Состояние и перспективы развития вычислительных систем и проектных технологий их создания
2.3. Концептуальное развитие программ создания перспективного бортового электронного оборудования (БЭО) в США
Как показывает предыдущий опыт, наиболее перспективные и получившие дальнейшее продолжение технические решения были найдены тогда, когда к разрабатываемым вычислительным системам предъявлялись наиболее экстремальные, а нередко и взаимно исключающие требования. Традиционными лидерами в этой части были и остаются БВС, требования к которым вырабатываются системными аналитиками на основе анализа "сценария" в данном случае боевого применения различных родов войск и видов вооруженных сил. Поэтому чтобы определить по крайней мере ближайшие перспективы развития средств вычислительной техники, вполне достаточно проанализировать военные программы, где лидером являются США.
В соответствии с действующими требованиями командований Военно-воздушных сил (ВВС), Военно-морских сил (ВМС) и Сухопутных войск (СВ) США перспективный комплекс БЭО должен обеспечивать экипажу:
- полную ситуационную осведомленность (предоставлять информацию о тактической, навигационной, радиоэлектронной обстановке и техническом состоянии бортовых систем);
- возможности ранжирования целей по приоритетам;
- автоматическое обнаружение и подавление радиоэлектронных средств (РЭС) противника;
- помощь в принятии решения о поражении или обходе наиболее опасных целей;
- автоматизированное управление режимами излучения бортовых РЭС для обеспечения малой заметности самолета.
Таким образом, основные требования к архитектуре и структурной организации перспективной БВС можно сформулировать следующим образом. БВС должна:
- предоставлять требуемые ресурсы и обеспечивать решение всех задач БЭО в полном объеме;
- обеспечивать заданную надежность выполнения всех функций БЭО;
- обеспечивать высокий уровень ремонтопригодности и технического обслуживания;
- обеспечивать для различных БЭО общность аппаратных средств;
- обеспечивать независимость программ от используемых аппаратных средств;
- обладать способностью развития и адаптации, которая должна базироваться на открытых стандартах и технологиях;
- допускать возможность поэтапной разработки бортового комплекса;
- быть реализуема на момент разработки, то есть все предлагаемые технические решения должны быть реализуемы с технической точки зрения;
- иметь минимальную (или не превышающую заданной величины) стоимость разработки;
- отвечать требованиям информационной безопасности и технологической независимости.
В современных условиях эти требования удовлетворяются за счет применения следующих технологий и технических решений, в которых:
- четко выделено ядро БВС, что обеспечивает общность используемых на различных самолетах аппаратных и программных средств;
- гибкие средства виртуального прототипирования используются начиная с самых ранних этапов разработки БЭО, что обеспечивает наивысшую гибкость и управляемость проектов при минимизации стоимости внесения изменений и анализе различных вариантов построения системы;
- глубокая функциональная интеграция и высокоинтегрированные средства обработки информации эффективно поддерживают выполнение несвязанных или слабосвязанных между собой задач в мультипрограммном режиме;
- использованы вычислительные системы с открытой, масштабируемой, модульной архитектурой, построенной на основе сетевой технологии с применением ВОЛС, коммерческих компонент и стандартных интерфейсов;
- высокоскоростные коммутирующие технологии поддерживают высокопроизводительные и высоконадежные интегрированные процессоры;
- средства встроенного контроля и средства изоляции ошибок эффективно поддерживают восстановление вычислительного процесса при появлении отказов и сбоев;
- использованы развитая технология программирования и эффективные инструментальные средства, а также стандартизация интерфейса прикладных программ;
- широко использованы коммерческие технологии и компоненты. Последние 10-20 лет за рубежом характеризуются завершением
крупных научно-технических программ [7] (DAIS, PAVE PILLAR и другие), которые в конечном итоге регламентировали принципы организации территориально-распределенной, неоднородной, многопроцессорной, бортовой вычислительной системы с "фиксированным" распределением реализуемых задач, но с определенными возможностями к ее реконфигурации на аппаратном уровне (рис. 2.2).
В результате выполнения данных программ научных исследований был получен ответ на глобальный вопрос о возможности повышения эффективности и качества функционирования БЭО и без усложнения его архитектуры, повышения надежности его функционирования и снижения стоимости технического обслуживания. Вместе с тем сохраняется обязательность требований к возможностям модификации и масштабируемости (модульном наращивании) БЭО, то есть добавления в его состав новых подсистем, которые могли бы быть разработаны в будущем, что должно происходить с минимальными затратами.
