基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的相控陣火控雷達(dá)自適應(yīng)調(diào)度方法

任小葉

【摘 要】TAS模式下，相控陣火控雷達(dá)需要完成空域搜索、多個(gè)目標(biāo)捕獲以及精確跟蹤。為了及時(shí)充分的調(diào)度安排雷達(dá)時(shí)間資源，本文提出了一種綜合考慮目標(biāo)威脅度、工作方式和任務(wù)截止時(shí)間的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)雷達(dá)自適應(yīng)調(diào)度方法，該方法可有效的提高相控陣?yán)走_(dá)對(duì)高威脅目標(biāo)的處理能力。

【關(guān)鍵詞】相控陣?yán)走_(dá)；自適應(yīng)調(diào)度；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)；目標(biāo)威脅度

中圖分類號(hào)：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0101-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.047

An Adaptive Scheduling method for Phased Array Fire Control Radar Based on Dynamic Priority

REN Xiao-ye

（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230031，China）

【Abstract】Under the TAS mode， phased array fire control radar has to search， confirm and track targets. In order to schedule and arrange radar time resources timely and fully， a dynamic priority radar adaptive scheduling method， which considers target threat degree， work mode and the deadline of tasks， is proposed in this paper. This method can effectively improve the processing ability of phased array radar to high threat target.

【Key words】Phased array radar； Adaptive scheduling； Dynamic priority； Target threat degree

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)具有波形捷變和波束自適應(yīng)的特點(diǎn)，可以在空域搜索的同時(shí)完成目標(biāo)跟蹤等多種功能[1]。在實(shí)戰(zhàn)中目標(biāo)往往成批出現(xiàn)，火控雷達(dá)在跟蹤加搜索（TAS）模式下，搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即刻轉(zhuǎn)入跟蹤，同時(shí)繼續(xù)搜索空域中是否存在新的目標(biāo)，捕獲一個(gè)跟蹤一個(gè)，直至容量達(dá)到飽和，不能再跟蹤新的目標(biāo)，如何控制波束在多個(gè)目標(biāo)間合理調(diào)度，使得既能維持對(duì)已捕獲目標(biāo)的跟蹤，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，并優(yōu)先保障重要目標(biāo)的精密跟蹤，充分利用有限的時(shí)間資源，值得深入研究。

任務(wù)調(diào)度模塊包括調(diào)度策略和任務(wù)優(yōu)先級(jí)規(guī)劃兩部分。調(diào)度策略分為模板法和自適應(yīng)方法等，其中自適應(yīng)調(diào)度的計(jì)算開(kāi)銷最大，也最能靈活的發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)，隨著計(jì)算機(jī)性能提升，越來(lái)越多的雷達(dá)選用自適應(yīng)波束調(diào)度方法[2-8]。傳統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)規(guī)劃中，優(yōu)先級(jí)由雷達(dá)的工作方式?jīng)Q定，并在調(diào)度過(guò)程中保持不變，自適應(yīng)能力最差。隨后出現(xiàn)的截止期越早優(yōu)先級(jí)（EDF）算法[6]，大幅提高了雷達(dá)調(diào)度性能。現(xiàn)在的優(yōu)先級(jí)規(guī)劃常常考慮多種屬性得到綜合優(yōu)先級(jí)序列。如HPEDF算法[7-8]工作方式優(yōu)先級(jí)越高的任務(wù)，綜合優(yōu)先級(jí)越高；工作方式相同的任務(wù)，截止期越早，綜合優(yōu)先級(jí)越高。但上述方法沒(méi)有充分利用目標(biāo)的先驗(yàn)信息[7]且雷達(dá)任務(wù)優(yōu)先級(jí)由人工劃分，受主觀因素的影響較大。因此本文對(duì)跟蹤目標(biāo)引入目標(biāo)威脅度模型，與工作方式和截止期一起形成任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)。

1 目標(biāo)威脅等級(jí)

目標(biāo)威脅等級(jí)由目標(biāo)類型[9]、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征（徑向距離、速度、高度、航向）、目標(biāo)敵我等多種因素決定。

（1）目標(biāo)類型（導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、干擾機(jī)和預(yù)警機(jī)等）由模式識(shí)別模塊識(shí)別，由專家系統(tǒng)設(shè)定類型威脅等級(jí)pType。

（2）目標(biāo)徑向距離R，制導(dǎo)導(dǎo)彈最遠(yuǎn)殺傷距離Rgmax，雷達(dá)威力Rdmax，目標(biāo)距離越近，威脅等級(jí)越大，則徑向距離威脅度pR為[10]：

（3）目標(biāo)低速時(shí)威脅較小，為一較小的常數(shù)，當(dāng)速度大于一定值時(shí)威脅迅速上升；當(dāng)目標(biāo)速度大于vH時(shí)，速度威脅值為1。則速度威脅度pv為：

