预警卫星情报处理系统效能评估*

李文杰，闫世强，江 晶，王成良

（空军预警学院，武汉 430019）

0 引言

情报处理系统是预警卫星地面站系统的重要组成部分，其任务是接收预警卫星下传的红外图像情报数据，高速完成存储、处理、分析和显示等一系列操作，实时检测和跟踪初始段弹道导弹目标。未来，伴随着预警卫星的部署规模增大、单星探测分辨率增加和红外波段数的不断扩展，系统面临着海量情报处理的巨大压力，因此，科学地评估预警卫星情报处理系统的效能，对于分析预警卫星的探测能力具有重要意义。

1 预警卫星情报处理系统任务需求

预警卫星情报的数据流程如图1所示。预警卫星对探测区域进行全天候监视，对目标和背景辐射信息进行实时探测，探测情报信息经中继卫星或直传至地面站，情报处理系统通过协调数据存储资源和集群计算资源，完成目标检测、发现、跟踪和弹道估计等一系列工作，并将结果输出至指控终端［1］。

预警卫星情报处理系统由系统应用软件、数据存储资源、集群计算资源和显示终端组成，主要任务包括以下4个方面:实时接收卫星下传的海量红外图像和参数信息；负责进行情报信息的存储、管理和备份工作；负责进行情报处理与分析，实时检测、发现和跟踪弹道导弹等红外目标，并对弹道进行估计［2］；组织开展相关应用与研究。

根据预警卫星海量情报处理系统的任务，具体分析完成任务过程中的各项需求，总结如下:

1）系统需要大容量的存储设备保存海量的卫星情报数据，包括数年间的探测数据以及备份，同时具备较高的处理速度。

2）系统需要强大的处理能力以确保情报处理和分析速度，要求系统具备低延时、高带宽、高精度、低误码率的特性。

3）系统具备较高检测概率、较低的虚警率，并且能同时探测多个目标，具备较高的饱和条件和良好的系统稳定性。

4）系统应具备较好的可扩展和高效运行能力，以适应不断增大的情报数据量和任务需求。

5）系统应具备良好的可靠性，具备全天候正常工作和故障时短时间恢复系统功能的能力。

2 构建效能评估指标

2.1 效能指标选取原则

效能评估指标应尽量全面地反映评估对象的主要方面，效能评估指标越全面，评估结果就越客观、越合理、但过多的指标就会增加评估的复杂度和难度，因此，效能指标的选取应遵循以下原则［3］:

1）最简性。即在基本满足评估要求和给定作战任务需求的基础上，尽量确立较少的关键指标。

2）可测性。即尽量选择容易定量计算的指标和容易准确确定的关键指标，这样既能减少评估的复杂性，又可以提高决策的科学性，降低主观随意性。

3）客观性。即指标能逼真地与被评估系统发生联系，较真实地反应在作战需求下被评估系统的各项性能、特征和性质。

4）完备性。即各指标可以比较完整地表现被评估系统的各项内容。

5）独立性。即各指标之间应尽量相互独立，减少指标内涵之间的重叠度，使得结果比较切合实际。

2.2 构建系统效能评估指标体系

目前，国内对预警卫星情报处理系统效能评估方面的研究还是一项空白，而且未见国外的相关报道，可供参考的资料十分有限。考虑到情报处理系统既是技术密集型装备，又是预警卫星地面站的重要组成部分，因此，评估指标体系既要包括一般的情报处理系统的评估指标，又要突出面向预警卫星反导作战任务需求的评估指标。充分考虑其任务特性，并依据指标体系构建原则，构建预警卫星情报处理系统效能评估指标体系，层次上分为效能层、能力层和指标层，如图2所示。

图2 预警卫星情报处理系统效能评估指标体系

3 系统效能评估模型

由预警卫星情报处理系统评估指标体系可见，系统效能由情报处理能力、目标检测能力、资源运用能力和系统服务能力组成，能力层的效能模型由指标层的效能模型进行具体描述，最终构成系统的整体效能。

3.1 情报处理能力效能模型

情报处理能力是用来表征情报处理系统处理情报的能力，由处理容量、处理速率、处理精度3个指标组成。

3.1.1 处理容量

处理容量［4］表征情报处理系统能够处理的最大情报数量，反映了系统同时检测、发现、跟踪多批目标的能力，用D1表示。D0表示满足作战需求的处理容量值。则处理容量效能可由式（1）表示:

3.1.2 处理速率

处理速率［5］反映情报处理系统处理情报的速度，是体现系统时效性的重要指标，用V1表示情报处理系统处理速率效能，V0表示满足作战任务需求的处理速率值，则其效能模型可表示为:

3.1.3 处理精度

处理精度效能可细分为方位精度效能C131和时间精度效能C132，用来表示系统在空间维和时间维上的精确处理程度，可由M次采样并与真值进行比较后得出，可表示为:

式中，M 为总采样次数；a0、am、ea、C131分别为真实方位、测量方位、方位测量误差、方位精度效能；t0、tm、et、C132分别为真实时间、测量时间、时间测量误差、时间精度效能；er0和et0分别表示满足作战任务需求所要达到的方位测量误差和时间测量误差。由此可以得出系统处理精度的效能为:

3.2 目标检测能力效能模型

目标检测能力用于描述系统及时发现并正确识别弹道导弹目标的能力，效能模型具体如下。

3.2.1 检测概率和虚警概率效能模型

检测概率和虚警概率可表示为如下二元判决问题［6］:

3.2.2 检测时间

检测时间关系到系统整体的时效性，及时地识别目标可提供足够预警时间，可表示为:

其中，T1i表示预警卫星第i次测量时，情报处理系统接收到情报的时刻；T2i表示预警卫星第i次测量时，处理结果输出至指控终端时刻。经过多次采样测量，对所得结果求平均值，可得到系统的平均时延ΔT。

系统时延效能可用下式表示，其中ΔT0表示满足系统需求的时延值。

3.3 资源运用能力效能模型

依靠单台计算机很难满足处理海量情报的需求［7］，因此，当前多采用多台物理机组成的分布式并行计算框架以满足系统工作需求，但是却存在系统资源利用率低和负载不均衡等问题，因此，对系统的资源运用能力进行评估对提升系统性能具有重要意义。

3.3.1 系统资源利用率

系统资源利用率［8］主要体现在内存资源利用率和计算资源利用率两个方面，利用率越高说明系统的效能发挥得越充分，下面利用数学模型进行描述。

假设2:物理机mk的资源集合为

3.3.2 资源负载均衡度

随着系统规模的增大，物理机之间负载不均衡成为抑制系统性能发挥的一个重要因素。系统的负载均衡度效能可由式（14）表示:

式中，URn表示单个物理机mn中资源R的利用率；表示资源R的不均衡度；表示系统的平均资源R利用率，如式（15）所示。

负载不均衡度的值总在0～1之间，值越小说明系统的负载分布越均衡，系统的整体性能越高。

3.4 系统服务能力

系统服务能力描述情报处理系统稳定工作、可持续运行的能力，指标上利用可扩展性、可靠性和容灾备份进行具体描述。

3.4.1 系统可扩展性

系统可扩展性［9］描述系统在增加资源后能否保持原有的处理效率。假设R和R'分别是系统扩展前后的资源量，S（W）和S（W'）分别是系统扩展前后的加速比，则系统可扩展性可表示为:

可扩展性的理想值为1，即扩展前后处理效率一致，但是实际情况下无法达到这一要求。

3.4.2 系统可靠性

情报处理系统的复杂性较大，系统的任务过程通常分成多个阶段进行，每个阶段需要多种分系统，功能单元配合完成。各个组成部分的质量好坏都会直接或间接地影响任务的完成程度。因此，对系统的可靠性进行评估十分重要。

情报处理系统的可靠性可定义为系统成功完成所有阶段任务的概率，可用式（17）表示［10］。

式中，Ai表示第i阶段的任务完成状态，Ai=1表示第i阶段任务未完成，Ai=0表示第i阶段任务完成；Pr{}表示事件发生概率。

对系统可靠性的评估可采用基于故障树分析的贝叶斯网络方法［11］，其可以形象、直观地描述系统中故障事件的内在关系，有利于对系统的故障模式进行梳理，发现薄弱环节，提高可靠性分析精度。

3.4.3 容灾备份

容灾备份是为防止设备损坏、系统数据丢失和网络中断影响计算机系统正常工作而采取的备份措施。情报处理系统作为信息密集型系统，存在着一定的故障风险，因此，容灾备份能力是情报处理系统在故障情况下迅速还原功能的重要保证，这里定义容灾备份能力为系统从故障状态恢复到正常运行状态所需时间占系统运行总时间的比例。所需时间比例越小表示容灾备份能力越强，其效能E43可表示为:

式中，Trepair为故障恢复时间；Twork为正常工作时间。

特别是对于双机热备份方式，由于系统故障时备份系统实时进行接替，Trepair趋近于0，因此，其容灾备份能力为1。

3.5 预警卫星情报处理系统效能综合评估模型

通过构建上述能力层和指标层的效能模型，系统的效能综合评估模型由式（19）表示，其中当情报处理能力和目标检测能力中的任一指标效能为0，则认为系统不具备完成任务的能力，此时整体效能为0。

式中，C为系统综合效能，Ci为能力层效能，wi为能力层权重，wij为指标层效能权重，Cij为指标层效能。权重值可采用基于主成分分析的方法确定［12］。

4 算例

根据上文构建的效能指标体系建立效能评估表，如下页表1所示。

表1 预警卫星情报处理系统评估表

表2 效能评估指标权重集

再根据专家采取评分制原则对各指标进行打分，并对评分结果进行主成分分析，最终得到指标权重集，如表2所示。

由式（19）可得系统综合效能为:

5 结论

当前，预警卫星在弹道导弹防御系统中的作用日益凸显，情报处理系统作为其重要组成部分，正确地评估其效能对于装备的论证、改进以及分析预警卫星的探测能力都具有重要的指导作用。本文针对当前预警卫星情报处理系统面临海量情报信息处理的现状，通过分析系统的任务需求，依据效能评估指标构建原则，建立了预警卫星海量情报处理系统评估体系，并通过对各指标进行分析和建模，给出了效能综合评估模型，为下一步预警卫星的整体评估工作奠定基础。