F-35 统一攻击战斗机自主后勤信息系统 (ALIS) 关键组件概述。 详细分析“战斗支援单元”及其四个关键组成部分：1）人机界面，2）执行控制系统，3）机载免疫系统，4）航空电子系统。 有关 F-35 战斗机固件及其机载软件所使用工具的一些信息。 与早期战斗机型号进行了比较，并指出了陆军航空兵进一步发展的前景。
F-35 战斗机是一群飞行的各种高科技传感器，可提供“360 度态势感知”。
介绍
随着时间的推移，空军硬件系统变得越来越复杂。 [27] 他们的网络基础设施（需要精细算法调整的软件和硬件组件）也逐渐变得更加复杂。 以美国空军为例，我们可以看到作战飞机的网络基础设施与传统硬件组件相比，如何从不到 5%（对于第三代战斗机 F-4）逐渐扩大到超过90%（对于F-35，第五代战斗机）。 [5] 为了对该网络基础设施进行微调，F-35 负责专门为此目的开发的最新软件：自主物流信息系统（ALIS）。
自主物流信息系统
在五代机时代，战斗优势主要通过态势感知的好坏来衡量。 [5]因此，F-10战斗机是各种高科技传感器的飞行群，提供总共35度的态势感知。 [360] 这方面的一个新流行热门就是所谓的。 “集成传感器架构”（ISA），其中包括彼此独立动态交互的传感器（不仅在安静的情况下，而且在有争议的战术环境中）——理论上，这应该会导致态势感知质量的更大提高。 [11]。 然而，为了使这一理论付诸实践，需要对从传感器接收到的所有数据进行高质量的算法处理。
因此，F-35经常携带软件，其源代码总规模超过20万行，因此通常被称为“飞行计算机”。 [6] 由于在当前的第五代攻击战斗机中，战斗优势是通过态势感知的质量来衡量的，因此该程序代码的近 50%（8,6 万行）执行最复杂的算法处理 - 粘合所有即将到来的数据将传感器转化为战区的单一图像。 实时。
为美国战斗机提供机载功能的转变动态 - 转向软件
F-35 的自主后勤信息系统 (ALIS) 为战斗机提供 1) 规划（通过先进的航空电子系统）、2) 保障（充当领先作战单位的能力）和 3) 强化（采取行动的能力）作为奴隶作战单位）。 [4]“胶水代码”是ALIS的主要组成部分，占所有F-95飞机代码的35%。 另外 50% 的 ALIS 代码执行一些次要但算法上非常密集的操作。 [12] 因此，F-35 是有史以来开发的最复杂的作战系统之一。 [6]
ALIS 是一种有条件自动驾驶系统，结合了多种机载子系统的综合体； 还包括通过向飞行员提供有关战区的高质量信息（态势感知）来与飞行员进行有效的互动。 ALIS 软件引擎在后台持续运行，协助飞行员做出决策并在飞行的关键点提供指导。 [13]
战斗支援单位
ALIS 最重要的子系统之一是“战斗支援单元”，由五个主要要素组成[13]：
1) “人机界面”——提供高质量的战区可视化（符合人体工程学、全面、简洁）。 [12] 飞行员观察战区，做出战术决策并发出作战命令，这些命令又由 ICS 单元处理。
2）“执行控制系统”（ECS）——与机载武器的控制单元交互，确保执行飞行员通过人机界面发出的作战命令。 ICS 还记录使用每个战斗命令（通过反馈传感器）的实际损坏，以便航空电子系统进行后续分析。
3）“机载免疫系统”（BIS）——监视外部威胁，并在检测到威胁时采取必要的对策来消除威胁。 在这种情况下，BIS可以得到参与联合战术行动的友方作战部队的支持。 [8] 为此，LSI 通过通信系统与航空电子系统紧密交互。
4) “航空电子系统”——将来自各种传感器的原始数据流转换为高质量的态势感知，飞行员可以通过人机界面访问。
5）“通讯系统”——管理车载和外部网络流量等。 作为所有机载系统之间的链接； 以及参与联合战术行动的所有作战部队之间。
人机界面
