Программное ядро бортовой киберинфраструктуры унифицированного ударного истребителя F-35

Обзор ключевых компонентов «автономной информационной системы логистики» (ALIS) унифицированного ударного истребителя F-35. Подробный разбор «блока обеспечения боевого применения» и четырёх его ключевых компонентов: 1) человеко-системный интерфейс, 2) исполнительно-контролирующая система, 3) бортовая иммунная система, 4) система авионики. Некоторые сведения относительно программно-аппаратного обеспечения истребителя F-35 и относительно инструментария, который используется для его бортового программного обеспечения. Приведёно сравнение с более ранними моделями боевых истребителей, и также указаны перспективы для дальнейшего развития армейской авиации.

– Введение
– Автономная информационная система логистики
– Блок обеспечения боевого применения
– Человеко-системный интерфейс
– Исполнительно-контролирующая система
– Бортовая иммунная система
– Передовая система авионики
– Архитектура ядра ALIS

Истребитель F-35 представляет собой летающий рой всевозможных высокотехнологичных сенсоров, обеспечивающих в сумме «360-градусную ситуационную осведомлённость».

Введение

Аппаратные системы военно-воздушных сил с течением времени становятся всё более и более сложными. [27] Постепенно усложняется и их киберинфраструктура (программно-аппаратные компоненты, требующие тонкой алгоритмической настройки). На примере американских ВВС можно видеть, как киберинфраструктура боевой авиации, – в сравнении с её традиционными аппаратными компонентами, – постепенно расширилась с менее чем 5% (у F-4, истребителя третьего поколения) до более чем 90% (у F-35, истребителя пятого поколения). [5] За тонкую алгоритмическую настройку этой киберинфраструктуры, в F-35 отвечает новейшее, специально разработанное для этих целей программное обеспечение: «автономная информационная система логистики» (ALIS).

Автономная информационная система логистики

В эру истребителей 5-го поколения боевое превосходство измеряется, прежде всего, качеством ситуационной осведомлённости. [10] Поэтому истребитель F-35 представляет собой летающий рой всевозможных высокотехнологичных сенсоров, обеспечивающих в сумме 360-градусную ситуационную осведомлённость. [11] Новым популярным в этой связи хитом, является т.н. «архитектура интегрированных сенсоров» (ISA), включающая в себя сенсоры, которые самостоятельно динамически взаимодействуют между собой (не только в спокойной, но также и в оспариваемой тактической среде), – что, теоретически, должно привести к ещё большему увеличению качества ситуационной осведомлённости. [7]. Однако чтобы эта теория перешла в практику, необходима качественная алгоритмическая обработка всех поступающих от сенсоров данных.

Поэтому F-35 постоянно носит на своём борту программное обеспечение, общий размер исходных кодов которого превышает 20 миллионов строк, за что его часто называют «летающим компьютером». [6] Поскольку в нынешнюю, пятую эру ударных истребителей боевое превосходство измеряется качеством ситуационной осведомлённости, почти 50% этого программного кода (8,6 миллионов строк) ведёт сложнейшую алгоритмическую обработку – для склеивания всех поступающих от сенсоров данных в единую картину театра боевых действий. В режиме реального времени.

Динамика смещения обеспечения бортовой функциональности боевых истребителей США – в сторону программного обеспечения

За это на борту F-35 отвечает «автономная информационная система логистики» (ALIS), которая обеспечивает истребителю такие навыки как 1) планирование (посредством передовых систем авионики), 2) поддержание (способность выступать в роли ведущей боевой единицы) и 3) укрепление (способность выступать в роли ведомой боевой единицы). [4] «Склеивающий код» является главной составляющей ALIS, на долю которой приходится 95% всего бортового программного кода истребителя F-35. Другие 50% программного кода ALIS выполняют в некоторой степени второстепенные, но также алгоритмически очень интенсивные операции. [12] Поэтому F-35 – это одна из сложнейших, когда-либо разрабатываемых, боевых систем. [6]

