基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度

古 康 王耀偉 柳林波

(1.陜西黃河集團有限公司雷達設計研究所西安710043; 2.解放軍軍械工程學院石家莊050003)

總體工程

基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度

古 康1王耀偉1柳林波2

(1.陜西黃河集團有限公司雷達設計研究所西安710043; 2.解放軍軍械工程學院石家莊050003)

相控陣雷達需要在完成作戰(zhàn)空域搜索的同時完成多個目標捕獲以及精確跟蹤。為了能夠及時有效、充分地調(diào)度安排雷達時間資源，本文提出了基于動態(tài)優(yōu)先級的雷達自適應調(diào)度模型，根據(jù)雷達事件調(diào)度時間窗偏移及其需求時間片與離散時間片的契合對優(yōu)先級進行動態(tài)調(diào)整和排序，完成雷達事件自適應調(diào)度，并給出了相控陣雷達應用實例。與基于固定優(yōu)先級的雷達自適應調(diào)度模型相比較，該模型能夠提高雷達波束調(diào)度成功率和時間資源利用率。

相控陣雷達;自適應調(diào)度;動態(tài)優(yōu)先級;雷達事件

0 引 言

與傳統(tǒng)雷達相比，相控陣雷達具有波束電控捷變的優(yōu)點，可以在空域搜索的同時完成目標跟蹤等多種功能，已成為目前雷達的主要發(fā)展方向?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭對雷達多目標探測跟蹤能力提出了很高要求，因此需要通過有效的波束調(diào)度在保證空域搜索能力的同時實現(xiàn)對多個通道目標的精確跟蹤。目前現(xiàn)有的調(diào)度算法主要有模板調(diào)度法和自適應調(diào)度法等，基于優(yōu)先級排序的自適應調(diào)度策略是最有效但也最為復雜的調(diào)度方法［1－2］。文獻［3］介紹了基于優(yōu)先級排序的雷達自適應調(diào)度技術在相控陣雷達上的工程實現(xiàn)方法。

文獻［4］提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡計算的雷達事件優(yōu)先級模型，通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)的遞歸實現(xiàn)優(yōu)先級的最優(yōu)分配。文獻［5］提出了時間窗的概念，將雷達自適應調(diào)度技術從剛性調(diào)度發(fā)展為柔性調(diào)度。文獻［6］根據(jù)相控陣雷達收發(fā)分置的特點，提出了時間軸交疊的時間窗設置方法。文獻［7］根據(jù)雷達事件不同階段的需求設置優(yōu)先級，并對傳統(tǒng)的順序時間資源分配算法進行了改良。文獻［8－10］依據(jù)雷達工作特性，從不同角度對時間窗算法進行了優(yōu)化，進一步提升了相控陣雷達自適應調(diào)度的能力。

1 基于動態(tài)優(yōu)先級的自適應調(diào)度算法

1.1 設計需求

相控陣雷達需要對作戰(zhàn)空域進行搜索，對可能存在目標信息的空間指向進行目標捕獲，同時對經(jīng)過驗證的目標點跡進行精確跟蹤。

相控陣雷達的工作方式?jīng)Q定了其特定的時序資源調(diào)度功能需求，由于目標的精確跟蹤需要有相應的數(shù)據(jù)率作保證，必須及時地在預定時間安排處理波位。此外疑似目標點跡的驗證，也需要在搜索波位處理結(jié)束后盡快安排。通常使用的雷達自適應調(diào)度方法，首先對當前各項雷達事件做出優(yōu)先級安排，進行調(diào)度時提取最高優(yōu)先級雷達事件進行處理，如果現(xiàn)有時間片資源滿足要求則做出調(diào)度，否則進入延遲隊列等待下一次調(diào)度。該類算法由于不考慮時間片區(qū)間的契合程度，其應用結(jié)果往往會產(chǎn)生非常多的無法繼續(xù)調(diào)度的離散時間碎片，降低了時間利用率TUR，為此本文提出了基于動態(tài)優(yōu)先級的雷達自適應調(diào)度方法，該方法可根據(jù)雷達事件調(diào)度時間窗偏移及其時間片需求與離散時間片的契合對其初始優(yōu)先級進行動態(tài)調(diào)整，并依據(jù)調(diào)整后的優(yōu)先級進行雷達事件調(diào)度，該算法能夠提高雷達時間資源的利用率，保證雷達整體工作效能。

