基于同時(shí)多波束跟蹤的任務(wù)調(diào)度方法研究

田 鋼，凌 牧，汪 晉

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

·數(shù)據(jù)處理·

基于同時(shí)多波束跟蹤的任務(wù)調(diào)度方法研究

田 鋼，凌 牧，汪 晉

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

目前對(duì)雷達(dá)多波束技術(shù)的研究多基于如何實(shí)現(xiàn)發(fā)射多波束，對(duì)跟蹤時(shí)的資源調(diào)度和能量管理策略研究較少，對(duì)多波束進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的使用條件，以及如何在多波束跟蹤和雷達(dá)能量損失、時(shí)間消耗間平衡缺少必要的原則。文中對(duì)同時(shí)多波束的工作方式進(jìn)行了分析，并建立了多波束跟蹤的模型；同時(shí)，通過時(shí)間資源優(yōu)化和回波能量感知兩方面研究，提出了同時(shí)多波束跟蹤的資源調(diào)度和能量管理準(zhǔn)則，并設(shè)計(jì)了多波束跟蹤時(shí)的自適應(yīng)任務(wù)調(diào)度算法。

多波束跟蹤；自適應(yīng)任務(wù)調(diào)度；能量管理

0 引 言

傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)通過為執(zhí)行的任務(wù)劃分時(shí)間片，保障多功能、多任務(wù)的有序進(jìn)行。隨著雷達(dá)生存環(huán)境日趨惡劣，傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)在處理多功能、多任務(wù)方面已經(jīng)趨于飽和，時(shí)間資源已成為制約相控陣?yán)走_(dá)能力拓展的重要瓶頸。可以同時(shí)并發(fā)執(zhí)行和處理任務(wù)的數(shù)字陣體制，成為現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

數(shù)字陣的發(fā)展為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展帶來了變革。隨著數(shù)字波束形成的使用，發(fā)射寬波束，接收多波束已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，應(yīng)用于雷達(dá)搜索、群跟蹤等方面。這提升了掃描速度和數(shù)據(jù)率，一定程度上緩解了緊張的時(shí)間資源[1-2]。但相控陣?yán)走_(dá)資源耗費(fèi)最多的，通常是進(jìn)行固定高數(shù)據(jù)率的跟蹤工作方式。因此，在能量調(diào)度和資源管理上實(shí)現(xiàn)任意方向多波束跟蹤意義更大。

為實(shí)現(xiàn)多波束同時(shí)跟蹤，一方面需要了解目前相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收的方法，主要包括陣面分割、特殊構(gòu)架[3]、陣面重構(gòu)、機(jī)會(huì)陣[4]等形式。不管采用哪種方法，都面臨陣面孔徑損失帶來的增益下降。傳統(tǒng)跟蹤方式均是根據(jù)雷達(dá)方程計(jì)算好各種參數(shù)，而使用多波束后，不同波束能量不再固定，雷達(dá)需要基于時(shí)變的回波能量測(cè)算結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，因此可以基于認(rèn)知雷達(dá)的感知概念[5-6]，讓雷達(dá)感知不同目標(biāo)對(duì)所需能量資源的訴求，并在波束能量分配中進(jìn)行體現(xiàn)，從而保證在同時(shí)多波束下目標(biāo)的順利檢測(cè)和穩(wěn)定跟蹤。另一方面，多波束依然要耗費(fèi)時(shí)間資源，需要針對(duì)各工作方式特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的時(shí)序，達(dá)到總體時(shí)間資源最優(yōu)的效果。

1 同時(shí)多波束跟蹤工作方式分析

數(shù)字陣接收多波束可以形成多個(gè)接收通道，保證任意方向雷達(dá)共口徑接收，實(shí)現(xiàn)了接收的最大收益。發(fā)射多波束則面臨增益的損失，受到環(huán)境因素、目標(biāo)特性、時(shí)間資源等限制，需要感知和綜合多種因素去分配能量進(jìn)行多波束的實(shí)時(shí)調(diào)度。

由于接收多波束要實(shí)現(xiàn)共口徑接收，以保證雷達(dá)威力的最大化。這就決定了雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多波束跟蹤時(shí)，多波束的工作方式必須滿足一定的時(shí)序要求，即具有同樣的工作周期、發(fā)射周期、接收距離門寬度等，這也間接確定了發(fā)射多波束的使用條件也要滿足這樣的定時(shí)要求。雷達(dá)采用同時(shí)多波束跟蹤目標(biāo)的能量調(diào)度和資源管理的問題，也就轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾魏喜⒊赏N工作方式跟蹤目標(biāo)的問題。

2 同時(shí)多波束跟蹤原則

對(duì)普通目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，需要保證工作時(shí)序合理、目標(biāo)可被探測(cè)。如果需要實(shí)現(xiàn)多波束同時(shí)跟蹤，同樣需滿足一定條件，主要包括具備使用相同工作方式的時(shí)序、多波束后總時(shí)間資源降低、目標(biāo)可被檢測(cè)三個(gè)要求。

