Aperçu des composants clés du « système d'information logistique autonome » (ALIS) du chasseur furtif unifié F-35. Analyse détaillée du « bloc de soutien à l'engagement opérationnel » et de ses quatre composants clés : 1) interface homme-système, 2) système d'exécution et de contrôle, 3) système immunitaire embarqué, 4) système d'avionique. Certaines informations concernant le logiciel et le matériel du chasseur F-35 ainsi que les outils utilisés pour son logiciel embarqué. Comparaison avec des modèles antérieurs de chasseurs et perspectives pour le développement futur de l'aviation militaire.

Le chasseur F-35 est un essaim volants de divers capteurs haute technologie, fournissant au total une « conscience situationnelle à 360 degrés ».
Introduction
Les systèmes matériels des forces aériennes deviennent de plus en plus complexes avec le temps. [27] Leur cyber-infrastructure (composants matériels et logiciels nécessitant un réglage algorithmique fin) devient également de plus en plus complexe. Prenons l'exemple des forces aériennes américaines, où l'infrastructure cybernétique de l'aviation de combat, par rapport à ses composants matériels traditionnels, a progressivement évolué de moins de 5 % (pour le F-4, un chasseur de troisième génération) à plus de 90 % (pour le F-35, un chasseur de cinquième génération). [5] Le réglage algorithmique fin de cette cyber-infrastructure dans le F-35 est assuré par un logiciel dernier cri spécialement conçu à cet effet : « système d'information logistique autonome » (ALIS).
Système d'information logistique autonome
À l'ère des chasseurs de cinquième génération, la supériorité au combat est avant tout mesurée par la qualité de la conscience situationnelle. [10] Ainsi, le chasseur F-35 représente une nuée volante de divers capteurs high-tech, offrant une conscience situationnelle à 360 degrés. [11] Un nouveau succès populaire dans ce contexte est l'architecture des capteurs intégrés (ISA), qui comprend des capteurs interagissant de manière dynamique et autonome (non seulement en temps calme, mais aussi dans un environnement tactique contesté) – ce qui, en théorie, devrait conduire à une amélioration encore plus grande de la qualité de la conscience situationnelle. [7] Cependant, pour que cette théorie se transforme en pratique, un traitement algorithmique de qualité de toutes les données provenant des capteurs est nécessaire.
C'est pourquoi le F-35 emporte en permanence un logiciel dont la taille totale du code source dépasse 20 millions de lignes, ce qui lui vaut souvent le surnom de « ordinateur volant ». [6] Étant donné qu'à l'ère actuelle des chasseurs d'attaque de cinquième génération, la supériorité au combat est mesurée par la qualité de la conscience situationnelle, près de 50 % de ce code (8,6 millions de lignes) effectue un traitement algorithmique complexe – pour fusionner toutes les données provenant des capteurs en une seule image du champ de bataille. En temps réel.
La dynamique du déplacement vers un soutien fonctionnel à bord des chasseurs américains – vers les logiciels
C'est pour cela qu'à bord du F-35, un « système d'information logistique autonome » (ALIS) s'occupe de doter le chasseur de compétences telles que 1) la planification (grâce à des systèmes d'avionique avancés), 2) le soutien (capacité à agir en tant qu'unité de combat principale) et 3) le renforcement (capacité à agir en tant qu'unité de combat secondaire). [4] Le « code de fusion » constitue la principale composante d'ALIS, représentant 95 % de l'ensemble du code logiciel embarqué du F-35. Les 50 % restants du code d'ALIS exécutent dans une certaine mesure des opérations secondaires, mais également très intensives en termes d'algorithmes. [12] Ainsi, le F-35 est l'un des systèmes d'armement les plus complexes jamais développés. [6]
ALIS - est un système conditionnellement piloté qui combine un complexe intégré de divers sous-systèmes embarqués, tout en incluant une interaction efficace avec le pilote en lui fournissant des informations de qualité sur le théâtre des opérations (conscience situationnelle). Le cœur du logiciel ALIS fonctionne en permanence en arrière-plan, aidant le pilote à prendre des décisions et lui donnant des indications critiques pendant le vol. [13]
Bloc de soutien à l'engagement opérationnel
Un des sous-systèmes les plus importants d'ALIS est le « bloc de soutien à l'engagement opérationnel », composé de cinq éléments principaux [13] :
1) « Interface homme-système » – fournit une visualisation de qualité du théâtre d'opérations (ergonomique, globale, concise). [12] En observant ce théâtre, le pilote prend des décisions tactiques et donne des ordres de combat, qui à leur tour sont traités par le bloc ICS.