ALIS – это условно автопилотируемая система, объединяющая в себе интегрированный комплекс самых разнообразных бортовых подсистем; и также включающая в себя эффективное взаимодействие с пилотом, посредством предоставления ему качественной информации о театре боевых действий (ситуационная осведомлённость). Ядро программного обеспечения ALIS постоянно работает в фоновом режиме, оказывая пилоту содействие в принятии решений и давая ему подсказки в критически важные моменты полёта. [13]

Блок обеспечения боевого применения

Одна из наиважнейших подсистем ALIS – это «блок обеспечения боевого применения», состоящий из пяти основных элементов [13]:

1) «Человеко-системный интерфейс» – обеспечивает качественную визуализацию театра боевых действий (эргономичную, всеобъемлющую, лаконичную). [12] Наблюдая за этим театром, пилот принимает тактические решения и отдаёт боевые команды, которые в свою очередь обрабатываются блоком ИКС.

2) «Исполнительно-контролирующая система» (ИКС) – взаимодействуя с блоками управления бортового вооружения, обеспечивает исполнение боевых команд, которые посредством человеко-системного интерфеса отдаёт пилот. ИКС также регистрирует фактический ущерб от применения каждой боевой команды (посредством сенсоров обратной связи), – для последующего его анализа системой авионики.

3) «Бортовая иммунная система» (БИС) – отслеживает внешние угрозы и при их обнаружении осуществляет необходимые для устранения угроз контрмеры. При этом БИС может пользоваться поддержкой дружественных боевых единиц, участвующих в совместной тактической операции. [8] Для этого БИС тесно взаимодействует с системами авионики – посредством коммуникационной системы.

4) «Система авионики» – преобразует сырой поток поступающих от всевозможных сенсоров данных, в качественную ситуационную осведомлённость, доступную для пилота посредством человеко-системного интерфейса.

5) «Коммуникационная система» – управляет бортовым и внешним сетевым трафиком, и т.о. служит связующим звеном между всеми бортовыми системами; а также между всеми участвующими в совместной тактической операции, боевыми единицами.

Человеко-системный интерфейс

Для удовлетворения потребности в качественной и всеобъемлющей ситуационной осведомлённости – связь и визуализация в кабине истребителя имеют решающее значение. Лицом ALIS вообще и блока обеспечения боевого применения в частности служит «дисплейная подсистема панорамной визуализации» (L-3 Communications Display Systems). В её состав входят большой сенсорный экран высокой чёткости (LADD) и широкополосный канал связи. Программное обеспечение L-3 работает под управлением ОС Integrity 178B (операционная система реального времени от «Green Hills Software»), – которая является основной бортовой операционной системой истребителя F-35.

Архитекторы киберинфраструктуры F-35 выбрали ОС Integrity 178B, руководствуясь шестью характерными для этой операционной системы особенностями: 1) соблюдение открытых стандартов архитектуры, 2) совместимость с Linux, 3) совместимость с POSIX API, 4) безопасное распределение памяти, 5) обеспечение особых требований по безопасности и 6) поддержка спецификации «ARINC 653». [12] «ARINC 653» представляет собой интерфейс прикладного программного обеспечения для применения в авионике. Этот интерфейс регламентирует временное и пространственное разделение ресурсов авиационной вычислительной системы в соответствии с принципами интегрированной модульной авионики; а также определяет программный интерфейс, которым должно пользоваться прикладное ПО для доступа к ресурсам вычислительной системы.

Дисплейная подсистема панорамной визуализации

Исполнительно-контролирующая система

Как уже было отмечено выше, ИКС, взаимодействуя с блоками управления бортового вооружения, – обеспечивает исполнение боевых команд и регистрацию фактического ущерба от применения каждой боевой команды. Сердце ИКС – это суперкомпьютер, который весьма закономерно также отнесён к «бортовому вооружению».