建立對(duì)目標(biāo)跟蹤時(shí)的基本要素模型，如表1所示。

表1 目標(biāo)跟蹤基本要素

2.1 合并概率增大原則

距離門是雷達(dá)可以接收目標(biāo)并進(jìn)行處理的距離段，記為X。距離門包括距離門起始Min和距離門結(jié)束Max，其中，X=Max-Min。假設(shè)目標(biāo)在距離上的出現(xiàn)概率為均勻分布，則在總探測(cè)距離S上，目標(biāo)出現(xiàn)在該距離門概率為X/S，即工作方式距離門越大，空域上目標(biāo)可采用同一種工作方式合并跟蹤的概率越大。因此，在設(shè)計(jì)接收距離門時(shí)，需保證大的接收范圍，AD采樣后，信號(hào)處理可通過再處理以目標(biāo)為中心的小距離門數(shù)據(jù)，減少運(yùn)算量。

假設(shè)當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)i和j具備合并跟蹤條件時(shí)，距離門起始和結(jié)束應(yīng)選擇距離門起始和結(jié)束的最大值，保證新的時(shí)序不會(huì)關(guān)斷正在發(fā)射的信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大接收距離門，如圖1所示。兩個(gè)不同的跟蹤時(shí)序合并成同種時(shí)序過程，其中，圖1a)對(duì)應(yīng)目標(biāo)i時(shí)序，圖1b)對(duì)應(yīng)目標(biāo)j時(shí)序，圖1c) 對(duì)應(yīng)合并后時(shí)序，即新工作方式時(shí)序，從而確定基本周期。新的時(shí)序要求如下

max[Mini,Minj]

Min′

(1)

圖1 時(shí)序合并過程

相控陣?yán)走_(dá)通常用多個(gè)脈沖為一幀完成抗雜波干擾等功能。這一幀脈沖時(shí)間，稱為幀周期(通常為等周期或不等周期的時(shí)間和，假設(shè)約等于T×N，T為基本周期，N為脈沖數(shù))。為不影響原來幀周期時(shí)序的功能和性能，還應(yīng)從時(shí)序脈沖數(shù)Ni和時(shí)序脈沖數(shù)Nj中，選定max[Ni,Nj]確定為當(dāng)前新時(shí)序的脈沖數(shù)。

2.2 同時(shí)多任務(wù)時(shí)間減小原則

如果只按照“合并概率增大原則”，可能會(huì)使新的時(shí)序耗費(fèi)更多的時(shí)間。只有當(dāng)同時(shí)多目標(biāo)跟蹤比分時(shí)多目標(biāo)跟蹤耗時(shí)更少時(shí)，才能體現(xiàn)出同時(shí)多波束的優(yōu)點(diǎn)。

假設(shè)任務(wù)1基本周期為T1，脈沖數(shù)為N1，任務(wù)2基本周期為T2，脈沖數(shù)為N2，為保證合并跟蹤后時(shí)間減小，應(yīng)保證

max(T1,T2)·max(N1,N2)

(2)

通過分析推導(dǎo)可知：

1) 當(dāng)T1≥T2，N1≥N2或者T1≤T2，N1≤N2時(shí)，式(2)恒成立。

基本周期相近的任務(wù)更容易滿足同時(shí)多波束跟蹤的時(shí)間條件。

3) 同理可得出當(dāng)T1N2時(shí)的情況。

2.3 目標(biāo)可被探測(cè)原則

目標(biāo)可被探測(cè)需要回波強(qiáng)度滿足目標(biāo)檢測(cè)條件，多波束跟蹤分散了陣面發(fā)射的能量資源，表現(xiàn)為目標(biāo)分散了陣面的功率孔徑得益。因此，需根據(jù)不同目標(biāo)回波強(qiáng)度解算對(duì)發(fā)射能量資源的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)陣面功率、孔徑資源分配。

設(shè)滿功率孔徑時(shí)跟蹤目標(biāo)信噪比為Si，實(shí)際保持跟蹤所需信噪比為Smin，根據(jù)雷達(dá)方程，在其他保持不變的情況下，相對(duì)于全陣功率孔徑，跟蹤目標(biāo)實(shí)際需要陣面的發(fā)射能量資源為Wi。

Wi= Smini/Si×全陣面功率孔徑能量?

(3)

假設(shè)整個(gè)雷達(dá)陣面功率孔徑為1，共維持m個(gè)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，第i個(gè)目標(biāo)占功率孔徑資源比例為Ei，則

(4)

2.4 多波束跟蹤的任務(wù)模型

完成多波束跟蹤使用條件分析后，建立對(duì)多目標(biāo)跟蹤條件判斷參數(shù)的模型。

任務(wù)：包括跟蹤任務(wù)距離門起始Min、距離門結(jié)束Max、目標(biāo)位置Sd、所需能量資源E、基本周期T、所需脈沖數(shù)N、目標(biāo)是否已采用多波束跟蹤標(biāo)識(shí)flag。假設(shè)兩個(gè)跟蹤任務(wù)：跟蹤任務(wù)i(Mini,Maxi,Sdi,Ei,Ti,Ni,flagi)和跟蹤任務(wù)j(Minj,Maxj,Sdj,Ej,Tj,Nj,flagj)。

flagi=0，fiagj=0代表該任務(wù)尚未進(jìn)行多波束跟蹤，flagj=i，代表任務(wù)j已采用任務(wù)i的周期和時(shí)序進(jìn)行多波束跟蹤。

