王龍濤,王 苗,王麗穎

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

艦載綜合射頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)電子對抗系統(tǒng)的一體化,實(shí)施對空作戰(zhàn)任務(wù)時,綜合運(yùn)用主動探測、被動偵察、有源干擾、無源干擾等手段,在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及資源調(diào)度的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)及信號的探測偵收、識別定位、引導(dǎo)干擾。針對對空作戰(zhàn)中的多任務(wù)、多階段、多傳感器資源所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),如何構(gòu)建資源調(diào)度模型是實(shí)施作戰(zhàn)指揮及輔助決策首先要解決的重要問題。

1 資源運(yùn)用沖突分析

資源運(yùn)用沖突,是指艦載綜合射頻系統(tǒng)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時,系統(tǒng)內(nèi)各射頻資源為了實(shí)現(xiàn)自身功能目標(biāo),在時間、資源有限性、工作方式排斥性以及電磁兼容等方面存在的相互對立特性,而由此引發(fā)的使用沖突。

由于艦載綜合射頻系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)的多樣性,在同一作戰(zhàn)時刻或較短的時間段內(nèi),系統(tǒng)內(nèi)的多個射頻資源需要同時執(zhí)行彼此相關(guān)的多個任務(wù),就會產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)多設(shè)備同任務(wù)情況下的資源競爭沖突。同時,由于設(shè)備資源本身的有限性,不同的射頻資源可同時保障的任務(wù)數(shù)量是有限的,當(dāng)需要同時保障的任務(wù)數(shù)量過多時,就會產(chǎn)生單設(shè)備不同工作模式下的多任務(wù)保障沖突,再加上不同射頻設(shè)備的工作方式互斥性以及系統(tǒng)內(nèi)外的電磁兼容特性限制,執(zhí)行不同作戰(zhàn)任務(wù)時,相關(guān)工作方式不能同時工作或者禁止工作,就會使得總執(zhí)行任務(wù)數(shù)量降低,加劇資源運(yùn)用的沖突狀況。其中,工作方式排斥性及電磁兼容沖突一般由設(shè)備嵌入執(zhí)行,本文重點(diǎn)考慮時間及資源有限性的沖突。

射頻資源運(yùn)用沖突并不是一成不變的,具有動態(tài)性,資源沖突態(tài)勢根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的不同、作戰(zhàn)階段的推進(jìn),以及資源占用情況的變化而隨時變化。因此,針對某一階段的資源分配,不能解決資源使用過程中的沖突問題,必須動態(tài)分析資源使用、變化的趨勢,依據(jù)具體的資源占用和需求情況進(jìn)行動態(tài)分配,以滿足資源分配的整體效能最優(yōu)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,就需要在艦載綜合射頻系統(tǒng)資源協(xié)同的基礎(chǔ)上進(jìn)行有效的資源調(diào)度。

2 “任務(wù)—作戰(zhàn)步驟—射頻資源”調(diào)度體系的建立

為方便對系統(tǒng)對空作戰(zhàn)射頻資源調(diào)度問題進(jìn)行研究,首先對其進(jìn)行形式化描述,調(diào)度問題的本質(zhì)在于針對已給定的大量可選擇的目標(biāo)任務(wù)及相對有限的射頻資源組合,確定“什么時間、確定哪些資源、對哪些目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行保障”,基于此進(jìn)行射頻資源的分配和調(diào)度,最終使得經(jīng)過調(diào)度后的任務(wù)實(shí)現(xiàn)效益最佳。調(diào)度體系主要由目標(biāo)、任務(wù)、作戰(zhàn)步驟、射頻資源等4部分構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 資源調(diào)度體系結(jié)構(gòu)

2.1 作戰(zhàn)任務(wù)合集

對所有來襲的飛機(jī)、導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)行射頻資源保障的任務(wù)集合記為

={|=1,2,…,}

(1)

其中,表示系統(tǒng)對空作戰(zhàn)資源保障的每一個任務(wù),艦載綜合射頻系統(tǒng)的主要任務(wù)包括預(yù)警探測、武器信息保障、電子對抗等,對進(jìn)行描述,記為

={,,,,}

(2)

