旋轉相控陣雷達資源調度策略研究

李紀三，侯 姣，班陽陽，楊玉亮，胡 英，任 淵

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

相控陣雷達任務調度的內涵為當多任務搶占資源時確定任務執行的時刻和使用的資源[1-3]。相控陣雷達資源靈活可控，可根據外部環境和需求切換不同的工作方式(通常包括跟蹤模式、搜索模式等)，在不同工作方式下的各任務資源分配不同比例，合理實時地分配雷達的資源，成為釋放系統強大工作能力的重要因素[4]。

1 概 論

相控陣雷達資源主要是指時間資源、能量資源和計算資源[5]。能量資源通常與T/R組件的功率和工作比有關，同時也受冷卻系統的冷卻效率的影響。計算資源主要是板卡的處理能力。隨著計算機技術的發展，信息處理能力越來越強，并且通用的雷達的信息處理是流處理，計算機的板卡需要能夠支持最大的信息處理能力。通常雷達設計要求在滿足其工作比的要求下以最大功率工作，以提高雷達回波的信噪比，增強對弱小目標的檢測能力。因此，能量資源不需要調度。雷達的探測任務分時執行，信息是以流的方式從前端到后端的。雷達的計算資源通常要保證最大的需求。因此，通常說的相控陣雷達資源調度主要是指時間資源的調度。

1.1 艦載相控陣雷達任務

艦載相控陣雷達主要承擔以下任務使命：低空搜索、海面搜索、中遠程搜索(情報收集、態勢建立)，近程中高空搜索(捕獲高速高機動來襲目標)、武器制導、重點目標跟蹤(含來襲目標的目指)、失跟捕獲、可疑點確認、打擊評估，以及目標分類識別、氣象探測[6-7]。

每個任務對應著3個參數：數據率、波束駐留時間和時間資源預算。數據率是指每秒中駐留執行的次數(現在通常用其倒數來代替)。波束駐留時間是指為了完成任務一次駐留需要的時間資源。時間資源預算是指一個雷達周期內分給本任務的時間資源總量。例如：假設重點目標跟蹤的時間預算是30%，則有以下關系：

目標個數*數據率*波束駐留時間<1 s*30%

1.2 資源調度框架

如圖1所示，狹義的資源調度主要為接收各類任務請求，根據當前的工作方式和各類任務的時間資源預算，實時計算各類任務的優先級，按照一定的調度策略，生成可執行的任務列表。

廣義的雷達資源調度也稱為雷達控制，包括以下功能：

(1) 雷達工作頻點的控制、雷達跳頻變頻抗干擾、頻率分集抑制海雜波、實時確定每個波束的工作頻點和信號形式;

(2) 生成各種工作方式下的搜索掃描表，根據跟蹤任務請求生成跟蹤任務的掃描表;

(3) 任務調度結果的統計和輸出;

(4) 對于固定面陣的相控陣雷達有面陣交疊區的任務規劃，對于旋轉相控陣雷達有伺服轉速控制，以及天線電子波束指向與伺服方位的實時控制。

1.3 資源調度評估指標

(1) 時間資源分配比例的計算是根據如下公式進行的：

其中，ti為任務最大耗時，Tp為任務數據率，TT為設計任務分配周期。根據上式計算得各任務的時間資源分配比例。

(2) 任務調度成功率SSR

其中，N為成功調度任務總數，M為所有請求的任務總數。

(3) 平均時間偏移率ATSR

其中，N為成功調度任務總數，wi為第i個任務的動態時間窗，tsi和tei分別為第i個任務的實際執行時間和期望執行時間。

2 自適應調度算法

雷達資源管理與調度部分是相控陣雷達系統的核心，其作用是根據某種最優的準則確定一種調度策略來調度雷達任務，以有效地分配雷達資源，達到優化雷達整體性能的目的。它主要完成雷達事件的任務生成、任務編排和波束調度。雷達任務駐留一旦被調度執行則不能被其他駐留所中斷，即調度是非搶占式的。

2.1 時間預算調度法(Time Balancing Scheduling)

時間預算調度法對每個任務預先設計一個資源的使用上限，當此任務的資源使用達到限制時則不再響應此任務的請求，然后執行其他的任務。流程如圖2所示。

在調度間隔開始時刻t1，統計可以在此時刻執行的任務，選擇優先級最高的任務執行。任務駐留時間為d，在t1+d時刻系統又空閑時，統計在此時刻可以執行的任務，同時計算各類任務已經消耗的時間資源的占比，選出可以優先級最高的且時間占比沒有超過預先設定比例的任務執行。若此刻沒可執行的任務則時間向后推移1個單位，統計t1+d+1時刻的任務。如此循環下去，直至把調度間隔排滿。

