F-35統合打撃戦闘機の機内サイバーインフラのソフトウェアコア

F-35 統一打撃戦闘機の自律兵站情報システム (ALIS) の主要コンポーネントの概要。 「戦闘支援ユニット」とその 1 つの主要コンポーネントの詳細な分析: 2) ヒューマン システム インターフェイス、3) 実行制御システム、4) 搭載免疫システム、35) アビオニクス システム。 F-XNUMX 戦闘機のファームウェアとその搭載ソフトウェアに使用されるツールに関する情報。 戦闘機の以前のモデルとの比較が提供され、軍用航空のさらなる発展の見通しも示されています。

F-35 戦闘機は、あらゆる種類のハイテク センサーが群れを成して飛行しており、合計で「360 度の状況認識」を提供します。

導入

空軍のハードウェア システムは時間の経過とともにますます複雑になってきました。 [27] 彼らのサイバーインフラストラクチャ（アルゴリズムの微調整が必​​要なソフトウェアおよびハードウェアコンポーネント）も徐々に複雑になってきています。 米空軍の例を使用すると、戦闘機のサイバー インフラストラクチャが、従来のハードウェア コンポーネントと比較して、(第 5 世代戦闘機である F-4 の場合) 90% 未満から徐々に拡大してきたことがわかります。 35％以上（第5世代戦闘機F-35の場合）。 [XNUMX] このサイバーインフラを微調整するために、F-XNUMXはこの目的のために特別に開発された最新のソフトウェアである自律物流情報システム(ALIS)を担当しています。

自律型物流情報システム

第 5 世代戦闘機の時代では、戦闘の優位性は主に状況認識の質によって測られます。 [10] したがって、F-35 戦闘機はあらゆる種類のハイテクセンサーが群れを成して飛行しており、合計 360 度の状況認識を提供します。 [11] この点で新しく人気のあるヒット作は、いわゆるものです。 「統合センサー アーキテクチャ」（ISA）。これには、（静かな環境だけでなく、激しい戦術的環境でも）独立して動的に相互作用するセンサーが含まれており、理論的には、状況認識の質のさらなる向上につながるはずです。 。 [7]。 ただし、この理論を実践するには、センサーから受信したすべてのデータの高品質なアルゴリズム処理が必要です。

そのため、F-35は常にソフトウェアを搭載しており、そのソースコードの総量は20万行を超え、「空飛ぶコンピューター」とも呼ばれています。 [6] 現在の攻撃戦闘機の第 50 時代では、戦闘の優位性は状況認識の質によって測られるため、このプログラム コードのほぼ 8,6% (XNUMX 万行) は、最も複雑なアルゴリズム処理を実行します。これは、来るすべてのデータを接着するためです。センサーからの情報を作戦劇場の XNUMX 枚の画像に変換します。 リアルタイムで。

米国の戦闘機に搭載機能を提供する際のソフトウェアへの移行のダイナミクス

F-35 の自律兵站情報システム (ALIS) は、戦闘機に 1) 計画 (高度なアビオニクス システムによる)、2) 維持 (主導的な戦闘部隊として行動する能力)、および 3) 強化 (行動する能力) を提供します。奴隷戦闘ユニットとして）。 [4] 「グルー コード」は ALIS の主要コンポーネントであり、全 F-95 航空機コードの 35% を占めます。 ALIS コードの残りの 50% は、小規模ではありますが、アルゴリズム的に非常に集中的な操作を実行します。 [12] したがって、F-35 はこれまでに開発された中で最も複雑な戦闘システムの 6 つです。 [XNUMX]

ALIS は、さまざまなオンボード サブシステムの統合複合体を組み合わせた条件付き自動操縦システムです。 また、作戦現場に関する質の高い情報 (状況認識) をパイロットに提供することによる効果的な対話も含まれます。 ALIS ソフトウェア エンジンはバックグラウンドで常に動作し、パイロットの意思決定を支援し、飛行中の重要なポイントでガイダンスを提供します。 [13]

戦闘支援部隊

ALIS の最も重要なサブシステムの 13 つは「戦闘支援ユニット」であり、XNUMX つの主要な要素で構成されています [XNUMX]。

1) 「ヒューマン システム インターフェイス」 – 手術現場の高品質な視覚化 (人間工学的、包括的、簡潔) を提供します。 [12] この戦域を観察しながら、パイロットは戦術的な決定を下し、戦闘コマンドを発行し、そのコマンドは ICS ユニットによって処理されます。