为了满足高质量和全面的态势感知需求，战斗机驾驶舱内的通信和可视化至关重要。 ALIS 的总体面貌，特别是战斗支援单位的面貌是“全景可视化显示子系统”（L-3 通信显示系统）。 它包括一个大型高清触摸屏（LADD）和一个宽带通信通道。 L-3 软件运行 Integrity OS 178B（Green Hills Software 的实时操作系统），这是 F-35 战斗机的主要航空电子操作系统。
F-35 网络基础设施架构师选择 Integrity OS 178B 基于六种操作系统特定功能：1) 遵守开放架构标准，2) 与 Linux 兼容，3) 与 POSIX API 兼容，4) 安全内存分配，5) 满足特定要求要求安全性以及 6) 支持 ARINC 653 规范。 [12]“ARINC 653”是用于航空电子应用的应用软件接口。 该接口按照集成模块化航空电子设备的原理，规范航空计算系统资源的时空划分； 还定义了应用软件访问计算机系统资源必须使用的程序接口。
全景可视化显示子系统
执行控制系统
如上所述，ICS与机载武器的控制单元交互，确保战斗命令的执行并记录使用每个战斗命令的实际损害。 ICS的核心是一台超级计算机，它很自然地也被归类为“机载武器”。
由于星载超级计算机的任务量巨大，增加了强度，满足了对容错能力和计算能力的高要求； 它还配备了有效的液体冷却系统。 所有这些措施都是为了确保机载计算机系统能够有效地处理大量数据并执行先进的算法处理，从而为飞行员提供有效的态势感知：为他提供有关战区的全面信息。 [12]
F-35战斗机的机载超级计算机每秒能够连续执行40亿次运算，从而确保先进航空电子设备的资源密集型算法（包括电光、红外和图像处理）的多任务执行。雷达数据）。 [9] 实时。 对于F-35战斗机来说，不可能在侧面进行所有这些算法密集型计算（为了不为每个作战单元配备超级计算机），因为来自所有传感器的总数据流的强度超过最快通信系统的吞吐量 - 至少 1000 倍。 [12]
为了确保提高可靠性，F-35 的所有关键机载系统（在某种程度上包括机载超级计算机）均采用冗余原理实现，以便机上相同的任务可以由多个不同的设备执行。 此外，对冗余的要求是重复的元件由替代制造商开发并具有替代架构。 因此，原件和副本同时发生故障的可能性就降低了。 [1, 2] 这也是为什么主计算机运行类似 Linux 的操作系统，而从计算机运行 Windows 的原因。 [2] 此外，为了在其中一台计算机发生故障时，战斗支持单元可以继续运行（至少在紧急模式下），ALIS 内核架构是建立在“用于分布式计算的多线程客户端-服务器”的原则之上的。 [18]
机载免疫系统
在竞争激烈的战术环境中，维持机载免疫力需要弹性、冗余、多样性和分布式功能的有效结合。 昨天的战斗航空没有统一的机载免疫系统（BIS）。 其航空LSI是支离破碎的，由几个独立运行的组件组成。 这些组件中的每一个都经过优化，可承受特定的、狭窄的武器系统：1）弹道射弹，2）瞄准射频或电光信号的导弹，3）激光照射，4）雷达照射等。 当检测到攻击时，相应的LSI子系统会自动启动并采取对策。
昨天的大规模集成电路的组件是由不同的承包商相互独立设计和开发的。 由于这些组件通常具有封闭的架构，随着新技术和新武器系统的出现，LSI 现代化被简化为添加另一个独立的 LSI 组件。 这种碎片化的LSI（由具有封闭架构的独立组件组成）的根本缺点是其碎片无法相互交互，也无法集中协调。 换句话说，它们之间无法进行通信并进行联合操作，这限制了整个LSI整体的可靠性和适应性。 例如，如果其中一个免疫子系统发生故障或被破坏，其他子系统就无法有效补偿这一损失。 此外，LSI 的碎片化常常导致处理器和显示器等高科技组件的重复，[8] 在减少 SWaP（尺寸、重量和功耗）的“常青问题”背景下 [16 ]，非常浪费。 这些早期的 LSI 逐渐过时也就不足为奇了。