2.2 基于時間窗和任務優先級的自適應調度算法

Huizing A G 在1996年做多功相控陣雷達資源仿真時提出雷達任務時間窗的概念。利用這個時間窗約束，在設計資源調度程序的時候就可以靈活安排資源分配。時間窗概念是基于雷達跟蹤工作方式的。時間窗的具體含義為雷達事件的實際執行時間在期望執行時間前后能移動的有效范圍，如果超過時間窗范圍雷達事件仍未執行，即使再調用該雷達事件也沒有意義，則放棄調度該雷達事件。這樣，很多因時間上沖突而被舍棄的事件便可以通過時間窗的安排得到調度，從而提高了時間的利用率。

扇區任務調度間隔內按照優先級進行排序，高優先級的任務先執行，低優先級的任務在時間資源不夠用的情況下被舍棄。對于固定面陣的雷達的調度，在任務時間窗內，高優先級的任務先執行，而低優先級的任務被延遲。實現流程如圖3所示。

根據雷達任務閉環所需時間確定調度間隔，從掃描列表、跟蹤列表以及延遲列表中取出本間隔要執行的任務，按照優先級從高到低，根據期望執行時刻編排波束。每安排完一個波束，同時記錄本間隔內的空隙時間段。從任務列表中取出下個任務，判斷能否在時間窗約束下在某個空閑時間段內執行。安排完所有能在本間隔內的任務后獲取發射波束的順序列表，然后重新設定每個波束的發射時刻，把前一個波束的介紹時刻作為下個波束的執行時刻，把時間碎片擠掉。本間隔內最后一個任務結束時刻作為下個調度間隔的開始時間。

2.3 兩種算法對比

時間預算法(TBS)是側重于宏觀的任務規劃和時間資源分配，而基于時間窗和優先級的自適應調度算法偏重于微觀的駐留調度或者稱為波束編排。

時間預算法(TBS)注重了任務間時間資源的分配，能夠保證低優先級的任務也有相應的時間執行。特別是當雷達工作遇到假目標干擾時，目標跟蹤任務的優先級高于搜索任務的優先級，因此會造成雷達的任務飽和和過載。時間預算法能夠保證預留一定的時間用于搜索。缺點是處理在某個時間段上突發很多高優先級的任務時高優先級的任務會被丟掉，由于在此時間段上高優先級的任務明顯增多，調度時會按照比例卡掉很多高優先級的任務。

基于時間窗和優先級的自適應調度算法與時間預算法正好相反，特點是保證短期內高優先級的任務能夠執行，但是周期上的任務規劃和時間資源分配欠缺。后者算法是在實驗室仿真中提出來的，后來很多的學者又進行了跟蹤研究。但是該算法不太適合警戒雷達裝備上實際使用。通常警戒搜索可作為低優先級的任務，沒有時間窗的限制，當跟蹤等高優先級的任務多時可以增加搜索的幀周期，而不是將任務舍棄掉。

3 旋轉相控陣雷達資源調度的特點分析

旋轉相控陣雷達相比于固定面陣相控陣雷達有其自身的特點：(1)天線360°旋轉，面陣的法線方向能到達任一方位；(2)對任一方位，在三分之二的時間天線波束照射不到。固定面陣偏離法線方向的掃描造成的資源浪費是無法彌補的，而旋轉相控陣雷達可通過把任務盡可能編排在法線方向節省系統的資源。

根據以上分析，在進行旋轉相控陣雷達的調度中應注意以下幾點：

(1) 無論任務的優先級高低，若不能在規定的時間段執行，則任務在本周期內無法完成；

(2) 波束能在法線方向正負45°內掃描，保證了資源調度的靈活性；

(3) 要保證本周期突發任務的有效執行，如回掃確認和捕獲。

國內外學者和工程人員對固定面陣的相控陣雷達的資源調度技術進行了深入的研究，如前文中介紹的兩種自適應算法。這些技術應用于固定面陣的資源調度中，取得很好的效果。對于旋轉相控陣雷達的資源調度，國內外學者發表的文獻還不多，并且根據以上分析也不能簡單地將固定的面陣的資源調度策略應用于旋轉相控陣雷達的資源調度中。

4 全周期資源規劃方法

根據旋轉相控陣雷達的特點，通常將時間資源和任務按扇區進行劃分，一種劃分法如圖4所示。

將0°～360°等分為18個扇區，每個扇區20°。雷達的天線轉速為30 r/min。天線掃過每個扇區的時間為100 ms。調度間隔取為100 ms。在每個調度間隔內，收集本間隔內所有任務請求，包括搜索請求、跟蹤請求、確認請求，以及上個間隔的延遲列表中的請求。扇區內總時間資源減去精跟確認捕獲的時間后剩余的時間均勻分配到每個方位上。按照分配時間的多少確定探測的距離或者仰角范圍。

扇區規劃的缺點是時間資源利用率不高，因為當目標集中在一個扇區內時，會極大地壓縮本扇區搜索的時間資源，導致距離縮得很小，而此扇區旁邊的扇區因為沒有目標警戒距離較遠，其他扇區的資源不能調配到本扇區。

4.1 問題分析

通過方位的波束寬度，可以計算出整個周期內需要掃描的方位上的波位數。如果波束寬度是2°，則有

360°/2°=180(個)