2) 「実行制御システム」(ECS) – 搭載兵器の制御ユニットと対話し、パイロットがヒューマン システム インターフェイスを通じて発行した戦闘コマンドの実行を保証します。 ICS はまた、アビオニクス システムによるその後の分析のために、各戦闘コマンドの使用による実際のダメージを (フィードバック センサーを介して) 記録します。

3) 「オンボード免疫システム」(BIS) – 外部の脅威を監視し、検出された場合には、脅威を排除するために必要な対策を実行します。 この場合、BISは共同戦術作戦に参加している友軍戦闘部隊の支援を受けることができる。 [8] この目的のために、LSI は通信システムを通じてアビオニクス システムと密接に連携します。

4) 「アビオニクス システム」 - さまざまなセンサーからの生データ ストリームを高品質の状況認識に変換し、パイロットがヒューマン システム インターフェイスを通じてアクセスできるようにします。

5) 「通信システム」 – 車内および外部のネットワークトラフィックなどを管理します。 すべての車載システム間のリンクとして機能します。 同様に、共同戦術作戦に参加しているすべての戦闘ユニット間でも同様です。

ヒューマンシステムインターフェース

高品質かつ包括的な状況認識のニーズを満たすには、戦闘機のコックピットでの通信と視覚化が重要です。 ALIS 全般、特に戦闘支援ユニットの顔となるのは、「パノラマ視覚化ディスプレイ サブシステム」 (L-3 Communications Display Systems) です。 これには、大型の高解像度タッチ スクリーン (LADD) とブロードバンド通信チャネルが含まれています。 L-3 ソフトウェアは、F-178 戦闘機の主要なアビオニクス オペレーティング システムである Integrity OS 35B (Green Hills Software のリアルタイム オペレーティング システム) を実行します。

F-35 サイバー インフラストラクチャ アーキテクトは、178 つのオペレーティング システム固有の機能に基づいて Integrity OS 1B を選択しました。2) オープン アーキテクチャ標準への準拠、3) Linux との互換性、4) POSIX API との互換性、5) 安全なメモリ割り当て、6)特別な要件のセキュリティ、および 653) ARINC 12 仕様のサポート。 [653] 「ARINC XNUMX」は、アビオニクス用途向けのアプリケーション ソフトウェア インターフェイスです。 このインターフェイスは、統合モジュラー アビオニクスの原理に従って、航空コンピューティング システム リソースの時間的および空間的分割を制御します。 また、アプリケーション ソフトウェアがコンピュータ システム リソースにアクセスするために使用する必要があるプログラミング インターフェイスも定義します。

パノラマ視覚化表示サブシステム

執行統制システム

上で述べたように、ICS は搭載兵器の制御ユニットと対話し、戦闘コマンドの実行と各戦闘コマンドの使用による実際のダメージの記録を保証します。 ICS の心臓部はスーパーコンピューターであり、当然のことながら「搭載兵器」にも分類されます。

搭載されたスーパーコンピューターに割り当てられるタスクの量は膨大であるため、スーパーコンピューターの強度が向上し、耐障害性と計算能力に対する高い要件を満たしています。 効果的な液体冷却システムも装備されています。 これらすべての対策は、搭載コンピュータ システムが大量のデータを効率的に処理し、高度なアルゴリズム処理を実行できることを保証するために講じられており、パイロットに効果的な状況認識を提供し、作戦領域に関する包括的な情報を提供します。 [12]

F-35 戦闘機に搭載されているスーパーコンピューターは、毎秒 40 億回の演算を継続的に実行することができます。そのおかげで、高度なアビオニクスのリソースを大量に消費するアルゴリズム (電気光学、赤外線、および電子工学の処理を含む) のマルチタスク実行が保証されます。レーダーデータ）。 [9] リアルタイム。 F-35 戦闘機の場合、すべてのセンサーからのデータの合計フローの強度が超過するため、(各戦闘ユニットにスーパーコンピューターを装備しないようにするため) アルゴリズム的に集中的な計算をすべて側で実行することは不可能です。最速の通信システムのスループット - 少なくとも 1000 倍。 [12]