Искомое решение сформировалось не столько в области повышения технических характеристик, качества и эффективности функционирования отдельных элементов БЭО, сколько в области поиска новых концепций и возможных подходов к разработке архитектур БЭО для перспективных ЛА на основе следующих постулатов:
- функциональный анализ подсистем бортового оборудования показал, что может быть сформировано семейство устройств, получивших название унифицированных модулей (common modules), с помощью которых может быть реализовано более 90 % программируемых и аппаратных функций БЭО, при этом проводится линия их глубокой унификации;
- современный уровень развития электронных технологий позволяет реализовать отдельный общий модуль в виде одной или нескольких СБИС, а вычислительные средства функциональных подсистем могут реализоваться из той или иной совокупности общих модулей;
- те функции, которые не покрываются семейством общих модулей, реализуются посредством специализированных устройств, но таких специализированных модулей немного;
- программное обеспечение БЭО необходимо продолжать строить по модульному принципу из общих и специализированных программных модулей;
- техническое обслуживание организуется на основе сменных блоков LRU (Line Replacable Unit), при этом в качестве единицы "физической" архитектуры был выбран общий унифицированный модуль, который, таким образом, одновременно и является LRU;
- помимо введенных различий функциональной и конструктивной архитектур БЭО, на системном уровне предлагается также рассматривать еще и информационную архитектуру, а также архитектуру управления. Результаты, полученные в процессе выполнения программы Pave
Pillar, широко использовались при разработке авионики самолетов, создаваемых по программе ATF ( F-22 ). Архитектура БЭО самолета F-22, несомненно, может рассматриваться как наиболее совершенная в части использования решений и технологий существующих вычислительных средств и является базой и отправной точкой для дальнейших работ по совершенствованию архитектурного построения авионики боевых самолетов следующего поколения.
В настоящее время программа Pave Pillar трансформировалась в программу Pave Pace, основной целью которой является разработка действительно высокоинтегрированной модульной системы БЭО следующего поколения самолетов на основе перспективных технологий. Результаты данных исследований являются основой проектирования перспективного БЭО ЛА следующего поколения, в том числе и JSF [8-10] (Joint Strike Fighter).
Работы по совершенствованию технологий авионики были начаты еще до начала программы JSF, когда в конце 1991 г. фирме Texas Instruments был выдан контракт на проведение НИР Avionics Virtual Systems Engineering and Prototyping ( AVSEP ). Эта НИР не только послужила началом широкомасштабного процесса исследований, но стала также "стержневым элементом" всего этого процесса, определив ряд методических положений, получивших развитие в последующих работах. Результаты НИР AVSEP были использованы отделом программы JSF для развертывания широкого круга работ, общая характеристика которых дана в табл. 2.1.
Первое положение НИР AVSEP связано с признанием принципа модульности как основного подхода к обеспечению более высокого уровня функциональной интеграции систем БЭО. Как было определено в НИР AVSEP, основными интегральными компонентами комплекса БЭО самолетов типа JSF должны стать:
- единое для всех вариантов самолетов центральное "вычислительное ядро" комплекса БЭО, включая интегрированную многофункциональную апертуру;
- специализированный для каждого варианта самолета комплекс аппаратных средств БЭО, в том числе специализированные антенны и информационные датчики;
- программное обеспечение модульной структуры, рассчитанное на перепрограммируемость модулей, связанных с выполнением специфических функций, различающихся для разных вариантов самолетов.
При этом общей целью использования принципа модульности стало обеспечение трех функционально-технических характеристик БЭО:
- унифицируемость (за счет использования общих аппаратных и программных модулей обеспечивается 90%-ная унификация БЭО различных вариантов самолетов);
- гибкость (независимость программного обеспечения от аппаратной части позволяет модернизировать и переконфигурировать бортовую вычислительную систему без дорогостоящего перекодирования программного обеспечения);
- модифицируемость (за счет открытости архитектуры комплекса БЭО обеспечивается возможность изменения состава специализированных модулей комплекса, позволяющая удовлетворить специфические требования к различным вариантам самолетов).
Реализация этих функционально-технических характеристик имеет непосредственное влияние и на стоимость БЭО. Так, за счет функционально-технической гибкости БЭО появилась возможность использования на самолетах типа JSF программного обеспечения, соз данного для самолета F-22, что позволяет существенно снизить стоимость разработки комплекса БЭО нового самолета. Функциональная интеграция компонентов БЭО позволяет сократить число и размеры модулей, снизив при этом общую стоимость их изготовления и обслуживания.
Приведенные данные говорят об эволюционном характере становления проектной технологии прототипирования, ориентированных на создание сложных технотронных комплексов двойного назначения не только по конечному продукту, но и по инструментальным средствам поддержки самой технологии.