作为所有车载系统之间的链接； 以及参加联合战术行动的所有人员之间，战斗部队之间。

人机界面

为了满足对高质量和全面的态势感知的需求，战斗机驾驶舱中的通信和可视化至关重要。 一般而言，ALIS的面貌，尤其是作战支援部门的面目是“全景可视化显示子系统”（L-3通信显示系统）。 它包括一个大型高清触摸屏（LADD）和一个宽带通信通道。 L-3软件运行在Integrity 178B OS（Green Hills Software的实时操作系统）上，该操作系统是F-35战斗机的主要机载操作系统。

F-35网络基础架构设计师选择了Integrity 178B OS，该操作系统具有以下六项功能：1）符合开放式体系结构标准，2）Linux兼容性，3）POSIX API兼容性，4）安全内存分配，5）特殊要求安全和6）支持ARINC 653规范。 [12] ARINC 653是用于航空电子设备的应用软件界面。 该接口根据集成模块化航空电子学的原理控制航空计算机系统资源的时间和空间分离； 并定义了应用软件访问计算机系统资源时应使用的程序接口。

全景可视化显示子系统

执行控制系统

如上所述，ICS与机载武器控制单元进行交互，确保了战斗队的执行并记录了每个战斗队使用后的实际损失。 ICS的核心是一台超级计算机，它自然也被称为“机载武器”。

由于分配给车载超级计算机的任务量巨大，因此它具有更高的强度，并且对容错能力和处理能力有很高的要求； 它还配备了高效的液体冷却系统。 已经采取了所有这些措施，以确保机载计算机系统能够有效地处理庞大的数据阵列并执行高级算法处理，从而为飞行员提供有效的态势感知：向他提供有关战区的全面信息。 [12]

F-35战斗机的机载超级计算机每秒能够连续执行400亿次操作，从而确保了先进航空电子资源密集型算法（包括电光，红外和雷达数据的处理）的多任务执行。 [9]实时。 对于F-35战斗机，不可能在侧面进行所有这些算法密集的计算（以免每个战斗单元都配备超级计算机），因为来自所有传感器的总数据流强度比最快的通信系统的吞吐量大至少1000倍。 [12]

为了确保更高的可靠性，F-35战斗机的所有关键机载系统（包括某种程度上的机载超级计算机）均采用冗余原理实施：因此，多个不同的设备可能在机上执行相同任务。 此外，冗余要求使得重复的元素由替代制造商开发并具有替代体系结构。 因此，降低了原件和副本同时失效的可能性。 [1，2]因此，包括主机正在运行类似Linux的操作系统，而从属计算机正在运行Windows。 [2]另外，为了使其中一台计算机发生故障，作战支援部队可以继续工作（至少在紧急模式下），ALIS内核体系结构是基于“分布式计算的多线程客户端-服务器”原理构建的。 [18]

机载免疫系统

在竞争激烈的战术环境中，维持机载免疫力需要稳定，冗余，多样性和分布式功能的有效结合。 昨天的军用航空没有单一的机载免疫系统（BIS）。 她的航空LSI是分散的，由几个独立运行的组件组成。 这些组件中的每一个都经过优化，可以承受一组特定的狭窄武器系统：1）弹道弹丸，2）指向射频或电光信号源的导弹，3）激光辐射，4）雷达辐射等。 当检测到攻击时，相应的LSI子系统将自动激活并采取对策。

昨天的LSI的组件是由不同的承包商独立设计和开发的。 由于这些组件通常具有封闭的体系结构，因此随着新技术和新武器系统的出现，LSI的现代化归结为添加了另一个独立的LSI组件。 这种碎片化的LSI由具有封闭式体系结构的独立组件组成的根本缺点是，其碎片无法彼此交互，也无法进行中央协调。 换句话说，它们不能彼此通信并不能执行联合操作，这限制了整个LSI的可靠性和适应性。 例如，如果一个免疫子系统之一发生故障或被破坏，则其他子系统将无法有效补偿这一损失。 另外，LSI的碎片化常常导致高科技组件的复制，例如处理器和显示器，[8]在“永远的绿色问题”的背景下，降低SWaP（尺寸，重量和功耗）[16]-非常浪费。 这些早期的LSI逐渐被淘汰也就不足为奇了。