2) « Système exécutant et de contrôle » (ICS) – interagissant avec les blocs de gestion des armements embarqués, il assure l'exécution des ordres de combat, qui sont donnés par le pilote via l'interface homme-système. L'ICS enregistre également les dommages réels causés par l'application de chaque ordre de combat (à l'aide de capteurs de rétroaction) pour une analyse ultérieure par le système d'avionique.
3) « Système immunitaire embarqué » (SIE) – surveille les menaces externes et, en cas de détection, met en œuvre les contre-mesures nécessaires pour les neutraliser. Le SIE peut également s'appuyer sur le soutien d'unités amies participant à l'opération tactique conjointe. [8] Pour cela, le SIE interagit étroitement avec les systèmes d'avionique via le système de communication.
4) « Système d'avionique » – transforme le flux brut de données reçu de divers capteurs en une conscience situationnelle de qualité, accessible au pilote via l'interface homme-système.
5) « Système de communication » – gère le trafic réseau embarqué et externe, servant ainsi de lien entre tous les systèmes embarqués, ainsi qu'entre toutes les unités combattantes participantes à l'opération tactique conjointe.
Interface homme-système
Pour répondre à la nécessité d'une conscience situationnelle de qualité et exhaustive, la communication et la visualisation dans le cockpit du chasseur sont cruciales. La vitrine de l'ALIS en général et du bloc de soutien aux opérations de combat en particulier est le « système d'affichage de 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 sous le système d'exploitation Integrity 178B (système d'exploitation en temps réel de « Green Hills Software »), qui est le système d'exploitation embarqué principal du chasseur F-35.
Les architectes de l'infrastructure cybernétique du F-35 ont choisi le système d'exploitation Integrity 178B en se basant sur six caractéristiques distinctives de ce système : 1) conformité aux normes ouvertes d'architecture, 2) compatibilité avec Linux, 3) compatibilité avec l'API POSIX, 4) distribution mémoire sécurisée, 5) satisfaction des exigences de sécurité particulières et 6) support de la spécification « ARINC 653 ». [12] « ARINC 653 » est une interface logicielle destinée à une utilisation en avionique. Cette interface régule la séparation temporelle et spatiale des ressources du système informatique aéronautique conformément aux principes de l'avionique modulaire intégrée ; et définit également l'interface logicielle que doit utiliser le logiciel applicatif pour accéder aux ressources du système informatique.
Système d'affichage de visualisation panoramique
Système de contrôle d'exécution
Comme mentionné précédemment, le Système de Contrôle d'Exécution, en interagissant avec les blocs de contrôle de l'armement embarqué, assure l'exécution des ordres de combat et l'enregistrement des dégâts réels causés par chaque ordre de combat. Le cœur du Système de Contrôle d'Exécution est un superordinateur, qui, de manière assez logique, est également classé comme « armement embarqué ».