信頼性の向上を確保するため、F-35 のすべての重要な機内システム (ある程度、機内スーパーコンピューターを含む) は冗長性の原則を使用して実装されており、機内で同じタスクを複数の異なるデバイスで実行できる可能性があります。 さらに、冗長性の要件としては、重複した要素が代替製造業者によって開発され、代替アーキテクチャを持つことが求められます。 このおかげで、オリジナルと複製で同時に障害が発生する可能性が減ります。 [1、2] これは、マスター コンピューターが Linux のようなオペレーティング システムを実行し、スレーブ コンピューターが Windows を実行する理由でもあります。 [2] また、コンピュータの 18 台に障害が発生した場合でも、戦闘支援ユニットが (少なくとも緊急モードでは) 機能し続けることができるように、ALIS カーネル アーキテクチャは「分散コンピューティングのためのマルチスレッド クライアント/サーバー」の原理に基づいて構築されています。 [XNUMX]

オンボード免疫システム

激しい戦術環境において、空気感染耐性を維持するには、回復力、冗長性、多様性、分散機能を効果的に組み合わせる必要があります。 昨日の戦闘航空には統合された機内免疫システム (BIS) がありませんでした。 その航空 LSI は断片化されており、独立して動作するいくつかのコンポーネントで構成されていました。 これらの各コンポーネントは、1) 弾道発射体、2) 無線周波数または電気光学信号を狙ったミサイル、3) レーザー照射、4) レーダー照射など、特定の狭い一連の兵器システムに耐えるように最適化されています。 攻撃を検知すると、対応するLSIサブシステムが自動的に起動し、対策を講じます。

昨日の LSI のコンポーネントは、異なる請負業者によって、互いに独立して設計および開発されました。 これらのコンポーネントは原則として閉じたアーキテクチャを持っていたため、新しいテクノロジーや新しい兵器システムの出現に伴う LSI の近代化は、別の独立した LSI コンポーネントを追加するだけで済みました。 このように断片化された LSI (閉じたアーキテクチャを持つ独立したコンポーネントで構成されている) の根本的な欠点は、その断片が互いに相互作用できず、中央で調整できないことです。 つまり、相互に通信して共同動作を行うことができず、LSI全体の信頼性や適応性が制限されてしまいます。 たとえば、免疫サブシステムの 8 つが機能しなくなるか破壊された場合、他のサブシステムはこの損失を効果的に補うことができません。 さらに、LSI の断片化は、プロセッサやディスプレイなどのハイテク コンポーネントの重複につながることがよくあります [16]。これは、SWaP (サイズ、重量、消費電力) の削減という「常緑の問題」との関連で [XNUMX] 』というのは非常にもったいないです。 これらの初期の LSI が徐々に陳腐化していくのは驚くべきことではありません。

断片化された LSI は、「知的認知コントローラー」 (ICC) によって制御される単一の分散型オンボード免疫システムに置き換えられています。 ICC は、BIS に含まれる統合サブシステムの上部で動作する特別なプログラム、つまり搭載された中枢神経システムです。 このプログラムは、すべての LSI サブシステムを単一の分散ネットワーク (共通の情報と共通のリソースを含む) に統合し、すべての LSI を中央プロセッサおよび他のオンボード システムと接続します。 [8] この組み合わせ (将来開発されるコンポーネントとの組み合わせを含む) の基礎は、一般に受け入れられている「システムオブシステム」(SoS) の概念です。[3] - スケーラビリティ、公開仕様などの際立った特性を備えています。そしてオープンアーキテクチャのソフトウェアとハ​​ードウェア。

ICC はすべての BIS サブシステムからの情報にアクセスできます。 その機能は、LSI サブシステムから受信した情報を比較および分析することです。 ICC は常にバックグラウンドで動作し、すべての LSI サブシステムと継続的に対話し、各潜在的な脅威を特定し、その位置を特定し、最終的にパイロットに最適な対策セットを推奨します (各 LSI サブシステムの固有の機能を考慮して)。 この目的のために、ICC は高度な認知アルゴリズムを使用します [17-25]。

