基于目標威脅度的相控陣雷達自適應調度方法

張浩為，謝軍偉，張衛東，盛川

（空軍工程大學防空反導學院，西安710051）

基于目標威脅度的相控陣雷達自適應調度方法

張浩為，謝軍偉，張衛東，盛川

（空軍工程大學防空反導學院，西安710051）

對時間資源的合理安排是相控陣雷達發揮自身優勢的關鍵。將目標威脅度引入調度算法中，與工作方式和任務截止期共同進行綜合優先級規劃。通過構建目標威脅度的量化模型，使雷達在調度跟蹤任務時依目標威脅度大小分配時間。提出了修正價值率和執行威脅率的概念，完善了性能評估指標。通過仿真，全面評價了新算法性能，驗證了引入目標威脅度的合理性。結果表明，新算法可以有效提升相控陣雷達對高威脅度目標的處理能力。

相控陣雷達，自適應調度，綜合優先級，目標威脅度

0　引言

相控陣雷達良好的波束捷變和波形自適應能力，使其可以同時完成搜索和跟蹤等多種任務，相較于傳統機械掃描雷達而言優勢明顯。這種優勢的發揮正是基于相控陣雷達對時間資源和硬件資源的合理分配:利用時間分割原理，在各時間段分配特定的任務，以達到對硬件資源綜合、高效利用的目的。因此，研究如何在時間資源有限［1］的約束下，實現對請求任務的最優分配，對發揮相控陣雷達的自身優勢有著重要意義。

相控陣雷達調度模塊決定著任務分配，可分為兩大部分，任務優先級規劃和調度策略的選擇。傳統的優先級規劃中，事先根據相控陣雷達不同的工作方式賦予其不同的優先級，并且在調度過程中固定不變［2-3］，自適應能力差。隨著截止期最早最優先算法［4-5］（EDF）的引入，雷達性能得到提高?，F今的任務優先級規劃中，常?？紤]任務多種屬性，得到綜合優先級序列。文獻［6］提出了修正的工作方式優先級調度算法（MHPF）:工作方式優先級越高的任務，綜合優先級越高，工作方式相同的任務間，截止期越短，綜合優先級越高。通過仿真，證明了MHPF算法相較于傳統算法的優越性。但雷達任務的綜合優先級應與目標信息密切相關，搜索任務沒有濾波信息，驗證任務濾波信息不完整［7-8］，因此，本文在跟蹤任務中引入目標威脅度因素，與截止期、工作方式共同進行綜合優先級規劃。

相控陣雷達的調度策略可分為4類:固定模板法、多模板法、部分模板法和自適應方法。其中，自適應方法能夠最大程度上發揮相控陣雷達的綜合優勢。A.G.Huizing提出了在調度中加入時間窗的方法，可將波束駐留的實際執行時間在期望執行時間的時間窗范圍內前后移動［9］，提高了任務調度的成功率。在后續仿真校驗中，將采用加時間窗的自適應調度算法。

1　目標威脅度模型

影響目標威脅度的因素很多，現主要考慮以下幾點:目標類型［10］、目標速度、目標與雷達距離和目標航向。以下對目標威脅度進行量化計算:

1.1目標類型優先級函數prTY

1.2目標距離優先級函數prR

假設相控陣雷達最大跟蹤距離為Rmax，制導導彈殺傷最遠距離為rmax，目標距離為r。r值越小，目標威脅程度越大。采用線性方法可描述為［10］:

1.3目標速度優先級函數prV

假設目標飛行速度小于vL時，prV為一固定值β，且0＜β＜1；目標飛行速度大于vH時，目標速度優先級函數prV為1。同距離優先級函數，采取線性描述為:

1.4目標航向優先級函數prα

目標航向角度α為目標水平投影與雷達連線逆時針旋轉到目標運動方向水平投影的夾角。當α=0時，目標徑直飛向我方，對我雷達威脅程度最大；當α=π時，目標徑直飛離我方，對雷達造成威脅最小，故可用如下函數表示:

