Oversigt over de centrale komponenter i det "autonome logistik informationssystem" (ALIS) for den ensartede angrebsjager F-35. Detaljeret analyse af "blokken for operationel støtte" og dens fire nøglekomponenter: 1) menneske-system interface, 2) udførelses- og kontrolsystem, 3) ombord immunitetssystem, 4) avioniksystem. Nogle oplysninger om software og hardware til F-35 jageren samt de værktøjer der anvendes til dens ombord software. Der er givet en sammenligning med ældre modeller af kampjagere, og fremtidsperspektiverne for videre udvikling af militær luftfart er også angivet.
F-35 jageren er en flyvende svarm af forskellige højteknologiske sensorer, der samlet set sikrer "360-graders situationel bevidsthed".
Introduktion
Hardware systemerne i de militære luftstyrker bliver over tid mere og mere komplekse. [27] Deres cyberinfrastruktur (software-hardware komponenter, der kræver finjustering) bliver også gradvist mere kompliceret. Ved at se på de amerikanske luftstyrker kan man se, hvordan cyberinfrastrukturen for kampfly, i forhold til dets traditionelle hardwarekomponenter, langsomt er udvidet fra mindre end 5% (på F-4, en tredje generations jager) til mere end 90% (på F-35, en femte generations jager). [5] Den fine algoritmiske justering af denne cyberinfrastruktur håndteres i F-35 af den nyeste software, der er specielt designet til dette formål: "autonome logistik informationssystem" (ALIS).
Autonome logistik informationssystem
I en æra af 5. generations kampfly måles luftoverlegenhed primært ved kvaliteten af situationsbevidsthed. [10] Derfor er F-35 en flyvende svarm af diverse højteknologiske sensorer, der samlet set giver 360-graders situationsbevidsthed. [11] En ny populær hit i denne forbindelse er den såkaldte "integrerede sensorarkitektur" (ISA), som omfatter sensorer, der dynamisk interagerer med hinanden (ikke kun i rolige, men også i omstridte taktiske miljøer), hvilket teoretisk set skulle føre til en yderligere forbedring af kvaliteten af situationsbevidsthed. [7] Men for at denne teori skal blive praksis, kræves der en kvalitets algoritmisk bearbejdning af alle data fra sensorerne.
Derfor bærer F-35 konstant software ombord, hvis samlede størrelse overstiger 20 millioner linjer kode, hvorfor det ofte kaldes "den flyvende computer". [6] I den nuværende, femte æra af angrebskampfly måles luftoverlegenheden ved kvaliteten af situationsbevidsthed, og næsten 50% af denne kode (8,6 millioner linjer) udfører komplekse algoritmiske behandlinger - for at samle alle data fra sensorerne til et samlet billede af kampens teater. I realtid.
Dynamikken i overflytning af den funktionelle støtte til amerikanske kampfly - hen imod software.
For dette ansvar er "autonom informationslogistiksystem" (ALIS) ombord på F-35, som giver flyet færdigheder som 1) planlægning (gennem avancerede avioniksystemer), 2) vedligeholdelse (evnen til at fungere som en ledende kampenhed) og 3) styrkelse (evnen til at fungere som en efterfølgende kampenhed). [4] "Klausulerende kode" er den primære komponent i ALIS, som står for 95% af al den ombord softwarekode i F-35 kampflyet. De øvrige 50% af ALIS' programkode udfører i nogen grad sekundære, men også meget algoritmisk intensive operationer. [12] Derfor er F-35 et af de mest komplekse kampsystemer, der nogensinde er blevet udviklet. [6]
ALIS er et betinget autonomt system, der integrerer et samlet kompleks af forskellige bordunderstøttelsessystemer; og inkluderer også effektiv interaktion med piloten ved at give ham kvalitetsinformation om kampområdet (situationsbevidsthed). ALIS's softwarekernel kører konstant i baggrunden og hjælper piloten i beslutningstagning og giver ham tips i kritiske øjeblikke under flyvningen. [13]
Blok for støtte til kampanvendelse
En af de vigtigste underkomponenter i ALIS er 'blokken for støtte til kampanvendelse', som består af fem hovedelementer [13]:
1) 'Menneske-system interface' – sikrer en kvalitativ visualisering af kampområdet (ergonomisk, omfattende, kortfattet). [12] Ved at overvåge dette område træffer piloten taktiske beslutninger og giver kampordrer, som i sin tur behandles af kontrolsystemet.