同理可根據仰角的波束寬度和仰角的覆蓋范圍計算出仰角的波位數。如果仰角上掃到70°，仰角的波束寬度也為2°，那在仰角上有

70°/2°=35(個)

為了節省時間資源，相控陣雷達可通過增加硬件設備用仰角多波束進行探測。如果同時7波束進行探測，則在仰角上減少至35/7=5個波位。同時，要確定單脈沖探測還是脈組探測、脈沖的脈寬PW、脈沖重復周期PRT、波形(線性調頻還是相位編碼)、信號帶寬等。確定好以上參數之后，相當于設計好了掃描表，并且還要考慮到艦船的搖擺、大風氣候條件下的轉速不均勻，以及搜索任務的資源分配等情況。

天線法向過大地坐標系正北時，計算本周期各類任務的時間資源。任務分為搜索類任務和目標跟蹤識別類任務。資源調度分系統接收外部波控系統的50 ms的調度中斷，雷達天線周期是2 s，每個天線周期內會接收到40個中斷，資源調度收到中斷后向波控發送總時間為50 ms左右的任務列表。

沒有跟蹤類任務時，假設搜索類的任務占用的總時間1.8 s，當發送1.8/0.05=36個任務包，可將本周期的搜索任務全部執行完。剩余的4個調度間隔沒有任務，且天線的電子波束與面陣的法線方向會相差4*9=36°。為了讓波束在法線附近掃描(因為此時天線的增益最大、信噪比最高)，避免天線還沒有轉到正北，已經把本周期的任務全部執行了。如圖5所示，會將多余的時間分配在每個調度間隔，即0.2 s/40=5 ms。這5 ms是以空閑時間的形式插在每個調度間隔里，即每個調度間隔實際發送了45 ms左右的搜索任務。當出現跟蹤任務后，優先使用這多余的200 ms的空時間；如果跟蹤任務再多的話，則開始占用搜索的時間。

如果跟蹤類的時間是300 ms，那剛開始設計的全空域的1.8 s的掃描表就不能用了，需要重新選用一個時間不多于1.7 s的掃描表。有跟蹤任務時的掃描表設計有以下幾種策略：

(a) 降低脈沖的PRT，相當于降低了警戒的距離；

(b) 減少掃描的仰角范圍，本來掃5個仰角層，現在只搜索了4個仰角層；

(c) 減少脈組里的脈沖數，本來做5脈沖積累，現在做4脈沖積累。

4.2 算法流程

旋轉相控陣雷達的全周期資源規劃方法由兩大功能組成，一是本周期開始時(面陣的法線方向過正北時)的全周期的搜索參數確定，二是每個調度間隔的中斷到來時編排本調度間隔的波束執行鏈表。

全周期的參數確定是根據工作方式以及其他的操控命令確定本周期的掃描參數表。參數通常包括方位號、仰角號、脈沖數、多波束數、脈沖處理方式、脈沖寬度、脈沖重復周期、信號形式，以及信號帶寬、信號頻點。通常是預先設計好掃描表，然后計算本周期分配給搜索的時間，根據時間選擇相應的掃描表，具體流程見圖6。

每個調度間隔的波束編排是指編排本調度間隔的搜索任務和跟蹤任務。搜索任務從本周期的搜索鏈表中根據上調度間隔結束處開始執行。比如說，本周期的掃描表中共有1 000個搜索任務，第1個調度間隔掃了50個任務，那第2個調度間隔是從第51個任務開始執行。跟蹤任務是指落在本調度間隔內的任務。通常每個調度間隔對應著一個掃描方位區間。如果跟蹤的目標的方位落在本區間，那么跟蹤任務就在本調度間隔內執行。但是，像回掃確認和高數據率跟蹤等任務，需要根據掃描的提前量和滯后量重新計算調度間隔。如果目標在大地坐標下的方位上70°，希望提前30°對目標進行掃描，那么應該在天線轉到40°左右時對任務進行編排，具體流程見圖7。

5 結 論

全周期的資源規劃技術在本周期任務執行中記錄本周期任務的跟蹤類任務執行的總時間。當天線過正北時，根據上周期跟蹤用的時間來生成本周期的掃描表。換個角度講，本周期相比較于上周期新增加的跟蹤時間確定了下圈的掃描表，是一種延遲補償策略。傳統算法與跨周期資源調度算法效果對比如圖8所示。傳統算法中任務“遠程搜索2”時間資源在調度間隔1中被兩個更高優先級的跟蹤任務擠占了，因此被刪除。在改進的算法中，可以將全周期的空閑時間拿來作為跟蹤用，因此在安排了兩個跟蹤任務后仍能執行“遠程搜索2”。

6 結束語

經過外場試驗的驗證，本文提出的全周期的資源規劃技術兼容扇區調度的整圈規劃技術，能夠快速響應其他分系統系統下達的扇區任務，大大提高了時間利用率。