Panoramica dei componenti chiave del "sistema informativo logistico autonomo" (ALIS) del cacciabombardiere unificato F-35. Analisi dettagliata del "blocco di supporto per l'impiego operativo" e dei suoi quattro componenti chiave: 1) interfaccia uomo-sistema, 2) sistema di controllo esecutivo, 3) sistema immunitario a bordo, 4) sistema avionico. Alcune informazioni sul software e sull'hardware del cacciabombardiere F-35 e sugli strumenti utilizzati per il suo software a bordo. È fornito un confronto con modelli precedenti di cacciabombardieri e sono indicate anche le prospettive per il futuro sviluppo dell'aviazione militare.
Il caccia F-35 è un sciame volante di vari sensori ad alta tecnologia, che forniscono complessivamente una "situational awareness a 360 gradi".
Introduzione
I sistemi hardware delle forze aeree nel tempo stanno diventando sempre più complessi. [27] Anche la loro cyber-infrastruttura (componenti software e hardware che richiedono una fine regolazione algoritmica) sta diventando gradualmente più complessa. Nell'esempio delle forze aeree americane, è possibile vedere come la cyber-infrastruttura dell'aviazione da combattimento, - rispetto ai suoi componenti hardware tradizionali, - sia progressivamente aumentata da meno del 5% (nel F-4, un aereo da combattimento di terza generazione) a oltre il 90% (nel F-35, un aereo da combattimento di quinta generazione). [5] La fine regolazione algoritmica di questa cyber-infrastruttura nel F-35 è affidata all'ultimo software progettato specificamente a questo scopo: "sistema informativo logistico autonomo" (ALIS).
Sistema informativo logistico autonomo
Nera dell'era dei caccia di quinta generazione, il vantaggio operativo si misura, prima di tutto, dalla qualità della consapevolezza situazionale. [10] Pertanto, il caccia F-35 rappresenta un branco volate di sensori ad alta tecnologia che forniscono, nel complesso, una consapevolezza situazionale a 360 gradi. [11] Un nuovo trend popolare in questo contesto è l'architettura dei sensori integrati (ISA), che include sensori che interagiscono autonomamente in maniera dinamica tra loro (non solo in ambienti tranquilli, ma anche in quelli contestati), il che, in teoria, dovrebbe portare a un ulteriore aumento della qualità della consapevolezza situazionale. [7] Tuttavia, affinché questa teoria si traduca in pratica, è necessaria una lavorazione algoritmica di alta qualità di tutti i dati provenienti dai sensori.
Pertanto, l'F-35 porta costantemente a bordo un software il cui codice sorgente supera i 20 milioni di righe, motivo per cui è spesso chiamato "computer volante". [6] Poiché nell'attuale quinta era dei caccia d'attacco il vantaggio operativo si misura dalla qualità della consapevolezza situazionale, quasi il 50% di questo codice (8,6 milioni di righe) gestisce complesse lavorazioni algoritmiche – per unire tutti i dati forniti dai sensori in un'unica immagine del teatro operativo. In tempo reale.
La dinamica dello spostamento dell'operatività a bordo dei caccia statunitensi – verso il software
Per questo, a bordo dell'F-35 è responsabile il "sistema informativo logistico autonomo" (ALIS), che fornisce al caccia capacità come 1) pianificazione (attraverso avanzati sistemi di avionica), 2) sostenimento (capacità di operare come unità principale di combattimento) e 3) rafforzamento (capacità di operare come unità secondaria di combattimento). [4] Il "codice di unione" è la componente principale dell'ALIS, che rappresenta il 95% di tutto il codice software a bordo del caccia F-35. Gli altri 50% del codice software dell'ALIS svolgono operazioni secondarie, ma anche esse molto intensive dal punto di vista algoritmico. [12] Pertanto, l'F-35 è uno dei sistemi di combattimento più complessi mai sviluppati. [6]
ALIS è un sistema di pilotaggio semi-automatico che integra un complesso integrato di vari sistemi di bordo; e comprende anche un'interazione efficace con il pilota, fornendo informazioni di alta qualità sul campo di battaglia (consapevolezza situazionale). Il nucleo del software ALIS funziona costantemente in background, supportando il pilota nelle decisioni e fornendo suggerimenti nei momenti critici del volo. [13]
Modulo di supporto all'uso operativo
Uno dei sottosistemi più importanti di ALIS è il "modulo di supporto all'uso operativo", composto da cinque elementi principali [13]:
1) "Interfaccia uomo-sistema" – fornisce una visualizzazione di qualità del campo di battaglia (ergonomica, completa, concisa). [12] Osservando questo campo, il pilota prende decisioni tattiche e dà ordini di combattimento, che vengono elaborati dal modulo ICS.