2) 'Udførelses- og kontrolsystem' (IKS) – interagerer med kontrolsystemerne for det bordbaserede våben og sikrer udførelsen af kampordrer, som piloten giver via menneske-system interfacet. IKS registrerer også den faktiske skade fra udførelsen af hver kampordre (gennem feedbacksensorer) til efterfølgende analyse af avioniksystemet.
3) 'Bordimmunitetssystem' (BIS) – overvåger eksterne trusler og implementerer de nødvendige modforanstaltninger ved opdagelse af sådanne trusler. BIS kan benytte støtte fra venlige enheder, der deltager i den fælles taktiske operation. [8] For dette formål arbejder BIS tæt sammen med avioniksystemerne via kommunikationssystemet.
4) 'Avioniksystem' – omdanner rådata fra forskellige sensorer til kvalitativ situationsbevidsthed, som er tilgængelig for piloten via menneske-system interfacet.
5) 'Kommunikationssystem' – styrer det bord- og eksterne netværkstrafik og fungerer derfor som bindeled mellem alle bordbaserede systemer; og også mellem alle deltagende enheder i den fælles taktiske operation.
Menneske-system interface
For fulfilling the need for quality and comprehensive situational awareness, communication and visualization in the cockpit of a fighter jet are crucial. The face of ALIS in general and the combat application support block in particular is the "panoramic visualization display subsystem" (L-3 Communications Display Systems). It consists of a large high-definition touchscreen (LADD) and a broadband communication channel. The L-3 software runs on the Integrity 178B OS (real-time operating system from Green Hills Software) – which is the main onboard operating system of the F-35 aircraft.
The architects of the F-35 cyber infrastructure chose the Integrity 178B OS based on six characteristics typical of this operating system: 1) compliance with open architecture standards, 2) compatibility with Linux, 3) compatibility with POSIX API, 4) safe memory allocation, 5) meeting specific security requirements, and 6) support for the "ARINC 653" specification. [12] "ARINC 653" is an application programming interface for use in avionics. This interface regulates the temporal and spatial separation of resources in an aviation computing system in accordance with the principles of integrated modular avionics and also defines the software interface that the application software must use to access the resources of the computing system.
Panoramic visualization display subsystem
Executive control system
As already noted above, the ECS interacts with the onboard weapon control units, ensuring the execution of combat commands and recording the actual damage from the use of each combat command. The heart of the ECS is a supercomputer, which is logically also classified as "onboard weaponry."