Étant donné l'énorme volume des tâches assignées à l'ordinateur de bord, celui-ci possède une robustesse accrue et répond à des exigences élevées en matière de résilience et de puissance de calcul ; il est également doté d'un système de refroidissement liquide efficace. Toutes ces mesures ont été prises pour permettre au système de calcul de bord de traiter efficacement d'énormes ensembles de données et d'exécuter des traitements algorithmiques avancés, garantissant ainsi au pilote une situation de conscience efficace : lui fournissant des informations complètes sur le champ de bataille. [12]
L'ordinateur de bord du chasseur F-35 est capable d'effectuer en continu 40 milliards d'opérations par seconde, permettant ainsi l'exécution multitâche d'algorithmes exigeants en ressources pour l'avionique avancée (y compris le traitement des données électro-optiques, infrarouges et radar). [9] En temps réel. Pour le chasseur F-35, effectuer tous ces calculs intensifs en algorithmes sur place (afin de ne pas équiper chaque unité de combat d'un superordinateur) n'est pas envisageable, car l'intensité du flux total de données provenant de tous les capteurs dépasse de loin la capacité des systèmes de communication les plus rapides - d'au moins 1000 fois. [12]
Pour garantir une fiabilité accrue, tous les systèmes embarqués critiques du chasseur F-35 (y compris dans une certaine mesure, le superordinateur embarqué) sont réalisés selon le principe de redondance : plusieurs appareils différents peuvent potentiellement effectuer la même tâche à bord. De plus, l'exigence de redondance stipule que les éléments duplicables doivent être conçus par des fabricants alternatifs et posséder une architecture alternative. Cela réduit la probabilité que l'original et le duplicata tombent en panne simultanément. [1, 2] C'est également pourquoi l'ordinateur principal fonctionne sous un système d'exploitation de type Linux, tandis que les systèmes auxiliaires tournent sous Windows. [2] De plus, pour que le bloc de soutien à l'application des missions puisse continuer à fonctionner (au moins en mode d'urgence) en cas de défaillance de l'un des ordinateurs, l'architecture du noyau ALIS est construite sur le principe de « client-serveur multithread pour le calcul distribué ». [18]
Système immunitaire embarqué
Dans un environnement tactique contesté, le maintien de l'immunité embarquée nécessite une combinaison efficace de résilience, de redondance, de diversité et de fonctionnalité distribuée. L'aviation de combat d'hier ne possédait pas de système immunitaire embarqué (SIE) unifié. Son SIE était fragmenté et se composait de plusieurs composants fonctionnant indépendamment. Chacun de ces composants était optimisé pour faire face à un ensemble restreint de systèmes d'armement : 1) obus balistiques, 2) missiles guidés vers une source de signal radiofréquence ou électro-optique, 3) irradiation laser, 4) irradiation radar, etc. Lorsqu'une attaque était détectée, le sous-système SIE correspondant s'activait automatiquement et prenait des contre-mesures.
Les composants de l'ancienne BIS ont été conçus et développés de manière indépendante les uns des autres par différents entrepreneurs. Étant donné que ces composants avaient généralement une architecture fermée, la modernisation de la BIS, au fur et à mesure de l'émergence de nouvelles technologies et de nouveaux systèmes d'armement, se résumait à ajouter un autre composant BIS indépendant. Le principal inconvénient de cette BIS fragmentée, composée de composants indépendants avec une architecture fermée, est que ses fragments ne peuvent pas interagir entre eux et ne peuvent pas être coordonnés de manière centralisée. En d'autres termes, ils ne peuvent pas communiquer entre eux et exécuter des opérations conjointes, ce qui limite la fiabilité et l'adaptabilité de l'ensemble de la BIS. Par exemple, si un des sous-systèmes immunitaires tombe en panne ou est détruit, les autres sous-systèmes ne peuvent pas efficacement compenser cette perte. De plus, la fragmentation de la BIS entraîne très souvent une duplication des composants high-tech, tels que les processeurs et les affichages, [8] ce qui, dans le contexte du « problème éternel » de réduction du SWaP (taille, poids et consommation d'énergie) [16], est très coûteux. Il n'est pas surprenant que ces anciennes BIS soient progressivement en train de devenir obsolètes.
À la place des BIS fragmentées, une seule et unique système immunitaire embarqué distribué, contrôlé par un « contrôleur cognitif intelligent » (CCI), est en train de se mettre en place. Le CCI est un programme spécifique, une sorte de système nerveux central embarqué, qui fonctionne au-dessus des sous-systèmes intégrés dans la BIS. Ce programme regroupe tous les sous-systèmes BIS en un réseau distribué unique (avec des informations partagées et des ressources communes) et relie tous les BIS au processeur central et à d'autres systèmes embarqués. [8] La base de ce regroupement (y compris le regroupement avec des composants qui seront développés à l'avenir) repose sur le concept largement accepté de « système de systèmes » (SoS), [3] avec des caractéristiques distinctives telles que l'évolutivité, la spécification accessible à tous et une architecture ouverte de matériels et de logiciels.
L'IKK a accès aux informations de tous les sous-systèmes BIS ; sa fonction consiste à faire correspondre et analyser les informations issues des sous-systèmes BIS. L'IKK fonctionne en permanence en arrière-plan, interagissant continuellement avec tous les sous-systèmes BIS, identifiant chaque menace potentielle, la localisant, et enfin, recommandant au pilote l'ensemble optimal de contre-mesures (en tenant compte des capacités uniques de chaque sous-système BIS). Pour cela, l'IKK utilise des algorithmes cognitifs avancés [17-25].
