相控陣雷達協同探測任務調度研究*

李靖舒，高貴明，廖衛東，潘瑞云

(1.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044；2.南京船舶雷達研究所，江蘇 南京 210003)

0 引言

隨著軍事科技的日新月異，世界各國更加重視各探測設備的協同探測能力。相控陣天線系統具有無慣性的快速電子波束掃描、空間低損耗、大功率合成等優點，能夠克服傳統雷達協同資源分配不均，造成資源浪費、效率較低的問題[1]。將數字相控陣系統技術應用于協同探測系統，既可發揮相控陣系統高度靈活的系統資源調度優勢，實現遠距離、寬覆蓋、高數據率、高分辨、高精度探測，又能充分利用多基協同探測反隱身、抗干擾、抗摧毀能力強的優點[2]。

雷達協同探測系統具有空間、體制、能量、頻率分集等諸多優勢，已成為當前裝備體系集成作戰運用的研究熱點之一。隨著協同探測技術的發展，探測資源優化管控正成為協同探測系統當前迫切需要解決的關鍵問題[3]。文獻[4-6]對雷達組網探測進行了研究，但主要是基于具體組網系統而言或僅考慮完成主要功能，尚未對協同探測資源調度提出具體算法。本文對相控陣雷達協同探測提出一種資源調度算法，具有一定的參考價值。

1 相控陣雷達協同探測

相控陣雷達協同探測，指的是為實現作戰任務目標，通過統一指揮管控系統，使多節點雷達在時間同步和空間同步下按照最優的時間序列、工作參數和工作方式，實現對目標遠距離、寬覆蓋、高精度探測的一種工作方式[7]。

1.1 協同探測的優勢

身處高密集電磁信號和多方位、多層次威脅目標的復雜戰場環境，單一體制雷達和獨立單節點雷達在作戰使用上難以滿足任務需求[8]。多節點雷達協同探測系統將多頻段、多體制雷達在統一資源管控下進行資源優化，將獲得比單節點探測更大的性能優勢，具體表現為：

(1) 提高了資源利用效率。多節點協同探測使各節點在最合適的時機，作用于相應的典型目標，從而節約了資源，提高了效率。

(2) 增強了探測系統的生存能力。當有節點無法使用或受到干擾、攻擊時，其他部分節點依舊可以提供探測信息，實現探測性能的可持續化。

(3) 提升了資源調度的靈活性。多節點協同探測將為資源管控提供更多的選擇方案，提升調度的靈活性。

多節點協同探測打破傳統單節點雷達條塊分割界限，將多節點雷達資源進行集中管理，整合資源協同使用，從而充分發揮多節點雷達優勢互補能力[9]。

1.2 協同探測多節點選配和協同策略規劃

相控陣雷達協同探測多節點選配時，主要考慮以下幾個方面：

(1) 擴展頻率覆蓋范圍。多節點協同探測能夠擴大頻率覆蓋范圍，提升多節點間相互引導、寬覆蓋，增加整個系統的探測性能。

(2) 增加時間覆蓋范圍。當某個節點無法正常工作時，可通過其他節點進行彌補探測，增加整個系統的時間覆蓋范圍和檢測概率。

(3) 改善探測性能。通過多個節點相互引導，協同工作，增加探測的有效性、精確性和連續性。

在實際作戰中，由于作戰任務不同和節點性能各異，對于同一種目標任務，在滿足任務需求的同時可能存在多種節點分配方式[10]，需要相應的協同策略進行工作方式、節點分配的選擇，以達到更好的探測性能。

2 協同探測資源調度模型

面對復雜的戰場環境，單個任務往往需要多個節點同時提供協同保障，滿足一種任務的協同策略是多樣的，而節點資源和性能是有限的；同時，多節點協同探測調度的靈活性與多樣性也增加了調度決策的復雜性。為了有效解決協同探測資源調度問題，需要對多節點協同探測建立資源調度模型，對調度策略進行優化，實現節點資源的統一管控，從而提高多節點協同探測系統的資源利用率和探測性能。

2.1 資源調度模型

雷達任務是一系列有時間限制和時序要求的雷達事件序列，可以用若干屬性的集合表征，描述如下：

Ri={Pi，T0，Tni，tai，tdi，tei，tsi，tdwi，twi，TFbi，TFei},

(1)

式中:Pi為任務工作方式優先級;T0為調度間隔;Tni為任務的節點分配屬性;tai，tdi，tei，tsi分別為任務請求的到達時刻、截止時刻、期望執行時間、實際執行時間;tdwi為任務波束駐留時間；twi為時間窗寬度；TFbi，TFei為表示調度間隔中時間碎片的起始時間和終止時間。

根據上述任務模型設計調度算法。

2.2 資源調度性能評價指標

(1) 時間利用率(TUR)

(2)

式中:T0為調度間隔;tdwi為第i個調度任務的駐留長度。

(2) 平均偏移率(ATSR)

(3)

式中:tsi為第i個調度任務的執行時間;tei為第i個調度任務的期望時間;T0為調度間隔。

(3) 單個雷達任務的容量 (REVi)[11]

REVi=f(pi，tdwi，tsk),

(4)

式中：表示調度此事件的所獲得的收益；f(·)為容量函數，其根據任務優先級、時間利用率、時間偏移量綜合設計獲得。f(·)具有以下特點：

f：I×(0，∞)→(0，∞).