Da mængden af opgaver, der lægges på den ombordliggende supercomputer, er enorm, er den bygget til at være ekstremt robust og opfylder høje krav til fejltolerance og beregningskraft; desuden er den udstyret med et effektivt væskekølingssystem. Alle disse foranstaltninger er truffet for at sikre, at det ombordliggende beregningssystem effektivt kan håndtere enorme datamængder og udføre avancerede algoritmiske behandlinger, hvilket giver piloten en effektiv situationsforståelse: det giver ham omfattende information om krigsteatret. [12]
Den ombordliggende supercomputer i F-35 jagerflyet kan i kontinuerlig drift udføre 40 milliarder operationer pr. sekund, hvilket muliggør multioverholdelse af ressourcekrævende algoritmer til avanceret avionik (herunder behandling af elektrooptiske, infrarøde og radaroplysninger). [9] I realtid. For F-35 jagerflyet er det ikke muligt at udføre alle disse algoritmisk intensive beregninger på stedet (for ikke at udstyre hver kampenhed med en supercomputer), da intensiteten af den samlede dataramme, der kommer fra alle sensorer, overstiger kapaciteten af de hurtigste kommunikationssystemer - mindst 1000 gange. [12]
For enhanced reliability, all critical onboard systems of the F-35 fighter (including to some extent the onboard supercomputer) are implemented using the principle of redundancy: so that several different devices can potentially perform the same task onboard. Moreover, the redundancy requirement stipulates that the duplicate elements be developed by alternative manufacturers and have alternative architectures. This reduces the likelihood of simultaneous failure of the original and the duplicate. [1, 2] This is also why the leading computer runs on a Linux-like operating system, while the subordinate ones operate on Windows. [2] Additionally, to ensure that the combat application support unit can continue functioning (at least in emergency mode) in the event of a computer failure, the architecture of the ALIS core is built on the principle of 'multithreaded client-server for distributed computing'. [18]
Onboard immune system
In the contested tactical environment, maintaining onboard immunity requires an effective combination of resilience, redundancy, diversity, and distributed functionality. Yesterday's combat aviation did not possess a unified onboard immune system (OIS). Its aviation OIS was fragmented and consisted of several independently operating components. Each of these components was optimized to counter a specific narrow set of weapon systems: 1) ballistic projectiles, 2) missiles guided by the source of radio frequency or electro-optical signals, 3) laser illumination, 4) radar illumination, etc. Upon detecting an attack, the corresponding OIS subsystem automatically activated and took countermeasures.
Komponenterne i den tidligere BSI blev designet og udviklet uafhængigt af hinanden af forskellige kontraktører. Da disse komponenter normalt havde en lukket arkitektur, begrænsede opgraderingen af BSI – efterhånden som nye teknologier og nye våbensystemer dukkede op – sig til blot at tilføje endnu en uafhængig BSI-komponent. Den grundlæggende ulempe ved en sådan fragmenteret BSI, der består af uafhængige komponenter med en lukket arkitektur, er, at dens dele ikke kan interagere med hinanden og ikke kan koordineres centralt. Med andre ord kan de ikke kommunikere med hinanden og udføre fælles operationer, hvilket begrænser pålideligheden og tilpasningsevnen af hele BSI'en som helhed. For eksempel, hvis et af de immunemæssige undersystemer svigter eller ødelægges, kan de andre undersystemer ikke effektivt kompensere for dette tab. Desuden fører fragmenteringen af BSI ofte til en duplikering af højteknologiske komponenter, såsom processorer og skærme, [8] hvilket i lyset af det
Den fragmenterede BSI bliver i stedet afløst af et samlet distribueret ombord immunforsvarssystem, styret af en 'intelligent-kognitiv controller' (IKK). IKK er et specialiseret program, en ombord centralnervesystem, der fungerer oven på de integrerede undersystemer, der indgår i BSI. Dette program samler alle BSI-undersystemer i et samlet distribueret netværk (med delt information og fælles ressourcer) og forbinder alle BSI med centralprocessoren og andre ombordssystemer. [8] Grundlaget for en sådan integration (inklusive integration med komponenter, der vil blive udviklet i fremtiden) er den almindeligt accepterede koncept 'system af systemer' (SoS), [3] med karakteristika som skalerbarhed, offentligt tilgængelig specifikation og åben arkitektur for software-hardware.
IKK har adgang til oplysningerne fra alle BIS-undersystemer; dens funktion er at matche og analysere de oplysninger, der modtages fra BIS-undersystemerne. IKK arbejder konstant i baggrunden og interagerer uafbrudt med alle BIS-undersystemer, hvilket identificerer hver potentiel trussel, lokaliserer den og til sidst anbefaler pilotens optimale sæt af modforanstaltninger (under hensyntagen til de unikke muligheder for hver af BIS-undersystemerne). For dette anvender IKK avancerede kognitive algoritmer [17-25].
Dermed har hvert fly sit eget individuelle IKK. For at opnå endnu større integration (og dermed større pålidelighed) sammenlægges IKK for alle fly, der deltager i den taktiske operation, i et samlet netværk, der koordineres af "autonom informationssystem til logistik" (ALIS). [4] Når en af IKK'erne identificerer en trussel, beregner ALIS de mest effektive modforanstaltninger ved at udnytte oplysningerne fra alle IKK'er og understøttelsen fra alle involverede kampenheder i den taktiske operation. ALIS "kender" de individuelle karakteristika for hvert IKK og bruger dem til at implementere koordinerede svarmodforanstaltninger.