2) "Sistema di esecuzione e controllo" (ICS) – interagendo con i moduli di controllo dell'armamento a bordo, garantisce l'esecuzione degli ordini di combattimento impartiti dal pilota tramite l'interfaccia uomo-sistema. L'ICS registra anche i danni effettivi causati dall'esecuzione di ciascun ordine di combattimento (attraverso sensori di feedback) per un'analisi successiva da parte del sistema di avionica.
3) "Sistema immunitario a bordo" (BIS) – monitora le minacce esterne e, al loro rilevamento, attua le necessarie contromisure per eliminarle. Inoltre, il BIS può avvalersi del supporto delle unità di combattimento amiche coinvolte in un'operazione tattica congiunta. [8] A tal fine, il BIS lavora a stretto contatto con i sistemi di avionica – tramite il sistema di comunicazione.
4) "Sistema di avionica" – trasforma il flusso grezzo dei dati provenienti da vari sensori in una consapevolezza situazionale di qualità, accessibile al pilota tramite l'interfaccia uomo-sistema.
5) "Sistema di comunicazione" – gestisce il traffico di rete a bordo ed esterno, fungendo da collegamento tra tutti i sistemi di bordo; e tra tutte le unità di combattimento coinvolte nell'operazione tattica congiunta.
Interfaccia uomo-sistema
Per soddisfare la necessità di un'adeguata e completa consapevolezza situazionale, la comunicazione e la visualizzazione nella cabina del caccia sono di fondamentale importanza. Il volto di ALIS in generale e del blocco di supporto all'impiego operativo in particolare è il "sistema di visualizzazione panoramica" (L-3 Communications Display Systems). Esso è composto da un ampio schermo touchscreen ad alta definizione (LADD) e un canale di comunicazione ad alta capacità. Il software L-3 opera sotto il controllo del sistema operativo Integrity 178B (sistema operativo in tempo reale di "Green Hills Software"), che è il principale sistema operativo di bordo del caccia F-35.
Gli architetti dell'infrastruttura informatica del F-35 hanno scelto il sistema operativo Integrity 178B in base a sei caratteristiche distintive di questo sistema operativo: 1) conformità agli standard aperti dell'architettura, 2) compatibilità con Linux, 3) compatibilità con l'API POSIX, 4) allocazione di memoria sicura, 5) soddisfacimento di requisiti di sicurezza specifici e 6) supporto della specifica "ARINC 653". [12] "ARINC 653" è un'interfaccia per il software applicativo utilizzata in avionic. Questa interfaccia stabilisce la separazione temporale e spaziale delle risorse del sistema informatico aeronautico secondo i principi dell'avionica modulare integrata; definisce inoltre l'interfaccia software che deve essere utilizzata dal software applicativo per accedere alle risorse del sistema computazionale.
Sistema di visualizzazione panoramica
Sistema di controllo esecutivo
Come già accennato, il sistema di controllo esecutivo (IKS), interagendo con i blocchi di gestione dell'armamento di bordo, garantisce l'esecuzione dei comandi di combattimento e la registrazione del danno effettivo causato dall'applicazione di ciascun comando di combattimento. Il cuore dell'IKS è un supercomputer, che è altresì logicamente classificato come "armamento di bordo".