1) ?p∈I，?tsk∈(0，∞)，f(p，·，tsk)是單調遞增函數，即f(p，tdw1，tsk)

2) ?tdw∈(0，∞)，?tsk∈(0，∞)，

f(·，tdw，tsk)是單調遞增函數，即f(p1，tdw，tsk)<

f(p2，tdw，tsk)，當且僅當p1

3) ?p∈I，?tdw∈(0，∞)，f(p，tdw，·)是單調遞減函數，即f(p，tdw，tsk1)>f(p，tdw，tsk2)，當且僅當tsk1

f(·)函數設計具有一定的靈活性，本文采取下面的形式：

(5)

式中:m，n，q為調整系數表示任務優先級、時間利用率、時間偏移率3因素對事任務容量的影響程度，滿足m，n，q≥0，m+n+q=1。

(4) 調度容量(SVj)

(6)

單個調度間隔內，參與調度的雷達任務的容量之和。

(5) 調度成功率(SSR)

(7)

式中:M,N分別為已調度的雷達任務和參加資源調度的總任務數。

2.3 多節點協同探測資源調度優化模型

時間窗在相控陣雷達任務調度算法中得到了廣泛的應用，文獻[12]對時間窗進行了詳細的研究，文獻[13-14]在調度算法研究中應用了時間窗。在時間窗任務調度算法中，時間偏移量和時間利用率是一對矛盾。

針對多節點協同探測，提出一種優化模型。在各節點調度間隔中尋找與任務駐留長度相近的時間碎片來插入任務，提高時間利用率。權衡時間偏移量和時間利用率2個因素，在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。

根據上述分析以及上節提出的性能指標，本文提出以下優化模型：

(8)

其中滿足

tff=TFej-TFbj>=tdwi.

(9)

式(8)表示權衡時間利用率和偏移量2個因素，在調度間隔中尋找時間碎片，使滿足在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。式(9)保證尋找的時間碎片長度要大于駐留，以便任務可以插入時間碎片中。

借助文獻[15]的層次化分析方法(AHP)，針對時間偏移量和時間利用率2個因素，本文選取p=0.363，q=0.637，經計算，滿足一致性要求。

3 協同探測調度算法

3.1 算法實現原理

針對多節點協同探測，提出一種協同調度算法。首先，先進行協同任務調度。將協同任務填滿各節點的調度間隔，以獲得最好的探測性能；然后，對于各個單節點都能滿足探測性能的任務，將申請隊列中的任務按優先級依次加入執行隊列，遍歷各節點，按照期望時間進行任務調度，使參與調度任務的時間偏移盡可能的小；最后，將剩余的申請任務按2.3節描述的調度優化模型進行調度，依次插入時間碎片，進一步壓縮時間碎片，在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。

3.2 協同調度算法實現流程

協同調度算法流程圖如圖1所示。

4 仿真分析

基于以上研究，對算法進行仿真分析。假設進行3節點協同探測任務調度仿真試驗，任務調度間隔SI=50 ms，仿真時間為1個調度周期，設置5類任務，總共40個任務請求，其中5個為協同任務。具體參數如表1所示。

得到的任務調度仿真結果如圖2所示，且經過100次蒙特卡羅仿真，得到如表2所示的性能比較，其中算法1為時間窗調度算法，算法2為本文提出的協同探測任務調度算法。可以得出，算法2時間利用率(TUR)、調度容量(SV)和調度成功率(SSR)均優于算法1，能夠獲得更好的任務調度性能。

表1 任務參數表Table 1 Table of tasks parameters

圖1 協同調度算法流程圖Fig.1 Flow chart of cooperative scheduling algorithm

算法TUR(%)ATSR(%)SV(%)SSR(%)169．9411．62212．6982．5278．5813．35278．0690．0

圖3為2種算法的任務調度性能指標隨參與調度任務數變化的比較。可以發現，隨著參與調度任務數的增加，在不顯著增加時間偏移率的前提下，算法2各項性能指標均優于算法1，提高了時間利用率，同時也提升了雷達協同探測性能。通過仿真，驗證了本文提出的算法有效性。

圖2 2種調度算法任務調度結果Fig.2 Task scheduling results of two algorithms

圖3 2種調度算法性能指標對比Fig.3 Performance comparison of two algorithms

5 結束語

本文針對相控陣雷達協同探測任務調度需求，提出了一種協同探測任務調度算法，針對時間窗任務調度算法中時間偏移量和時間利用率這一矛盾問題，通過將任務插入時間碎片來提高時間利用率。仿真結果表明，基于本文提出的協同探測任務調度算法，在不顯著提高時間偏移量的前提下，提高了時間利用率，提升了探測性能，對協同探測任務調度研究具有一定的參考價值。

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