其中，表示作戰(zhàn)任務(wù)何時開始;表示作戰(zhàn)任務(wù)何時結(jié)束;表示任務(wù)何時開始執(zhí)行;表示當(dāng)前任務(wù)在所有任務(wù)中的優(yōu)先級;表示可對任務(wù)進(jìn)行保障的射頻資源集合。

2.2 作戰(zhàn)步驟合集

通過對各作戰(zhàn)任務(wù)的分解,相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)下的作戰(zhàn)步驟由表示,表示第個作戰(zhàn)目標(biāo)的第個作戰(zhàn)步驟,記為

={,,,,}

(3)

表示作戰(zhàn)步驟開始的時間;表示作戰(zhàn)步驟結(jié)束的時間;表示作戰(zhàn)步驟當(dāng)前的保障優(yōu)先級;表示作戰(zhàn)步驟當(dāng)前可用的保障射頻資源集合;表示中可用資源數(shù)量。

2.3 射頻資源合集

(4)

3 確定柔性調(diào)度時間

艦載綜合射頻系統(tǒng)對空作戰(zhàn)射頻信息保障,主要包括預(yù)警探測、武器信息保障以及電子對抗。對于預(yù)警探測來說,越早發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，對已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤越穩(wěn)定，時間越久，越能夠獲取來襲目標(biāo)的準(zhǔn)確方位、距離、速度等信息;對于武器信息保障來說,對目標(biāo)的信息保障時間越長、越穩(wěn)定,越能夠獲取目標(biāo)的準(zhǔn)確信息,越有利于保障武器進(jìn)行抗擊;對電子對抗來說,電子偵察越早發(fā)現(xiàn),越能夠提升系統(tǒng)的整體預(yù)警能力,信號跟蹤越久越穩(wěn)定越有利于信息融合、引導(dǎo)以及進(jìn)行電子干擾。綜上,當(dāng)來襲的飛機(jī)、導(dǎo)彈目標(biāo)較多時,為了使得射頻信息保障的整體效益最大,需要在合適、恰當(dāng)?shù)臅r間對射頻保障資源進(jìn)行動態(tài)調(diào)整、重新分配,也就是要確定進(jìn)行射頻資源調(diào)度的具體時間。

3.1 柔性調(diào)度時間確定原則

當(dāng)前有關(guān)資源調(diào)度的時間確定問題，典型的有兩種方法。一是固定時間窗口。如圖2所示,以一定的時間周期進(jìn)行資源調(diào)度,這種調(diào)度方法簡單、易操作,但是時間窗口的長短不易確定,如果時間周期過長,則當(dāng)任務(wù)態(tài)勢發(fā)生變化時,相應(yīng)的保障資源對任務(wù)態(tài)勢變化導(dǎo)致的保障需求變化不能夠及時做出響應(yīng);如果時間周期過短,則可能導(dǎo)致作戰(zhàn)目標(biāo)態(tài)勢正在進(jìn)行資源保障時,態(tài)勢沒有發(fā)生變化而進(jìn)行頻繁地調(diào)度調(diào)整,從而影響整個調(diào)度效率。

圖2 固定時間窗口的調(diào)度時刻劃分

二是依據(jù)資源對目標(biāo)的保障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度。不同的資源對作戰(zhàn)目標(biāo)有一定的保障區(qū)間和范圍。如圖3所示,據(jù)此進(jìn)行時間窗口的確定,這種調(diào)度方法的好處在于,當(dāng)目標(biāo)資源保障狀態(tài)發(fā)生變化時才執(zhí)行調(diào)度,調(diào)度時間準(zhǔn)確,能夠很好地解決固定時間窗口調(diào)度產(chǎn)生的窗口長度不好確定的難題,但是,這種調(diào)度方法對于射頻資源的保障性能以及目標(biāo)狀態(tài)變化的適應(yīng)性要求很高。

圖3 基于射頻保障區(qū)間的調(diào)度時刻劃分

通過分析以上兩種資源調(diào)度時間確定的方法,在實(shí)際的執(zhí)行中還存在一個主要問題沒有解決，那就是沒有考慮目標(biāo)的突然消失和意外出現(xiàn)。艦載綜合射頻系統(tǒng)對空作戰(zhàn)進(jìn)行射頻資源保障,有可能出現(xiàn)目標(biāo)跟丟,或者目標(biāo)被擊毀等情況引起的目標(biāo)消失,還有可能突然出現(xiàn)新的目標(biāo)。無論是目標(biāo)的消失還是突然出現(xiàn),都會導(dǎo)致當(dāng)前的射頻資源保障態(tài)勢發(fā)生變化,需要立即進(jìn)行資源的重新分配。

