مدرن‌سازی سیستم ناوبری مبتنی بر GPS/INS

شرکت نورث‌روپ گرومن سال گذشته از سوی نیروی هوایی ارتش ایالات متحده به عنوان مجری برنامه مدرن‌سازی سیستم تلفیقی GPS/INS (با نام مختصر EGI-M^[1]) انتخاب شد. بر این اساس شرکت نورث‌روپ گرومن با دریافت اعتبار 59 میلیون دلاری باید یک سیستم مدرن ناوبری مبتنی بر GPS و INS برای جنگنده F-22 (رپتور) و هواپیمای هشدار اولیه E-2 (هاوکی) توسعه دهد.

برنامه EGI-M با هدف ساخت یک سیستم ناوبری با معماری باز برای پاسخگویی به قابلیت‌های آینده نیروی هوایی ایالات متحده تنظیم شده است. این سیستم ناوبری باید با سیگنال‌های GPS نظامی یا M-Code سازگاری کامل داشته باشد. همچنین سیستم با دستورالعمل‌های اعلام شده از سوی FAA برای سامانه ADS-B نیز سازگار خواهد بود.

در واقع EGI-M یک نسخه ارتقاء یافته از سیستم ناوبری تلفیقی اینرسی و GPS شرکت‌های هانی‌ول و نورث‌روپ گرومن خواهد بود که EGI نام دارد. این سیستم که از اواخر دهه 1990 میلادی عرضه شد، با ترکیب داده‌های ناوبری حسگرهای اینرسی و GPS، مجموعه‌ای از اطلاعات ناوبری را با دقت بالا تولید می‌کند. در مناطقی که سیگنال GPS به هر دلیلی در دسترس نباشد، سیستم‌ می‌تواند اطلاعات ناوبری را با دقت بالا برای مدت زمان طولانی فراهم کند.

آقای دین ایبرت مدیر بخش سیستم‌های ناوبری شرکت نورث‌روپ گرومن در رابطه با اجرای این پروژه می‌گوید: «برنامه EGI-M ما را یک گام به سمت دستیابی به یک سیستم مدرن و دقیق موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی (^[2]PNT) نزدیک می‌کند. همچنین این سیستم می‌تواند در شرایط عدم وجود سیگنال GPS، سرویس‌های ایمن PNT را برای نیروهای نظامی فراهم کند.»

سیستم ناوبری تلفیقی EGI شرکت هانی‌ول یا نام تجاری H764 و لیست اطلاعات خروجی‌ آن

سیستم EGI-M دارای سه قابلیت مهم خواهد بود؛ اولین مورد استفاده از یک گیرنده جدید GPS با توانایی رمزگشایی M-Code است که توانایی دستگاه را در محیط‌های عملیاتی مختلف افزایش می‌دهد. مورد دوم بهره‌گیری از یک روش زمان‌بندی مقاوم جدید (بدون اتکا به سیستم زمان‌سنجی GPS) است که می‌تواند در شبکه‌های هواپیما و الزامات زمان‌بندی زیرسیستم‌ها استفاده شود. سومین مورد نیز مربوط به سازگاری آن با استانداردهای DO-178 و DO-254 است که با پشتیبانی از گواهینامه‌های ایمنی، امکان استفاده از دستگاه را در فضاهای کنترل‌شده غیرنظامی فراهم می‌کند.

اوایل سال 2020 میلادی نورث‌روپ گرومن اعلام کرد قصد دارد از سیستم‌عامل بلادرنگ INTEGRITY-178 شرکت گرین هیلز برای سیستم مذکور استفاده کند. بر اساس اطلاعات منتشر شده، این نسخه از سیستم‌عامل که توانایی پشتیبانی از پردازنده‌های چند هسته‌ای را دارد، روی پردازشگر چهار هسته‌ای ARM Cortex A53 نصب خواهد شد. استفاده از این سیستم‌عامل به طراحان شرکت این امکان را می‌دهد تا با پارتیشن‌بندی نرم‌افزار، ضمن افزایش کارایی و کاهش احتمالات بروز خرابی در سیستم، الزامات مربوط به گواهینامه DO-178C را نیز برآورده کنند.

نیروی هوایی از طراحان نورث‌روپ گرومن خواسته است علاوه بر طراحی بر اساس سیستم‌های معماری باز، امنیت را نیز مورد توجه قرار دهند. بر همین اساس نورث‌روپ گرومن معتقد است که استفاده از INTEGRITY-178 می‌تواند ضمن برآورده‌سازی اهداف عملکردی سیستم، شرایط را برای دریافت گواهینامه MSO-C145 (سند نظامی به منظور تعیین کارایی مورد نیاز برای حسگرهای ناوبری هواپیما) تسهیل کند.