Poiché il carico di lavoro imposto al supercomputer di bordo è colossale, esso è dotato di una maggiore robustezza e soddisfa elevati requisiti di resilienza e potenza di calcolo; è inoltre equipaggiato con un efficace sistema di raffreddamento a liquido. Tutte queste misure sono state adottate affinché il sistema di calcolo a bordo possa elaborare in modo efficiente enormi masse di dati e eseguire avanzate elaborazioni algoritmiche, garantendo al pilota una consapevolezza situazionale efficace: fornendogli informazioni complete sul teatro operativo. [12]
Il supercomputer di bordo del caccia F-35 è in grado di eseguire 40 miliardi di operazioni al secondo in modalità continua, permettendo così un'esecuzione multitasking di algoritmi ad alta intensità di risorse per la moderna avionica (inclusa l'elaborazione di dati elettroottici, infrarossi e radar). [9] In tempo reale. Per il caccia F-35, eseguire tutti questi calcoli algoritmici intensivi sul campo (per evitare di dotare ogni unità operativa di supercomputer) non è possibile, poiché l'intensità del flusso totale di dati provenienti da tutti i sensori supera la capacità delle più veloci reti di comunicazione di almeno 1000 volte. [12]
Per garantire una maggiore affidabilità, tutti i sistemi di bordo critici del caccia F-35 (incluso, a un certo punto, il supercomputer di bordo) sono stati implementati utilizzando il principio della ridondanza: affinché più dispositivi diversi possano potenzialmente eseguire la stessa funzione a bordo. Inoltre, il requisito di ridondanza è tale che gli elementi duplicati siano stati progettati da produttori alternativi e presentino architetture alternative. In questo modo, la probabilità di guasto simultaneo dell'originale e del duplicato diminuisce. [1, 2] Anche per questo motivo, il computer principale opera sotto un sistema operativo simile a Linux, mentre quelli secondari sono gestiti da Windows. [2] Inoltre, affinché, in caso di guasto di uno dei computer, il modulo di supporto all'impiego operativo possa continuare a funzionare (almeno in modalità di emergenza), l'architettura del kernel ALIS è costruita secondo il principio del "client-server multithreading per calcolo distribuito". [18]
Sistema immunitario di bordo
In un ambiente tattico contestato, il mantenimento dell'immunità di bordo richiede una combinazione efficace di resilienza, ridondanza, diversità e funzionalità distribuita. L'aviazione da combattimento di ieri non aveva un unico sistema immunitario di bordo (BIS). Il BIS dell'aviazione era frammentato e composto da diversi componenti che agivano in modo indipendente. Ciascuno di questi componenti era ottimizzato per contrastare un insieme specifico di sistemi d'arma: 1) proiettili balistici, 2) missili guidati da sorgenti di segnali radiofrequenti o elettroottici, 3) irraggiamento laser, 4) irraggiamento radar e così via. Alla rilevazione di un attacco, la corrispondente sottosistema BIS si attivava automaticamente e adottava contromisure.
I componenti della BIS di ieri sono stati progettati e sviluppati indipendentemente l'uno dall'altro da diversi appaltatori. Poiché questi componenti avevano generalmente un'architettura chiusa, l'aggiornamento della BIS – man mano che nuove tecnologie e nuovi sistemi d'armamento emergono – si riduceva all'aggiunta di un ulteriore componente BIS indipendente. Il principale svantaggio di una BIS così frammentata, composta da componenti indipendenti con architettura chiusa, è che i suoi frammenti non possono interagire tra di loro e non sono sottoposti a coordinazione centralizzata. In altre parole, non possono comunicare tra loro e svolgere operazioni congiunte, limitando così l'affidabilità e l'adattabilità dell'intera BIS nel suo complesso. Ad esempio, se uno dei sottosistemi immunitari si guasta o viene distrutto, gli altri sottosistemi non possono compensare efficacemente questa perdita. Inoltre, la frammentazione della BIS porta molto spesso alla duplicazione di componenti hi-tech, come processori e display, [8] il che, in un contesto di
Una singola sistema immunitario distribuito a bordo sostituisce le BIS frammentate, controllato da un "controller cognitivo-intelligente" (IKK). L'IKK è un programma speciale, un sistema nervoso centrale a bordo, che opera sopra le sottosistemi integrati della BIS. Questo programma unisce tutti i sottosistemi BIS in una rete distribuita unica (con informazioni e risorse comuni) e collega tutti i BIS a un processore centrale e ad altri sistemi a bordo. [8] La base per tale integrazione (comprese le integrazioni con i componenti che saranno sviluppati in futuro) è il concetto generalmente accettato di "sistema di sistemi" (SoS), [3] con caratteristiche distintive come scalabilità, specifiche pubbliche e un'architettura hardware-software aperta.
L'IKK ha accesso alle informazioni di tutti i sottosistemi BIS; la sua funzione è quella di confrontare e analizzare le informazioni ricevute dai sottosistemi BIS. L'IKK lavora costantemente in background, interagendo senza interruzioni con tutti i sottosistemi BIS, identificando ogni potenziale minaccia, localizzandola e infine raccomandando al pilota il miglior insieme di contromisure (considerando le capacità uniche di ciascuno dei sottosistemi BIS). Per questo, l'IKK utilizza algoritmi cognitivi avanzati [17-25].