綜合考慮兩種調(diào)度方法的優(yōu)點(diǎn)和不足,針對調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的目標(biāo)突然消失或者出現(xiàn)的情況,對調(diào)度時刻的確定進(jìn)行優(yōu)化。這里提出柔性調(diào)度時間概念，所謂柔性調(diào)度時間，是指在規(guī)定時間窗口及射頻保障區(qū)間的基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)度時刻整體優(yōu)化。首先，進(jìn)行固定時間窗口的確定,在完成保障資源任務(wù)的基礎(chǔ)上,確定最小的時間調(diào)度窗口,之后，對射頻資源保障區(qū)間時刻劃分進(jìn)行優(yōu)化,加入目標(biāo)突然消失或者突然出現(xiàn)的情況,當(dāng)出現(xiàn)目標(biāo)消失或者突然出現(xiàn)的情況時,加入射頻保障區(qū)間,生成新的保障區(qū)間調(diào)度時刻,當(dāng)新射頻資源保障區(qū)間比最小時間調(diào)度窗口大時,以新射頻保障區(qū)間為準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)度,反之,則根據(jù)最小時間調(diào)度窗口進(jìn)行調(diào)度。其中，柔性調(diào)度時刻劃分如圖4所示,調(diào)度時刻由式(5)表示。

(5)

圖4 柔性調(diào)度時刻劃分示意圖

如圖4所示,當(dāng)依據(jù)保障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度比較密集時,依據(jù)最小調(diào)度時刻間隔進(jìn)行；當(dāng)保障節(jié)點(diǎn)比較稀疏時,以態(tài)勢發(fā)生變化的時刻進(jìn)行。這種柔性調(diào)度方法一方面避免了頻繁調(diào)度,尤其是對空作戰(zhàn)進(jìn)行射頻資源保障時,大多數(shù)的作戰(zhàn)步驟都有相應(yīng)的最低時間保障要求;另一方面又能根據(jù)作戰(zhàn)步驟與資源需求、作戰(zhàn)態(tài)勢的實(shí)時變化提供及時的調(diào)度觸發(fā)。出現(xiàn)新目標(biāo)、原有目標(biāo)消失時，加入保障節(jié)點(diǎn)調(diào)度時刻,及時處理態(tài)勢變化引起的資源調(diào)度需求。

3.2 柔性調(diào)度時間確定方法

1)劃分初始調(diào)度時刻節(jié)點(diǎn)

表1 初始高度時刻節(jié)點(diǎn)劃分表格

2)劃分柔性調(diào)度時刻節(jié)點(diǎn)

對得出的各保障節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行時間換算,以表1數(shù)據(jù)為例,可得到40個時間保障節(jié)點(diǎn),在確定固定時間窗口的基礎(chǔ)上,結(jié)合保障時間節(jié)點(diǎn),按照柔性時間確定原則進(jìn)行調(diào)度時刻劃分,在除去重復(fù)調(diào)度后,對新得到的各時間保障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間長度劃分。選取前10個調(diào)度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行顯示,具體如圖5所示。

4 資源分配及保障優(yōu)先度計算

在對空作戰(zhàn)中,當(dāng)觸發(fā)資源調(diào)度,進(jìn)行作戰(zhàn)步驟與射頻資源的保障匹配時,需要從整個匹配策略集合中選出最優(yōu)的射頻保障策略。由于作戰(zhàn)目標(biāo)眾多，作戰(zhàn)步驟復(fù)雜,各約束條件交叉、相互影響,射頻資源保障策略優(yōu)化問題呈現(xiàn)典型約束條件下的多目標(biāo)性,可用群智能優(yōu)化算法對此計算求解。作戰(zhàn)步驟射頻資源保障優(yōu)先程度的確定，本質(zhì)上是對目標(biāo)在不同作戰(zhàn)階段、作戰(zhàn)任務(wù)下的威脅程度量化問題,主要反映了目標(biāo)的威脅程度大小,除此之外,保障目標(biāo)跨度距離遠(yuǎn)，層區(qū)大,不同的作戰(zhàn)目標(biāo)在不同作戰(zhàn)步驟下的保障任務(wù)不一樣,因此,在考慮目標(biāo)威脅程度的基礎(chǔ)上,應(yīng)根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)態(tài)勢、典型作戰(zhàn)目標(biāo)屬性進(jìn)行目標(biāo)所在層區(qū)以及作戰(zhàn)步驟保障任務(wù)屬性,采用分層聚合的方法進(jìn)行計算。

