基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度

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

基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度

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、充分地調度安排雷達時間資源，本文提出了基于動態優先級的雷達自適應調度模型，根據雷達事件調度時間窗偏移及其需求時間片與離散時間片的契合對優先級進行動態調整和排序，完成雷達事件自適應調度，并給出了相控陣雷達應用實例。與基于固定優先級的雷達自適應調度模型相比較，該模型能夠提高雷達波束調度成功率和時間資源利用率。

相控陣雷達;自適應調度;動態優先級;雷達事件

0 引 言

與傳統雷達相比，相控陣雷達具有波束電控捷變的優點，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展方向。現代化戰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度在保證空域搜索能力的同時實現對多個通道目標的精確跟蹤。目前現有的調度算法主要有模板調度法和自適應調度法等，基于優先級排序的自適應調度策略是最有效但也最為復雜的調度方法［1－2］。文獻［3］介紹了基于優先級排序的雷達自適應調度技術在相控陣雷達上的工程實現方法。

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

1 基于動態優先級的自適應調度算法

1.1 設計需求

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

相控陣雷達的工作方式決定了其特定的時序資源調度功能需求，由于目標的精確跟蹤需要有相應的數據率作保證，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束后盡快安排。通常使用的雷達自適應調度方法，首先對當前各項雷達事件做出優先級安排，進行調度時提取最高優先級雷達事件進行處理，如果現有時間片資源滿足要求則做出調度，否則進入延遲隊列等待下一次調度。該類算法由于不考慮時間片區間的契合程度，其應用結果往往會產生非常多的無法繼續調度的離散時間碎片，降低了時間利用率TUR，為此本文提出了基于動態優先級的雷達自適應調度方法，該方法可根據雷達事件調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先級進行動態調整，并依據調整后的優先級進行雷達事件調度，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先級 Pc(j)、波束駐留時間 Tnd(j)、波束期望發射時間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。

波束調度算法按照雷達工作周期TS時間定時執行。該時間區間劃分為N個長度為Δt的時間片，時間片是雷達事件調度的最小時間單位，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，但調度效率會降低，時間碎片產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值;y為雷達工作周期內時間片計數值;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。

在雷達波束調度之前，雷達跟蹤周期內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值，y為雷達工作周期內時間片計數值，z為序列中連續時間片的數目。

雷達工作周期內各個可用時間片序列作為集合元素構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度之前的最初狀態為{B(x，1，N)}。

基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度依據以下準則執行:

1)雷達事件形成

根據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;根據前一工作周期空域探測結果，提取疑似目標點跡坐標，形成目標驗證雷達事件;根據當前目標跟蹤情況形成目標精跟蹤雷達事件和目標監視雷達事件;根據雷達工作狀態，形成干擾源探測及干擾源跟蹤雷達事件。雷達事件形成后，根據其屬性安排其初始優先級Pc(j)，計算波束期望發射時間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)、波束期望發射前時間窗Wq(j)、波束期望發射后時間窗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)基于優先級的波束調度

遍歷雷達事件池集合BW(i)，按照初始優先級提取雷達事件，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，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優先級。

其余雷達事件為當前不可調度事件。

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

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

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

時間片契合度計算函數U(.)輸出均為正值。

雷達事件當前綜合優先級

將當前雷達事件池集合BW(i)中能夠計算動態優先級的雷達事件按照綜合優先級P(j)進行排序，提取最高優先級雷達事件進行調度(當出現綜合優先級P(j)仍然相同時按照初始優先級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優先級計算要求。

1.3 該算法所達成的目標

1)雷達事件優先級精細度量的目標

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

2)充分利用時間資源的目標

雷達事件調度結果滿足以下目標公式:

其中l表示當前雷達跟蹤周期內安排的雷達事件總數;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)達到波束發射期望時間的目標

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

2 基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度算法的應用

2.1 相控陣雷達時序資源調度需求

基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度算法在某相控陣制導雷達已經得到應用，該雷達在工作過程中需要調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度關系是通過協調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先級排序。該類雷達事件調度后，用于后續調度的時間資源則是一個不連續時間片集合，提高了調度難度。

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，這類事件發生頻繁，對調度時間確定性有不同的要求，為本算法主要處理的事件。

3)偶發事件

該類雷達事件產生時間間隔較長，包括干擾偵察事件、接收通道校準事件以及各種檢查事件。由于處于較低優先級且波束調度時間窗跨度較大，延遲處理容忍度較高，事件調度難度較低，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度。

2.2 相控陣制導雷達時序資源調度流程

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

當雷達滿足TS自適應調度觸發條件時，雷達自適應調度模型讀取調度時間片集合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，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優先級計算。

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

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

3 運行結果分析

相控陣雷達在不同工作階段，其雷達事件調度的壓力不同。當無跟蹤目標時，大多數調度區間通常只存在空域搜索事件，其波束發射期望時間窗較寬松，雷達波束調度壓力小，可以達到雷達事件調度的全部三個目標。當雷達存在導彈攻擊等狀態時，波束調度壓力較大，特別是處于飽和攻擊狀態時，雷達時間資源最為緊張，需要根據雷達事件產生的具體模型適應性調整公式(2)及公式(3)中的p、q系數值，使得雷達事件調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先級的調度模型和基于動態優先級的調度模型，對相同的水平直飛航跡目標進行跟蹤和監視，圖1及圖2分別為采用固定優先級調度模型和動態優先級計算的目標精跟蹤事件波束調度狀態圖，其中縱軸為波束發射時間偏離期望發射時間Ts的差值(以ms表示)。正軸為波束期望后時間窗Wh(j)內偏差值，負軸為偏離波束期望前時間窗Wq(j)內偏差值。

圖1 固定優先級模型精跟目標波束調度狀態圖

圖2 動態優先級模型精跟目標波束調度狀態圖

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

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

圖3 固定優先級模型監視目標波束調度狀態圖

圖4 動態優先級模型監視目標波束調度狀態圖

圖中調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目標跟蹤品質自適應調整跟蹤數據率。如果目標跟蹤較為穩定，雷達將監視目標數據率逐步降低，以便提供更多的時間資源。由圖3及圖4對比可看出，采用動態優先級計算的自適應調度結果均在時間窗范圍內，而且調度時間偏差起伏更小，數據率更為穩定，有利于提高目標跟蹤精度。采用固定優先級計算的自適應調度時間偏差起伏較大，個別時間點偏差超限導致不能調度。

4 結 語

本文對基于動態優先級的相控陣雷達自適應調度算法進行了描述，介紹了該算法在某相控陣制導雷達上的實現。對基于動態優先級和固定優先級的兩種雷達自適應調度模型的應用結果進行了對比分析。試驗結果表明，應用基于動態優先級的自適應調度算法能夠有效提高雷達事件調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據處理系統構建，大規模FPGA及片上系統，軟件工程。