Ainsi, chaque avion dispose de son propre IKK. Cependant, pour une intégration encore plus grande (et par conséquent, une fiabilité accrue), les IKK de tous les avions participant à une opération tactique sont réunis dans un réseau commun unique, coordonné par le « système d'information logistique autonome » (ALIS). [4] Lorsque l'un des IKK identifie une menace, ALIS calcule les contre-mesures les plus efficaces, en s'appuyant sur les informations de tous les IKK et le soutien de toutes les unités opérationnelles participant à l'opération tactique. ALIS « sait » les particularités de chaque IKK, et les utilise pour mettre en œuvre des réponses coordonnées.
Un Système d'Information de Combat Distribué s'occupe des menaces externes (liées aux actions ennemies) et internes (liées à la pilotage et aux nuances opérationnelles). À bord du chasseur F-35, le système d'avionique gère les menaces externes, tandis que la gestion des menaces internes est assurée par le VRAMS (« système intelligent d'information sur les risques liés à des manœuvres dangereuses pour l'équipement »). [13] L'objectif principal du VRAMS est d'augmenter les périodes d'exploitation de l'avion entre les sessions de maintenance requises. Pour cela, le VRAMS collecte des informations en temps réel sur le fonctionnement des sous-systèmes embarqués essentiels (moteur de l'avion, systèmes auxiliaires, composants mécaniques, sous-systèmes électriques) et analyse leur état technique, tenant compte de paramètres tels que les pics de température, les variations de pression, la dynamique des vibrations et diverses interférences. Sur la base de ces informations, le VRAMS fournit au pilote des recommandations anticipées sur la manière d'agir pour maintenir l'intégrité de l'avion. Le VRAMS
L'objectif de référence que vise le VRAMS est une maintenance nulle, tout en maintenant une fiabilité extraordinaire et une fatigue structurelle réduite. Pour atteindre cet objectif, les laboratoires de recherche travaillent à la création de matériaux à structure intelligente, capables de fonctionner efficacement dans des conditions de maintenance nulle. Les chercheurs de ces laboratoires développent des méthodes pour détecter les microfissures et d'autres phénomènes précursors des pannes, afin de prévenir à l'avance d'éventuelles pannes. Des recherches sont également menées pour mieux comprendre le phénomène de la fatigue structurelle, afin d'utiliser ces données pour réguler les manœuvres aéronautiques afin de réduire la fatigue structurelle et ainsi prolonger la durée de vie de l'avion. [13] 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 des structures en béton armé et d'autres constructions.
Système intelligent d'information sur les risques liés aux manœuvres dangereuses pour l'équipement
Système avancé d'avionique
Le bloc embarqué d'assistance à l'utilisation opérationnelle du chasseur F-35 comprend un système avancé d'avionique, conçu pour relever un défi ambitieux :
Hier, les systèmes d'avionique comprenaient plusieurs sous-systèmes indépendants (contrôlant des capteurs infrarouges et ultraviolets, radar, sonar, guerre électronique, et autres), chacun étant équipé de son propre affichage. Cela obligeait le pilote à consulter alternativement chaque écran et à analyser manuellement les données reçues. En revanche, le système d'avionique moderne, dont est doté le chasseur F-35, présente toutes les données, auparavant dissociées, comme une ressource unique sur un affichage commun. Ainsi, le système d'avionique contemporain est un complexe intégré et centré sur le réseau de fusion de données, qui assure au pilote une sensibilisation situationnelle optimale, lui évitant les calculs analytiques complexes. En conséquence, grâce à l'élimination du facteur humain de la boucle d'analyse, le pilote peut désormais se concentrer sur sa mission principale.
Une des premières tentatives significatives d'éliminer le facteur humain de la boucle d'analyse de l'avionique est mise en œuvre dans l'infrastructure cybernétique du chasseur F-22. À bord de cet avion, une programme intensif en algorithmes est responsable de la fusion de qualité des données provenant de divers capteurs, avec un code source totalisant 1,7 million de lignes. Ainsi, 90 % du code est écrit en Ada. Cependant, le système d'avionique moderne, contrôlé par le programme ALIS, dont est équipé le chasseur F-35, a fait des avancées significatives par rapport au F-22.
