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F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心

F-35 統一攻擊戰鬥機自主後勤資訊系統 (ALIS) 關鍵組件概述。 詳細分析「戰鬥支援單元」及其四個關鍵組成部分：1）人機介面，2）執行控制系統，3）機載免疫系統，4）航空電子系統。 有關 F-35 戰鬥機韌體及其機載軟體所使用工具的一些資訊。 與早期戰鬥機型號進行了比較，並指出了陸軍航空兵進一步發展的前景。

F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心

F-35 戰鬥機是一群飛行的各種高科技感測器，可提供「360 度態勢感知」。

介紹

隨著時間的推移，空軍硬體系統變得越來越複雜。 [27] 他們的網路基礎設施（需要精細演算法調整的軟體和硬體組件）也逐漸變得更加複雜。 以美國空軍為例，我們可以看到作戰飛機的網路基礎設施與傳統硬體組件相比，如何從不到 5%（對於第三代戰鬥機 F-4）逐漸擴大到超過90%（對於F-35 ，第五代戰鬥機）。 [5] 為了對此網路基礎設施進行微調，F-35 負責專為此目的開發的最新軟體：自主物流資訊系統（ALIS）。

自主物流資訊系統

在五代機時代，戰鬥優勢主要透過態勢感知的好壞來衡量。 [5]因此，F-10戰鬥機是各種高科技感測器的飛行群，提供總共35度的態勢感知。 [360] 這方面的一個新流行熱門是所謂的。 「整合感測器架構」（ISA），其中包括彼此獨立動態互動的感測器（不僅在安靜的情況下，而且在有爭議的戰術環境中）——理論上，這應該會導致態勢感知品質的更大提高。 [11]。 然而，為了使這一理論付諸實踐，需要對從感測器接收到的所有數據進行高品質的演算法處理。

因此，F-35經常攜帶軟體，其原始碼總規模超過20萬行，因此通常被稱為「飛行計算機」。 [6] 由於在目前的第五代攻擊戰鬥機中，戰鬥優勢是透過態勢感知的品質來衡量的，因此該程式碼的近50%（8,6 萬行）執行最複雜的演算法處理- 黏合所有即將到來的數據將感測器轉化為戰區的單一影像。 實時。

F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心為美國戰鬥機提供機載功能的轉變動態 - 轉向軟體

F-35 的自主後勤資訊系統 (ALIS) 為戰鬥機提供 1) 規劃（透過先進的航空電子系統）、2) 保障（充當主導作戰單位的能力）和 3) 強化（行動的能力）作為奴隸作戰單位）。 [4]「膠水代碼」是ALIS的主要組成部分，佔所有F-95飛機代碼的35%。 另外 50% 的 ALIS 程式碼執行一些次要但演算法上非常密集的操作。 [12] 因此，F-35 是有史以來開發的最複雜的作戰系統之一。 [6]

ALIS 是一種有條件自動駕駛系統，結合了多種機載子系統的綜合體； 還包括透過向飛行員提供有關戰區的高品質資訊（態勢感知）來與飛行員進行有效的互動。 ALIS 軟體引擎在後台持續運行，協助飛行員做出決策並在飛行的關鍵點提供指導。 [13]

戰鬥支援單位

ALIS 最重要的子系統之一是“戰鬥支援單元”，由五個主要要素組成[13]：

1) 「人機介面」－提供高品質的戰區視覺化（符合人體工學、全面、簡潔）。 [12] 飛行員觀察戰區，做出戰術決策並發出作戰命令，這些命令又由 ICS 單元處理。

2）「執行控制系統」（ECS）－與機載武器的控制單元交互，確保執行飛行員透過人機介面發出的作戰命令。 ICS 還記錄使用每個戰鬥命令（透過回饋感測器）的實際損壞，以便航空電子系統進行後續分析。

3）「機載免疫系統」（BIS）－監視外部威脅，並在偵測到威脅時採取必要的對策來消除威脅。 在這種情況下，BIS可以得到參與聯合戰術行動的友方作戰部隊的支援。 [8] 為此，LSI 透過通訊系統與航空電子系統緊密互動。

