相控陣雷達自適應資源調(diào)度研究

周 瀟，李凌鵬，彭思勇

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

相控陣雷達具有波束靈活、任務多樣的特點，為對付復雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境提供了多功能操作的可能性，并實現(xiàn)將其變成現(xiàn)實的資源調(diào)度。相控陣雷達資源調(diào)度是指在給定雷達任務請求集的條件下，根據(jù)一定標準的各種任務請求的執(zhí)行順序，在滿足系統(tǒng)約束條件的同時達到某種意義上的最優(yōu)調(diào)度效果[1]。

相控陣雷達的硬件設備雖然先進，但是其資源依然是有限的。多目標時出現(xiàn)的多種問題都是由資源調(diào)度來處理的[2]。可以看出資源調(diào)度是相控陣雷達的大腦，指揮著這個精密而且龐大的雷達系統(tǒng)有條不紊地運行，完成各項任務。

當前彈道導彈技術快速發(fā)展，誘餌、箔條、彈載有源干擾、多彈頭等技術構成了復雜的電磁環(huán)境，嚴重消耗了相控陣雷達系統(tǒng)有限的資源，延遲了雷達系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)真實目標的時間，減少了穩(wěn)定跟蹤真實目標和進行數(shù)據(jù)采集、識別的時間；更嚴重地，假目標的出現(xiàn)增加了識別的難度，資源飽和狀態(tài)下，雷達不得不放棄對一些目標的跟蹤、識別，使防御系統(tǒng)面臨巨大威脅的同時，資源調(diào)度分配資源、確定工作方式的復雜程度也直線提高。因此，研究在復雜電磁環(huán)境下的資源調(diào)度問題，是提高相控陣雷達作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效率的有效方法。

1 資源調(diào)度的物理基礎

1.1 相控陣雷達系統(tǒng)基本原理

相控陣體制雷達系統(tǒng)可以劃分為兩部分：雷達設備和雷達控制器。將通用控制計算機及其程序和雷達系統(tǒng)的其余部分分割為兩大塊。相控陣雷達與機械雷達相比較，最大的區(qū)別是其具有波束快速無慣性掃描的能力，這得益于相控陣雷達特殊的天線結構。在波束控制計算機條件下，改變天線元件之間信號的相位和幅度關系，可以獲得對應于所需天線方向圖的天線孔徑照度函數(shù)，形成不同的天線波束方向和天線波束形狀，即不同的天線方向圖函數(shù)[3]，如圖1所示。

圖1 相控陣雷達波束形成示意圖

1.2 相控陣雷達資源基本概念

相控陣雷達的資源包括：天線陣面資源，并行處理通道數(shù)，時間資源，能量資源等。陣面資源是指對GBR雷達的32個子陣面進行陣面分割，利用部分陣面進行波束形成或形成同時多波束[4]。并行處理通道數(shù)是指接收通道數(shù)目。時間資源由波形和目標駐留時間表現(xiàn)出來。波形是所有資源中最主要、最重要的資源，甚至可以把脈沖長度稱為一個“時間資源”。從波形可以看出，脈沖長度可達34 ms，工作時間按34 ms間隔分割，決定了在調(diào)度間隔1 s內(nèi)，跟蹤和識別的目標容量有限。能量資源指發(fā)射的平均功率，占空比最大達到15～20%，為了器件安全不能長時間發(fā)射脈沖[5]。

1.3 GBR雷達的工作流程

根據(jù)相控陣雷達的一般工作流程，綜合考慮了寬帶和窄帶交替識別任務中的工作模式和GBR雷達本身的特點，給出GBR雷達的工作流程如圖2所示。

2 相控陣雷達的工作方式

2.1 相控陣雷達工作模式

相控陣雷達對于不同目標或者同一目標在不同階段的操作稱為雷達任務[6]。相控陣雷達需要考慮的4個主要任務是搜索、確認、跟蹤、識別。對于不同的任務，雷達的各項參數(shù)設定也是不同的[7]。為了提高識別效率和準確率，必須對工作方式進行合理調(diào)度，使用不同的發(fā)射波形、數(shù)據(jù)率、駐留時間[8]。

目標的屬性決定了雷達的任務，為了完成任務，雷達會進行相應的操作(即相應的工作方式)。不同的工作方式下，雷達的資源需求也是不同的，因此了解各種工作方式才能設計出合理的資源調(diào)度系統(tǒng)來滿足不同工作方式需要的資源[9]，如圖3所示。

圖3 雷達任務間的關系

2.2 相控陣雷達搜索方式

有3種可能的情況，相控陣雷達可以執(zhí)行目標搜索：

第一，在監(jiān)視空域中突顯新目標，且無任何目標指示數(shù)據(jù)。

第二，根據(jù)協(xié)同對空探測雷達提供的數(shù)據(jù)信息及目標指示數(shù)據(jù)進行對空探測。

第三，初次建立航跡過程中，對目標實施跟蹤時出現(xiàn)目標丟失，而采取小范圍內(nèi)重照的工作方式。

當相控陣雷達識別并跟蹤目標時，如果目標丟失，則需要在丟失的目標區(qū)域附近建立一個小的搜索區(qū)域，以便二次發(fā)現(xiàn)改目標，并繼續(xù)維持對該目標的跟蹤[7]。