（4）定義目標(biāo)航向與雷達(dá)中心指向的夾角為目標(biāo)航向角θ。當(dāng)θ=0°時(shí)，目標(biāo)相向飛行，威脅度最大；當(dāng)θ=180°時(shí)，目標(biāo)背向飛行，威脅度最小。則航向威脅度pθ為：

（5）目標(biāo)低空突防時(shí)威脅度最大，目標(biāo)越高則威脅度越小。目標(biāo)高度威脅ph為：

式中H為臨界高度，h為目標(biāo)高度，b為控制函數(shù)衰減速度的常系數(shù)。

（6）目標(biāo)敵我識(shí)別為敵、未知和我，則敵我威脅度pIFF分別為1，0，-1。

綜合上述威脅度函數(shù)，總的威脅度等級(jí)為：

pt=pTpye（？姿1pR+？姿2pv+？姿3pθ+？姿4ph+？姿5pIFF），？姿l=1（5）

2 綜合優(yōu)先級(jí)規(guī)劃

綜合優(yōu)先級(jí)由工作方式、截止期和目標(biāo)威脅度共同決定。工作方式分為搜索、確認(rèn)、普通跟蹤、精確跟蹤和失跟處理。目標(biāo)確認(rèn)之后，根據(jù)目標(biāo)的威脅度從高到低自動(dòng)劃分N1批精跟目標(biāo)和N2批普通跟蹤目標(biāo)；精跟目標(biāo)也可由飛行員手動(dòng)選定，飛行員手動(dòng)選定的目標(biāo)認(rèn)為威脅等級(jí)最高。

一級(jí)綜合優(yōu)先級(jí)用來(lái)表示同一類型任務(wù)中不同威脅程度的目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。首先第k個(gè)任務(wù)的一級(jí)優(yōu)先級(jí)pk1由工作方式優(yōu)先級(jí)prk和目標(biāo)威脅度pkt產(chǎn)生。

pk1=prk+ptk（6）

由于搜索任務(wù)和確認(rèn)任務(wù)一般沒(méi)有先驗(yàn)知識(shí)，不涉及目標(biāo)威脅度，所以在對(duì)二者的優(yōu)先級(jí)綜合規(guī)劃中，一級(jí)綜合優(yōu)先級(jí)即為工作方式優(yōu)先級(jí)。

二級(jí)優(yōu)先級(jí)規(guī)劃準(zhǔn)則：（1）截止期越早的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高；（2）重要性越高的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高。設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)表，將目標(biāo)一級(jí)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)截止期統(tǒng)一起來(lái)：在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，將所有任務(wù)分別按截止期di有先到后和一級(jí)優(yōu)先級(jí)pk1由大到小進(jìn)行排序，第i個(gè)任務(wù)在兩個(gè)有序隊(duì)列中的位置分別為m和n，則綜合優(yōu)先級(jí)函數(shù)：

pric=am+（1-α）n（7）

3 調(diào)度策略

調(diào)度策略的目的為充分利用時(shí)間資源，在一個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)，按綜合優(yōu)先級(jí)大小依次安排任務(wù)請(qǐng)求，步驟如下：

圖1 算法流程圖

（1）初始化，判斷調(diào)度是否結(jié)束，結(jié)束轉(zhuǎn)（7），否則轉(zhuǎn)（2）；

（2）取任務(wù)期望時(shí)間te在本調(diào)度間隔[tbegin，tend]之間的任務(wù)；

（3）刪除超出截止期的任務(wù)；

（4）進(jìn)行綜合優(yōu)先級(jí)排序，依次取任務(wù)；

（5）若波束駐留時(shí)間twell小于本次調(diào)度剩余時(shí)間，則加入執(zhí)行隊(duì)列；否則如果任務(wù)最晚執(zhí)行時(shí)間大于本次調(diào)度截至?xí)r間tend，則加入延時(shí)隊(duì)列；否則加入刪除隊(duì)列；

（6）下一個(gè)調(diào)度間隔，延時(shí)隊(duì)列加入新請(qǐng)求隊(duì)列，轉(zhuǎn)入（2）；

（7）調(diào)度結(jié)束，分析數(shù)據(jù)。

4 性能評(píng)估

（1）調(diào)度成功率（SSR）：

SSR=Nsuc/Nsum（6）

其中Nsuc為成功調(diào)度任務(wù)數(shù)，Nsum為總請(qǐng)求任務(wù)數(shù)。

（2）執(zhí)行威脅率（ETR）

調(diào)度成功的任務(wù)威脅率之和與總請(qǐng)求目標(biāo)威脅度總和之比。執(zhí)行威脅率可以衡量調(diào)度算法對(duì)重要任務(wù)的調(diào)度性能。由于任務(wù)實(shí)際執(zhí)行時(shí)間有可能在時(shí)間窗內(nèi)[11]偏離任務(wù)期望執(zhí)行時(shí)間，引入修正執(zhí)行威脅率（METR）：

修正執(zhí)行威脅率不僅反映所采用的調(diào)算法對(duì)重要任務(wù)的調(diào)度性能，還能夠表征調(diào)度重要任務(wù)時(shí)，對(duì)其期望執(zhí)行時(shí)間遵循程度的符合情況。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 參數(shù)設(shè)置

