Состояние и перспективы развития вычислительных систем и проектных технологий их создания

2.4. Обобщенная архитектура БЭО и элементная база БВС перспективных самолетов пятого поколения F-22

К ключевым технологиям, на основе которых реализована авионика самолета F-22, можно отнести:

• микроэлектронную технологию (технологии VHSIC, MIMIC и др., см. рис. 1.1);
• сетевую технологию на основе высокоскоростных каналов передачи информации (High Speed Data Bus), использующих в качестве физической среды ВОЛС;
• технологию построения интегрированных процессоров обработки сигналов и данных CIP (Common Integrated Processor) и их программирования.

В соответствии с концепциями программы Pave Pillar комплекс БЭО самолета F-22 состоит из комплексных систем выполнения боевых задач, управления датчиками и управления самолетом.

Комплексная система выполнения боевых задач состоит из:

• системы связи, навигации и опознавания ICNIA;
• системы электронной борьбы INEWS;
• системы выполнения полета в автоматическом режиме следования рельефу местности или в режиме облета препятствий с изменением высоты и курса;
• системы управления оружием;
• системы контроля оборудования.

Комплексная система управления датчиками состоит из:

• системы обработки сигналов;
• системы связи с передачей кодированных данных;
• интерфейса объединенной системы распределения тактической информации JTIDS, РЛС, AGP-77;
• инфракрасной системы поиска, обнаружения и сопровождения целей IRST.

Комплексная система управления самолетом состоит из систем отображения данных для летчика и управления самолетом, силовой установкой и электропитанием.

Эти три системы комплексируются на основе волоконно-оптической шины с частотой передачи информации 50 МГц. В структуре шины предусмотрены системное запоминающее устройство и шина передачи данных блоками для предотвращения потери данных или программ, имеющих решающее значение при выполнении боевых задач, и обеспечения возможности местного использования процессоров. Предусматривается перераспределение вычислительных ресурсов между системами выполнения боевых задач, управления датчиками, а также между подсистемами в пределах каждой из этих систем. Преобразование из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую в системах выполняется общими дистанционными терминалами.

Обработка сигналов и данных от датчиков на самолете F-22 осуществляется двумя интегрированными процессорами CIP, объединенными быстродействующей волоконно-оптической шиной. Каждый процессор представляет собой реконфигурируемую, наращиваемую вычислительную сеть из модулей процессоров обработки сигналов, данных и графики (видеопроцессоров). Предусмотрена возможность установки третьего CIP.

Физически CIP представляет собой стойку с быстросменными модулями семи типов, подключаемых к одинаковым объединительным платам с использованием стандартных разъемов. Объединительная плата обеспечивает подключение 66 стандартных модулей. Примерно 20 из 66 разъемов объединительной платы в каждом CIP свободны, что обеспечивает возможность наращивания вычислительного потенциала CIP или повышения надежности за счет вводимого аппаратурного резерва. Габариты платы составляют 540?350?25,5 мм.

Модуль процессора обработки данных реализован на основе микропроцессора Intel i960:

• архитектура: RISC;
• быстродействие: 30 млн. опер/сек (MIPS);
• разрядность: 32;
• габариты модуля: 152x152x15,2 мм.

Модуль процессора обработки сигналов на основе процессора TMS 320С50:

• быстродействие: 40 млн. опер/сек;
• разрядность: 32;
• габариты модуля: 152x152x15,2 мм.

Общая пиковая производительность бортовой вычислительной системы самолета F-22 достигает 10 млрд. опер/с при 300 Мб памяти. Программное обеспечение полета хранится в закодированном виде на кассете передачи данных, с которой вся информация считывается непосредственно перед выполнением боевого задания. Эта операция осуществляется летчиком.

На самолете F-22 реализована концепция, согласно которой летчик выступает в роли руководителя процесса выполнения боевой задачи. Комплекс БЭО работает в автоматическом режиме и осуществляет обнаружение и идентификацию целей, отображение информации о них, выработку рекомендаций для наиболее важных действий летчика, позволяя ему целиком сосредоточиться на ведении воздушного боя, что в совокупности позволяет формировать в темпе реального времени так называемое виртуальное пространство.

Это пространство создается на базе нескольких составляющих:

• для каждого полета на магнитооптическом носителе (диске) готовится база данных обо всех возможных маршрутах полета, трехмерное изображение местности, вся информация о целевой обстановке, средствах противовоздушной обороны и так далее;
• в ходе полета текущая информация, получаемая от локаторов, оптических, навигационных систем, накладывается на априорную информацию;
• внешние данные от других истребителей группы и интегрированных с истребителями пятого поколения разведывательных систем, таких как Е-3 и Е-8;
• все процессы обнаружения и наведения рассматриваются в групповом взаимодействии, появляются элементы управления воздушным движением над полем боя (например, один из самолетов может играть роль командного пункта, а остальные - действовать в режиме радиомолчания).