在flagi=0或者fiagj=0條件下，若滿足多波束條件

(5)

則認(rèn)為兩個(gè)任務(wù)內(nèi)目標(biāo)可采用同一種工作方式進(jìn)行多波束跟蹤。

3 多波束跟蹤任務(wù)流程編排

雷達(dá)的任務(wù)調(diào)度按照周期排列，通過上一周期進(jìn)行任務(wù)編排，在下一周期完成時(shí)序產(chǎn)生和執(zhí)行。因此，基于多波束跟蹤任務(wù)的編排，需要在當(dāng)前周期任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，且目標(biāo)信噪比、周期等要素更新后，下一周期任務(wù)執(zhí)行前完成。

其執(zhí)行流程可按照如下步驟執(zhí)行：

(1) 將下一周期需執(zhí)行的跟蹤任務(wù)(假設(shè)共M個(gè))按照基本周期從長(zhǎng)到短排序，將要素中標(biāo)志flag均置為0；

(2) 從第一個(gè)任務(wù)開始依次與后續(xù)任務(wù)按照式(5)的“多波束條件”進(jìn)行多波束可能性判斷，完成遍歷。對(duì)滿足“多波束條件”的任務(wù)，采用多波束跟蹤并更新多波束任務(wù)的狀態(tài)：包括使用能量資源E和對(duì)標(biāo)志位flag標(biāo)記；

(3) 從第二個(gè)任務(wù)開始按照步驟(2)流程，與后續(xù)任務(wù)進(jìn)行多波束可能性判斷，完成遍歷。其中，遇到標(biāo)記為已完成多波束編排的任務(wù)，不再進(jìn)行“多波束條件”判斷，直接跳到下一任務(wù)；

(4) 按照步驟(3)依次遍歷后續(xù)M-2個(gè)任務(wù)，完成判斷，最終輸出結(jié)果。

步驟(2)～步驟(4)的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 多波束跟蹤時(shí)序圖

4 結(jié)束語

本文從雷達(dá)實(shí)現(xiàn)多波束跟蹤的角度出發(fā)，基于回波能量感知和時(shí)間資源優(yōu)化兩方面，開展了同時(shí)多波束跟蹤時(shí)能量和時(shí)間資源調(diào)度的方法研究，并給出了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則和多波束跟蹤工作方式的算法。本文只討論了在幀間波束捷變實(shí)現(xiàn)多波束情況，如果雷達(dá)擁有足夠的運(yùn)算性能，能實(shí)現(xiàn)脈沖間波束指向捷變，會(huì)進(jìn)一步降低雷達(dá)資源消耗，提高雷達(dá)應(yīng)對(duì)飽和任務(wù)的能力。不管是幀間多波束還是脈間多波束，都可以根據(jù)文中的約束條件完成同時(shí)多目標(biāo)跟蹤的自適應(yīng)管理和調(diào)度。

[1] 張光義．多波束技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29(8)：1-6. ZHANG Guangyi．Application of multi-beam formation technologies in phased array radar[J]．Modern Radar，2007，29(8): 1-6.

[2] 張光義，趙玉潔．相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006. ZHANG Guangyi，ZHAO Yujie．Phased array radar technology[M]．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

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[4] 龍偉軍．機(jī)會(huì)陣?yán)走_(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2010. LONG Weijun．Research on the key techniques of opportunistic array radar[D]．Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2010.

[5] 沈 妮，肖 龍，謝 偉，等．認(rèn)知技術(shù)在電子戰(zhàn)裝備中的發(fā)展分析[J]．電子信息對(duì)抗技術(shù)，2011，26(6)：22-26. SHEN Ni，XIAO Long，XIE Wei，et al．Development of cognitive electronic warfare system[J]．Electronic Information Warfare Technology，2011，26(6)：22-26.

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田 鋼 男，1983年生，碩士。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等。

凌 牧 男，1985年生，碩士。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等。

汪 晉 男，1985年生，碩士。研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理等。

A Study on the Adaptive Task Scheduling Based on Simultaneous Multi-beam Tracking

TIAN Gang，LING Mu，WANG Jin

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

At present, most of the researches on radar multi-beam technology are based on how to transmit multi-beam, and there are few researches on the adaptive strategy about the multi-beam's resource scheduling and energy management. Necessary criteria is lacking on the application conditions for multi-beam to track different targets, and how to balance the multi-beam tracking with energy loss and time consumption. In this paper, the working mode for simultaneous multi-beam tracking is analyzed and the multi-beam tracking model is established. With the help of the research on echo energy awareness and time resource optimization, the guidelines of resource scheduling and energy management for the multi-beam tracking are proposed, and the task algorithm of the multi-beam tracking is arranged for radar.

multi-beam tracking; adaptive task scheduling; energy management

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.011

田鋼 Email：wowtg2005@163.com

2015-11-02

2016-01-12

TN911.7

A

1004-7859(2016)04-0046-04