Det distribuerede BMS håndterer både eksterne (relateret til fjendens militære handlinger) og interne (relateret til pilotens breddegrader og driftsmæssige nuancer) trusler. Ombord på en F-35 jagerfly er det avioniksystemet, der står for at bearbejde eksterne trusler, mens VRAMS ("intelligent risiko-informationssystem vedrørende farlige manøvrer for udstyret") har ansvaret for interne trusler. [13] VRAMS' hovedopgave er at forlænge flyvningernes varighed mellem nødvendige vedligeholdelsestilfælde. For at opnå dette indsamler VRAMS i realtid oplysninger om driftsstatus for de grundlæggende systemer ombord (flymotor, hjælpeanordninger, mekaniske komponenter, elektriske systemer) og analyserer deres tekniske tilstand; idet den tager hensyn til parametre som temperaturtoppe, trykfald, vibrationsdynamik og diverse forstyrrelser. Baseret på disse oplysninger giver VRAMS piloten tidlige anbefalinger til, hvordan der skal handles for at holde flyet intakt. VRAMS "forudser", hvilke konsekvenser forskellige handlinger fra piloten kan føre til, og giver også anbefalinger til, hvordan disse kan undgås. [13]
Den standard, som VRAMS stræber efter, er nulvedligeholdelse, samtidig med at en ekstrem pålidelighed og lav strukturel træthed opretholdes. For at realisere dette arbejder forskningslaboratorier på at udvikle materialer med intelligente strukturer – som effektivt kan fungere under nulvedligeholdelse. Forskere i disse laboratorier udvikler metoder til at opdage mikroskader og andre begivenheder, der kan føre til fejl, for derved at forhindre potentielle problemer i tide. Der udføres også forskning for bedre at forstå det strukturelle træthedsfænomen, så dataene kan bruges til at justere flymanøvrer med det formål at reducere den strukturelle træthed – og derved forlænge flyets nyttige liv. [13] I denne forbindelse er det interessant at bemærke, at cirka 50% af artiklerne i tidsskriftet "Advances in Engineering Software" er dedikeret til analyse af styrken og sårbarheden af betonelementer og andre konstruktioner.
Intelligent system for informing about risks associated with dangerous maneuvers for the equipment
Advanced avionics system
The onboard block for combat use of the F-35 fighter includes an advanced avionics system designed to solve an ambitious task:
Yesterday's avionics systems included several independent subsystems (managing infrared and ultraviolet sensors, radar, sonar, electronic warfare, and others), each equipped with its own display. As a result, the pilot had to sequentially look at each display and manually analyze and compare the incoming data. On the other hand, today's avionics system, which is specifically equipped in the F-35 fighter, presents all previously fragmented data as a single resource; on one common display. Thus, the modern avionics system is an integrated network-centric data fusion complex that provides the pilot with the most effective situational awareness, freeing them from the need to perform complex analytical calculations. As a result, by eliminating the human factor from the analytical loop, the pilot can now remain focused on the primary combat mission.
One of the first significant attempts to eliminate the human factor from the analytical loop of avionics is implemented in the cyber infrastructure of the F-22 fighter. Onboard this fighter, an algorithmically intensive program is responsible for the effective fusion of incoming data from various sensors, with a total source code size of 1.7 million lines. Of this, 90% of the code is written in Ada. However, the modern avionics system, managed by the ALIS program, equipped on the F-35 fighter, has made significant advancements compared to the F-22 fighter.