由于相控陣雷達具有天線波束靈活、信號波形多樣的特性，在實際應用過程中，應充分利用相控陣雷達特性以及承擔的任務，獲得多種搜索工作方式。

2.3 確認工作方式

在搜索過程中，一旦找到并鎖定目標，就會發(fā)出相應的命令，并將目標三維坐標信息和發(fā)現(xiàn)目標時間發(fā)送到相控陣雷達控制計算機[10]。計算機首先根據(jù)目標指令確認是否為虛警情況，由波束控制器發(fā)出“重照”指令，以發(fā)現(xiàn)目標位置為中心，形成與門相關聯(lián)的窄搜索“相關確認”，相關門的大小完全取決于相控陣雷達分辨率的測量能力、信噪比和目標速度，通常只把距離作為關聯(lián)參數(shù)，此時關聯(lián)波門為距離波門。在GBR雷達中，速度和高度也被考慮作為關聯(lián)參數(shù)。因此，若在此波門內(nèi)至少連續(xù)3次發(fā)現(xiàn)目標，則判定目標為真目標。

2.4 跟蹤工作方式

邊掃描邊跟蹤(TWS)方式常用于一維相控陣掃描雷達中。例如，相控陣三坐標雷達，其在方位角上執(zhí)行機械掃描，在仰角上執(zhí)行電子掃描。由于天線波束在仰角方向進行相控陣掃描受目標方向限制，因此這類雷達在檢測新目標時與跟蹤老目標工作方式相同，并沒有設定專門的跟蹤照射[11]。其跟蹤采樣時間完全取決于在方位上的轉速與采樣間隔。也可以使用相控陣雷達，其在仰角處實現(xiàn)相位掃描，并且在仰角處具有寬光束。

3 自適應資源調(diào)度

3.1 自適應資源調(diào)度算法與模型

目前最靈活和有效的設計方法是自適應資源調(diào)度算法。該算法使用遞歸算法來描述雷達約束，雷達約束可以基于優(yōu)先級接受或拒絕替代雷達事件。這種算法可以做成遞歸式或響應式，或者是以單個波束駐留為基礎，或者是以整個調(diào)度間隔為基礎，視單個約束的嚴重程度而異。它滿足以下幾條自適應準則：

(1) 適應變動著的波束請求環(huán)境；

(2) 適應不同工作模式的相對優(yōu)先級，滿足不同工作模式下的特征參數(shù)閾值范圍；

(3) 約束范圍不得超過雷達設計條件；

(4) 為避免出現(xiàn)峰值資源需求，波束請求安排應盡可能做到均勻。

3.1.1 自適應資源調(diào)度基本模型

由圖4可以看出，在自適應算法中每一種雷達任務的請求是分開的，并且以鏈表的形式存儲在計算機中，此鏈表一般是依據(jù)先進先出(FIFO)的原則進行排序的，然后根據(jù)優(yōu)先級順序和約束條件，在下一個調(diào)度間隔期間要執(zhí)行的雷達事件通常由雷達控制計算機確定。應當注意的是，由于所有的雷達都有飽和的可能，所以不是所有的請求調(diào)度事件都會立即得到滿足的。若存在低優(yōu)先級任務不能進行合理的調(diào)度，需暫時忽略甚至放棄此類任務，并將其放至下一個調(diào)度間隔進行再次調(diào)度。

3.1.2 雷達事件的優(yōu)先級

根據(jù)事件的重要性和時間的依賴性，把全部事件分為若干類[12]。最高優(yōu)先級一般是分配給最重要的或時間要求緊迫的雷達任務，依此類推，直到完全確定從最高優(yōu)先級至最低優(yōu)先級的雷達任務為止。從根本上說，確定優(yōu)先級的目的是根據(jù)目標的重要程度強制實現(xiàn)及時對空監(jiān)視。

圖4 自適應模板資源調(diào)度流程圖

3.1.3 雷達約束

明確約束雷達操作的因素，對如何使用雷達資源并使其性能更好地有效發(fā)揮也是自適應算法中的重要部分，以遞歸的形式在數(shù)學上闡述每一個約束，以便不間斷地檢查已經(jīng)確定的事件是否違反約束條件。研究基本的雷達資源約束不僅對支持每一個單個雷達工作方式，而且對支持作戰(zhàn)態(tài)勢所要求的短期和長期工作方式組合的執(zhí)行都是必要的。

3.2 自適應資源調(diào)度的設計

3.2.1 自適應資源調(diào)度的設計原則

設計一個具有時間窗約束的簡單自適應調(diào)度算法。符號定義如表1所示。

表4 符號定義

在設計任何類型的自適應調(diào)度算法時，通常應遵循優(yōu)先級原則、時間利用率和預期時間。一般來說，首先應該遵循優(yōu)先原則，然后是預期時間原則和時間利用原則，或者根據(jù)優(yōu)化目標進行改變[13]。

