Uma visão geral dos principais componentes do "sistema de informação logística autônomo" (ALIS) do caça de ataque unificado F-35. Uma análise detalhada do "módulo de suporte à aplicação de combate" e seus quatro componentes-chave: 1) interface homem-sistema, 2) sistema de controle e execução, 3) sistema imunológico de bordo, 4) sistema de avionics. Algumas informações sobre o software e hardware do caça F-35 e sobre as ferramentas utilizadas para seu software embarcado. Foi feita uma comparação com modelos anteriores de caças e também indicadas as perspectivas para o futuro desenvolvimento da aviação militar.
O caça F-35 é um enxame voador de diversos sensores de alta tecnologia, proporcionando, no total, "consciência situacional de 360 graus".
Introdução
Os sistemas de hardware das forças aéreas estão se tornando cada vez mais complexos ao longo do tempo. [27] Gradualmente, sua ciberinfraestrutura (componentes de software e hardware que exigem ajustes algorítmicos finos) também está se tornando mais complexa. No exemplo da Força Aérea dos Estados Unidos, pode-se ver como a ciberinfraestrutura da aviação de combate, em comparação com seus componentes de hardware tradicionais, se expandiu gradualmente de menos de 5% (no F-4, um caça de terceira geração) para mais de 90% (no F-35, um caça de quinta geração). [5] O software mais recente, especialmente desenvolvido para esses fins, chamado de "sistema de informação logística autônomo" (ALIS), é responsável pelo ajuste algorítmico fino dessa ciberinfraestrutura no F-35.
Sistema de informação logística autônomo
Na era dos caças de quinta geração, a superioridade em combate é medida, antes de tudo, pela qualidade da consciência situacional. [10] Portanto, o caça F-35 é um enxame voador de diversos sensores de alta tecnologia, fornecendo uma consciência situacional de 360 graus. [11] Um novo sucesso popular nesse contexto é a chamada 'arquitetura de sensores integrados' (ISA), que inclui sensores que interagem dinamicamente entre si (não apenas em um ambiente calmo, mas também em um ambiente tático contestado) – o que, teoricamente, deve levar a um aumento ainda maior da qualidade da consciência situacional. [7] No entanto, para que essa teoria se torne prática, é necessária uma processação algorítmica de qualidade de todos os dados recebidos dos sensores.
Por isso, o F-35 carrega constantemente software a bordo, sendo que o tamanho total de seus códigos-fonte excede 20 milhões de linhas, pelo que é frequentemente chamado de 'computador voador'. [6] Dado que, na atual era dos caças de ataque, a superioridade em combate é medida pela qualidade da consciência situacional, quase 50% desse código (8,6 milhões de linhas) realiza processamentos algorítmicos complexos – para unir todos os dados recebidos dos sensores em uma única imagem do campo de batalha. Em tempo real.
A dinâmica do deslocamento da funcionalidade embarcada dos caças dos EUA – em direção ao software
Para isso, a bordo do F-35, é responsável o 'sistema de informação logística autônoma' (ALIS), que confere ao caça habilidades como 1) planejamento (por meio de sistemas avançados de aviônica), 2) sustentação (capacidade de atuar como unidade de combate líder) e 3) reforço (capacidade de atuar como unidade de combate subordinada). [4] O 'código de junção' é o principal componente do ALIS, representando 95% de todo o código de software a bordo do caça F-35. Os outros 50% do código do ALIS realizam operações que, de certa forma, são secundárias, mas também muito intensivas algorítmicamente. [12] Portanto, o F-35 é um dos sistemas de combate mais complexos já desenvolvidos. [6]
O ALIS é um sistema condicionalmente autônomo que integra um complexo variado dos mais diversos subsistemas embarcados; além disso, inclui uma interação eficaz com o piloto, fornecendo-lhe informações de qualidade sobre o teatro de operações (consciência situacional). O núcleo de software do ALIS opera constantemente em segundo plano, auxiliando o piloto na tomada de decisões e oferecendo dicas em momentos críticos do voo. [13]
Módulo de suporte à aplicação de combate
Um dos subsistemas mais importantes do ALIS é o "módulo de suporte à aplicação de combate", que consiste em cinco elementos principais [13]:
1) "Interface homem-sistema" – garante uma visualização de qualidade do teatro de operações (ergonômica, abrangente e concisa). [12] Observando esse teatro, o piloto toma decisões táticas e emite comandos de combate, que, por sua vez, são processados pelo módulo IKS.