Prototypen til ALIS var software til F-22 jagerflyet. Nu er det ikke længere 1,7 millioner linjer kode, men 8,6 millioner, der står for dataintegration. Størstedelen af koden er skrevet i C/C++. Hovedopgaven for al denne algoritmisk intensive kode er at vurdere, hvilken information der vil være relevant for piloten. Som følge heraf, ved at vise kun de fundamentale data i kampens kontekst, kan piloten nu træffe hurtigere og mere effektive beslutninger. Således frigør det moderne avioniksystem, som F-35 jagerflyet blandt andet er udstyret med, piloten fra analytisk belastning og giver ham endelig mulighed for blot at flyve. [12]
Gammel avionik
Indsats: De udviklingsværktøjer, der bruges om bord på F-35
Nogle [få] komponenter af software til den ombordværende cyberinfrastruktur i F-35 er skrevet i gamle sprog som Ada, CMS-2Y og FORTRAN. Programmeringsmoduler skrevet i Ada er som regel lånt fra F-22 jagerflyet. [12] Dog udgør koden skrevet i disse gamle sprog kun en lille del af F-35's software. Det primære programmeringssprog for F-35 er C/C++. Desuden anvendes relationelle og objektorienterede databaser om bord på F-35. [14] Databaserne anvendes om bord til effektiv håndtering af store datamængder. For at dette kan ske i realtid, anvendes databaserne sammen med hardwareacceleratorer til grafanalyse. [15]
Indsats: Bagdøre i F-35
Alle komponenter, der udgør det moderne amerikanske militære udstyr – 1) er enten skræddersyede, 2) eller tilpassede fra tilgængelige kommercielle produkter, 3) eller er standard kommercielle løsninger. I alle tre tilfælde har producenterne, hvad enten det drejer sig om individuelle komponenter eller hele systemer, ofte en tvivlsom oprindelse, der som regel strækker sig uden for landets grænser. Dette medfører en risiko for, at der i et af led i forsyningskæden (som ofte strækker sig over hele verden) indbygges en bagdør eller malware i den software-hardware komponent (enten på software- eller hardware niveauet). Derudover er det kendt, at de amerikanske luftvåben bruger mere end 1 million kopierede elektroniske komponenter, hvilket også øger sandsynligheden for skadelige koder og bagdøre ombord. For ikke at nævne, at kopier i reglen er en dårlig og ustabil kopi af originalen – med alle de konsekvenser det medfører. [5]
ALIS-kernens arkitektur
Sammenfattende kan man sige, at hovedkravene til alle bordsystemer kan opsummeres i følgende punkter: integrativitet og skalerbarhed; offentlige specifikationer og åben arkitektur; ergonomisk design og enkelhed; modstandsdygtighed, redundans, variation, øget fejltyr og robusthed; distribueret funktionalitet. ALIS-kernens arkitektur er et omfattende svar på alle disse vidtrækkende og ambitiøse modstridende krav, der stilles til det ensartede angrebsluftfartøj F-35.
Men denne arkitektur, ligesom alt grandios, er enkel. Den er baseret på konceptet med endelige automater. Anvendelsen af dette koncept inden for ALIS er realiseret i det, at alle komponenter i den bordprogrammelige software til F-35 jagerflyet har en ensartet struktur. I kombination med arkitekturen af flertrådede klient-servere til distribuerede beregninger reagerer ALIS' automatteknologi på alle de ovenfor beskrevne modstridende krav. Hver softwarekomponent i ALIS består af en interface ‘.h-fil’ og en algoritmisk konfiguration ‘.cpp-fil’. Deres generelle struktur er vist i de vedlagte kildefiler (se de næste tre spoilere).
automata1.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;
}automata1.h
#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;
};
#endifmain.cpp
#include "automata1.h"
void main()
{
CAutomata1 *pAutomata1;
pAutomata1 = new CAutomata1();
while (pAutomata->Automata1()) {}
delete pAutomata1;
}Sammenfattende kan det konstateres, at i det omstridte taktiske miljø har luftvåbnet overlegenhed med kampstyrker, hvis cybersikkerhedsinfrastruktur effektivt kombinerer modstandsdygtighed, redundans, diversitet og distribueret funktionalitet. IKK og ALIS i moderne luftfart imødekommer disse krav. Men graden af deres integration vil også blive udvidet i fremtiden til at inkludere samarbejde med andre hærenheder, mens effektiv integration i øjeblikket kun dækker luftvåbnets egne enheder.