碎片化的 LSI 正在被单一的分布式机载免疫系统所取代，该系统由“智力认知控制器”（ICC）控制。 ICC 是一个特殊程序，即机载中枢神经系统，在 BIS 中的集成子系统之上运行。 该程序将所有LSI子系统联合成一个分布式网络（具有公共信息和公共资源），并将所有LSI与中央处理器和其他板载系统连接起来。 [8] 这种组合（包括与未来将开发的组件的组合）的基础是普遍接受的“系统的系统”（SoS）概念，[3] - 具有可扩展性、公共规范等显着特征以及开放式架构软件和硬件。
国际商会可以访问所有国际清算银行子系统的信息； 它的功能是比较和分析从LSI子系统接收到的信息。 ICC 在后台持续工作，与所有 LSI 子系统持续交互 - 识别每个潜在威胁，对其进行定位，最后向飞行员推荐一组最佳对策（考虑到每个 LSI 子系统的独特功能）。 为此，ICC 使用先进的认知算法 [17-25]。
那。 每架飞机都有自己独立的 ICC。 然而，为了实现更大的集成（并因此获得更高的可靠性），参与战术行动的所有飞机的 ICC 被组合成一个单一的公共网络，用于协调“自主后勤信息系统”（ALIS） ） 负责。 [4] 当其中一个 ICC 发现威胁时，ALIS 会利用所有 ICC 的信息以及参与战术行动的所有作战单位的支持来计算最有效的对策。 ALIS“了解”每个 ICC 的个体特征，并利用它们来实施协调的对策。
分布式 LSI 处理外部（与敌方作战行动相关）和内部（与驾驶风格和操作细微差别相关）威胁。 在F-35战斗机上，航电系统负责处理外部威胁，VRAMS（与设备危险动作相关的智能风险信息系统）负责处理内部威胁。 [13] VRAMS 的主要目的是延长飞机在所需维护期间的运行时间。 为此，VRAMS 收集有关基本机载子系统（飞机发动机、辅助驱动器、机械部件、电气子系统）性能的实时信息并分析其技术状况； 考虑到温度峰值、压降、振动动力学和各种干扰等参数。 根据这些信息，VRAMS 会向飞行员提供有关如何保持飞机安全的预先建议。 VRAMS“预测”飞行员的某些行为可能导致什么后果，并就如何避免这些后果提出建议。 [13]
VRAMS 追求的基准是零维护，同时保持超可靠性并减少结构疲劳。 为了实现这一目标，研究实验室正在努力创造具有智能结构的材料，这些材料将能够在零维护条件下有效工作。 这些实验室的研究人员正在开发检测微裂纹和其他故障前兆的方法，以提前防止可能的故障。 还正在进行研究以更好地了解结构疲劳现象，以便使用这些数据来调节航空机动，从而减少结构疲劳等。 延长飞机的使用寿命。 [13] 在这方面，有趣的是，《Advanced in Engineering Software》杂志上约50%的文章致力于分析钢筋混凝土和其他结构的强度和易损性。
用于通知与对设备造成危险的操作相关的风险的智能系统
先进的航空电子系统
F-35 战斗机的机载作战支援单元包括先进的航空电子系统，旨在解决一项艰巨的任务：
昨天的航空电子系统包括几个独立的子系统（控制红外和紫外线传感器、雷达、声纳、电子战等），每个子系统都配备了自己的显示器。 因此，飞行员必须依次查看每个显示器，并手动分析和比较来自它们的数据。 另一方面，今天的航空电子系统，特别是配备在 F-35 战斗机上的航空电子系统，将以前分散的所有数据呈现为单一资源； 在一个公共显示器上。 那。 现代航空电子系统是一个以网络为中心的综合数据融合综合体，为飞行员提供最有效的态势感知； 使他无需进行复杂的分析计算。 因此，由于在分析循环中排除了人为因素，飞行员现在不会从主要战斗任务中分心。
F-22 战斗机的网络基础设施中实施了消除航空电子分析环路中人为因素的首批重大尝试之一。 在这架战斗机上，算法密集型程序负责对来自各种传感器的数据进行高质量粘合，其源代码总大小为 1,7 万行。 同时，90%的代码是用Ada编写的。 然而，F-35 配备的由 ALIS 程序控制的现代航空电子系统与 F-22 战斗机相比已经有了显着的进步。
