相控陣制導雷達自適應調度技術應用

摘 要： 相控陣制導雷達需要在進行空域搜索、目標捕獲跟蹤的同時精確地導引導彈攻擊來襲目標，為此需要使用基于優先級排序的雷達自適應調度技術完成各種雷達任務的調度，描述了相控陣制導雷達應用自適應調度技術的實現方法，實際應用結果表明該技術能夠有效提高雷達時間資源的利用率，保證雷達整體工作效能。

關鍵詞： 相控陣制導雷達； 自適應調度； 任務優先級； 時間片

中圖分類號： TN958.92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0012?04

0 引 言

相控陣雷達實現了天線波束控制的電控掃描，可對空間多個波束指向交替掃描，具有波束控制靈活的特點[1]。雷達在工作過程中會產生許多雷達任務，包括目標搜索、驗證、跟蹤，導彈捕獲、跟蹤以及導引，雷達控制系統需要及時安排雷達時間資源來處理這些雷達任務，否則會造成雷達任務失效。相控陣雷達所采用的資源調度技術可以說在一定程度上決定了相控陣制導雷達的性能。

目前相控陣制導雷達調度策略有固定模板、多模板、部分固定模板以及自適應調度等多種方法[2?5]。模板調度算法一般適合于雷達工作在時間槽工作方式，必須按照所有雷達時間安排時間槽，這些算法的區別是固定時間槽占雷達時序資源的比例不同，它們的缺點是雷達資源浪費比較嚴重，不能做到根據雷達當前運行情況靈活安排雷達時間能量資源。目前自適應調度技術是最為有效的雷達資源調度算法。隨著自適應調度技術的不斷發展又產生了多種分支，文獻[6]提出了時間窗的概念，將雷達自適應時序調度技術從硬調度發展為柔性調度，文獻[7?10]根據雷達工作特性從不同角度提出時間窗優化算法，進一步提升了相控陣雷達自適應調度的能力。

1 相控陣制導雷達資源調度需求

相控陣制導雷達完成來襲目標的探測、跟蹤和驗證，同時對發射后的導彈進行全過程控制，控制導彈攻擊來襲目標。

相控陣制導雷達一個工作周期等分成6個信道，對應可同時攻擊6個目標，每個跟蹤目標及其攻擊導彈安排在對應信道中；每個信道等分成26個時間片，每個時間片稱為一個時隙，這些時間片就成為雷達任務調度中用于安排雷達任務處理波位的時間資源；雷達任務自適應調度根據需要處理的雷達任務所需時間片數目安排相應的連續時間片簇組成不同長短的波位，每個波位代表相控陣雷達發射波束的一次駐留時間。

相控陣制導雷達在工作過程中需要調度的主要雷達任務見表1。

不同的雷達任務占用的時間片資源不同，部分雷達任務對占用時間片在跟蹤周期中的位置有嚴格的要求。導彈跟蹤任務、導彈截獲任務、目標照射任務、指令發送任務是對導彈進行跟蹤、截獲、控制以及為導引頭提供照射能量的任務，一旦滿足調度條件，自適應調度必須響應并且不能被其他任務干擾。因此該類雷達任務占用的時間片被安排在跟蹤周期中相應的固定位置。

雷達強制資源占用情況下的調度框圖如圖1所示。

2 相控陣制導雷達自適應調度處理

2.1 數據結構

雷達自適應調度流程在初始化階段首先建立以下數據結構：

（1）雷達任務池

雷達任務池是一個數據鏈表，相控陣制導雷達依據人工操作制定、工作時刻觸發以及數據處理流程產生等多個途徑產生相應的雷達任務，這些雷達任務在等待自適應調度時按照預期調度時間排序安置在雷達任務池中，當雷達任務提取進程提取某個雷達任務后，該雷達任務數據鏈表節點刪除，如果該雷達任務未被調度，則繼續返回雷達任務池中等待下一次的調度。

該數據結構在雷達工作過程中以及雷達任務自適應調度期間，不斷被更新，屬于全局共享存儲數據結構。

（2）雷達任務調度時隙占用表

雷達任務調度時隙占用表見表2，按照信道編號排序，共計156項。

表2中每一表項代表一個雷達時間片的雷達任務調度信息，通常一個雷達任務需占用多個時間片，在自適應調度中為了識別雷達任務，在時隙占用表中專門設定了占用時隙序數表項，該序數循環從1安排至255，凡是序數相同的時隙占用表項均屬于同一個雷達任務，該表中其他信息表示所調度雷達任務的一些細節，比如任務名稱及波位編號等信息，這些信息在后續形成波位控制表時使用。

時隙占用表在每一次雷達任務自適應調度流程觸發啟動時清除，屬于局部私有數據結構。

（3）雷達任務優先級排序隊列

該隊列為一個鏈表結構，其中每一個節點代表一個適合調度的雷達任務，這些雷達任務依據優先級由高至低安置在雷達任務優先級排序隊列中，如果調度成功則該鏈表節點被提取用于形成波位控制表；否則該節點進入雷達任務延遲隊列等待返回雷達任務池。