В совокупности все это и формирует для летчика виртуальное пространство. В результате летчик всегда видит на одном экране в трехмерном изображении где он находится по отношению к местности и зонам ПВО, на другом отображается картина боевых действий.

Таким образом, главным качественным моментом в самолете F-22, ставшем прототипом самолета пятого поколения, является высочайшая корреляция между разведкой и выполнением ударных задач, которая создает разведывательно-ударный комплекс, работающий в реальном масштабе времени.

Информационное поле кабины самолета F-22 включает шесть цветных жидкокристаллических индикаторов: один основной многофункциональный индикатор с размерами экрана 203х203 мм, три дополнительных многофункциональных индикатора с размерами экранов 150х150 мм, два индикатора с размерами экрана 75?100 мм, расположенных в верхней части приборной панели, а также индикатор на лобовом стекле (ИЛС).

Системы самолета F-22 отвечают тем же требованиям отказоустойчивости, как и его планер, ни один отказ не должен вывести из строя самолет. Модули диагностики и контроля, обеспечивающие такую устойчивость, включают запасные каналы, независимые источники питания, резервные контроллеры и гарантируют, что потребуется несколько двойных отказов, чтобы самолет F-22 мог быть выведен из строя.

Во время полета реакция на отказы систем является автоматической, так, например, при нарушении работы двигателя или его остановке предусмотрен автоматический повторный запуск.

Комплексная система предупреждения, выдачи рекомендаций и оповещения предназначена для обеспечения летчика информацией о том, каким образом отказы могут повлиять на выполнение боевой задачи. После появления предупредительного сообщения, на индикаторе, расположенном внизу, будет отображен перечень возможных операций реагирования на аварийную ситуацию, после чего летчик может подтвердить их нажатием кнопки и система БЭО все выполнит сама. Система спроектирована таким образом, чтобы воспроизвести информацию о вторичных эффектах отдельных отказов так, чтобы одно предупредительное сообщение потребовало бы одного действия.

Самолет F-22 легок в управлении, поскольку в ходе разработки по возможности были учтены все пожелания в отношении характеристик управляемости. Концепция "сохранения беззаботности", лежащая в основе системы управления полетом этого самолета, означает, что летчику не придется беспокоиться о потере управления, превышении допустимых перегрузок и т. п., кроме ведения контроля наличия тяги.

Из приведенных данных видно, что развитие БЭО авиации США ориентировано на переход от прямого к директивному управлению сложными технотронными комплексами, в рамках которого пилот задает только цели и режимы функционирования бортовых систем и всего ЛА. Реализация поставленных целей и оптимизация режимов работы всех систем ЛА возлагается на БВС.

2.5. Особенности разработки БЭО самолета F-35

Отправной точкой итерационного процесса разработки комплекса БЭО самолета JSF (рис. 2.3), начатого фирмой Texas Instruments совместно с фирмами Honeywell, TRW и Litton в рамках НИР AVSEP, стал комплекс БЭО самолета F-22. Он был подвергнут критическому анализу и корректировке с позиции максимального удовлетворения тактико-технических требований к самолету JSF при снижении стоимости жизненного цикла для обеспечения заданного уровня "доступности" как основному критерию, соответствующему общей идеологии программы JSF.

увеличить изображение
Рис. 2.3. Общая архитектура БЭО самолета F-35

Техническая стадия исследования основывалась на математическом и полунатурном моделировании комплекса БЭО и всех процессов его функционирования. Ключевая роль принадлежала здесь моделированию процессов управления самолетом как боевым авиационным комплексом, реализованному с помощью специально созданного стенда. Используя виртуальный (математически моделируемый на компьютере) прототип комплекса БЭО, исследовательская группа, выполнявшая НИР AVSEP, могла без труда и особых затрат времени провести, например, параметрический анализ влияния разрешающей способности работы РЛС в режиме синтезированной апертуры на стоимость жизненного цикла и эффективность разрабатываемого изделия. При проведении такого исследования было установлено, что снижение степени разрешения с 0,3 до 0,9 м не сказывается на снижении боевых возможностей самолета как одной из составляющих комплексного показателя доступности. В то же время изменение разрешающей способности РЛС в этом диапазоне оказывает влияние на стоимость, также явл яющуюся одной из составляющих данного критерия.

