Программное ядро бортовой киберинфраструктуры унифицированного ударного истребителя F‑35

Введение

С течением времени аппаратные системы военно-воздушных сил становятся все более сложными [17]. Постепенно усложняется и их киберинфраструктура (программно-аппаратные компоненты, требующие тонкой алгоритмической настройки). На примере американских ВВС можно видеть, как киберинфраструктура боевой авиации — в сравнении с ее традиционными аппаратными компонентами — постепенно расширялась, начиная менее чем с 5% (у F-4, истребителя 3-го поколения) и заканчивая более чем 90% (у F-35, истребителя 5-го поколения) [5]. За тонкую алгоритмическую настройку этой киберинфраструктуры в F-35 (рис. 1) отвечает новейшее, специально разработанное для этих целей программное обеспечение — автономная информационная система логистики (ALIS).

Автономная информационная система логистики

В эру истребителей 5-го поколения боевое превосходство измеряется, прежде всего, качеством ситуационной осведомленности [10]. Вот почему F-35 представляет собой летающий рой всевозможных высокотехнологичных сенсоров, обеспечивающих в сумме 360-градусную ситуационную осведомленность [11]. В связи с этим очень популярной стала новая архитектура интегрированных сенсоров (ISA), включающая в себя сенсоры, которые самостоятельно динамически взаимодействуют между собой (не только в спокойной, но и в оспариваемой тактической среде), что теоретически должно привести к еще большему увеличению качества ситуационной осведомленности [7]. Однако, чтобы эта теория превратилась в практику, необходима качественная алгоритмическая обработка всех поступающих от сенсоров данных.

Поэтому F-35 постоянно носит на борту программное обеспечение, общий размер исходных кодов которого превышает 20 млн строк, за что его часто называют летающим компьютером (рис. 2) [6]. Поскольку в нынешнюю, пятую эру ударных истребителей боевое превосходство измеряется качеством ситуационной осведомленности, почти 50% программного кода (8,6 млн строк) ведет сложнейшую алгоритмическую обработку — для склеивания всех поступающих от сенсоров данных в единую картину театра боевых действий. Причем в режиме реального времени.

Рис. 2. Динамика смещения обеспечения (в сторону ПО) бортовой функциональности боевых истребителей США

За подобные функции на борту F-35 отвечает автономная информационная система логистики (ALIS), которая обеспечивает истребителю такие навыки, как планирование (посредством передовых систем авионики), поддержание (способность выступать в роли ведущей боевой единицы) и укрепление (способность выступать в роли ведомой боевой единицы) [4]. «Склеивающий код» является главным элементом ALIS, на его долю приходится 95% всего бортового программного кода истребителя F-35. Другие 50% программного кода ALIS выполняют в некоторой степени второстепенные, но тоже алгоритмически очень интенсивные операции [12]. Поэтому F-35 — одна из сложнейших когда-либо разработанных боевых систем [6].

ALIS — это условно автопилотируемая система, объединяющая интегрированный комплекс самых разнообразных бортовых подсистем и поддерживающая эффективное взаимодействие с пилотом, предоставляя ему качественную информацию о театре боевых действий (ситуационная осведомленность). Ядро программного обеспечения ALIS постоянно работает в фоновом режиме, оказывая пилоту содействие в принятии решений и предлагая ему подсказки в критически важные моменты полета [13].

Блок обеспечения боевого применения

Одна из наиважнейших подсистем ALIS — блок обеспечения боевого применения, состоящий из пяти основных элементов [13]:

• Человеко-системный интерфейс — обеспечивает качественную визуализацию театра боевых действий (эргономичную, всеобъемлющую, лаконичную) [12]. Наблюдая за этим театром, пилот принимает тактические решения и отдает боевые команды, которые в свою очередь обрабатываются блоком ИКС.
• Исполнительно-контролирующая система (ИКС) — взаимодействуя с блоками управления бортового вооружения, обеспечивает исполнение боевых команд, которые посредством человеко-системного интерфейса отдает пилот. ИКС также регистрирует фактический ущерб от применения каждой боевой команды (посредством сенсоров обратной связи) — для последующего его анализа системой авионики.
• Бортовая иммунная система (БИС) — отслеживает внешние угрозы и при их обнаружении осуществляет необходимые контрмеры. При этом БИС может пользоваться поддержкой дружественных боевых единиц, участвующих в совместной тактической операции [8]. Для этого БИС тесно взаимодействует с системами авионики — посредством коммуникационной системы.
• Система авионики — преобразует сырой поток поступающих от всевозможных сенсоров данных в качественную ситуационную осведомленность, доступную для пилота посредством человеко-системного интерфейса.
• Коммуникационная система — управляет бортовым и внешним сетевым трафиком и таким образом служит связующим звеном между всеми бортовыми системами и между всеми участвующими в совместной тактической операции боевыми единицами.