基于上述函數，采用線性加權方法構造目標威脅度優先級函數（以下簡稱目標威脅度）為:

2　綜合優先級規劃

將請求任務集合分別排序，得到工作方式優先級序列:P1，P2，P3，…，Pn和截止期序列:d1，d2，d3，…，dn。其中，Pi，di分別代表任務工作方式優先級和截止期，滿足P1≥P2≥P3…≥P和d1≤d2≤d3…≤dn。任務屬性Pi和di在兩個序列中的位置分別記為m，n。m，n值越小，任務優先等級越高。構造一級綜合優先級函數:

式中:η，γ分別為權系數。pi值越小，任務優先等級越高?？紤]目標威脅度后，構造二級綜合優先級函數:

pric越大，任務優先等級越高。

為符合優先級原則，優先考慮工作方式，綜合優先級規劃為:取

將所有任務屬性Pi和di輸入一級綜合優先級函數中，依pi值大小得到優先級序列。同類任務pi相同時，非跟蹤任務取

再次按pi值大小排序；跟蹤任務，將目標信息輸入式（7），依pric值大小排序。

3　算法描述

步驟1:調度開始后，判斷是否結束。是，則轉步驟7；否，則轉步驟2。

步驟2:取符合調度間隔的任務集，條件為tbegin≤tstart≤tend。tstart為任務期望執行時間；tbegin為調度間隔開始時間；tend為調度間隔結束時間。

步驟3:判斷任務集是否為空?？?，則轉步驟1；否，則轉步驟4。

步驟4:按2中描述進行綜合優先級排序后，依次取出任務，分析執行。

步驟5:若請求任務滿足本調度間隔的條件: tstart+twell≤tremain，則送入執行隊列；不滿足，則判斷tstart+twindow≥tend是否成立，成立則送入延時隊列，不成立，則送入刪除隊列。其中，twell為波束駐留時間；tremain為本次調度間隔剩余時間；twindow為任務時間窗。

步驟6:下一調度間隔內，新請求隊列和前一調度間隔的延時隊列一同成為本次的請求隊列，轉到步驟2。

步驟7:調度結束，得到結果，分析數據。

算法流程如圖1所示:

圖1　算法流程圖

4　評估指標

評判調度算法性能的好壞，需要以下指標:

①調度成功率（SSR）:成功調度的任務數與請求調度任務數之比。分為總調度成功率和各類任務調度成功率。公式如下:

式中:Nsuc為成功調度的任務總數，Ntotal為請求調度任務總數。

②實現價值率（HVR）:指成功調度的任務工作方式優先級之和與請求調度任務的工作方式優先級之和的比值。它可以反映高優先級任務在成功調度的任務中所占比重［11］。公式為:

由于跟蹤任務的價值與目標威脅度緊密相關，故在此提出修正價值率（MHVR）的概念:直接將目標威脅度函數輸出值加權到跟蹤任務的工作方式優先級上，以此來反映跟蹤任務間不同的優先級。

式中，除跟蹤任務外，其他任務默認目標威脅度值為0。下文中兩者統稱為價值率。

③時間利用率（TUR）:指成功調度執行的任務駐留時間之和與雷達工作總時間的比值，能夠反映雷達的時間資源是否得到了高效利用。公式為:

式中:twellk為任務駐留時間，T為雷達工作總時間。

④平均時間偏移率（ATSR）:是反映調度算法對請求任務執行的及時性指標。具體公式為:

texcute為任務實際執行時間。

⑤為反映成功調度的跟蹤任務中目標威脅度大小，提出執行威脅率（ETR）的概念，即調度成功的跟蹤任務所具有的目標威脅度總和與請求的跟蹤任務中目標威脅度總和之比。公式為:

5　仿真校驗

仿真中，考慮確認、跟蹤、失跟處理、搜索4類雷達任務，參數如表1。對比以下算法:

算法1:MHPF算法。

算法2:本文算法。

表1　任務參數表

prTY中，依次取w1=7，w2=6，w3=5，…，w7=1。prR中，取rmax=100 km，Rmax=300 km。prV中，取vL=50 m/s，vH=450 m/s，β=0.2，得出k=0.8，b=40。

雷達任務解釋如下:①目標屬性參數隨機產生，隨時間推移，在一定范圍內變化；②目標進入雷達探測范圍后，以一定概率被搜索到；③確認任務由目標驗證與虛警兩部分產生；④目標確認后，跟蹤任務按更新率產生，精跟與普跟任務數之比為1∶4；⑤失跟處理任務在開始跟蹤目標后隨機產生；⑥搜索任務在仿真開始就按更新率產生。調度間隔取25 ms，仿真時長10 s，選取其中500 ms，設置場景參數，如表2。

表2　場景參數表

原狀態為雷達跟蹤2批目標，新搜索到10批目標，失跟處理5批目標。在此基礎上，對跟蹤任務數由60到120每次步進5個，進行100次仿真實驗，統計平均結果如圖2～圖7所示:

圖2　調度成功率對比

圖3　實現價值率對比

圖4　修正價值率對比

圖5　時間利用率對比

圖6　時間偏移率對比

圖7　執行威脅率對比

分析圖2～圖7，可以看出:隨著跟蹤任務數量的增加，雷達工作時間逐漸過載，算法2以較少的任務數目，保證了優于算法1的執行威脅率。說明算法2優先調度對高威脅度目標的跟蹤任務，保證其執行。在時間偏移率方面，算法2控制得較好，算法1稍高的調度成功率和價值率是以較大的時間偏移量為代價的。

6　結論

針對相控陣雷達任務與目標的相關性，在綜合目標屬性后，給出了目標威脅度的量化模型，并將其引入自適應調度算法中，與工作方式、任務截止期共同進行綜合優先級規劃，使跟蹤任務優先級依目標威脅度不同而變化。在此基礎上，給出了新算法的詳細流程，提出了修正價值率和執行威脅率的概念，完善了性能評估指標。仿真過程中，與已有算法加以對比，驗證了在跟蹤任務中加入目標威脅度的合理性。結果表明，雷達通過獲得的目標參數，能夠根據目標威脅度動態地改變雷達跟蹤任務的優先級，對請求任務進行合理安排，提升了對高威脅度目標的處理能力。在仿真過程中，由于目標威脅度函數輸出較小，在引入目標威脅度后，跟蹤任務所取得修正價值率被其他任務抵消，故兩種算法的修正價值率提升不高。在考慮資源管理時，文章僅考慮了最主要因素——時間資源的約束及分配，未對能量和計算機資源加以考慮。未來工作中，將會對時間、能量和計算機資源進行綜合考慮，以對相控陣雷達自適應調度作進一步研究。

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［9］余良狀.遠程相控陣制導雷達調度研究［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

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Adaptive Scheduling Algorithm Based on Threat Level of Target for Phased Array Radars

ZHANG Hao-wei，XIE Jun-wei，ZHANG Wei-dong，SHENG Chuan
（Air and Missile Defence Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The arrangements to time resource account most for the phased array radar to optimise its superiority.The threat level of targets is introduced into scheduling algorithm，to form the comprehensive priority function with the working patterns and the deadline of tasks.Through structuring the qualification model of the threat level of targets，the phased array radar will arrange time successively according to it when scheduling tracking tasks.The conception of modified high value ratio and the threat ratio of execution are presented，improving the evaluation index.In simulation，the new algorithm is evaluated roundly，and the validity of the algorithm and the improved performance for high threat level of target of radar are proved by the results.

phasedarrayradar，adaptivescheduling，comprehensivepriority，thethreatleveloftargets

TN958.92

A

1002-0640（2016）06-0100-04

2015-05-09

2015-06-07

張浩為（1992-），男，河北唐山人，碩士研究生。研究方向：相控陣雷達資源管理。