Pertanto, ogni aereo ha il proprio IKK individuale. Tuttavia, per ottenere un'integrazione ancora maggiore (e di conseguenza, una maggiore affidabilità), gli IKK di tutti gli aerei coinvolti in un'operazione tattica si uniscono in un'unica rete comune, per la cui coordinazione risponde il "sistema informativo autonomo di logistica" (ALIS). [4] Quando uno degli IKK identifica una minaccia, l'ALIS calcola le contromisure più efficaci, avvalendosi delle informazioni di tutti gli IKK e del supporto di tutte le unità operative coinvolte nell'operazione tattica. L'ALIS "conosce" le specifiche individuali di ciascun IKK e le utilizza per implementare risposte coordinate.
Il sistema BIS distribuito si occupa di minacce esterne (relative alle azioni di combattimento del nemico) e interne (legate allo stile di pilotaggio e alle specifiche operative). A bordo del caccia F-35, la gestione delle minacce esterne è affidata al sistema di avionica, mentre quella delle minacce interne è svolta dal VRAMS ("sistema intelligente di informazione sui rischi legati a manovre pericolose per le attrezzature"). [13] L'obiettivo principale del VRAMS è allungare i periodi di operatività dell'aereo tra le sessioni di manutenzione necessaria. A questo scopo, il VRAMS raccoglie in tempo reale informazioni sul funzionamento delle sottosistemi di bordo fondamentali (motore dell'aereo, dispositivi ausiliari, componenti meccanici, sottosistemi elettrici) e ne analizza le condizioni tecniche, tenendo conto di parametri come punte di temperatura, variazioni di pressione, dinamiche di vibrazione e vari tipi di interferenze. Basandosi su queste informazioni, il VRAMS fornisce al pilota raccomandazioni preventive su come agire per mantenere l'aereo intatto. Il VRAMS "prevede" quali conseguenze possono derivare dalle azioni del pilota e offre anche consigli su come evitarle. [13]
Il riferimento al quale mira il VRAMS è la manutenzione zero, mantenendo un'affidabilità straordinaria e una riduzione della fatica strutturale. Per raggiungere questo obiettivo, i laboratori di ricerca e sviluppo lavorano alla creazione di materiali con strutture intelligenti, capaci di funzionare efficacemente in condizioni di manutenzione zero. I ricercatori di questi laboratori sviluppano metodi per individuare microfessure e altri fenomeni che precedono i guasti, per prevenire in anticipo possibili malfunzionamenti. Sono in corso anche ricerche per una migliore comprensione del fenomeno della fatica strutturale, in modo da regolare le manovre aeronautiche per ridurre la fatica strutturale e, così facendo, prolungare la vita utile dell'aereo. [13] A questo proposito, è interessante notare che circa il 50% degli articoli della rivista "Advanced in Engineering Software" è dedicato all'analisi della resistenza e della vulnerabilità di strutture in calcestruzzo armato e altre.
Sistema intellettuale di informazione sui rischi legati a manovre pericolose per le attrezzature
Sistema avionico avanzato
L'unità di supporto all'operatività del caccia F-35 include un sistema avionico avanzato, progettato per affrontare un compito ambizioso:
I sistemi avionici di ieri includevano diverse sotto-sistemi indipendenti (che governavano sensori infrarossi e ultravioletti, radar, sonar, guerra elettronica e altro), ciascuno dotato del proprio display. Questo costringeva il pilota a guardare a turno ciascuno dei display e ad analizzare manualmente i dati ricevuti. D'altra parte, l'attuale sistema avionico, di cui è dotato in particolare il caccia F-35, presenta tutti i dati, precedentemente disgiunti, come una risorsa unica; in un unico display comune. In questo modo, il moderno sistema avionico è un complesso integrato e centrato sulla rete di fusione dei dati, che offre al pilota la massima consapevolezza situativa; liberandolo dall'obbligo di effettuare complesse analisi. Di conseguenza, grazie all'esclusione del fattore umano dal ciclo analitico, il pilota ora può rimanere concentrato sulla missione principale.
Uno dei primi tentativi significativi di escludere il fattore umano dal ciclo analitico dell'avionica è stato realizzato nell'infrastruttura cibernetica del caccia F-22. A bordo di questo caccia, un programma intensivo dal punto di vista algoritmico si occupa dell'integrazione dei dati provenienti da vari sensori, con un codice sorgente complessivo di 1,7 milioni di righe. Di queste, il 90% del codice è scritto in lingua Ada. Tuttavia, il moderno sistema avionico – gestito dal programma ALIS – che equipaggia il caccia F-35, ha fatto notevoli progressi rispetto al F-22.