Человеко-системный интерфейс

Для удовлетворения потребности в качественной и всеобъемлющей ситуационной осведомленности связь и визуализация в кабине истребителя имеют решающее значение. «Лицом» ALIS вообще и блока обеспечения боевого применения в частности служит дисплейная подсистема панорамной визуализации (L-3 Communications Display Systems). В ее состав входят большой сенсорный экран высокой четкости (LADD) и широкополосный канал связи (рис. 3). Программное обеспечение L-3 действует под управлением ОС Integrity 178B (операционная система реального времени от Green Hills Software), которая является основной бортовой операционной системой истребителя F-35.

Рис. 3. Дисплейная подсистема панорамной визуализации

Архитекторы киберинфраструктуры F-35 выбрали ОС Integrity 178B, руководствуясь шестью характерными для этой операционной системы особенностями: соблюдение открытых стандартов архитектуры, совместимость с Linux, совместимость с POSIX API, безопасное распределение памяти, обеспечение особых требований по безопасности и поддержка спецификации ARINC 653 [12], представляющей собой интерфейс прикладного программного обеспечения для применения в авионике. Этот интерфейс регламентирует временное и пространственное разделение ресурсов авиационной вычислительной системы в соответствии с принципами интегрированной модульной авионики, а также определяет программный интерфейс, которым должно пользоваться прикладное ПО для доступа к ресурсам вычислительной системы.

Исполнительно-контролирующая система

Как уже было отмечено, ИКС, взаимодействуя с блоками управления бортового вооружения, обеспечивает исполнение боевых команд и регистрацию фактического ущерба от применения каждой боевой команды. Сердце ИКС — это суперкомпьютер, который закономерно также отнесен к бортовому вооружению.

Поскольку объем возлагаемых на бортовой суперкомпьютер задач колоссален, он имеет повышенную прочность и отвечает высоким требованиям по отказоустойчивости и вычислительной мощности; также он оснащен эффективной системой жидкостного охлаждения. Все эти меры предприняты для того, чтобы бортовая вычислительная система была способна эффективно обрабатывать огромные массивы данных и выполнять передовые алгоритмические обработки, которые обеспечивают пилоту эффективную ситуационную осведомленность: дают ему всестороннюю информацию о театре боевых действий [12].

Бортовой суперкомпьютер истребителя F-35 способен в непрерывном режиме совершать 40 млрд операций в секунду, благодаря чему обеспечивает мультизадачное исполнение ресурсоемких алгоритмов передовой авионики (в том числе обработку электрооптических, инфракрасных и радиолокационных данных) [9] в режиме реального времени. Для истребителя F-35 вести все алгоритмически интенсивные вычисления на стороне (чтобы не оснащать каждую боевую единицу суперкомпьютером) не представляется возможным, потому что интенсивность суммарного потока поступающих ото всех сенсоров данных превосходит пропускную способность самых скоростных коммуникационных систем — как минимум в 1000 раз [12].

Для обеспечения повышенной надежности все критически важные бортовые системы F-35 (в том числе до некоторой степени и бортовой суперкомпьютер) реализованы с применением принципа избыточности: чтобы одну и ту же задачу на борту потенциально могли выполнить несколько разных устройств. Причем требование избыточности таково, что дублирующие элементы должны быть разработаны альтернативными производителями и иметь альтернативную архитектуру. Благодаря чему вероятность одновременного выхода из строя оригинала и дубликата снижается [1, 2]. В том числе поэтому ведущий компьютер работает под управлением Linux-подобной операционной системы, а ведомые — под управлением Windows [2]. К тому же, для того чтобы при сбое одного из компьютеров блок обеспечения боевого применения мог продолжать функционировать (хотя бы в аварийном режиме), архитектура ядра ALIS построена по принципу многопоточного клиент-сервера для распределенных вычислений [18].