4) 「航空電子系統」－將來自各種感測器的原始資料流轉換為高品質的態勢感知，飛行員可以透過人機介面存取。

5）「通訊系統」－管理車載和外部網路流量等。 作為所有機載系統之間的連結； 以及參與聯合戰術行動的所有作戰部隊之間。

人機介面

為了滿足高品質和全面的態勢感知需求，戰鬥機駕駛艙內的通訊和視覺化至關重要。 ALIS 的整體面貌，特別是戰鬥支援單位的面貌是「全景視覺化顯示子系統」（L-3 通訊顯示系統）。 它包括一個大型高清觸控螢幕（LADD）和一個寬頻通訊通道。 L-3 軟體運行 Integrity OS 178B（Green Hills Software 的即時作業系統），這是 F-35 戰鬥機的主要航空電子作業系統。

F-35 網路基礎架構架構師選擇 Integrity OS 178B 基於六種作業系統特定功能：1) 遵守開放架構標準，2) 與 Linux 相容，3) 與 POSIX API 相容，4) 安全記憶體分配，5) 支援特殊要求安全性和6) 支持ARINC 653 規範。 [12]「ARINC 653」是用於航空電子應用的應用軟體介面。 此介面依整合模組化航空電子設備的原理，規範航空運算系統資源的時空劃分； 也定義了應用軟體存取電腦系統資源必須使用的程式介面。

F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心全景視覺化顯示子系統

執行控制系統

如上所述，ICS與機載武器的控制單元交互，確保戰鬥指令的執行並記錄使用每個戰鬥指令的實際損害。 ICS的核心是一台超級計算機，它自然也被歸類為「機載武器」。

由於星載超級電腦的任務量龐大，增加了強度，滿足了對容錯能力和運算能力的高要求； 它還配備了有效的液體冷卻系統。 所有這些措施都是為了確保機載電腦系統能夠有效地處理大量數據並執行先進的演算法處理，從而為飛行員提供有效的態勢感知：為他提供有關戰區的全面資訊。 [12]

F-35戰鬥機的機載超級電腦每秒能夠連續執行40億次運算，從而確保先進航空電子設備的資源密集型演算法（包括電光、紅外線和影像處理）的多任務執行。雷達資料）。 [9] 實時。 對於F-35戰鬥機來說，不可能在側面進行所有這些演算法密集型計算（為了不為每個作戰單元配備超級電腦），因為來自所有感測器的總資料流的強度超過最快通訊系統的吞吐量- 至少1000 倍。 [12]

為了確保提高可靠性，F-35 的所有關鍵機載系統（在某種程度上包括機載超級電腦）均採用冗餘原理實現，以便機上相同的任務可以由多個不同的裝置執行。 此外，對冗餘的要求是重複的元件由替代製造商開發並具有替代架構。 因此，原件和副本同時發生故障的可能性就降低了。 [1, 2] 這也是為什麼主電腦運行類似 Linux 的作業系統，而從電腦執行 Windows 的原因。 [2] 此外，為了在其中一台電腦發生故障時，戰鬥支援單元可以繼續運行（至少在緊急模式下），ALIS 核心架構是建立在「用於分散式運算的多執行緒用戶端-伺服器」的原則之上的。 [18]

機載免疫系統

在競爭激烈的戰術環境中，維持機載免疫力需要彈性、冗餘、多樣性和分散式功能的有效組合。 昨天的戰鬥航空沒有統一的機載免疫系統（BIS）。 其航空LSI是支離破碎的，由幾個獨立運作的組件組成。 這些組件中的每一個都經過優化，可承受特定的、狹窄的武器系統：1）彈道射彈，2）瞄準射頻或電光信號的導彈，3）激光照射，4）雷達照射等。 當偵測到攻擊時，對應的LSI子系統會自動啟動並採取對策。

昨天的大規模積體電路的組件是由不同的承包商相互獨立設計和開發的。 由於這些組件通常具有封閉的架構，隨著新技術和新武器系統的出現，LSI 現代化被簡化為添加另一個獨立的 LSI 組件。 這種碎片化的LSI（由具有封閉架構的獨立組件組成）的根本缺點是其碎片無法相互交互，也無法集中協調。 換句話說，它們之間無法進行通訊並進行聯合操作，這限制了整個LSI整體的可靠性和適應性。 例如，如果其中一個免疫子系統發生故障或被破壞，其他子系統就無法有效補償此損失。 此外，LSI 的碎片化常常導致處理器和顯示器等高科技組件的重複，[8] 在減少 SWaP（尺寸、重量和功耗）的「常青問題」背景下 [16 ]，非常浪費。 這些早期的 LSI 逐漸過時也就不足為奇了。