Bibliografi
1. Courtney Howard. Avionik: foran kurven // Militær- & luftfarts elektronik: Avionikinnovationer. 24(6), 2013. s. 10-17.
2. // General Dynamics Electric Boat.
3. Alvin Murphy. Vigtigheden af system-til-system integration // Leading edge: Kampstyresystem engineering & integration. 8(2), 2013. s. 8-15.
4. . // Luftvåben.
5. Globale horisonter // United States Air Force Global Science and Technology Vision. 3.07.2013.
6. Chris Babcock. Forberedelse til fremtidens cyberkampplads // Luft- & rumkraftjournal. 29(6), 2015. s. 61-73.
7. Edric Thompson. Almindelig driftssituation: Sensorer bringer hæren et skridt nærmere // Army Technology: Sensorer. 3(1), 2015. s. 16.
8. Mark Calafut. Fremtiden for flyoverlevelse: At bygge et intelligent, integreret overlevelsessuite // Army Technology: Luftfart. 3(2), 2015. s. 16-19.
9. Courtney Howard. .
10. Stephanie Anne Fraioli. Intelligensstøtte til F-35A Lightning II // Luft- & rumkraftjournal. 30(2), 2016. s. 106-109.
11. Courtney E. Howard. Video- og billedebehandling ved kanten // Militær- & luftfarts elektronik: Progressive avionik. 22(8), 2011.
12. Courtney Howard. Kampfly med avanceret avionik // Militær- & luftfarts elektronik: Avionik. 25(2), 2014. s. 8-15.
13. Fokus på rotorfly: Forskere, forskere og piloter driver innovation // Army Technology: Luftfart. 3(2), 2015. s. 11-13.
14. // General Dynamics Electric Boat.
15. Bred agentannoncering Hierarkisk Identificer Verificer Udforsk (HIVE) Microsystems Technology Office DARPA-BAA-16-52 2. august 2016.
16. Courtney Howard. Data i efterspørgsel: besvarer opkaldet for kommunikation // Militær- & luftfarts elektronikk: Bærbare elektronik. 27(9), 2016.
17. Bred agentannoncering: Forklarlig kunstig intelligens (XAI) DARPA-BAA-16-53, 2016.
18. Jordi Vallverdu. En kognitiv arkitektur til implementering af følelser i databehandlingssystemer // Biologisk inspirerede kognitive arkitekturer. 15, 2016. s. 34-40.
19. Bruce K. Johnson. Dawn of the Cognetic: At kæmpe ideologisk krig ved at sætte tanker i bevægelse med indvirkning // Luft- & rumkraftjournal. 22(1), 2008. s. 98-106.
20. Sharon M. Latour. Emosionel intelligens: Implikationer for alle ledere i United States Air Force // Luft- & rumkraftjournal. 16(4), 2002. s. 27-35.
21. Lt Col Sharon M. Latour. Emosionel intelligens: Implikationer for alle ledere i United States Air Force // Luft- & rumkraftjournal. 16(4), 2002. s. 27-35.
22. Jane Benson. Forskning i kognitionsvidenskab: Styre soldater i den rigtige retning // Army Technology: Computing. 3(3), 2015. s. 16-17.
23. Dayan Araujo. .
24. James S. Albus. RCS: En kognitiv arkitektur for intelligente multi-agent systemer // Årlige anmeldelser i kontrol. 29(1), 2005. s. 87-99.
25. Kariev A.A. Synergi af tillid // Praktisk marketing. 2015. nr. 8(222). s. 43-48.
26. Kariev A.A. Multitrådet klient-server til distribuerede beregninger // Systemadministrator. 2016. nr. 1-2(158-159). s. 93-95.
27. Kariev A.A. Hardwarekomponenter af det multifunktionelle F-35 kampfly // Komponenter og teknologi. 2016. nr. 11. s. 98-102.
PS. Artiklen blev oprindeligt offentliggjort i .
Kilde: habr.com