ALIS 基于 F-22 战斗机软件。 然而，现在负责合并数据的代码不是 1,7 万行，而是 8,6 万行。 同时，绝大多数代码是用C/C++编写的。 所有这些算法密集型代码的主要任务是评估哪些信息与飞行员相关。 因此，通过仅关注战区的关键数据，飞行员现在能够做出更快、更有效的决策。 那。 F-35战斗机特别配备的现代航电系统消除了飞行员的分析负担，最终让他能够轻松飞行。 [12]
老式航空电子设备
侧边栏：F-35 上使用的开发工具
F-35 机载网络基础设施的一些[小型]软件组件是用 Ada、CMS-2Y、FORTRAN 等传统语言编写的。 用 Ada 编写的程序块通常是从 F-22 战斗机借用的。 [12] 然而，用这些遗留语言编写的代码只是 F-35 软件的一小部分。 F-35 的主要编程语言是 C/C++。 F-35 上还使用了关系数据库和面向对象数据库。 [14] 船上使用数据库来有效处理大数据。 为了使这项工作能够实时完成，数据库与硬件图形分析加速器结合使用。 [15]
边栏：F-35 的后门
构成现代美国军事装备的所有组件都是 1) 定制的，2) 或根据可用的商业产品定制的，3) 或代表盒装商业解决方案。 此外，在所有这三种情况下，制造商，无论是单个组件还是整个系统的制造商，都有可疑的血统，通常来自国外。 因此，存在这样的风险：在供应链（通常延伸到世界各地）的某个时刻，后门或恶意软件（无论是在软件还是硬件级别）将被内置到软件或硬件组件中。 此外，据了解，美国空军使用了超过 1 万个假冒电子元件，这也增加了机上存在恶意代码和后门的可能性。 更不用说假冒产品通常是原件的低质量且不稳定的复制品，以及它所暗示的一切。 [5]
ALIS 内核架构
总结所有车载系统的描述，我们可以说，它们的主要要求可以归结为以下几点：可集成性和可扩展性； 公共规范和开放架构； 人体工程学和简洁性； 稳定性、冗余性、多样性、增强的弹性和强度； 分布式功能。 ALIS 核心架构是对 F-35 联合攻击战斗机这些广泛而雄心勃勃的竞争需求的全面回应。
然而，这种架构，就像所有巧妙的东西一样，很简单。 有限状态机的概念被作为其基础。 这一概念在ALIS框架内的应用是通过以下事实实现的：F-35战斗机机载软件的所有组件都具有统一的结构。 结合用于分布式计算的多线程客户端-服务器架构，ALIS 自动机内核满足上述所有相互冲突的要求。 每个 ALIS 软件组件均由接口“.h 文件”和算法配置“.cpp 文件”组成。 它们的一般结构在本文所附的源文件中给出（请参阅以下三个剧透）。
自动机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;
}自动机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主程序
#include "automata1.h"
void main()
{
CAutomata1 *pAutomata1;
pAutomata1 = new CAutomata1();
while (pAutomata->Automata1()) {}
delete pAutomata1;
}总之，在竞争激烈的战术环境中，机载网络基础设施有效结合弹性、冗余、多样性和分布式功能的空军部队享有战斗优势。 现代航空的IKK和ALIS满足了这些要求。 不过，未来它们的整合程度还将扩大到与其他陆军部队的互动，而现在空军的有效整合只涉及到自己的部队。
参考书目
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来源： habr.com