預警衛星情報處理系統效能評估*

李文杰，閆世強，江 晶，王成良

（空軍預警學院，武漢 430019）

0 引言

情報處理系統是預警衛星地面站系統的重要組成部分，其任務是接收預警衛星下傳的紅外圖像情報數據，高速完成存儲、處理、分析和顯示等一系列操作，實時檢測和跟蹤初始段彈道導彈目標。未來，伴隨著預警衛星的部署規模增大、單星探測分辨率增加和紅外波段數的不斷擴展，系統面臨著海量情報處理的巨大壓力，因此，科學地評估預警衛星情報處理系統的效能，對于分析預警衛星的探測能力具有重要意義。

1 預警衛星情報處理系統任務需求

預警衛星情報的數據流程如圖1所示。預警衛星對探測區域進行全天候監視，對目標和背景輻射信息進行實時探測，探測情報信息經中繼衛星或直傳至地面站，情報處理系統通過協調數據存儲資源和集群計算資源，完成目標檢測、發現、跟蹤和彈道估計等一系列工作，并將結果輸出至指控終端［1］。

預警衛星情報處理系統由系統應用軟件、數據存儲資源、集群計算資源和顯示終端組成，主要任務包括以下4個方面:實時接收衛星下傳的海量紅外圖像和參數信息；負責進行情報信息的存儲、管理和備份工作；負責進行情報處理與分析，實時檢測、發現和跟蹤彈道導彈等紅外目標，并對彈道進行估計［2］；組織開展相關應用與研究。

根據預警衛星海量情報處理系統的任務，具體分析完成任務過程中的各項需求，總結如下:

1）系統需要大容量的存儲設備保存海量的衛星情報數據，包括數年間的探測數據以及備份，同時具備較高的處理速度。

2）系統需要強大的處理能力以確保情報處理和分析速度，要求系統具備低延時、高帶寬、高精度、低誤碼率的特性。

3）系統具備較高檢測概率、較低的虛警率，并且能同時探測多個目標，具備較高的飽和條件和良好的系統穩定性。

4）系統應具備較好的可擴展和高效運行能力，以適應不斷增大的情報數據量和任務需求。

5）系統應具備良好的可靠性，具備全天候正常工作和故障時短時間恢復系統功能的能力。

2 構建效能評估指標

2.1 效能指標選取原則

效能評估指標應盡量全面地反映評估對象的主要方面，效能評估指標越全面，評估結果就越客觀、越合理、但過多的指標就會增加評估的復雜度和難度，因此，效能指標的選取應遵循以下原則［3］:

1）最簡性。即在基本滿足評估要求和給定作戰任務需求的基礎上，盡量確立較少的關鍵指標。

2）可測性。即盡量選擇容易定量計算的指標和容易準確確定的關鍵指標，這樣既能減少評估的復雜性，又可以提高決策的科學性，降低主觀隨意性。

3）客觀性。即指標能逼真地與被評估系統發生聯系，較真實地反應在作戰需求下被評估系統的各項性能、特征和性質。

4）完備性。即各指標可以比較完整地表現被評估系統的各項內容。

5）獨立性。即各指標之間應盡量相互獨立，減少指標內涵之間的重疊度，使得結果比較切合實際。

2.2 構建系統效能評估指標體系

目前，國內對預警衛星情報處理系統效能評估方面的研究還是一項空白，而且未見國外的相關報道，可供參考的資料十分有限。考慮到情報處理系統既是技術密集型裝備，又是預警衛星地面站的重要組成部分，因此，評估指標體系既要包括一般的情報處理系統的評估指標，又要突出面向預警衛星反導作戰任務需求的評估指標。充分考慮其任務特性，并依據指標體系構建原則，構建預警衛星情報處理系統效能評估指標體系，層次上分為效能層、能力層和指標層，如圖2所示。

圖2 預警衛星情報處理系統效能評估指標體系

3 系統效能評估模型

由預警衛星情報處理系統評估指標體系可見，系統效能由情報處理能力、目標檢測能力、資源運用能力和系統服務能力組成，能力層的效能模型由指標層的效能模型進行具體描述，最終構成系統的整體效能。

3.1 情報處理能力效能模型

情報處理能力是用來表征情報處理系統處理情報的能力，由處理容量、處理速率、處理精度3個指標組成。

3.1.1 處理容量

處理容量［4］表征情報處理系統能夠處理的最大情報數量，反映了系統同時檢測、發現、跟蹤多批目標的能力，用D1表示。D0表示滿足作戰需求的處理容量值。則處理容量效能可由式（1）表示:

3.1.2 處理速率

處理速率［5］反映情報處理系統處理情報的速度，是體現系統時效性的重要指標，用V1表示情報處理系統處理速率效能，V0表示滿足作戰任務需求的處理速率值，則其效能模型可表示為:

3.1.3 處理精度

處理精度效能可細分為方位精度效能C131和時間精度效能C132，用來表示系統在空間維和時間維上的精確處理程度，可由M次采樣并與真值進行比較后得出，可表示為:

式中，M 為總采樣次數；a0、am、ea、C131分別為真實方位、測量方位、方位測量誤差、方位精度效能；t0、tm、et、C132分別為真實時間、測量時間、時間測量誤差、時間精度效能；er0和et0分別表示滿足作戰任務需求所要達到的方位測量誤差和時間測量誤差。由此可以得出系統處理精度的效能為:

3.2 目標檢測能力效能模型

目標檢測能力用于描述系統及時發現并正確識別彈道導彈目標的能力，效能模型具體如下。

3.2.1 檢測概率和虛警概率效能模型

檢測概率和虛警概率可表示為如下二元判決問題［6］:

3.2.2 檢測時間

檢測時間關系到系統整體的時效性，及時地識別目標可提供足夠預警時間，可表示為:

其中，T1i表示預警衛星第i次測量時，情報處理系統接收到情報的時刻；T2i表示預警衛星第i次測量時，處理結果輸出至指控終端時刻。經過多次采樣測量，對所得結果求平均值，可得到系統的平均時延ΔT。

系統時延效能可用下式表示，其中ΔT0表示滿足系統需求的時延值。

3.3 資源運用能力效能模型

依靠單臺計算機很難滿足處理海量情報的需求［7］，因此，當前多采用多臺物理機組成的分布式并行計算框架以滿足系統工作需求，但是卻存在系統資源利用率低和負載不均衡等問題，因此，對系統的資源運用能力進行評估對提升系統性能具有重要意義。

3.3.1 系統資源利用率

系統資源利用率［8］主要體現在內存資源利用率和計算資源利用率兩個方面，利用率越高說明系統的效能發揮得越充分，下面利用數學模型進行描述。

假設2:物理機mk的資源集合為

3.3.2 資源負載均衡度

隨著系統規模的增大，物理機之間負載不均衡成為抑制系統性能發揮的一個重要因素。系統的負載均衡度效能可由式（14）表示:

式中，URn表示單個物理機mn中資源R的利用率；表示資源R的不均衡度；表示系統的平均資源R利用率，如式（15）所示。

負載不均衡度的值總在0～1之間，值越小說明系統的負載分布越均衡，系統的整體性能越高。

3.4 系統服務能力

系統服務能力描述情報處理系統穩定工作、可持續運行的能力，指標上利用可擴展性、可靠性和容災備份進行具體描述。

3.4.1 系統可擴展性

系統可擴展性［9］描述系統在增加資源后能否保持原有的處理效率。假設R和R'分別是系統擴展前后的資源量，S（W）和S（W'）分別是系統擴展前后的加速比，則系統可擴展性可表示為:

可擴展性的理想值為1，即擴展前后處理效率一致，但是實際情況下無法達到這一要求。

3.4.2 系統可靠性

情報處理系統的復雜性較大，系統的任務過程通常分成多個階段進行，每個階段需要多種分系統，功能單元配合完成。各個組成部分的質量好壞都會直接或間接地影響任務的完成程度。因此，對系統的可靠性進行評估十分重要。

情報處理系統的可靠性可定義為系統成功完成所有階段任務的概率，可用式（17）表示［10］。

式中，Ai表示第i階段的任務完成狀態，Ai=1表示第i階段任務未完成，Ai=0表示第i階段任務完成；Pr{}表示事件發生概率。

對系統可靠性的評估可采用基于故障樹分析的貝葉斯網絡方法［11］，其可以形象、直觀地描述系統中故障事件的內在關系，有利于對系統的故障模式進行梳理，發現薄弱環節，提高可靠性分析精度。

3.4.3 容災備份

容災備份是為防止設備損壞、系統數據丟失和網絡中斷影響計算機系統正常工作而采取的備份措施。情報處理系統作為信息密集型系統，存在著一定的故障風險，因此，容災備份能力是情報處理系統在故障情況下迅速還原功能的重要保證，這里定義容災備份能力為系統從故障狀態恢復到正常運行狀態所需時間占系統運行總時間的比例。所需時間比例越小表示容災備份能力越強，其效能E43可表示為:

式中，Trepair為故障恢復時間；Twork為正常工作時間。

特別是對于雙機熱備份方式，由于系統故障時備份系統實時進行接替，Trepair趨近于0，因此，其容災備份能力為1。

3.5 預警衛星情報處理系統效能綜合評估模型

通過構建上述能力層和指標層的效能模型，系統的效能綜合評估模型由式（19）表示，其中當情報處理能力和目標檢測能力中的任一指標效能為0，則認為系統不具備完成任務的能力，此時整體效能為0。

式中，C為系統綜合效能，Ci為能力層效能，wi為能力層權重，wij為指標層效能權重，Cij為指標層效能。權重值可采用基于主成分分析的方法確定［12］。

4 算例

根據上文構建的效能指標體系建立效能評估表，如下頁表1所示。

表1 預警衛星情報處理系統評估表

表2 效能評估指標權重集

再根據專家采取評分制原則對各指標進行打分，并對評分結果進行主成分分析，最終得到指標權重集，如表2所示。

由式（19）可得系統綜合效能為:

5 結論

當前，預警衛星在彈道導彈防御系統中的作用日益凸顯，情報處理系統作為其重要組成部分，正確地評估其效能對于裝備的論證、改進以及分析預警衛星的探測能力都具有重要的指導作用。本文針對當前預警衛星情報處理系統面臨海量情報信息處理的現狀，通過分析系統的任務需求，依據效能評估指標構建原則，建立了預警衛星海量情報處理系統評估體系，并通過對各指標進行分析和建模，給出了效能綜合評估模型，為下一步預警衛星的整體評估工作奠定基礎。