3.2.2 自適應調(diào)度算法的性能評估

為了實現(xiàn)有效評估調(diào)度算法的有效性，基于上述調(diào)度原則，定義算法評估的綜合性能指標和個體性能指標，綜合性能指標是雷達事件容量(SREV)，單一性能指標包括調(diào)度成功率(PSSR)、時間利用率(TTUR)、平均時間偏移率(TATSR)[14]，下面列出各項指標具體定義(設雷達工作時間為T0)：

(1) 單個雷達事件的目標函數(shù)(CREVi)為：

CREVi=f(Pi,ΔTi)

(1)

f(x)對于目標函數(shù)，如果優(yōu)先級更高并且停留時間更短，則CREVi更大，反之亦然。f(x)的設計比較靈活，本文采用以下形式：

f(Pi,ΔTi)=(1+p/Pi)(1/ΔTi)q

(2)

式中：p和q為調(diào)整系數(shù)(p,q≥0,p+q=1)，p越大，q越小，Pi對CREVi的影響越大；q越大，p越小，ΔTi的影響越大；當p=0時，Pi對CREVi沒有影響；當q=0時，ΔTi對CREVi沒有影響。

(2) 總調(diào)度成功率(PSSR)：

PSSR=N/M

(3)

式中：N為安排執(zhí)行事件總數(shù)；M為參與調(diào)度事件總數(shù)。

(3) 各類事件調(diào)度成功率(PSSRk)：

PSSRk=Nk/Mk,k=1,2,…,9

(4)

式中：Nk為第k類雷達事件類型的預定執(zhí)行總數(shù)；Mk為第k類雷達事件類型的預定參與總數(shù)。

(4) 時間利用率(TTUR)：

(5)

(6)

3.2.3 自適應調(diào)度算法優(yōu)化模型

根據(jù)上述性能指標參數(shù)，提出了優(yōu)化的自適應調(diào)度算法模型如下：

(7)

約束條件為：

(8)

式中：i=1,2,…,Nr。

式(8)約束下的調(diào)度算法優(yōu)化模型使式(7)的目標函數(shù)最大。

3.2.4 自適應調(diào)度算法的實現(xiàn)

由數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提出所需請求，形成一個請求鏈表，送往調(diào)度器，經(jīng)調(diào)度器分析，而后雷達事件依次經(jīng)過執(zhí)行鏈表、延遲鏈表以及刪除鏈表。執(zhí)行列表中的雷達事件根據(jù)其總tei和Wi的約束適度改變tei(雷達事件在調(diào)度區(qū)間內(nèi)移動)[13]。延遲列表中的雷達事件需要由調(diào)度器在下一個調(diào)度間隔中確定。超出事件生命周期的事件將發(fā)送到刪除列表，并刪除列表中的雷達事件。調(diào)度模塊結構如圖5所示。

具體的算法流程如圖6所示，數(shù)據(jù)處理提請求的時候是按時間順序提交的，把請求存儲在一個大鏈表里，調(diào)度時調(diào)度器遍歷整個鏈表，將各個事件按不同的類型排成子鏈表。根據(jù)事件的優(yōu)先級，調(diào)度器會再次遍歷優(yōu)先級最高的事件類型的子請求鏈表，然后判斷該請求鏈表是否為空，非空時取出該請求。然后根據(jù)時間窗的計算來判斷本次調(diào)度間隔中是否有足夠的時間來完成。為了更靈活地控制不同目標的數(shù)據(jù)率，還需要判斷請求的調(diào)度時間是否到了。每執(zhí)行一次雷達事件后，資源模塊會對目標加上一個時間戳，來確定該事件的下次執(zhí)行時間。例如導彈為1 s，飛機為10 s，則只有在下一個調(diào)度間隔才會安排探測導彈目標的請求，對于飛機目標的請求需要等待9個調(diào)度間隔。當?shù)却龝r間足夠時，將該請求從請求鏈表中取出置于事件執(zhí)行鏈表，根據(jù)事件參數(shù)選擇波形，并推進調(diào)度間隔的時間標志。

圖5 調(diào)度模塊

圖6 有時間窗約束的自適應算法流程

4 結束語

自適應資源調(diào)度通過優(yōu)先級判斷，并且通過時間、能量、器件功率等約束條件來完成對于雷達事件的安排，對波形、波束、數(shù)據(jù)率、駐留時間和能量的控制十分靈活，使相控陣雷達的資源得到了充分的利用，在作戰(zhàn)使用中起到重要作用。本文主要以GBR雷達參數(shù)為依據(jù)，設計了一種相控陣雷達自適應資源調(diào)度算法，使得相控陣雷達自適應資源調(diào)度的過程有了更為直觀的反映。未來X波段多功能地基相控陣雷達資源調(diào)度的發(fā)展以目標識別和抗干擾為中心，不斷優(yōu)化調(diào)度模型，使雷達資源利用效率得到提高，增強目標識別準確率和在復雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力。