Принципиальным отличием БЭО JSF "версия 1" от исходной точки процесса, "обозначенной" комплексом БЭО самолета F-22, является интеграция отдельных элементов БЭО не только в пределах систем близкого функционального назначения, но и в пределах совокупности систем, близких по частотному полю своего функционирования. Это прежде всего относится к комплексу интегрированных радиочастотных систем, получившему обозначение MIRFS (Multi-function Integrated RF Systems).

Интегрированный комплекс MIRFS объединяет в себе такие функциональные радиочастотные системы, как радиолокационная обзорно-прицельная система, радионавигационные системы, система радиосвязи, система госопознавания, система радиоэлектронного противодействия, система радиотехнической разведки.

При этом используются два "уровня" интеграции: на уровне приемопередающих антенных устройств (апертур) и на уровне блоков предварительной обработки информации.

Система MIRFS имеет несколько самостоятельных апертур, одна из которых, получившая обозначение MFA (Multi-function Mouse Aperture), является общей апертурой радиолокационной обзорно-прицельной системы и системы радиолокационного противодействия, выполненной в виде активной фазированной антенной решетки (АФАР).

Более широкая интеграция радиочастотных систем осуществляется на уровне программной обработки информации в рамках комплексной системы, получившей обозначение ISS (Integrated Sensor Systems). Эта система характеризуется самими разработчиками как аналоговый эквивалент цифрового процессора решения технических задач, выполняющий предварительную обработку и интеграцию информации, поступающей от апертуры MFA и всех остальных антенн.

Наличие такой системы позволяет, в частности, вести полномасштабное использование информации от внешних источников. Так, первичная информация обзорно-прицельной системы одного самолета JSF о наблюдаемой цели может передаваться на борт другого самолета JSF, выполняющего полет в режиме радиомолчания, и обрабатываться в полном объеме, как если бы она была получена собственной РЛС этого самолета.

Также в комплексе обзорно-прицельных систем, помимо традиционной оптоэлектронной обзорно-прицельной системы (SASSY Shared Aperture Sensor System), предполагается использование еще одной системы, получившей название DAIRS (Distribute-Aperture IR System). Она представляет собой комплексную функциональную систему из шести миниатюризированных станций типа IRST, датчики которых расположены в разных местах самолета таким образом, что обеспечивают полный пространственный обзор. Эта система рассматривается как новый тип системы предупреждения летчика об угрозе. Она обеспечивает полное ситуационное осведомление пилота самолета обо всем, что происходит в окружающем пространстве, включая и предупреждение о приближении ракет.

Данные от систем комплекса MIRFS, DAIRS и бортовых систем обрабатываются программным обеспечением и представляются пилоту как виртуальное тактическое пространство на многофункциональном дисплее, расположенном на приборной панели. Нашлемная система индикации проецирует ИК-изображение с данными о текущей тактической и полетной обстановке на визир пилоту, обеспечивая при этом широкий угол зрения при обзоре целей. Повернув голову в любом направлении, летчик видит сквозь конструкцию самолета, пыль, дым и темноту воздушное пространство в направлении взгляда.

Еще одно отличие комплекса БЭО JSF "версия 1" от исходной точки, обозначенной архитектурой БЭО самолета F-22, связано с интегрированным процессором IСP (Integrated Core Processor). Рассматриваемый как дальнейшее развитие системы CIP, реализованной на самолете F-22, этот процессор отличается большой степенью интеграции. Его отличительной особенностью является также использование коммерческих стандартов на основные модули вычислительного ядра системы.

Основными элементами интегрированного процессора ICP являются:

• реконфигурируемая, наращиваемая сеть процессоров, реализующих функции обработки сигналов и данных;
• высокоскоростная шина информационного обмена вычислительных модулей с комплексами радиочастотных и оптоэлектронных систем, а также с управляющим информационным полем кабины пилота;
• обычные шины информационного обмена вычислительного ядра системы ICP с бортовыми системами самолета.

Конструктивно ICP размещается на самолете в двух стойках, в которых находится соответственно 23 и 8 слотов. Производительность ICP предварительно оценивается:

• по обработке данных: 40,8 млрд. оп/с (GOPS);
• по обработке сигналов: 75,6 млрд. оп/с с плавающей запятой (GFLOPS);
• по обработке графики: 225,6 млрд. оп/с типа умножения с накоплением (GMACS).

Интегрированный процессор включает в себя 22 модуля семи типов:

• 4 модуля процессоров обработки данных общего назначения;
• 2 программируемых универсальных модуля ввода-вывода данных общего назначения;
• 2 модуля сигнальных процессоров;
• 5 программируемых универсальных модулей ввода-вывода сигналов;
• 2 модуля видеопроцессоров;
• 2 модуля переключателей (коммутаторы);
• 5 блоков обеспечения питания.