それ。 各航空機には独自の ICC があります。 しかし、さらに高度な統合（そしてその結果としてより高い信頼性）を達成するために、戦術作戦に参加するすべての航空機の ICC は単一の共通ネットワークに統合され、その調整のために「自律物流情報システム」（ALIS）が使用されます。 ）が責任を負います。 [4] ICC の XNUMX つが脅威を特定すると、ALIS はすべての ICC からの情報と戦術作戦に参加しているすべての戦闘部隊の支援を使用して、最も効果的な対抗策を計算します。 ALIS は、各 ICC の個別の特性を「認識」し、それらを使用して協調的な対策を実行します。

分散 LSI は、外部 (敵の戦闘作戦に関連する) および内部 (操縦スタイルや作戦のニュアンスに関連する) の脅威に対処します。 F-35 戦闘機では、アビオニクス システムが外部の脅威の処理を担当し、VRMS (機器の危険な操作に関連するインテリジェント リスク情報システム) が内部の脅威の処理を担当します。 [13] VRMS の主な目的は、必要なメンテナンス セッション間の航空機の運用期間を延長することです。 これを行うために、VRAMS は基本的な機内サブシステム (航空機エンジン、補助ドライブ、機械コンポーネント、電気サブシステム) のパフォーマンスに関するリアルタイム情報を収集し、それらの技術的状態を分析します。 温度ピーク、圧力降下、振動力学、あらゆる種類の干渉などのパラメータを考慮します。 この情報に基づいて、VRMS はパイロットに航空機の安全と健全性を保つために何をすべきかについて事前の推奨事項を提供します。 VRAMS は、パイロットの特定の行動がどのような結果につながるかを「予測」し、それを回避する方法についての推奨事項も提供します。 [13]

VRAMS が目指すベンチマークは、超信頼性と構造疲労の軽減を維持しながら、メンテナンスが不要であることです。 この目標を達成するために、研究機関は、メンテナンス不要の条件でも効果的に機能するスマートな構造を備えた材料の作成に取り組んでいます。 これらの研究所の研究者は、起こり得る故障を事前に防ぐために、微小亀裂やその他の故障の前兆を検出する方法を開発しています。 構造疲労を軽減するために航空操縦を調整するためにこのデータを使用するために、構造疲労の現象をより深く理解するための研究も行われています。 航空機の耐用年数を延ばします。 [13] この点で、ジャーナル「Advanced in Engineering Software」の記事の約 50% が鉄筋コンクリートやその他の構造物の強度と脆弱性の分析に費やされていることに注目するのは興味深いことです。

機器にとって危険な操作に関連するリスクを通知するインテリジェント システム

高度なアビオニクス システム

F-35 戦闘機の空挺戦闘支援ユニットには、次のような野心的な任務を解決するために設計された高度なアビオニクス システムが搭載されています。

昨日のアビオニクス システムには、いくつかの独立したサブシステム (赤外線および紫外線センサー、レーダー、ソナー、電子戦などを制御する) が含まれており、それぞれに独自のディスプレイが装備されていました。 このため、パイロットは各ディスプレイを順番に見て、そこから得られるデータを手動で分析して比較する必要がありました。 一方、特に F-35 戦闘機に装備されている今日のアビオニクス システムは、以前は分散していたすべてのデータを XNUMX つのリソースとして表します。 XNUMX つの共通ディスプレイ上で。 それ。 最新のアビオニクス システムは、パイロットに最も効果的な状況認識を提供する統合されたネットワーク中心のデータ融合複合体です。 これにより、複雑な分析計算を行う必要がなくなりました。 その結果、分析ループから人的要因が排除されたおかげで、パイロットは主な戦闘任務から気を散らすことがなくなりました。

アビオニクス分析ループから人的要因を排除する最初の重要な試みの 22 つは、F-1,7 戦闘機のサイバー インフラストラクチャに実装されました。 この戦闘機では、アルゴリズムを集中的に使用したプログラムが、さまざまなセンサーからのデータを高品質に結合する役割を果たしており、そのソース コードの合計サイズは 90 万行に達します。 同時に、コードの 35% は Ada で書かれています。 しかし、F-22 に搭載されている最新のアビオニクス システム (ALIS プログラムによって制御されている) は、F-XNUMX 戦闘機に比べて大幅に進歩しています。