由“智能认知控制器”（ICC）控制的单个分布式机载免疫系统将取代零散的LSI。 KIC是一个特殊程序，即车载中枢神经系统，它在LSI包含的集成子系统之上运行。 该程序将所有LSI子系统集成到一个分布式网络中（具有公共信息和共享资源），并且还将所有LSI与中央处理器和其他车载系统相连。 [8]此类关联的基础（包括与将来将开发的组件集成）是“系统系统”（SoS）的公认概念，[3]具有鲜明的特性，例如可伸缩性，公共规范和开放式体系结构。硬件和软件。

KIC可以访问所有BIS子系统的信息； 它的功能是比较和分析来自LSI子系统的信息。 KIC始终在后台运行，与所有LSI子系统进行持续交互-识别每个潜在威胁，将其定位，最后向飞行员推荐一套最佳对策（考虑到每个LSI子系统的独特功能）。 为此，KIC使用了先进的认知算法[17-25]。

T.O. 每架飞机都有自己的个人KIC。 但是，为了实现更大的集成度（并因此获得更高的可靠性），所有参与战术作战的飞机的ICC都被整合到一个单一的公共网络中，该网络由“自治后勤信息系统”（ALIS）协调。 [4]当一个KIC识别出威胁时，ALIS利用所有KIC的信息以及参与该战术行动的所有作战单位的支持，计算出最有效的对策。 ALIS“了解”每个KIC的个性特征，并使用它们来实施协调的对策。

分布式LSI处理外部（与敌人的敌对行动有关）和内部（与飞行员和操作细微差别的方式有关）威胁。 在F-35战斗机上，航空电子系统负责处理外部威胁，而VRAMS（“用于传达与设备危险演习有关的风险的智能系统”）负责处理内部威胁。 [13] VRAMS的主要任务是延长飞机在必要维护之间的运行时间。 为此，VRAMS收集有关基本机载子系统（飞机发动机，辅助驱动器，机械组件，电气子系统）的健康状况的实时信息，并分析其技术状况； 考虑到诸如温度峰值，压降，振动动力学和各种干扰等参数。 根据这些信息，VRAMS为飞行员提供了如何采取行动以使飞机安全无害的建议。 VRAMS“预测”了这些或其他试点行动可能导致的后果，并就如何避免这些后果提供了建议。 [13]

基准VRAMS力争做到零维护，同时保持超级可靠性并减少结构疲劳。 为了完成这项任务，研究实验室正在努力创建具有智能结构的材料-它将能够在零维护条件下有效地工作。 这些实验室的研究人员正在开发检测微裂纹和其他故障之前的现象的方法，以便提前防止可能的故障。 为了更好地理解结构疲劳现象，正在进行研究，以便使用此数据来调节飞机的操纵，以减少结构疲劳-等等。 延长飞机的使用寿命。 [13]在这方面，有趣的是，《工程软件高级》杂志中约有50％的文章专门用于分析钢筋混凝土和其他结构的强度和易损性。

设备危险性操作的智能风险通信系统

先进的航空电子系统

确保F-35战斗机战斗使用的机载装置包括先进的航空电子系统，旨在解决一项艰巨的任务：

昨天的航空电子系统包括几个独立的子系统（控制红外和紫外线传感器，雷达，声纳，电子战等），每个子系统都配有自己的显示器。 因此，飞行员必须轮流查看每个显示器，并手动分析和比较来自它们的数据。 另一方面，F-35战斗机特别配备的当今航空电子系统将以前分散的所有数据表示为一种资源。 在一个普通显示器上。 T.O. 现代航空电子系统是一个以网络为中心的集成数据合并系统，可以为飞行员提供最有效的态势感知； 因此，他无需进行复杂的分析计算。 结果，由于从分析循环中排除了人为因素，飞行员现在不能从主要战斗任务中分心了。

– 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; } 

总而言之，可以注意到，在有争议的战术环境中，空军作战部队拥有机载网络基础设施，该网络基础设施有效地结合了稳定性，冗余性，多样性和分布式功能。 现代航空的KIC和ALIS满足这些要求。 但是，他们未来的整合程度也将扩大到与其他陆军单位的互动，而现在空军的有效整合仅涵盖其单位。