考慮搜索、確認(rèn)、精確跟蹤、普通跟蹤、失跟處理五類雷達(dá)任務(wù)，參數(shù)如下表1。對(duì)比本文算法和HPEDF算法。

目標(biāo)威脅等級(jí)參數(shù)分別為Rgmax=80km，Rdmax=200km，vL=50m/s，vH=450m/s，a=0.2，k=0.8，H=500m，b=0.03；各威脅參數(shù)權(quán)重設(shè)置為λ={0.22，0.11，0.16，0.11，0.4}，目標(biāo)綜合優(yōu)先級(jí)的規(guī)劃重點(diǎn)考慮目標(biāo)重要性的影響，設(shè)α=0.8。

雷達(dá)場(chǎng)景設(shè)置： 搜索任務(wù)在仿真開(kāi)始后周期產(chǎn)生，目標(biāo)被隨機(jī)搜索到； 搜索的目標(biāo)經(jīng)驗(yàn)證后產(chǎn)生跟蹤任務(wù)；驗(yàn)證任務(wù)由目標(biāo)驗(yàn)證和虛驚共同產(chǎn)生；失跟任務(wù)在穩(wěn)定跟蹤起始后（跟蹤達(dá)到3次）數(shù)據(jù)率達(dá)不到要求時(shí)產(chǎn)生，未穩(wěn)定跟蹤的目標(biāo)不產(chǎn)生失跟請(qǐng)求。雷達(dá)跟蹤目標(biāo)0-90批，精跟和普跟數(shù)目比1：3，每增加10批目標(biāo)進(jìn)行100次蒙特卡羅仿真，結(jié)果如圖2-圖4。

5.2 結(jié)果分析

由圖2和圖3可知：隨著跟蹤任務(wù)的增加，雷達(dá)逐漸過(guò)載，在過(guò)載情況下，本文算法執(zhí)行任務(wù)的數(shù)量小于HPEDF算法，但執(zhí)行威脅率高于HPEDF算法。說(shuō)明本文算法對(duì)高威脅目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先調(diào)度，保證其執(zhí)行。由圖4可知，修正執(zhí)行威脅率本文算法明顯高于HPEDF算法，說(shuō)明本文算法威脅率高的任務(wù)執(zhí)行實(shí)際時(shí)間比期望執(zhí)行時(shí)間偏移較少，更符合雷達(dá)的實(shí)際工作需求。

6 結(jié)論

本文建立目標(biāo)威脅度模型，根據(jù)目標(biāo)屬性計(jì)算目標(biāo)標(biāo)威脅度，并根據(jù)威脅度自動(dòng)劃分跟蹤任務(wù)的跟蹤精度，與工作方式、任務(wù)截止期一起進(jìn)行綜合優(yōu)先級(jí)規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)通過(guò)已知目標(biāo)參數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整跟蹤任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，使得高威脅目標(biāo)在期望執(zhí)行時(shí)間附近優(yōu)先調(diào)度，有效提高了高威脅目標(biāo)的處理能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡衛(wèi)東，郁文賢，盧建斌，等.相控陣?yán)走_(dá)資源管理理論與方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.20（1）：46-61.

[2]Huizing A G， Bloemen A F. An Efficient Scheduling Algorithm for a Multifunction Radars[C] //Proceedings of the IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology， Boston， MA： IEEE， 1996：359-364.

[3]張伯彥，蔡慶字.相控陣?yán)走_(dá)的自適應(yīng)調(diào)度和多目標(biāo)數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].電子學(xué)報(bào)，1997，25（9）：1-5.

[4]秦童，戴奉周，劉宏偉，等.火控相控陣?yán)走_(dá)的時(shí)間資源管理算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2016，38（3）：545-550.

[5]LIUC，LAYLANDJ. Scheduling algorithms for multiprogramming in a hard real-time environment[J].Journal of the ACM，1973， 20（1）：15-49

[6]陳大偉，陳明燕，張偉.相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)調(diào)度算法仿真[J].信息與電子工程，2011，9（6）：694-697.

[7]侯澤欣.多功能相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度理論與方法研究[D].南京：南京船舶雷達(dá)研究所，2013.

[8]張浩為，謝軍偉，盛川.綜合優(yōu)先級(jí)規(guī)劃下的相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)調(diào)度方法[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，11（37）：2163-2169

[9]嚴(yán)世華，劉華，涂同飛.一種紅外多目標(biāo)威脅度排序方法[J].火力與指揮控制，2014，39（6）：22-241.

[10]文飛，呂艷，段剛，等.空空威脅評(píng)估在綜合輔助決策系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（12），3734-3737.

[11]Jang D S，Choi H L，Roh J E. A time -window based task scheduling approach for multifunction phased array radars[C] //Proceedings of the International Conference on control， Automation and Systems . Gyeonggido， Korea ：IEEE， 2011：1-6.