Поскольку объём возлагаемых на бортовой суперкомпьютер задач колоссален, он имеет повышенную прочность и отвечает высоким требованиям по отказоустойчивости и вычислительной мощности; также он оснащён эффективной системой жидкостного охлаждения. Все эти меры предприняты для того, чтобы бортовая вычислительная система была способна эффективно обрабатывать огромные массивы данных и выполнять передовые алгоритмические обработки, – которые обеспечивают пилоту эффективную ситуационную осведомлённость: дают ему всестороннюю информацию о театре боевых действий. [12]

Бортовой суперкомпьютер истребителя F-35 способен в непрерывном режиме совершать 40 миллиардов операций в секунду, благодаря чему обеспечивает мультизадачное исполнение ресурсоёмких алгоритмов передовой авионики (в том числе обработку электрооптических, инфракрасных и радиолокационных данных). [9] В режиме реального времени. Для истребителя F-35 вести все эти алгоритмически интенсивные вычисления на стороне (чтобы не оснащать каждую боевую единицу суперкомпьютером) не представляется возможным, потому что интенсивность суммарного потока поступающих ото всех сенсоров данных превосходит пропускную способность самых скоростных коммуникационных систем – как минимум в 1000 раз. [12]

Для обеспечения повышенной надёжности, все критически важные бортовые системы истребителя F-35 (в том числе до некоторой степени бортовой суперкомпьютер) реализованы с применением принципа избыточности: чтобы одну и ту же задачу на борту потенциально могли выполнить несколько разных устройств. Причём требование избыточности таково, чтобы дублирующие элементы были разработаны альтернативными производителями и имели альтернативную архитектуру. Благодаря этому вероятность одновременного выхода из строя оригинала и дубликата – снижается. [1, 2] В том числе поэтому ведущий компьютер работает под управлением Linux-подобной операционной системы, а ведомые – под управлением Windows. [2] Также, для того чтобы при сбое одного из компьютеров, блок обеспечения боевого применения мог продолжать функционировать (хотя бы в аварийном режиме), архитектура ядра ALIS построена по принципу «многопоточного клиент-сервера для распределённых вычислений». [18]

Бортовая иммунная система

В оспариваемой тактической среде поддержание бортового иммунитета требует эффективного сочетания устойчивости, избыточности, разнообразия и распределённой функциональности. Вчерашняя боевая авиация не имела единой бортовой иммунной системы (БИС). Её, авиации, БИС была фрагментирована и состояла из нескольких, действующих независимо компонентов. Каждый из этих компонентов был оптимизирован для противостояния определённому узкому набору систем вооружения: 1) баллистическим снарядам, 2) ракетам, наводящимся на источник радиочастотного или электрооптического сигнала, 3) лазерному облучению, 4) радиолокационному облучению и т.д. При обнаружении атаки, соответствующая БИС-подсистема автоматически активировалась и предпринимала контрмеры.

Компоненты вчерашней БИС были спроектированы и разработаны независимо друг от друга – разными подрядчиками. Поскольку эти компоненты, как правило, имели закрытую архитектуру, модернизация БИС, – по мере появления новых технологий и новых систем вооружения, – сводилась к тому, чтобы добавить ещё один независимый БИС-компонент. Принципиальный недостаток такой фрагментированной БИС, – состоящей из независимых компонентов с закрытой архитектурой, – состоит в том, что её фрагменты не могут взаимодействовать между собой и не поддаются централизованной координации. Иначе говоря, они не могут общаться друг с другом и выполнять совместные операции, – что ограничивает надёжность и адаптивность всей БИС в целом. Например, если одна из иммунных подсистем выходит из строя или уничтожается, – другие подсистемы не могут эффективно компенсировать эту потерю. Кроме того, фрагментированность БИС очень часто приводит к дублированию высокотехнологичных компонентов, таких как процессоры и дисплеи, [8] что в условиях «вечно зелёной проблемы» сокращения SWaP (размеры, масса и энергопотребление) [16] – весьма расточительно. Неудивительно, что эти ранние БИС постепенно отживают свой срок.

