基于周期分區的相控陣雷達任務交叉調度研究

葉朝謀 丁建江 俞志強 蔡 軼

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基于周期分區的相控陣雷達任務交叉調度研究

葉朝謀*①②丁建江①俞志強①蔡 軼①

①(空軍預警學院 武漢 430019)②(中國人民解放軍95112部隊 佛山 528227)

傳統相控陣雷達任務調度算法中，各單駐留任務不可分割，發射與接收之間的空閑等待時間未被有效利用，系統調度能力受限。針對此問題，該文在深入分析交叉規則及選取策略的基礎上，提出一種基于采樣周期最大公約數分區的任務實時交叉調度(PDI)算法，其可解決交叉調度過程中任務因采樣周期不同而產生沖突的難題，該文還分析了調度算法流程，交叉算法流程及過載處理等。仿真結果表明，該算法可大幅提高系統調度的負載能力，調度性能明顯優于傳統算法。

相控陣雷達；資源管控；任務交叉調度

1 引言

相控陣雷達波束快速掃描與波形捷變等技術優勢的充分發揮需要解決好資源優化管理這一難題，駐留任務調度則是其中最為關鍵的技術之一。相關研究成果較多，如文獻[1]提出的混合遺傳調度算法具有較好性能但計算要求高。文獻[2]提出的基于時間窗算法具有任務延遲控制優勢。文獻[3,4]通過綜合兩個屬性參數得到任務綜合優先級，使系統具有更高的調度能力。文獻[5]提出的時長可變調度算法使任務調度更為靈活，調度能力得到提升。文獻[6]提出了一種多波束情況下的整數規劃模型及調度算法。然而，上述傳統任務調度方法中發射與接收之間的空閑等待時間未得到有效利用，因此系統最大調度負載能力受到限制。

針對上述不足，文獻[7]首次提出的交叉調度思想有效利用了空閑等待時間，從而可進一步提高系統調度能力。后續相關研究也取得了若干成果，如文獻[8]提出的基于優先級交叉算法使得系統調度能力得到一定程度的提高；文獻[9,10]針對同時接收多波束的情形，提出的基于優先級的交叉調度算法也取得了較好的性能。文獻[11,12]提出了宏觀上的任務交叉調度規劃方法；文獻[13]則在其基礎上提出了基于效益的交叉調度算法，但該算法任務時間窗要求高。文獻[14]針對同時多波束能力的多普勒相控陣雷達，提出了相應的整數規劃模型與交叉調度算法。另外，文獻[15-17]分別提出的基于拉格朗日松弛技術算法、貪婪算法、基于時間指針算法在調度性能上均有所提高。但上述交叉調度方法仍未能有效解決任務因采樣周期不同而產生沖突的問題。針對此問題，本文提出一種基于周期分區的任務實時交叉調度算法，可有效解決上述難題。

2 任務模型

2.1 交叉調度駐留任務描述

2.2 搜索任務模型

設搜索區域分為B個搜索波位，可得到該區域搜索任務模型為

各駐留請求到達時間與截止期關系分別為

2.3 跟蹤任務模型

設跟蹤任務模型為

其中B表示對目標的跟蹤采樣次數。

設發現目標后立即發射一個驗證駐留，且驗證駐留后的首個跟蹤駐留請求間隔時間可取為小于該類目標跟蹤采樣周期的任意值，則該目標各駐留請求到達時間與截止期的關系為

3 駐留任務交叉規則

圖1 非包含關系時交叉規則

4 任務調度算法

4.1 算法基本思想

將各P平分為N個長度為gcd的標準區間

再對標準區間進一步平分為Ns個標準調度分區間(記為Plot)，則有Plot=Pgcd/Ns，

4.2 算法實現流程

各類任務在調度過程中將按標準調度分區間進行調度，具體算法實現流程如圖4所示。

步驟5 對有新任務加入的任務子集進行交叉，計算交叉后的占用時間長度；

步驟6 進行負載分析與過載處理，若過載，則刪除部分低優先級任務；

步驟8 該標準調度分區間結束，轉入下一標準調度分區間。

圖3 基于周期分區的任務調度關系

圖4 基于周期分區的任務交叉調度流程圖

4.3 任務交叉流程

通常，系統還要求滿足時間與能量的限制條件，可分別近似表示為[11]

(10)