圖5 由原始調(diào)度節(jié)點(diǎn)到柔性調(diào)度節(jié)點(diǎn)劃分步驟

調(diào)度的最終目的是使整個調(diào)度過程中調(diào)度效益最大化,資源與作戰(zhàn)目標(biāo)各作戰(zhàn)步驟的保障匹配最優(yōu),綜合調(diào)度效益函數(shù)用表示。

(6)

其中，

(7)

式中，,表示射頻保障資源與各目標(biāo)作戰(zhàn)步驟的最優(yōu)匹配函數(shù);

為第個作戰(zhàn)步驟的優(yōu)先保障程度值;

(·)表示匹配效益函數(shù),根據(jù)搜索時間、跟蹤精度、跟蹤穩(wěn)定性等獲得搜索的效益函數(shù)。

1)搜索時間效益函數(shù)()是資源對空搜索在保證對目標(biāo)高概率發(fā)現(xiàn)情況下所用時間長短的度量。

射頻資源對目標(biāo)的搜索時間效益函數(shù)與裝備自身性能、搜索空域大小有關(guān)。其中，搜索空域的影響因素可轉(zhuǎn)化為設(shè)備獨(dú)立無引導(dǎo)搜索和在引導(dǎo)搜索(協(xié)同)下的效能提升。

()=(,)

(8)

式中，表示裝備對空目標(biāo)的自身搜索能力,表示設(shè)備在有無引導(dǎo)下的搜索能力提升效益值。

2)跟蹤精度效益函數(shù)()是資源對空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時的精度度量。

射頻資源對目標(biāo)的跟蹤精度效益函數(shù)主要與射頻裝備自身的裝備性能有關(guān)。

()=()

(9)

3)跟蹤穩(wěn)定性效益函數(shù)()是資源對空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時,對其跟蹤穩(wěn)定性的度量。

射頻資源對目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性效益函數(shù)主要與射頻裝備自身的裝備性能、跟蹤設(shè)備的協(xié)同效益有關(guān),隸屬于協(xié)同策略集中的多設(shè)備協(xié)同跟蹤時,可有效提升對目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性。

()=(,)

(10)

4)有源干擾的效益函數(shù)()是射頻資源對空中目標(biāo)輻射源信號進(jìn)行有源干擾時,對其干擾效益的綜合度量。

射頻資源對目標(biāo)信號的有源干擾效益函數(shù)主要與射頻裝備自身的裝備性能、偵察引導(dǎo)設(shè)備的引導(dǎo)效益有關(guān),在干擾設(shè)備性能一定的情況下,引導(dǎo)設(shè)備的引導(dǎo)信息越精確，干擾效果越好。

()=(,)

(11)

5 約束條件

1)射頻資源同時保障任務(wù)容量約束

在同一工作時間內(nèi),同一射頻裝備工作方式有限,每種工作方式下可同時保障的任務(wù)(作戰(zhàn)步驟)數(shù)量有限,各工作方式可同時工作的個數(shù)為,則進(jìn)行射頻資源保障時,同時工作的作戰(zhàn)步驟保障數(shù)量不能超過設(shè)備總?cè)萘?，?/p>

(12)

2)射頻資源保障任務(wù)能量約束

在一個調(diào)度間隔內(nèi),對于射頻資源,其執(zhí)行保障的所有作戰(zhàn)步驟所需的能量，不大于資源當(dāng)前可用能量總和，即

(13)

6 調(diào)度策略要求

規(guī)則1 以作戰(zhàn)目標(biāo)為資源調(diào)度依據(jù),但要保障對未知目標(biāo)以及疑似威脅空域的搜索資源,以虛擬作戰(zhàn)步驟的形式進(jìn)行分配;