На смену фрагментированным БИС приходит единая распределённая бортовая иммунная система, – управляемая «интеллектуально-когнитивным контроллером» (ИКК). ИКК представляет собой специальную программу, – бортовую центральную нервную систему, – функционирующую поверх входящих в БИС интегрированных подсистем. Эта программа объединяет все БИС-подсистемы в единую распределённую сеть (с общей информацией и общими ресурсами), а также связывает все БИС с центральным процессором и другими бортовыми системами. [8] Основой для такого объединения (в том числе объединения с компонентами, которые будут разработаны в будущем) является общепринятая концепция «система систем» (SoS), [3] – с такими её отличительными характеристиками, как масштабируемость, общедоступная спецификация и открытая архитектура программно-аппаратного обеспечения.

ИКК имеет доступ к информации всех БИС-подсистем; его функция – в том, чтобы сопоставлять и анализировать поступающую от БИС-подсистем информацию. ИКК постоянно работает в фоновом режиме, непрерывно взаимодействуя со всеми подсистемами БИС, – идентифицируя каждую потенциальную угрозу, локализуя её, и наконец, рекомендуя пилоту оптимальный набор контрмер (с учётом уникальных возможностей каждой из БИС-подсистем). Для этого ИКК использует передовые когнитивные алгоритмы [17-25].

Т.о. у каждого самолёта есть свой индивидуальный ИКК. Однако для достижения ещё большей интеграции (и как следствие, большей надёжности), ИКК всех самолётов, участвующих в тактической операции, – объединяются в единую общую сеть, за координацию которой отвечает «автономная информационная система логистики» (ALIS). [4] Когда один из ИКК идентифицирует угрозу, ALIS просчитывает наиболее эффективные контрмеры, – пользуясь при этом информацией всех ИКК и поддержкой всех участвующих в тактической операции боевых единиц. ALIS «знает» индивидуальные особенности каждого ИКК, и использует их для реализации скоординированных ответных контрмер.

Распределённая БИС имеет дело с внешними (связанными с боевыми действиями противника) и внутренними (связанными с манерой пилотирования и эксплуатационными нюансами) угрозами. На борту истребителя F-35 за обработку внешних угроз отвечает система авионики, а за обработку внутренних – VRAMS («интеллектуальная система информирования о рисках, связанных с опасными для оборудования манёврами»). [13] Главная задача VRAMS состоит в том, чтобы расширить периоды эксплуатации самолёта между сеансами необходимого технического обслуживания. Для этого VRAMS собирает в режиме реального времени информацию о работоспособности базовых бортовых подсистем (двигатель самолёта, вспомогательные приводы, механические компоненты, электрические подсистемы) и анализирует их техническое состояние; учитывая такие параметры, как температурные пики, перепады давления, динамику вибраций и всевозможные помехи. Отталкиваясь от этой информации, VRAMS даёт пилоту заблаговременные рекомендации, каким образом действовать, чтобы оставить самолёт в целости и сохранности. VRAMS «предсказывает», к каким последствиям могут привести те или иные действия пилота, а также даёт рекомендации, как их избежать. [13]

Эталон, к которому стремится VRAMS – это нулевое обслуживание, при сохранении сверхнадёжности и пониженной структурной усталости. Для реализации этой задачи научно-исследовательские лаборатории работают над созданием материалов с умной структурой, – которые будут способны эффективно работать в условиях нулевого обслуживания. Научные сотрудники этих лабораторий разрабатывают методы для обнаружения микротрещин и других предшествующих поломкам явлений, – чтобы заблаговременно предотвращать возможные неисправности. Также ведутся исследования в направлении лучшего понимания феномена структурной усталости, чтобы используя эти данные, регулировать авиационные манёвры с целью сокращения структурной усталости – и т.о. продлить срок полезного использования самолёта. [13] В этой связи интересно отметить, что порядка 50% статей журнала «Advanced in Engineering Software» посвящены анализу прочности и уязвимости железобетонных и других конструкций.