طراحی نرم‌افزار EGI-M از اصول معماری ماژولار پیروی خواهد کرد و با ارائه یک کیت توسعه نرم‌افزار (SDK)، به شرکت‌های ثالث این امکان را می‌دهد تا برنامه‌های PNT خود را در EGI-M توسعه دهند. این برنامه کاربردی در یک پارتیشن مجزا قرار می‌گیرد تا با حفظ ایزولاسیون از نرم‌افزارهای مربوط به توابع حیاتی ناوبری، ایمنی سیستم را حفظ کنند.

سیستم‌عامل INTEGRITY-178 در رابطه با نحوه پارتیشن‌بندی هسته‌ها و اشتراک‌گذاری منابع سخت‌افزاری بین اپلیکیشن‌ها از رویکردهای مختلفی (tuMP^[3]) استفاده می‌کند. به عنوان مثال از روش‌های مدیریت هسته‌ها توسط این سیستم‌عامل می‌توان به AMP، SMP و BMP اشاره کرد. در روش AMP (چند پردازشی نامتقارن) هر هسته به‌طور مستقل عمل می‌کند. به عبارت دیگر در این معماری هر هسته یک سیستم‌عامل مختص به خود یا یک سیستم‌عامل مهمان قرار گرفته روی هایپروایزر اصلی را دارد. هر هسته یک اپلیکیشن متفاوت را اجرا می‌کند و هماهنگی محدودی بین هسته‌ها از لحاظ زمان‌بندی‌ها وجود دارد.

روش SMP (چندپردازشی متقارن) در مقایسه با AMP رویکرد مدرن‌تری را ارائه می‌دهد بطوریکه که در آن یک سیستم‌عامل واحد، تمام منابع را کنترل کرده و حتی تعیین می‌کند هر رشته پردازشی (thread) از یک اپلیکیشن روی کدام هسته‌ اجرا شود. برنامه‌ریزی این معماری به دلیل دسترسی متقارن تمام هسته‌ها به منابع، آسان خواهد بود. روش BMP یک شکل پیشرفته و محدود از SMP است که به‌طور ایستا وظایف یک اپلیکیشن را به هسته‌های خاص متصل می‌کند. این مورد به معمار سیستم اجازه می‌دهد تا عملکرد همزمان چند هسته را به شدت تحت کنترل داشته باشد.

آقای دین ایبرت در رابطه با ملاک‌های انتخاب این سیستم‌عامل برای پروژه EGI-M می‌گوید: «بدون در نظر گرفتن یک راهکار کلی برای مواجهه با بحث تداخلات چندهسته‌ای، ما باید مکان و زمان برنامه‌هایی که همزمان روی هسته‌های مختلف پردازنده اجرا می‌شوند را به‌طور دستی و محاسباتی تنظیم کنیم. در چنین شرایطی امکان اضافه کردن اپلیکیشن PNT به سیستم توسط شرکت‌های دیگر وجود ندارد، زیرا زمان‌بندی‌ها کاملا بهم ‌ریخته و منجر به خرابی کل سیستم می‌شود. اما سیستم‌عامل INTEGRITY-178 به ما این امکان را می‌دهد تا مقدار منابع روی هر هسته را با توجه به نیاز اپلیکیشن‌های روی آن به‌صورت خودکار تنظیم کنیم و مطمئن باشیم اجرای همزمان اپلیکیشن‌ها اختلالی در دسترسی به منابع مشترک ایجاد نمی‌کند.»

هرچند هدف اصلی توسعه EGI-M، استفاده از آن در جنگنده رپتور و هواپیمای هاوکی است، اما شرکت اعلام کرده است توسعه سیستم به گونه‌ای است که می‌تواند روی سایر پلتفرم‌های هوایی نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرد و احتمالا شرایط برای فروش آن به کشورهای دیگر نیز فراهم باشد. بر اساس قرارداد تنظیم شده برای این پروژه، سیستم ناوبری اینرسی رپتور از LN-100 به LN-300 و سیستم ناوبری اینرسی E-2 از LN-251 به LN-351 ارتقاء پیدا خواهد کرد.

نورث‌روپ گرومن هم اکنون در مرحله طراحی جزئیات نرم‌افزار و سخت‌افزار EGI-M است و انتظار می‌رود این بخش از پروژه تا پایان سپتامبر 2020 به پایان رسد. طبق برنامه‌ اعلام شده محصول نهایی پروژه تا پایان سال 2021 میلادی به نیروی هوایی ارتش ایالات متحده تحویل داده خواهد شد.