Бортовая иммунная система

В оспариваемой тактической среде поддержание бортового иммунитета требует эффективного сочетания устойчивости, избыточности, разнообразия и распределенной функциональности. Вчерашняя боевая авиация не имела единой бортовой иммунной системы (БИС). Ее, авиации, БИС была фрагментирована и состояла из нескольких независимых компонентов. Каждый из них был оптимизирован для противостояния определенному узкому набору систем вооружения: баллистическим снарядам, ракетам, наводящимся на источник радиочастотного или электрооптического сигнала, лазерному облучению, радиолокационному облучению и т. д. При обнаружении атаки соответствующая БИС-подсистема автоматически активировалась и предпринимала контрмеры.

Компоненты вчерашней БИС были спроектированы и разработаны независимо друг от друга — разными подрядчиками. Поскольку эти компоненты, как правило, имели закрытую архитектуру, модернизация БИС — по мере появления новых технологий и новых систем вооружения — сводилась к тому, чтобы добавить еще один независимый БИС-компонент. Принципиальный недостаток такой фрагментированной БИС, содержащей независимые компоненты с закрытой архитектурой, заключается в том, что ее фрагменты не могут взаимодействовать между собой и не поддаются централизованной координации. Иначе говоря, они не могут общаться друг с другом и выполнять совместные операции, что ограничивает надежность и адаптивность всей БИС в целом. Например, если одна из иммунных подсистем выходит из строя или уничтожается, другие подсистемы не могут эффективно компенсировать эту потерю. Кроме того, фрагментированность БИС очень часто приводит к дублированию высокотехнологичных компонентов, таких как процессоры и дисплеи [8], что в условиях «вечно зеленой проблемы» сокращения SWaP (размеры, масса и энергопотребление) [16] — весьма расточительно. Неудивительно, что эти ранние БИС постепенно отживают свой срок.

На смену фрагментированным БИС приходит единая распределенная бортовая иммунная система, управляемая интеллектуально-когнитивным контроллером (ИКК). Он представляет собой специальную программу — бортовую центральную нервную систему, — функционирующую поверх входящих в БИС интегрированных подсистем. Эта программа объединяет все БИС-подсистемы в единую распределенную сеть (с общей информацией и общими ресурсами), а также связывает все БИС с центральным процессором и другими бортовыми системами [8]. Основой для такого объединения (в том числе с компонентами, которые будут разработаны в дальнейшем) является общепринятая концепция «система систем» (SoS) [3] — с такими отличительными характеристиками, как масштабируемость, общедоступная спецификация и открытая архитектура программно-аппаратного обеспечения.

ИКК имеет доступ к информации всех БИС-подсистем; его функция в том, чтобы сопоставлять и анализировать поступающую от БИС-подсистем информацию. ИКК постоянно работает в фоновом режиме, непрерывно взаимодействуя со всеми подсистемами БИС: идентифицируя каждую потенциальную угрозу, локализуя ее, и наконец, рекомендуя пилоту оптимальный набор контрмер (с учетом уникальных возможностей каждой из БИС-подсистем). Для этого ИКК использует передовые когнитивные алгоритмы [18—25].

Таким образом, у каждого самолета есть свой индивидуальный ИКК. Однако для достижения еще большей интеграции (и, как следствие, большей надежности) ИКК всех самолетов, участвующих в тактической операции, объединяются в единую общую сеть, за координацию которой отвечает ALIS [4]. Когда один из ИКК идентифицирует угрозу, ALIS просчитывает наиболее эффективные контрмеры, пользуясь информацией всех ИКК и поддержкой всех участвующих в тактической операции боевых единиц. ALIS «знает» индивидуальные особенности каждого ИКК и применяет их для реализации скоординированных ответных контрмер.

Распределенная БИС имеет дело с внешними (связанными с боевыми действиями противника) и внутренними (связанными с манерой пилотирования и эксплуатационными нюансами) угрозами. На борту истребителя F-35 за обработку внешних угроз отвечает система авионики, а за обработку внутренних — VRAMS (интеллектуальная система информирования о рисках, связанных с опасными для оборудования маневрами) [13]. Главная задача VRAMS (рис. 4) — расширить периоды эксплуатации самолета между сеансами необходимого технического обслуживания. Для этого в режиме реального времени VRAMS собирает информацию о работоспособности базовых бортовых подсистем (двигатель самолета, вспомогательные приводы, механические компоненты, электрические подсистемы) и анализирует их техническое состояние, учитывая такие параметры, как температурные пики, перепады давления, динамика вибраций и всевозможные помехи. На основе этой информации VRAMS дает пилоту заблаговременные рекомендации, каким образом действовать, чтобы самолет оставался в целости и сохранности. VRAMS «предсказывает», к каким последствиям могут привести те или иные действия пилота, а также дает рекомендации, как их избежать [13].