碎片化的 LSI 正被單一的分散式機載免疫系統所取代，該系統由「智力認知控制器」（ICC）控制。 ICC 是一個特殊程序，即機載中樞神經系統，在 BIS 中的整合子系統之上運作。 該程式將所有LSI子系統聯合成一個分散式網路（具有公共資訊和公共資源），並將所有LSI與中央處理器和其他板載系統連接起來。 [8] 這種組合（包括與未來將開發的組件的組合）的基礎是普遍接受的“系統的系統”（SoS）概念，[3] - 具有可擴展性、公共規範等顯著特徵以及開放式架構軟體和硬體。

國際商會可以存取所有國際清算銀行子系統的資訊； 它的功能是比較和分析從LSI子系統接收到的資訊。 ICC 在後台持續工作，與所有 LSI 子系統持續互動 - 識別每個潛在威脅，對其進行定位，最後向飛行員推薦一組最佳對策（考慮到每個 LSI 子系統的獨特功能）。 為此，ICC 使用先進的認知演算法 [17-25]。

那。 每架飛機都有自己獨立的 ICC。 然而，為了實現更大的整合（並因此獲得更高的可靠性），參與戰術行動的所有飛機的 ICC 被組合成一個單一的公共網絡，用於協調「自主後勤資訊系統」（ALIS） ） 負責。 [4] 當其中一個 ICC 發現威脅時，ALIS 會利用所有 ICC 的資訊以及參與戰術行動的所有作戰單位的支援來計算最有效的對策。 ALIS「了解」每個 ICC 的個體特徵，並利用它們來實施協調的對策。

分散式 LSI 處理外部（與敵方作戰行動相關）和內部（與駕駛風格和操作細微差別相關）威脅。 在F-35戰鬥機上，航電系統負責處理外部威脅，VRAMS（與設備危險動作相關的智慧風險資訊系統）負責處理內部威脅。 [13] VRAMS 的主要目的是延長飛機在所需維護期間的運作時間。 為此，VRAMS 收集有關基本機載子系統（飛機發動機、輔助驅動器、機械部件、電氣子系統）性能的即時資訊並分析其技術狀況； 考慮溫度峰值、壓力降、振動動力學和各種幹擾等參數。 根據這些信息，VRAMS 會向飛行員提供有關如何保持飛機安全的預先建議。 VRAMS「預測」飛行員的某些行為可能導致什麼後果，並就如何避免這些後果提出建議。 [13]

VRAMS 追求的基準是零維護，同時保持超可靠性並減少結構疲勞。 為了實現這一目標，研究實驗室正在努力創造具有智慧結構的材料，這些材料將能夠在零維護條件下有效運作。 這些實驗室的研究人員正在開發檢測微裂紋和其他故障前兆的方法，以提前防止可能的故障。 也正在進行研究以更好地了解結構疲勞現象，以便使用這些數據來調節航空機動，從而減少結構疲勞等。 延長飛機的使用壽命。 [13] 在這方面，有趣的是，《Advanced in Engineering Software》雜誌上約50%的文章致力於分析鋼筋混凝土和其他結構的強度和易損性。

F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心用於通知與對設備造成危險的操作相關的風險的智慧型系統

先進的航空電子系統

F-35 戰鬥機的機載作戰支援單元包括先進的航空電子系統，旨在解決一項艱鉅的任務：

昨天的航空電子系統包括幾個獨立的子系統（控制紅外線和紫外線感測器、雷達、聲納、電子戰等），每個子系統都配備了自己的顯示器。 因此，飛行員必須依序查看每個顯示器，並手動分析和比較來自它們的數據。 另一方面，今天的航空電子系統，特別是配備在 F-35 戰鬥機上的航空電子系統，將以前分散的所有數據呈現為單一資源； 在一個公共顯示器上。 那。 現代航空電子系統是一個以網路為中心的綜合資料融合綜合體，為飛行員提供最有效的態勢感知； 使他無需進行複雜的分析計算。 因此，由於在分析循環中排除了人為因素，飛行員現在不會從主要戰鬥任務中分心。