Интеллектуальная система информирования о рисках, связанных с опасными для оборудования манёврами

Передовая система авионики

Бортовой блок обеспечения боевого применения истребителя F-35 включает в себя передовую систему авионики, которая призвана решить амбициозную задачу:

Вчерашние системы авионики включали в себя несколько независимых подсистем (управляющих инфракрасным и ультрафиолетовым сенсорами, радаром, сонаром, РЭБ и другими), каждая из которых была оснащена своим собственным дисплеем. Из-за чего пилоту приходилось по очереди смотреть на каждый из дисплеев и вручную анализировать и сопоставлять поступающие с них данные. С другой стороны, сегодняшняя система авионики, которой в частности оснащён истребитель F-35 – представляет все данные, ранее разрозненные, как единый ресурс; на одном общем дисплее. Т.о. современная система авионики – это интегрированный сетецентрический комплекс слияния данных, который обеспечивает пилоту наиболее эффективную ситуационную осведомлённость; избавляя его при этом от необходимости совершать сложные аналитические расчёты. В результате, благодаря исключению человеческого фактора из аналитической петли, пилот теперь может не отвлекаться от основного боевого задания.

Одна из первых значительных попыток исключить человеческий фактор из аналитической петли авионики – реализована в киберинфраструктуре истребителя F-22. На борту этого истребителя за качественное склеивание поступающих от всевозможных сенсоров данных, отвечает алгоритмически интенсивная программа, общий размер исходных кодов которой составляет 1,7 миллионов строк. При этом, 90% кода написано на языке Ada. Однако современная система авионики, – управляемая программой ALIS, – которой оснащён истребитель F-35, по сравнению с истребителем F-22 продвинулась значительно вперёд.

Прототипом ALIS послужило программное обеспечение истребителя F-22. Однако за склеивание данных теперь отвечают не 1,7 миллионов строк кода, – а 8,6 миллионов. При этом, подавляющая часть кода написана на C/C++. Главная задача всего этого, алгоритмически интенсивного кода, – оценить, какая информация будет для пилота актуальной. В результате, благодаря тому, что в картине театра боевых действий присутствуют только принципиально важные данные, пилот теперь имеет возможность принимать более быстрые и более эффективные решения. Т.о. современная система авионики, которой в частности оснащён истребитель F-35, снимает с пилота аналитическое бремя, и наконец-то разрешает ему – просто летать. [12]

Авионика старого образца

Архитектура ядра ALIS

Резюмируя описание всех бортовых систем, можно сказать, что основные к ним требования сводятся к следующим тезисам: интегративность и масштабируемость; общедоступная спецификация и открытая архитектура; эргономичность и лаконичность; устойчивость, избыточность, разнообразие, повышенная отказоустойчивость и прочность; распределённая функциональность. Архитектура ядра ALIS – это комплексный ответ на все эти широкие и амбициозные противоречивые требования, которые предъявляются к унифицированному ударному истребителю F-35.

Однако эта архитектура, как и всё гениальное, – простая. За её основу была взята концепция конечных автоматов. Применение этой концепции в рамках ALIS реализовано в том, что все компоненты бортового программного обеспечения истребителя F-35 имеют унифицированную структуру. В сочетании с архитектурой многопоточного клиент-сервера для распределённых вычислений, автоматное ядро ALIS отвечает всем вышеописанным противоречивым требованиям. Каждый программный компонент ALIS состоит из интерфейсного «.h-файла» и алгоритмической настройки «.cpp-файла». Обобщённая их структура приведена в прилагаемых к статье исходных файлах (см. три следющих спойлера).

#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;
}

Подводя итог, можно отметить, что в оспариваемой тактической среде боевым превосходством обладают такие боевые единицы ВВС, бортовая киберинфраструктура которых эффективно сочетает в себе устойчивость, избыточность, разнообразие и распределённую функциональность. ИКК и ALIS современной авиации отвечают этим требованиям. Однако степень их интеграции в перспективе также будет расширена и до взаимодействия с другими армейскими подразделениями, тогда как сейчас эффективная интеграция ВВС охватывает лишь своё подразделение.