Il prototipo di ALIS è stato ispirato dal software del caccia F-22. Tuttavia, a gestire l'aggregazione dei dati ora non ci sono 1,7 milioni di righe di codice, ma 8,6 milioni. La maggior parte del codice è scritta in C/C++. L'obiettivo principale di questo codice intensivo dal punto di vista algoritmico è valutare quali informazioni siano rilevanti per il pilota. Di conseguenza, grazie al fatto che nella rappresentazione del teatro delle operazioni sono presenti solo i dati essenziali, il pilota ha ora l'opportunità di prendere decisioni più rapide ed efficienti. Così, il moderno sistema di avionica, che equipaggia in particolare il caccia F-35, solleva il pilota dal pesante onere analitico e finalmente gli consente di volare semplicemente. [12]
Avionica di vecchio tipo
Inciso: Strumenti di sviluppo utilizzati a bordo del F-35
Alcuni [pochi] componenti del software dell'infrastruttura cyber a bordo del F-35 sono scritti in linguaggi rari, come Ada, CMS-2Y, FORTRAN. I moduli software scritti in Ada sono generalmente stati presi in prestito dal caccia F-22. [12] Tuttavia, il codice scritto in questi linguaggi rari rappresenta solo una piccola parte del software del F-35. Il linguaggio di programmazione principale per il F-35 è C/C++. Inoltre, a bordo del F-35 vengono utilizzati database relazionali e orientati agli oggetti. [14] I database sono utilizzati a bordo per lavorare in modo efficiente con grandi quantità di dati. Per consentire tale elaborazione in tempo reale, i database vengono utilizzati in combinazione con un acceleratore hardware per l'analisi dei grafi. [15]
Inciso: Backdoor nel F-35
Tutti i componenti che costituiscono la moderna tecnologia militare americana sono: 1) o realizzati su misura, 2) o personalizzati a partire da prodotti commerciali disponibili, 3) o costituiscono una soluzione commerciale confezionata. In tutti e tre i casi, i produttori, sia di singoli componenti che dell'intero sistema, presentano una genealogia discutibile, che di solito ha origine al di fuori del paese. Di conseguenza, c'è il rischio che in uno dei link della catena di approvvigionamento (che spesso si estende in tutto il mondo) venga inserito un backdoor o malware in un componente software o hardware. Inoltre, è noto che le forze aeree americane utilizzano più di 1 milione di componenti elettronici contraffatti, il che aumenta ulteriormente la probabilità di infezioni di codice dannoso e backdoor a bordo. Senza considerare che la contraffazione è, di norma, una copia di scarsa qualità e instabile dell'originale, con tutte le conseguenze del caso. [5]
Architettura del nucleo ALIS
Riassumendo la descrizione di tutti i sistemi a bordo, si può dire che i requisiti principali per essi si riducono ai seguenti punti: integrabilità e scalabilità; specifiche accessibili e architettura aperta; ergonomia e sintesi; resilienza, ridondanza, varietà, elevata tolleranza agli errori e robustezza; funzionalità distribuita. L'architettura del nucleo ALIS è una risposta complessiva a tutte queste ampie e ambiziose richieste contraddittorie poste al cacciabombardiere unificato F-35.
Tuttavia, questa architettura, come tutto ciò che è geniale, è semplice. Alla base di essa è stata presa la concezione delle macchine a stati finiti. L'applicazione di questo concetto all'interno di ALIS è realizzata nel fatto che tutti i componenti del software a bordo del caccia F-35 hanno una struttura unificata. In combinazione con l'architettura client-server multithreading per il calcolo distribuito, il nucleo delle macchine a stati finiti di ALIS soddisfa tutti i requisiti contraddittori descritti sopra. Ogni componente software di ALIS è composto da un file di interfaccia “.h-file” e un file di impostazione algoritmica “.cpp-file”. La loro struttura generalizzata è riportata nei file sorgente allegati all'articolo (vedi i tre seguenti spoiler).
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;
}In sintesi, si può affermare che in un ambiente tattico contestato, il predominio bellico è detenuto da quelle unità di combattimento delle forze aeree, la cui infrastruttura cibernetica a bordo combina in modo efficace resilienza, ridondanza, varietà e funzionalità distribuita. L'IKC e l'ALIS dell'aviazione moderna soddisfano questi requisiti. Tuttavia, il grado della loro integrazione verrà ampliato in futuro per includere anche l'interazione con altre unità militari, mentre attualmente l'integrazione efficace delle forze aeree copre solo la propria unità.
Bibliografia
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PS. L'articolo è stato inizialmente pubblicato in .
Fonte: habr.com