Рис. 4. Интеллектуальная система информирования о рисках, связанных с опасными для оборудования маневрами

Эталон, к которому стремится VRAMS, — нулевое обслуживание при сохранении сверхнадежности и пониженной структурной усталости. Для реализации этой задачи научно-исследовательские лаборатории работают над созданием материалов с «умной» структурой, которые будут способны эффективно функционировать в условиях нулевого обслуживания. Научные сотрудники этих лабораторий создают методы для обнаружения микротрещин и других предшествующих поломкам явлений, чтобы заблаговременно предотвращать возможные неисправности. Также ведутся исследования в направлении лучшего понимания феномена структурной усталости, чтобы с помощью полученных данных регулировать авиационные маневры для сокращения структурной усталости и продления срока полезного использования самолета [13]. В связи с этим интересно отметить, что около половины статей журнала

Advanced in Engineering Software посвящено анализу прочности и уязвимости железобетонных и других конструкций.

Передовая система авионики

Бортовой блок обеспечения боевого применения истребителя F-35 включает передовую систему авионики, которая призвана решить амбициозную задачу: исключить человеческий фактор из аналитической петли авионики и при этом обеспечить пилоту еще более качественную ситуационную осведомленность.

Вчерашние системы авионики содержали несколько независимых подсистем (управляющих инфракрасным и ультрафиолетовым сенсорами, радаром, сонаром, РЭБ и т. д.), каждая из них была оснащена собственным дисплеем. Из-за этого пилоту приходилось по очереди смотреть на каждый из дисплеев и вручную анализировать и сопоставлять поступающие с них данные. С другой стороны, сегодняшняя система авионики, — которой, в частности, оснащен истребитель F-35, — представляет все ранее разрозненные сведения как единый ресурс, на одном общем дисплее. Таким образом, современная система авионики — это интегрированный сетецентрический комплекс слияния данных, обеспечивающий пилоту наиболее эффективную ситуационную осведомленность и избавляющий от необходимости совершать сложные аналитические расчеты. В результате, благодаря исключению человеческого фактора из аналитической петли, пилот может не отвлекаться от основного боевого задания.

Одна из первых значительных попыток убрать человеческий фактор из аналитической петли авионики реализована в кибер-инфраструктуре F-22. На борту этого истребителя за качественное склеивание поступающих от всевозможных сенсоров данных отвечает алгоритмически интенсивная программа, общий размер исходных кодов которой составляет 1,7 млн строк. При этом 90% кода написано на языке Ada. Однако современная система авионики, управляемая программой ALIS, которой оснащен истребитель F-35, продвинулась значительно дальше по сравнению с системой авионики истребителя F-22.

Прототипом ALIS послужило программное обеспечение F-22 (рис. 5). Однако за склеивание данных теперь отвечают не 1,7 млн строк кода, а 8,6 млн, причем подавляющая его часть написана на C/C++. Главная задача этого кода, алгоритмически интенсивного, — оценить, какая информация будет для пилота актуальной. В результате благодаря тому, что в картине театра боевых действий присутствуют только принципиально важные данные, пилот имеет возможность принимать более быстрые и более эффективные решения. Таким образом, современная система авионики, которой оснащен истребитель F-35, снимает с пилота аналитическое бремя и наконец-то разрешает ему просто летать [12].

Рис. 5. Авионика старого образца

Архитектура ядра ALIS

Резюмируя описание всех бортовых систем, можно сказать, что основные требования к ним сводятся к следующим тезисам: интегративность и масштабируемость; общедоступная спецификация и открытая архитектура; эргономичность и лаконичность; устойчивость, избыточность, разнообразие, повышенная отказоустойчивость и прочность; распределенная функциональность. Архитектура ядра ALIS — это комплексный ответ на все, столь разнообразные и амбициозные противоречивые требования, которые предъявляются к унифицированному ударному истребителю F-35.

Однако данная архитектура, как и все гениальное, проста. За ее основу взята концепция конечных автоматов, применение которой в рамках ALIS реализовано в том, что все компоненты бортового программного обеспечения истребителя F-35 имеют унифицированную структуру. В сочетании с архитектурой многопоточного клиент-сервера для распределенных вычислений [17] автоматное ядро ALIS отвечает всем вышеописанным противоречивым требованиям.