規(guī)則2 針對同一作戰(zhàn)目標(biāo)的相鄰作戰(zhàn)步驟是連續(xù)的,以保證目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤、干擾;

規(guī)則3 在給定的調(diào)度時間間隔內(nèi),保障資源不會發(fā)生變化,保證資源對任務(wù)的連續(xù)保障,直到觸發(fā)下一調(diào)度時刻;

規(guī)則4 根據(jù)柔性時間調(diào)度規(guī)則觸發(fā)每一次的調(diào)度時刻,進(jìn)行資源的重新分配;

規(guī)則5 設(shè)定的每個作戰(zhàn)步驟都有最短的保障時間,除非目標(biāo)跟丟消失或被抗擊掉;

規(guī)則6 對于同一射頻資源,不同目標(biāo)的作戰(zhàn)步驟產(chǎn)生資源保障沖突時,依據(jù)作戰(zhàn)步驟的射頻資源優(yōu)先保障程度進(jìn)行調(diào)度;

規(guī)則7 對同一射頻資源,產(chǎn)生保障競爭時,優(yōu)先程度高的作戰(zhàn)步驟可以進(jìn)行搶占,當(dāng)目標(biāo)消失時,資源釋放可重新進(jìn)行分配;

規(guī)則8 進(jìn)行資源分配時,優(yōu)選射頻資源分配策略中匹配度最高的進(jìn)行分配。

7 調(diào)度流程

Step1 依據(jù)柔性時間調(diào)度規(guī)則觸發(fā)調(diào)度;

Step2 對當(dāng)前所有作戰(zhàn)目標(biāo)(包括虛擬待搜索目標(biāo))態(tài)勢進(jìn)行綜合,形成各具體作戰(zhàn)步驟合集;

Step3 對當(dāng)前所有射頻資源占用情況進(jìn)行統(tǒng)計,給出可用的射頻資源合集;

Step4 依據(jù)作戰(zhàn)步驟的射頻資源保障需求,形成虛擬的作戰(zhàn)步驟-射頻資源保障匹配關(guān)系;

Step5 依據(jù)射頻資源可用資源情況,對所有保障需求進(jìn)行遍歷匹配,根據(jù)各作戰(zhàn)步驟優(yōu)先保障程度與保障效益函數(shù)值的綜合,得出各資源的匹配效益優(yōu)先排序;

Step6 對射頻資源保障容量和保障能量內(nèi)的作戰(zhàn)步驟開始保障,超出射頻資源保障能力的作戰(zhàn)步驟進(jìn)入待保障作戰(zhàn)步驟合集,等待下一次調(diào)度保障;

Step7 綜合射頻系統(tǒng)依據(jù)調(diào)度保障指令,生成各射頻設(shè)備的工作指令,進(jìn)行調(diào)度,同時對射頻資源合集進(jìn)行更新;

Step8 調(diào)度中,當(dāng)目標(biāo)消失，新目標(biāo)突然出現(xiàn)，到達(dá)射頻資源保障交界點(diǎn)或者預(yù)定調(diào)度時刻時,依據(jù)柔性時間調(diào)度規(guī)則觸發(fā)下一調(diào)度,重新進(jìn)入Step1,同時更新作戰(zhàn)步驟合集、射頻資源合集;

Step9 當(dāng)作戰(zhàn)步驟合集為空,射頻資源保障停止。

資源調(diào)度流程如圖6所示。

圖6 射頻資源綜合調(diào)度流程

8 結(jié)束語

艦載綜合射頻系統(tǒng)對空作戰(zhàn)對象以多架攜帶對海攻擊導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗飛機(jī)組成的空中編隊為主,同時艦載綜合射頻系統(tǒng)本身傳感器資源豐富,對空作戰(zhàn)射頻資源保障復(fù)雜,這就構(gòu)成了典型的多任務(wù)、多階段、多傳感器資源的復(fù)雜系統(tǒng)。為保證對空作戰(zhàn)資源調(diào)度的合理性,充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能,本文提出了一種以作戰(zhàn)步驟為驅(qū)動的艦載綜合射頻系統(tǒng)多傳感器資源調(diào)度方法,對實(shí)現(xiàn)具體的作戰(zhàn)資源調(diào)度具有參考意義,后續(xù)可就具體的工程應(yīng)用從事進(jìn)一步研究。