2) "Sistema de controle e execução" (IKS) – interagindo com os módulos de controle das armas embarcadas, assegura a execução dos comandos de combate que são emitidos pelo piloto através da interface homem-sistema. O IKS também registra os danos reais resultantes de cada comando de combate (por meio de sensores de feedback) para análise posterior pelo sistema de aviação.
3) "Sistema imunológico embarcado" (BIS) – monitora as ameaças externas e, ao detectá-las, implementa as contramedidas necessárias para neutralizar as ameaças. Nesse processo, o BIS pode contar com o apoio de unidades amigas envolvidas em uma operação tática conjunta. [8] Para isso, o BIS interage estreitamente com os sistemas de aviação – através do sistema de comunicação.
4) "Sistema de aviação" – transforma o fluxo bruto de dados recebidos de diversos sensores em uma consciência situacional de qualidade, acessível ao piloto por meio da interface homem-sistema.
5) "Sistema de comunicação" – gerencia o tráfego de rede interno e externo e, assim, serve como um elo entre todos os sistemas embarcados; além de conectar todas as unidades de combate que participam da operação tática conjunta.
Interface homem-sistema
Para atender à necessidade de consciência situacional de alta qualidade e abrangente, a comunicação e visualização na cabine do caça são fundamentais. A face do ALIS, em geral, e do bloco de suporte às operações de combate, em particular, é o "sistema de exibição de visualização panorâmica" (L-3 Communications Display Systems). Ele é composto por uma grande tela sensível ao toque de alta definição (LADD) e um canal de comunicação de largura de banda. O software da L-3 opera sob o sistema operacional Integrity 178B (sistema operacional em tempo real da "Green Hills Software"), que é o principal sistema operacional embarcado do caça F-35.
Os arquitetos da ciberinfraestrutura do F-35 escolheram o sistema operacional Integrity 178B com base em seis características típicas desse sistema: 1) conformidade com padrões abertos de arquitetura, 2) compatibilidade com Linux, 3) compatibilidade com a API POSIX, 4) alocação de memória segura, 5) atendimento a requisitos especiais de segurança e 6) suporte à especificação "ARINC 653". [12] "ARINC 653" é uma interface de software de aplicação destinada ao uso em aviação. Esta interface regula a separação temporal e espacial dos recursos do sistema de computação aeronáutico de acordo com os princípios da aviação modular integrada; e também define a interface de software que o software de aplicação deve utilizar para acessar os recursos do sistema de computação.
Sistema de exibição de visualização panorâmica
Sistema executivo e de controle
Como já mencionado, o sistema executivo e de controle, ao interagir com os blocos de controle do armamento embarcado, garante a execução de ordens de combate e o registro do dano efetivo causado por cada ordem de combate. O coração do sistema executivo e de controle é um supercomputador que, por sua vez, também é classificado como "armamento embarcado".