1.2 設計思路

相控陣制導雷達所產(chǎn)生的雷達事件存儲于雷達事件池集合BW(i)中，其中i為相控陣雷達需要處理的雷達事件種類。集合中的各項雷達事件具有相應的初始優(yōu)先級 Pc(j)、波束駐留時間 Tnd(j)、波束期望發(fā)射時間Ts(j)、波束期望前時間窗Wq(j)以及波束期望前時間窗Wh(j)。其具體數(shù)值由波束探測能量需求以及目標捕獲、跟蹤精度需求確定。

波束調(diào)度算法按照雷達工作周期TS時間定時執(zhí)行。該時間區(qū)間劃分為N個長度為Δt的時間片，時間片是雷達事件調(diào)度的最小時間單位，所有雷達事件波束駐留時間均可整除Δt。TS時間越短，雷達事件處理響應越快速，但調(diào)度效率會降低，時間碎片產(chǎn)生的可能性相應提高。

時間片可表示為A(x，y，f)，其中x為自雷達工作開始的雷達工作周期計數(shù)值;y為雷達工作周期內(nèi)時間片計數(shù)值;f為時間片可用標志，1表示時間片可用。

時間片在時間軸上的位置可用公式1表示。

在雷達波束調(diào)度之前，雷達跟蹤周期內(nèi)所有時間片均為可用時間片，雷達事件處理之后，部分時間片被安排用于波束駐留，剩余可用時間片可以組成一系列離散的連續(xù)時間片序列，其中可用時間片序列表示為B(x，y，z)，其中x為自雷達工作開始的雷達工作周期計數(shù)值，y為雷達工作周期內(nèi)時間片計數(shù)值，z為序列中連續(xù)時間片的數(shù)目。

雷達工作周期內(nèi)各個可用時間片序列作為集合元素構(gòu)成當前可用時間片集合TPD={B(x，y1，z1)，B(x，y2，z2)，…，B(x，ym，zm)}，該時間片集合在波束調(diào)度之前的最初狀態(tài)為{B(x，1，N)}。

基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度依據(jù)以下準則執(zhí)行:

1)雷達事件形成

根據(jù)當前相控陣雷達空域探測工作模式，形成一系列目標搜索雷達事件;根據(jù)前一工作周期空域探測結(jié)果，提取疑似目標點跡坐標，形成目標驗證雷達事件;根據(jù)當前目標跟蹤情況形成目標精跟蹤雷達事件和目標監(jiān)視雷達事件;根據(jù)雷達工作狀態(tài)，形成干擾源探測及干擾源跟蹤雷達事件。雷達事件形成后，根據(jù)其屬性安排其初始優(yōu)先級Pc(j)，計算波束期望發(fā)射時間Ts(j)，同時賦予該雷達事件各項初始屬性包括波束駐留時間Tnd(j)、波束期望發(fā)射前時間窗Wq(j)、波束期望發(fā)射后時間窗Wh(j)。這些待處理雷達事件按照類型進入雷達事件池集合BW(i)。

2)基于優(yōu)先級的波束調(diào)度

遍歷雷達事件池集合BW(i)，按照初始優(yōu)先級提取雷達事件，對當前可用時間片集合中的時間片序列 B(x，yk，zk)滿足波束期望發(fā)射時間Ts(j)，同時處于波束期望前時間窗Wq(j)以及波束期望后時間窗Wh(j)范圍內(nèi)，且該時間片滿足波束駐留時間Tnd(j)需求的雷達事件，按照如下算法計算其動態(tài)優(yōu)先級。