該鏈表在每一次時間片調度循環初期進行初始化，屬于全局共享數據結構。

（4）雷達任務延遲隊列

該隊列為一個鏈表結構，其中每一個節點代表一個未被調度的雷達任務，這些雷達任務等待返回雷達任務池，在返回雷達任務池后，由于該任務曾被延遲因此優先級可以逐步提高。

該鏈表在每一次時間片調度循環初期進行初始化，屬于全局共享數據結構。

2.2 處理流程

相控陣制導雷達時序資源調度流程如圖2所示，該流程采用實時多任務操作系統VxWorks實現，VxWorks良好的基于優先級的任務搶占以及任務間切換機制，保證了流程中多個進程的并發執行。

相控陣制導雷達依據人工操作制定、工作時刻觸發以及數據處理流程產生等多個途徑不斷產生相應的待處理雷達任務，這些雷達任務按照屬性不同進入相應的雷達任務池。

當雷達滿足自適應調度觸發條件時，啟動一次雷達任務時間片調度操作，按照以下步驟執行：

（1）由雷達任務提取進程啟動提取雷達任務調度時間片集合的時間片序列，遍歷當前雷達任務池集合，提取滿足調度條件的雷達任務。

（2）雷達任務優先級排序功能獲取各雷達任務的優先級，對于被延遲的雷達任務應提高其優先級，然后按照優先級從高到低的次序排序，依次進入雷達任務優先級隊列，雷達任務調度進程提取優先級最高的雷達任務進行調度，同時更新雷達任務調度時間片集合，未被調度的雷達任務通過雷達任務延遲隊列返回雷達任務池，等待下一個循環的雷達任務時間片調度。

（3）以上雷達任務時間片調度操作循環執行，直至雷達任務提取進程無輸出時，表示目前已不存在等待調度的雷達任務，或所有雷達任務調度時間片均不足以安排雷達任務，此時將雷達任務調度時間片集合剩余時間片以檢查任務填充，完成本次雷達任務調度。

3 運行結果分析

相控陣制導雷達在TAS工作方式（邊搜索邊跟蹤）下可完成6個目標（M1～M6）精跟蹤，10個目標（M7～M16）粗跟蹤，同時完成作戰空域的目標搜索。在該雷達中，精跟目標M1～M6要求每雷達周期要跟蹤一次，波束發射時間間隔起伏不超過2.8 ms；粗跟目標M7～M16要求2～10個雷達周期跟蹤一次波束發射時間間隔起伏不超過4個雷達周期。

精跟目標雷達資源調度圖如圖3所示，其中橫坐標序數表示該精跟目標被調度的次數序號，縱坐標表示實際調度結果偏離理論期望調度時刻的以毫秒表示的時間偏差（單位：ms）。

由圖3可看出精跟目標波位由于具有較高優先級，雷達資源安排均滿足波束發射期望發射時間要求，波束發射時間準確，沒有出現雷達事件調度超限。

粗跟目標雷達資源調度圖如圖4所示，其中橫坐標序數表示該粗跟目標被調度的次數序號，縱坐標表示實際調度結果偏離理論期望調度時刻的時間偏差與該粗跟目標在保證跟蹤精度情況下允許的最大時間偏差門限的百分比。

由圖4可看出，由于粗跟目標波位優先級相對精跟目標波位較低，因此實際波束發射時間相對期望發射時間的偏離值相對起伏較大，具有一定離散性，但總體符合雷達資源調度時間窗要求，只在個別點偏離比率超過100%，表明該時刻目標粗跟蹤雷達事件安排超出了前后時間窗要求，出現超期延遲現象。

雷達TAS模式下空域搜索時間分布圖如圖5所示，其中橫坐標序數表示完成完整空域搜索的次數序號，縱坐標表示完成一幀空域搜索的時間。

在完全空閑狀態下，該雷達完成空域搜索需耗時5.2 s。圖5表明，通過基于動態優先級的相控陣制導雷達自適應調度算法的有序調度，在滿足目標精粗跟的同時，能夠均勻安排空域搜索波位，各幀空域搜索完成時間始終比較均衡，沒有出現較大起伏。

目標精粗跟各通道雷達事件調度狀態表見表3。

由表3可以看出，目標精跟蹤事件的調度成功率均達到100%，目標粗跟蹤事件調度成功率平均也達到99.5%以上?；趧討B優先級的相控陣制導雷達自適應調度算法保證了雷達在正確的時刻執行規定的雷達事件處理操作，保證雷達能量資源和時間資源得到有效而全面的利用，能夠保證更緊急的雷達事件在較低級雷達事件之前得到執行，同時被延遲的雷達事件在其時間窗范圍內也能得到執行。

4 結 語

本文闡述了相控陣制導雷達在雷達資源調度方面的需求，介紹了自適應雷達資源調度技術在某相控陣制導雷達上的應用，并對雷達任務調度結果進行了分析。

雷達任務自適應調度結果表明相控陣制導雷達對于自適應調度技術的應用是成功的，能夠有效處理安排雷達工作過程中產生的各類不同優先級的雷達任務，并能夠充分利用雷達時間資源，雷達資源調度殘余時間片少，能夠保證延遲任務得到及時安排，充分發揮了相控陣制導雷達的整體工作效能。

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