Dada a imensidão das tarefas atribuídas ao supercomputador a bordo, ele possui uma resistência elevada e atende a rigorosos requisitos de resiliência e poder computacional; além disso, é equipado com um eficiente sistema de resfriamento a líquido. Todas essas medidas foram tomadas para garantir que o sistema de computação a bordo possa processar de maneira eficaz enormes volumes de dados e executar avançados processos algorítmicos – que proporcionam ao piloto uma eficácia situacional: oferecendo informações abrangentes sobre o teatro de operações. [12]
O supercomputador a bordo do caça F-35 é capaz de realizar 40 bilhões de operações por segundo em modo contínuo, permitindo a execução multitarefa de algoritmos exigentes de avionics avançados (incluindo o processamento de dados eletro-ópticos, infravermelhos e de radar). [9] Em tempo real. Para o caça F-35, realizar todos esses cálculos algoritmicamente intensivos localmente (para não equipar cada unidade de combate com um supercomputador) não é viável, pois a intensidade total do fluxo de dados recebidos de todos os sensores supera em pelo menos 1000 vezes a capacidade das mais rápidas sistemas de comunicação. [12]
Para garantir maior confiabilidade, todos os sistemas a bordo críticos do caça F-35 (incluindo, em certa medida, o supercomputador a bordo) são implementados com base no princípio de redundância: para que uma mesma tarefa a bordo possa ser potencialmente realizada por vários dispositivos diferentes. Além disso, o requisito de redundância exige que os elementos duplicados sejam desenvolvidos por fabricantes alternativos e possuam arquitetura alternativa. Isso reduz a probabilidade de falha simultânea do original e do duplicado. [1, 2] Portanto, o computador principal opera sob um sistema operacional similar ao Linux, enquanto os subordinados operam sob Windows. [2] Além disso, para que, no caso de falha de um dos computadores, o bloco de suporte à aplicação de combate possa continuar funcionando (pelo menos em modo de emergência), a arquitetura do núcleo ALIS é construída com base no princípio de "cliente-servidor multithread para computação distribuída". [18]
Sistema imunológico a bordo
Em um ambiente tático contestado, a manutenção da imunidade a bordo requer uma combinação eficaz de resiliência, redundância, diversidade e funcionalidade distribuída. A aviação de combate de ontem não possuía um sistema imunológico a bordo (SIS) único. Seu SIS era fragmentado e consistia em vários componentes que operavam de forma independente. Cada um desses componentes foi otimizado para se opor a um conjunto específico e restrito de sistemas de armas: 1) projéteis balísticos, 2) mísseis guiados por fonte de sinal de radiofrequência ou sinal eletro-óptico, 3) irradiação laser, 4) irradiação de radar, etc. Ao detectar um ataque, o subsistema SIS correspondente era ativado automaticamente e tomava contramedidas.
Os componentes do BIS de ontem foram projetados e desenvolvidos de forma independente uns dos outros - por diferentes contratantes. Como esses componentes geralmente possuem uma arquitetura fechada, a modernização do BIS, à medida que novas tecnologias e sistemas de armamento surgem, se resumia a adicionar mais um componente BIS independente. A principal desvantagem de um BIS fragmentado, composto por componentes independentes com arquitetura fechada, é que seus fragmentos não conseguem interagir entre si e não podem ser coordenados centralmente. Em outras palavras, eles não podem se comunicar e realizar operações conjuntas, limitando assim a confiabilidade e adaptabilidade de todo o BIS como um todo. Por exemplo, se um dos subsistemas imunológicos falhar ou for destruído, os outros subsistemas não conseguirão compensar eficientemente essa perda. Além disso, a fragmentação do BIS frequentemente leva à duplicação de componentes de tecnologia avançada, como processadores e displays, [8] o que, nas condições do "problema eternamente verde" de redução de SWaP (tamanho, peso e consumo de energia) [16], é muito desperdício. Não é surpreendente que esses primeiros BIS estejam gradualmente se tornando obsoletos.
A fragmentação do BIS está sendo substituída por um sistema imunológico de bordo distribuído unificado, gerenciado por um "controlador cognitivo-inteligente" (IKK). O IKK é um programa especial, uma unidade central de sistema nervoso de bordo, funcionando sobre os subsistemas integrados que fazem parte do BIS. Este programa une todos os subsistemas do BIS em uma única rede distribuída (com informações e recursos compartilhados), além de conectar todos os BIS ao processador central e outros sistemas a bordo. [8] A base para essa unificação (incluindo a integração com componentes que serão desenvolvidos no futuro) é o conceito amplamente aceito de "sistema de sistemas" (SoS), [3] com suas características distintivas, como escalabilidade, especificação pública e arquitetura aberta de hardware e software.
O IKK tem acesso à informação de todos os subsistemas BIS; sua função é comparar e analisar as informações recebidas dos subsistemas BIS. O IKK opera continuamente em segundo plano, interagindo sem parar com todos os subsistemas BIS, identificando cada ameaça potencial, localizando-a e, finalmente, recomendando ao piloto o conjunto ótimo de contramedidas (considerando as capacidades únicas de cada um dos subsistemas BIS). Para isso, o IKK utiliza algoritmos cognitivos avançados [17-25].