其余雷達事件為當前不可調(diào)度事件。

其中動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整量由時間窗度量函數(shù)f(.)及時間片契合度計算函數(shù)U(.)兩部分構(gòu)成，p和q為權重調(diào)整系數(shù)，p越大則q越小，反之p越小則q越大，p與q的選擇需要根據(jù)相控陣雷達所需調(diào)度的雷達事件具體情況而定。

當時間片Ttp(j)位于波束期望發(fā)射時間Ts(j)之前且處于波束期望前時間窗Wq(j)范圍內(nèi)時使用公式2，此時時間窗度量函數(shù)f(.)輸出為負值，表示此時尚未到達波束期望的發(fā)射時間，優(yōu)先級可降低。

當時間片Ttp(j)位于波束期望發(fā)射時間Ts之后且處于波束期望后時間窗Wh(j)范圍內(nèi)時使用公式2，此時時間窗度量函數(shù)f(.)輸出為正值，表示此時已錯過波束期望的發(fā)射時間，需要提高優(yōu)先級。

時間片契合度計算函數(shù)U(.)輸出均為正值。

雷達事件當前綜合優(yōu)先級

將當前雷達事件池集合BW(i)中能夠計算動態(tài)優(yōu)先級的雷達事件按照綜合優(yōu)先級P(j)進行排序，提取最高優(yōu)先級雷達事件進行調(diào)度(當出現(xiàn)綜合優(yōu)先級P(j)仍然相同時按照初始優(yōu)先級Pc(j)進行排序)，并同步更新時間片集合TPD。

該步驟反復遞歸執(zhí)行，直至當前雷達事件池集合BW(i)中所有雷達事件均不滿足動態(tài)優(yōu)先級計算要求。

1.3 該算法所達成的目標

1)雷達事件優(yōu)先級精細度量的目標

根據(jù)當前時間資源配置情況對雷達事件優(yōu)先級進行動態(tài)精細度量，當多個雷達事件提出調(diào)度需求時，能夠準確識別最適合調(diào)度的雷達事件。

2)充分利用時間資源的目標

雷達事件調(diào)度結(jié)果滿足以下目標公式:

其中l(wèi)表示當前雷達跟蹤周期內(nèi)安排的雷達事件總數(shù);TS為雷達跟蹤周期;Tnd(j)為雷達事件屬性中的波束駐留時間;Δt為時間片長度。

3)達到波束發(fā)射期望時間的目標

在滿足前兩個目標的基礎上，被調(diào)度雷達事件實際波束發(fā)射時間與期望發(fā)射時間差總和最小，即|滿足最小要求，其中Tps(x，yu)表示本次調(diào)度過程中各雷達事件的實際波束發(fā)射時間，Ts(u)為各雷達事件的波束期望發(fā)射時間。

2 基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度算法的應用

2.1 相控陣雷達時序資源調(diào)度需求

基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度算法在某相控陣制導雷達已經(jīng)得到應用，該雷達在工作過程中需要調(diào)度的主要雷達事件包括以下幾類:

1)強制安排的雷達事件

包括導彈捕獲事件、導彈跟蹤事件、導彈指令發(fā)射事件以及目標照射事件，該類雷達事件安排具有確定性且必須首先安排，因此這些雷達事件的調(diào)度關系是通過協(xié)調(diào)雷達與導彈的同步通訊時間關系確定的，不存在沖突問題，因此該類雷達事件不納入優(yōu)先級排序。該類雷達事件調(diào)度后，用于后續(xù)調(diào)度的時間資源則是一個不連續(xù)時間片集合，提高了調(diào)度難度。

2)高頻事件

指工作期間需要定期處理或盡快處理的雷達事件，包括目標精跟蹤事件、目標監(jiān)視事件、目標驗證事件、目標捕獲事件以及空域搜索事件，這類事件發(fā)生頻繁，對調(diào)度時間確定性有不同的要求，為本算法主要處理的事件。