ALIS は F-22 戦闘機ソフトウェアをベースにしていました。 ただし、現在データのマージを担当しているコード行は 1,7 万行ではなく、8,6 万行です。 同時に、コードの大部分は C/C++ で書かれています。 このアルゴリズム集約型コードすべての主なタスクは、どの情報がパイロットに関連するかを評価することです。 その結果、作戦現場で重要なデータのみに焦点を当てることで、パイロットはより迅速かつ効果的な意思決定を行うことができるようになりました。 それ。 特に F-35 戦闘機に搭載されている最新のアビオニクス システムは、パイロットの分析負担を取り除き、最終的には簡単に飛行できるようになります。 [12]

古いスタイルのアビオニクス

補足: F-35 で使用される開発ツール

F-35 搭載サイバーインフラストラクチャの一部の [小規模] ソフトウェア コンポーネントは、Ada、CMS-2Y、FORTRAN などの遺物言語で書かれています。 Ada で書かれたプログラム ブロックは通常、F-22 戦闘機から借用されます。 [12] しかし、これらの遺物言語で書かれたコードは、F-35 ソフトウェアのほんの一部にすぎません。 F-35 の主なプログラミング言語は C/C++ です。 F-35 ではリレーショナル データベースとオブジェクト指向データベースも使用されています。 [14] ビッグデータを効率的に処理するためにデータベースがオンボードで使用されます。 この作業をリアルタイムで実行できるようにするために、データベースはハードウェア グラフ分析アクセラレータと組み合わせて使用​​されます。 [15]

サイドバー: F-35 のバックドア

現代のアメリカの軍事装備を構成するすべてのコンポーネントは、1) カスタムメイド、2) 入手可能な市販製品からカスタマイズされた、または 3) 箱入りの市販ソリューションです。 さらに、これら 1 つのケースすべてにおいて、個々のコンポーネントまたはシステム全体の製造業者は、通常は国外で生産されている疑わしい系譜を持っています。 その結果、サプライ チェーン (世界中に張り巡らされることが多い) のある時点で、バックドアまたはマルウェア (ソフトウェア レベルまたはハードウェア レベルのいずれか) がソフトウェア コンポーネントまたはハードウェア コンポーネントに組み込まれるリスクがあります。 さらに、米空軍は 5 万個以上の偽造電子部品を使用していることが知られており、機内に悪意のあるコードやバックドアが存在する可能性も高まります。 言うまでもなく、偽造品は通常、オリジナルの低品質で不安定なコピーであり、それが暗示するすべてのことを含みます。 [XNUMX]

ALIS カーネル アーキテクチャ

すべてのオンボード システムの説明を要約すると、それらの主な要件は次のテーマに帰着すると言えます。 公開仕様とオープンアーキテクチャ。 人間工学と簡潔さ。 安定性、冗長性、多様性、回復力と強度の向上。 分散機能。 ALIS コア アーキテクチャは、F-35 統合打撃戦闘機に対するこれらの広範かつ野心的な競合要件に対する包括的な対応です。

ただし、このアーキテクチャは、他の独創的なものと同様にシンプルです。 有限状態マシンの概念が基礎として採用されました。 ALIS の枠組み内でのこの概念の適用は、F-35 戦闘機の搭載ソフトウェアのすべてのコンポーネントが統一された構造を持つという事実によって実現されます。 分散コンピューティング用のマルチスレッド クライアント/サーバー アーキテクチャと組み合わせることで、ALIS オートマトン カーネルは、上記の矛盾する要件をすべて満たします。 各 ALIS ソフトウェア コンポーネントは、インターフェイス「.h ファイル」とアルゴリズム設定「.cpp ファイル」で構成されます。 それらの一般化された構造は、記事に添付されているソース ファイルに示されています (次の XNUMX つのネタバレを参照)。

オートマトン1.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;
}

オートマトン1.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;
};

#endif

main.cpp

#include "automata1.h"

void main()
{
    CAutomata1 *pAutomata1;
    pAutomata1 = new CAutomata1();

    while (pAutomata->Automata1()) {}

    delete pAutomata1;
}

要約すると、激しい戦術環境において、機内サイバーインフラが回復力、冗長性、多様性、分散機能を効果的に組み合わせている空軍部隊は、戦闘上の優位性を享受している。 現代航空の IKK と ALIS はこれらの要件を満たしています。 しかし、将来的には統合の度合いは他の陸軍部隊との交流にも拡大されるだろうが、現在、空軍の効果的な統合は自部隊のみを対象としている。

参考文献

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PS。 この記事は最初に公開されました 「コンポーネントとテクノロジー」.

出所： habr.com