Assim, cada aeronave possui seu IKK individual. No entanto, para alcançar uma integração ainda maior (e, consequentemente, maior confiabilidade), os IKK de todas as aeronaves envolvidas em uma operação tática são unificados em uma única rede comum, cuja coordenação é responsabilidade do "sistema de informação autônoma de logística" (ALIS). [4] Quando um dos IKK identifica uma ameaça, o ALIS calcula as contramedidas mais eficazes, utilizando as informações de todos os IKK e o apoio de todas as unidades envolvidas na operação tática. O ALIS "sabe" as características individuais de cada IKK e as usa para implementar respostas coordenadas.
O Sistema de Defesa Aérea Distribuído lida com ameaças externas (relacionadas com ações de combate do inimigo) e internas (ligadas à maneira de pilotagem e nuances operacionais). A bordo do caça F-35, o sistema de aviônica é responsável por processar as ameaças externas, enquanto a VRAMS ("sistema inteligente de informação sobre riscos associados a manobras perigosas para o equipamento") cuida das internas. [13] A principal tarefa da VRAMS é aumentar os períodos de operação da aeronave entre as sessões necessárias de manutenção técnica. Para isso, a VRAMS coleta informações em tempo real sobre o funcionamento dos subsistemas básicos a bordo (motor da aeronave, sistemas auxiliares, componentes mecânicos, subsistemas elétricos) e analisa seu estado técnico, considerando parâmetros como picos de temperatura, variações de pressão, dinâmicas de vibração e diversas interferências. Com base nessas informações, a VRAMS fornece ao piloto recomendações antecipadas sobre como agir para manter a aeronave em condição segura. A VRAMS "prediz" quais consequências certas ações do piloto podem ter e também oferece orientações sobre como evitá-las. [13]
O padrão que a VRAMS busca é a manutenção zero, mantendo alta confiabilidade e reduzindo a fadiga estrutural. Para alcançar essa meta, laboratórios de pesquisa estão trabalhando na criação de materiais com estruturas inteligentes, que possam operar efetivamente em condições de manutenção zero. Os cientistas desses laboratórios estão desenvolvendo métodos para detectar microfissuras e outros fenômenos que precedem falhas, com o objetivo de prevenir possíveis avarias de forma antecipada. Pesquisas também estão sendo realizadas para entender melhor o fenômeno da fadiga estrutural, para que, com esses dados, as manobras aeronáuticas possam ser ajustadas para reduzir a fadiga estrutural e, assim, aumentar a vida útil da aeronave. [13] Nesse contexto, é interessante notar que cerca de 50% dos artigos da revista "Advanced in Engineering Software" são dedicados à análise da resistência e vulnerabilidade de estruturas em concreto armado e outras construções.
Sistema inteligente de informação sobre riscos associados a manobras perigosas para o equipamento
Sistema avançado de aviônica
A unidade a bordo para a aplicação operacional do caça F-35 inclui um sistema avançado de aviônica, projetado para resolver uma tarefa ambiciosa:
Os sistemas de aviônica de ontem incluíam várias subsistemas independentes (que controlavam sensores infravermelhos e ultravioletas, radar, sonar, guerra eletrônica e outros), cada um equipado com sua própria tela. Isso obrigava o piloto a olhar para cada tela alternativamente e analisar manualmente os dados recebidos. Por outro lado, o sistema de aviônica atual, do qual o caça F-35 é um exemplo, apresenta todos os dados anteriormente dispersos como um único recurso; em uma única tela. Assim, o moderno sistema de aviônica é um complexo integrado e centrado em rede de fusão de dados, que proporciona ao piloto a consciência situacional mais eficaz, livrando-o da necessidade de realizar cálculos analíticos complexos. Como resultado, ao excluir o fator humano do ciclo analítico, o piloto agora pode se concentrar em sua missão principal.
Uma das primeiras tentativas significativas de eliminar o fator humano do ciclo analítico da aviônica foi realizada na ciberinfraestrutura do caça F-22. A bordo deste caça, um programa algoritmicamente intensivo é responsável pela fusão de dados provenientes de diversos sensores, com um total de 1,7 milhões de linhas de código-fonte. Destes, 90% do código é escrito na linguagem Ada. No entanto, o moderno sistema de aviônica, gerido pelo programa ALIS, que equipa o caça F-35, avançou significativamente em comparação ao F-22.