3)偶發(fā)事件

該類雷達事件產(chǎn)生時間間隔較長，包括干擾偵察事件、接收通道校準事件以及各種檢查事件。由于處于較低優(yōu)先級且波束調(diào)度時間窗跨度較大，延遲處理容忍度較高，事件調(diào)度難度較低，當雷達完成目標跟蹤及空域搜索后仍然存在可用時間資源時，對這些雷達事件進行調(diào)度。

2.2 相控陣制導雷達時序資源調(diào)度流程

相控陣制導雷達在工作過程中通過人工操作、觸發(fā)等多種途徑產(chǎn)生各種雷達事件，這些雷達事件依據(jù)其屬性進入相應雷達事件池。

當雷達滿足TS自適應調(diào)度觸發(fā)條件時，雷達自適應調(diào)度模型讀取調(diào)度時間片集合Ttp(j)，遍歷雷達事件池集合BW(i)，對時間片Ttp(j)進入波束期望前時間窗Wq(j)以及波束期望前時間窗Wh(j)范圍內(nèi)，且該時間片Ttp(j)滿足波束駐留時間Tnd(j)需求的雷達事件進行動態(tài)優(yōu)先級計算。

動態(tài)優(yōu)先級計算按照公式2～4進行，然后按照公式5進行優(yōu)先級綜合。具有動態(tài)優(yōu)先級的各雷達事件依據(jù)其合成優(yōu)先級從高到低次序進行排序，并依次進入雷達事件優(yōu)先級隊列。雷達自適應調(diào)度進程提取隊列中優(yōu)先級最高的雷達事件進行調(diào)度，同時更新雷達事件調(diào)度時間片集合 Ttp(j)，未調(diào)度的雷達事件通過雷達事件延遲隊列返回雷達事件池，等待下一個循環(huán)的自適應調(diào)度。

以上操作循環(huán)執(zhí)行，直至所有待處理雷達事件均已調(diào)度，或雷達事件調(diào)度時間片集合Ttp(j)剩余時間片不可用，至此完成本次雷達波束調(diào)度。

3 運行結(jié)果分析

相控陣雷達在不同工作階段，其雷達事件調(diào)度的壓力不同。當無跟蹤目標時，大多數(shù)調(diào)度區(qū)間通常只存在空域搜索事件，其波束發(fā)射期望時間窗較寬松，雷達波束調(diào)度壓力小，可以達到雷達事件調(diào)度的全部三個目標。當雷達存在導彈攻擊等狀態(tài)時，波束調(diào)度壓力較大，特別是處于飽和攻擊狀態(tài)時，雷達時間資源最為緊張，需要根據(jù)雷達事件產(chǎn)生的具體模型適應性調(diào)整公式(2)及公式(3)中的p、q系數(shù)值，使得雷達事件調(diào)度模型盡量滿足三個目標并確保滿足前兩個目標。

在某相控陣制導雷達上，分別應用基于固定優(yōu)先級的調(diào)度模型和基于動態(tài)優(yōu)先級的調(diào)度模型，對相同的水平直飛航跡目標進行跟蹤和監(jiān)視，圖1及圖2分別為采用固定優(yōu)先級調(diào)度模型和動態(tài)優(yōu)先級計算的目標精跟蹤事件波束調(diào)度狀態(tài)圖，其中縱軸為波束發(fā)射時間偏離期望發(fā)射時間Ts的差值(以ms表示)。正軸為波束期望后時間窗Wh(j)內(nèi)偏差值，負軸為偏離波束期望前時間窗Wq(j)內(nèi)偏差值。