Le prototype d'ALIS est basé sur le logiciel du chasseur F-22. Cependant, le traitement des données est désormais effectué par 8,6 millions de lignes de code au lieu de 1,7 million. De plus, la majeure partie du code est écrite en C/C++. L'objectif de tout ce code intensif en algorithmes est d'évaluer quelles informations seront pertinentes pour le pilote. En conséquence, grâce à la présence uniquement de données essentielles sur le champ de bataille, le pilote peut désormais prendre des décisions plus rapides et plus efficaces. Ainsi, le système moderne d'avionique, dont est équipé le chasseur F-35, soulage le pilote de la charge analytique et lui permet enfin de simplement voler. [12]
Avionique de l'ancienne génération
Encart : Outils de développement utilisés à bord du F-35
Certains [peu nombreux] composants du logiciel de l'infrastructure cybernétique embarquée F-35 sont écrits dans des langages anciens tels qu'Ada, CMS-2Y, FORTRAN. Les blocs de code écrits en Ada sont généralement empruntés au chasseur F-22. [12] Cependant, le code écrit dans ces langages anciens ne représente qu'une petite partie du logiciel du F-35. Le principal langage de programmation pour le F-35 est le C/C++. Des bases de données relationnelles et orientées objet sont également utilisées à bord du F-35. [14] Ces bases de données sont utilisées à bord pour traiter efficacement de grandes quantités de données. Pour permettre ce traitement en temps réel, les bases de données sont utilisées en combinaison avec un accélérateur matériel d'analyse de graphes. [15]
Encart : Backdoors dans le F-35
Tous les composants qui constituent la technologie militaire américaine moderne sont soit 1) fabriqués sur commande, 2) soit personnalisés à partir de produits commerciaux disponibles, 3) soit représentent une solution commerciale empaquetée. Dans tous ces cas, les fabricants, que ce soit de composants individuels ou du système dans son ensemble, ont souvent des origines douteuses, généralement venant de l'étranger. En conséquence, il existe un risque qu'un élément de la chaîne d'approvisionnement (qui est souvent étendue à l'échelle mondiale) intègre un backdoor ou un malware dans un composant logiciel ou matériel. De plus, il est connu que les forces aériennes américaines utilisent plus d'un million de composants électroniques contrefaits, ce qui augmente également la probabilité d'apparition de code malveillant et de backdoors à bord. Sans parler du fait que la contrefaçon est généralement une copie de mauvaise qualité et instable de l'original, avec toutes les conséquences qui en découlent. [5]
Architecture du noyau ALIS
Pour résumer la description de tous les systèmes embarqués, on peut dire que les principales exigences qui leur sont imposées se résument aux thèses suivantes : intégration et évolutivité ; spécification publique et architecture ouverte ; ergonomie et concision ; résistance, redondance, diversité, résilience accrue et robustesse ; fonctionnalité distribuée. L'architecture du noyau ALIS est une réponse complexe à toutes ces exigences larges et ambitieuses qui sont imposées au chasseur d'attaque unifié F-35.
Cependant, cette architecture, comme tout ce qui est génial, est simple. Elle repose sur le concept des automates finis. L'application de ce concept dans le cadre d'ALIS se manifeste par le fait que tous les composants du logiciel embarqué du chasseur F-35 possèdent une structure unifiée. Associée à une architecture client-serveur multithread pour des calculs distribués, le noyau d'automate ALIS répond à toutes les exigences contradictoires décrites ci-dessus. Chaque composant logiciel d'ALIS se compose d'un fichier d'interface « .h » et d'une configuration algorithme « .cpp ». Leur structure générale est présentée dans les fichiers source annexés à l'article (voir les trois spoilers suivants).
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;
}En résumé, il est à noter que dans l'environnement tactique contesté, l'avantage opérationnel revient aux unités de combat de l'armée de l'air dont l'infrastructure cybernétique embarquée combine efficacement résilience, redondance, diversité et fonctionnalité distribuée. L'IKK et l'ALIS de l'aviation moderne répondent à ces exigences. Cependant, le degré d'intégration à l'avenir sera également élargi pour interagir avec d'autres unités militaires, alors qu'à l'heure actuelle, l'intégration efficace de l'armée de l'air ne couvre que sa propre unité.
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PS. L'article a été initialement publié dans .
Source : habr.com