O software do ALIS foi inspirado no sistema do caça F-22. Contudo, a fusão de dados agora é responsabilidade de 8,6 milhões de linhas de código, em vez de 1,7 milhões. A maior parte desse código é escrita em C/C++. A principal tarefa desse código intensivo em algoritmos é avaliar quais informações serão relevantes para o piloto. Como resultado, ao exibir apenas os dados essencialmente importantes no campo de batalha, o piloto agora é capaz de tomar decisões mais rápidas e eficazes. Assim, o moderno sistema de aviônicos, que é utilizado especialmente no caça F-35, alivia o fardo analítico do piloto, permitindo que ele finalmente apenas voe. [12]
Aviônica de modelo antigo
Inserção: Ferramentas de desenvolvimento utilizadas a bordo do F-35
Alguns [poucos] componentes do software da infraestrutura cibernética a bordo do F-35 são escritos em linguagens arcaicas como Ada, CMS-2Y e FORTRAN. Os blocos de software escritos em Ada são geralmente emprestados do caça F-22. [12] No entanto, o código escrito nessas linguagens arcaicas representa apenas uma pequena parte do software do F-35. A principal linguagem de programação para o F-35 é C/C++. Também são utilizados bancos de dados relacionais e orientados a objetos a bordo do F-35. [14] Os bancos de dados são usados a bordo para trabalhar de forma eficiente com grandes volumes de dados. Para permitir que esse trabalho ocorra em tempo real, os bancos de dados são utilizados em conjunto com um acelerador de hardware para análise de gráficos. [15]
Inserção: Backdoors no F-35
Todos os componentes que compõem a moderna tecnologia militar americana são: 1) ou fabricados sob encomenda, 2) ou personalizados a partir de produtos comerciais disponíveis, 3) ou representam uma solução comercial pronta. Em todos esses três casos, os fabricantes, seja de componentes individuais ou do sistema como um todo, têm uma procedência duvidosa, que geralmente começa fora do país. Como resultado, há o risco de que em algum elo da cadeia de suprimentos (que muitas vezes se estende por todo o mundo) um componente de software ou hardware seja comprometido por um backdoor ou malware (seja em nível de software ou hardware). Além disso, é conhecido que as Forças Aéreas Americanas utilizam mais de 1 milhão de componentes eletrônicos falsificados, o que também aumenta a probabilidade de a bordo aparecer código malicioso e backdoors. Sem mencionar que produtos falsificados são geralmente cópias de baixa qualidade e instáveis do original, com todas as consequências decorrentes disso. [5]
Arquitetura do núcleo ALIS
Resumindo a descrição de todos os sistemas a bordo, pode-se dizer que os principais requisitos a eles são: integrabilidade e escalabilidade; especificação acessível e arquitetura aberta; ergonomia e concisão; resistência, redundância, diversidade, alta disponibilidade e robustez; funcionalidade distribuída. A arquitetura do núcleo ALIS é uma resposta complexa a todos esses amplos e ambiciosos requisitos contraditórios que são exigidos do caça de ataque unificado F-35.
No entanto, essa arquitetura, como tudo que é genial, é simples. Ela se baseia no conceito de autômatos. A aplicação desse conceito no ALIS é que todos os componentes do software a bordo do caça F-35 têm uma estrutura unificada. Combinada com a arquitetura de cliente-servidor de múltiplas threads para computação distribuída, o núcleo automatizado do ALIS atende a todos os requisitos contraditórios descritos acima. Cada componente de software do ALIS consiste em um arquivo de interface ".h" e uma configuração algorítmica em um arquivo ".cpp". Sua estrutura geral é apresentada nos arquivos de origem anexados ao artigo (veja os três spòilers seguintes).
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;
}Em resumo, pode-se notar que, no ambiente tático em disputa, a superioridade de combate é detida por unidades aéreas cujas infraestruturas cibernéticas a bordo combinam de forma eficaz resiliência, redundância, diversidade e funcionalidade distribuída. O IKK e o ALIS da aviação moderna atendem a essas exigências. No entanto, o grau de sua integração, no futuro, também será expandido para a interação com outras unidades do exército, enquanto atualmente a integração eficaz das VFS abrange apenas sua própria unidade.
Bibliografia
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PS. O artigo foi originalmente publicado em .
Fonte: habr.com