圖1 固定優(yōu)先級模型精跟目標波束調(diào)度狀態(tài)圖

圖2 動態(tài)優(yōu)先級模型精跟目標波束調(diào)度狀態(tài)圖

由圖1及圖2可看出，由于精跟目標雷達事件優(yōu)先級較高，采用固定優(yōu)先級調(diào)度及動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度，均能滿足波束發(fā)射期望發(fā)射時間要求，雷達事件處理未產(chǎn)生超限延遲現(xiàn)象。不同的是采用動態(tài)優(yōu)先級計算的雷達波束調(diào)度時，探測波束在期望發(fā)射時間前后均能安排且偏差較小，可以保持較為穩(wěn)定的目標跟蹤數(shù)據(jù)率，有利于提高目標跟蹤精度。而采用固定優(yōu)先級調(diào)度的模型中，探測波束均安排在期望發(fā)射時間之后，時間資源利用相對不足，且波束調(diào)度時刻延遲極值較多，偏差起伏較大，會造成目標跟蹤數(shù)據(jù)率有所降低且不穩(wěn)定，影響目標跟蹤精度。

兩種調(diào)度模型下的監(jiān)視目標波束調(diào)度狀態(tài)見圖3及圖4所示，其中縱軸為以雷達工作周期表示的監(jiān)視目標調(diào)度時間間隔。

圖3 固定優(yōu)先級模型監(jiān)視目標波束調(diào)度狀態(tài)圖

圖4 動態(tài)優(yōu)先級模型監(jiān)視目標波束調(diào)度狀態(tài)圖

圖中調(diào)度時間間隔在不同時刻的均值有一定變化，原因是雷達能夠根據(jù)目標跟蹤品質(zhì)自適應調(diào)整跟蹤數(shù)據(jù)率。如果目標跟蹤較為穩(wěn)定，雷達將監(jiān)視目標數(shù)據(jù)率逐步降低，以便提供更多的時間資源。由圖3及圖4對比可看出，采用動態(tài)優(yōu)先級計算的自適應調(diào)度結(jié)果均在時間窗范圍內(nèi)，而且調(diào)度時間偏差起伏更小，數(shù)據(jù)率更為穩(wěn)定，有利于提高目標跟蹤精度。采用固定優(yōu)先級計算的自適應調(diào)度時間偏差起伏較大，個別時間點偏差超限導致不能調(diào)度。

4 結(jié) 語

本文對基于動態(tài)優(yōu)先級的相控陣雷達自適應調(diào)度算法進行了描述，介紹了該算法在某相控陣制導雷達上的實現(xiàn)。對基于動態(tài)優(yōu)先級和固定優(yōu)先級的兩種雷達自適應調(diào)度模型的應用結(jié)果進行了對比分析。試驗結(jié)果表明，應用基于動態(tài)優(yōu)先級的自適應調(diào)度算法能夠有效提高雷達事件調(diào)度成功率以及雷達時間資源利用率。

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Adaptive Scheduling for Phased Array Radar Based on Dynamic Priority

Gu Kang1，Wang Yaowei1，Liu Linbo2
(1.Radar Design＆Research Institute，Shaanxi Huanghe Group CO.，LTD.，Xi’an 710043; 2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003)

Phased array radar is required to accomplish acquisition and precise tracking of multitarget while searching combat air space.In order to schedule and arrange radar time resource in time and effectively，an adaptive scheduling model for phased array radar based on dynamic priority is presented.It is used to accomplish adaptive scheduling of radar events by adjusting and ordering priority dynamically according to offset of radar events schedule time window and coherent point of the required timeslice and discrete timeslice.And its application on phased array radar is given.Comparing with radar adaptive schedule model based on fixed priority，using this model can increase radar waveform schedule success rate and level of time resource utilization.

phased array radar;adaptive scheduling;dynamic priority;radar events

TN958.92

A

1008-8652(2016)04-016-05

2016-08-13

古 康(1969－)，男，高級工程師。研究方向為雷達信號處理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)建，大規(guī)模FPGA及片上系統(tǒng)，軟件工程。