F-22 戰鬥機的網路基礎設施中實施了消除航空電子分析環路中人為因素的首批重大嘗試之一。 在這架戰鬥機上，演算法密集型程序負責對來自各種感測器的資料進行高品質黏合，其原始碼總大小為 1,7 萬行。 同時，90%的程式碼是用Ada寫的。 然而，F-35 配備的由 ALIS 程式控制的現代航空電子系統與 F-22 戰鬥機相比已經有了顯著的進步。

ALIS 基於 F-22 戰鬥機軟體。 然而，現在負責合併資料的程式碼不是 1,7 萬行，而是 8,6 萬行。 同時，絕大多數程式碼是用C/C++寫的。 所有這些演算法密集型程式碼的主要任務是評估哪些資訊與飛行員相關。 因此，透過僅關注戰區的關鍵數據，飛行員現在能夠做出更快、更有效的決策。 那。 F-35戰鬥機特別配備的現代化航電系統消除了飛行員的分析負擔，最終讓他能夠輕鬆飛行。 [12]

F-35統一攻擊戰鬥機機載網路基礎設施的軟體核心老式航空電子設備

側邊欄：F-35 上使用的開發工具

F-35 機載網路基礎架構的一些[小型]軟體元件是用 Ada、CMS-2Y、FORTRAN 等傳統語言編寫的。 用 Ada 編寫的程式塊通常是從 F-22 戰鬥機借用的。 [12] 然而，用這些遺留語言編寫的程式碼只是 F-35 軟體的一小部分。 F-35 的主要程式語言是 C/C++。 F-35 上也使用了關聯式資料庫和物件導向資料庫。 [14] 船上使用資料庫來有效處理大數據。 為了使這項工作能夠即時完成，資料庫與硬體圖形分析加速器結合使用。 [15]

邊欄：F-35 的後門

構成現代美國軍事裝備的所有組件都是 1) 定制的，2) 或根據可用的商業產品定制的，3) 或代錶盒裝商業解決方案。 此外，在所有這三種情況下，製造商，無論是單一組件還是整個系統的製造商，都有可疑的血統，通常來自國外。 因此，存在這樣的風險：在供應鏈（通常延伸到世界各地）的某個時刻，後門或惡意軟體（無論是在軟體還是硬體層級）將內建在軟體或硬體元件中。 此外，據了解，美國空軍使用了超過 1 萬個假冒電子元件，這也增加了機上存在惡意程式碼和後門的可能性。 更不用說假冒產品通常是原件的低品質且不穩定的複製品，以及它所暗示的一切。 [5]

ALIS 核心架構

總結所有車載系統的描述，我們可以說，它們的主要要求可以歸結為以下幾點：可整合性和可擴展性； 公共規範和開放架構； 人體工學和簡潔性； 穩定性、冗餘性、多樣性、增強的彈性和強度； 分散式功能。 ALIS 核心架構是對 F-35 聯合攻擊戰鬥機這些廣泛而雄心勃勃的競爭需求的全面回應。

然而，這種架構，就像所有巧妙的東西一樣，很簡單。 有限狀態機的概念被作為其基礎。 這個概念在ALIS框架內的應用是透過以下事實實現的：F-35戰鬥機機載軟體的所有組件都具有統一的結構。 結合用於分散式運算的多執行緒用戶端-伺服器架構，ALIS 自動機核心滿足上述所有相互衝突的要求。 每個 ALIS 軟體元件均由介面「.h 檔案」和演算法配置「.cpp 檔案」組成。 它們的一般結構在本文所附的源文件中給出（請參閱以下三個劇透）。

自動機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;
}

自動機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;
}

總之，在競爭激烈的戰術環境中，機載網路基礎設施有效結合彈性、冗餘、多樣性和分散式功能的空軍部隊享有戰鬥優勢。 現代航空的IKK和ALIS滿足了這些要求。 不過，未來它們的整合程度也將擴大到與其他陸軍部隊的互動，而現在空軍的有效整合只涉及自己的部隊。

參考書目

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PS。 本文原刊於 “組件和技術”.

來源： www.habr.com

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