Подводя итог, можно отметить, что в оспариваемой тактической среде боевым превосходством обладают такие боевые единицы ВВС, чья бортовая киберинфраструктура эффективно сочетает устойчивость, избыточность, разнообразие и распределенную функциональность. ИКК и ALIS современной авиации отвечают этим требованиям. Однако степень их интеграции в перспективе будет расширена и до взаимодействия с другими армейскими подразделениями, тогда как сейчас эффективная интеграция охватывает лишь военно-воздушные силы.

Литература

1. Howard C. Avionics: ahead of the curve // Military & Aerospace electronics: Avionics innovations. 2013. Vol. 24. Iss. 6.
2. Tactical Software Engineering // General Dynamics Electric Boat. www.gdeb.com/careers/working_at_eb/eng_design/engineering_disciplines.html
3. Murphy A. The Importance of System-of-Systems Integration // Leading edge: Combat systems engineering & integration. 2013. Vol. 8. Iss. 2.
4. F-35: Combat Ready // Air Force. www.acc.af.mil/AirCombatCommandsF-35AProgram.aspx
5. Global Horizons // United States Air Force Global Science and Technology Vision. 3.07.2013.
6. Babcock C. Preparing for the Cyber Battleground of the Future // Air & Space Power Journal. 2015. Vol. 29. Iss. 6.
7. Thompson E. Common operating environment: Sensors move the Army one step closer // Army Technology: Sensors. 2015. Vol. 3. Iss. 1.
8. Calafut M. The future of aircraft survivability: Building an intelligent, integrated survivability suite // Army Technology: Aviation. 2015. Vol. 3. Iss. 2.
9. Howard C. Intelligent avionics. www.militaryaerospace.com/articles/print/volume-24/issue-02/special-report/intelligent-avionics.html
10. Fraioli S. A. Intelligence Support for the F-35A Lightning II // Air & Space Power Journal. 2016. Vol. 30. Iss. 2.
11. Howard C. E. Video and image processing at the edge // Military & Aerospace electronics: Progressive avionics. 2011. Vol. 22. Iss. 8.
12. Howard C. Combat aircraft with advanced avionics // Military & Aerospace electronics: Avionics. 2014. Vol. 25. Iss. 2.
13. Miller B. Focus on rotorcraft: Scientists, researchers and aviators drive innovation // Army Technology: Aviation. 2015. Vol. 3. Iss. 2.
14. Tactical Software Engineering // General Dynamics Electric Boat. www.gdeb.com/careers/working_at_eb/eng_design/engineering_disciplines.html.
15. Broad Agency Announcement Hierarchical Identify Verify Exploit (HIVE) Microsystems Technology Office DARPA-BAA-16-52. August 2, 2016.
16. Howard C. Data in demand: answering the call for communications // Military & Aerospace electronics: Wearable Electronics. 2016. Vol. 27. Iss. 9.
17. Карев А. А. Аппаратные компоненты бортовой МПС унифицированного ударного истребителя F-35 // Компоненты и технологии. 2016. № 11.
18. Vallverdu J. A cognitive architecture for the implementation of emotions in computing systems // Biologically Inspired Cognitive Architectures. 2016. № 15.
19. Johnson B. K. Dawn of the Cognetic: Age Fighting Ideological War by Putting Thought in Motion with Impact // Air & Space Power Journal. 2008. Vol. 22. Iss. 1.
20. Latour S. M. Emotional Intelligence: Implications for All United States Air Force Leaders // Air & Space Power Journal. 2002. Vol. 16. Iss. 4.
21. Broad Agency Announcement: Explainable Artificial Intelligence (XAI) DARPA-BAA-16-53, 2016.
22. Benson J. Cognitive science research: Steering soldiers in the right direction // Army Technology: Computing. 2015. Vol. 3. Iss. 3.
23. Araujo D. Cognitive computers primed to change the Air Force acquisition landscape. www.af.mil/News/ArticleDisplay/tabid/223/Article/6n945/cognitive-computers-primed-to-change-the-air-force-acquisition-landscape.aspx
24. Albus J. S. RCS: A cognitive architecture for intelligent multi-agent systems // Annual Reviews in Control. 2005. Vol. 29. Iss. 1.
25. Карев А. А. Синергия доверия // Практический маркетинг. 2015. № 8.
26. Карев А. А. Многопоточный клиент-сервер для распределенных вычислений // Системный администратор. 2016. № 1-2.