5 調度負載分析

定義任務時間占用率為任務集實際調度過程中占用時間與采樣周期的比值。根據前面建立的任務模型及算法，可得

某P類的跟蹤任務時間占用率為

某區搜索任務的時間占用率為

任務總時間占用率為

6 仿真結果與分析

仿真條件：設3類目標任務參數如表1所示，表中為初始值且其值根據目標所處距離范圍分段計算；仿真時間為150 s，目標均向站直線飛行，調度間隔為最小時間窗，各類目標隨機產生，各目標直到仿真結束才消失；任意1 s內的平均發射時間小于400 ms，能量消耗小于200 kJ。圖6為1類與2類目標數固定時，PDI算法在較小時間窗時與某經典算法(HPI)[16]最大負載能力對比，圖7為PDI在較小時間窗時與HPI算法的調度性能對比，圖8為PDI算法在不同時間窗條件下的調度性能對比；圖6~圖8中，PDI算法的各類跟蹤任務小時間窗取值分別為30 ms, 50 ms, 60 ms，大時間窗分別為50 ms, 100 ms, 150 ms, HPI算法的時間窗為采樣周期。

仿真結果分析：

(1)由圖6可知，當滿足采樣周期整數倍關系的1類與2類目標數越小時，PDI算法最大負載率越高于HPI算法；兩個算法的最大負載率明顯高于非交叉算法的理論最大負載能力100%。

(2)由圖7可知，HPI算法未發生調度失敗，但時間窗要求為采樣周期，實際中難以滿足；PDI算法當新目標在較短時間內集中大量產生時，發生了新任務調度失敗現象，但能滿足較嚴格時間窗要求且系統負載率大于HPI算法。

表1雷達任務參數表

工作方式優先級發射功率(kw)駐留參數t,w,r (ms)時間窗(ms)波位數速度(km/s)采樣周期(s) 搜索313000.7, 0, 3.3643 搜索22400 1.5, 3.8, 2.8242 搜索13500 2.0, 7.0, 3.0182 跟蹤343000.5, -, 1.060~1502.03 跟蹤254001.2, -, 1.750~1001.52 跟蹤165001.5, -, 2.030~500.51 驗證373000.7, 0, 3.330~50 驗證28400 1.5, 3.8, 2.830~50 驗證19500 2.0, 7.0, 3.030~50

注：“-”表示跟蹤方式時，是可以變的。

(3)由圖8可知，PDI算法具有較好的時間窗適應性，在更小的時間窗條件下性能無明顯下降；且負載飽和時系統可按優先級進行過載任務刪除。

圖6 1類，2類目標數固定時最大負載率對比

7 結束語

本文針對傳統相控陣雷達任務調度方法最大負載能力受限的問題，提出了一種基于采樣周期最大公約數分區的實時任務交叉調度算法，該算法可解決任務調度時因采樣周期不同而產生沖突的難題，從而進一步提高了系統調度能力。仿真結果表明，該算法是有效可行的，可應用于相控陣雷達調度器設計，且對一般實時調度系統也有參考價值。

圖7 調度性能對比

圖8 PDI不同時間窗時的調度變化

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葉朝謀： 男，1980年生，博士生，研究方向為雷達組網資源管控.

丁建江： 男，1963年生，教授，博士生導師，主要研究方向為雷達組網、目標智能檢測與識別.

俞志強： 男，1964年生，教授，主要研究方向為雷達系統與目標識別.

Study on Task Interleaving Scheduling of Phased Array Radar Based on Period Division

Ye Chao-mou①②Ding Jian-jiang①Yu Zhi-qiang①Cai Yi①

①(430019,)②(95112528227,)

The waiting time between transmitting and receiving time is not used in conventional task scheduling methods for phased array radar in which dell is impartible, thus system scheduling capacity is restrained. Based on analysis of dell interleaving rules and rule selection guidelines, a dell interleaving scheduling algorithm is proposed based on sampling period division, which can solve the task confliction issue caused by different sampling periods. The scheduling flow, interleaving flow and tactic for overload are also analyzed. The simulation results show that the proposed algorithm improves scheduling capability greatly and achieves better performance compared with conventional task scheduling algorithm.

Phased radar; Resource management; Task interleaving scheduling

TN958

A

1009-5896(2014)02-0435-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00475

葉朝謀 1060623450@qq.com

2013-04-11收到，2013-10-16改回

全軍軍事學研究生課題(2011JY002-537，2012JY002-602)資助課題