旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度策略研究

李紀(jì)三，侯 姣，班陽陽，楊玉亮，胡 英，任 淵

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)調(diào)度的內(nèi)涵為當(dāng)多任務(wù)搶占資源時(shí)確定任務(wù)執(zhí)行的時(shí)刻和使用的資源[1-3]。相控陣?yán)走_(dá)資源靈活可控，可根據(jù)外部環(huán)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(wù)資源分配不同比例，合理實(shí)時(shí)地分配雷達(dá)的資源，成為釋放系統(tǒng)強(qiáng)大工作能力的重要因素[4]。

1 概 論

相控陣?yán)走_(dá)資源主要是指時(shí)間資源、能量資源和計(jì)算資源[5]。能量資源通常與T/R組件的功率和工作比有關(guān)，同時(shí)也受冷卻系統(tǒng)的冷卻效率的影響。計(jì)算資源主要是板卡的處理能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息處理能力越來越強(qiáng)，并且通用的雷達(dá)的信息處理是流處理，計(jì)算機(jī)的板卡需要能夠支持最大的信息處理能力。通常雷達(dá)設(shè)計(jì)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(dá)回波的信噪比，增強(qiáng)對弱小目標(biāo)的檢測能力。因此，能量資源不需要調(diào)度。雷達(dá)的探測任務(wù)分時(shí)執(zhí)行，信息是以流的方式從前端到后端的。雷達(dá)的計(jì)算資源通常要保證最大的需求。因此，通常說的相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度主要是指時(shí)間資源的調(diào)度。

1.1 艦載相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)

艦載相控陣?yán)走_(dá)主要承擔(dān)以下任務(wù)使命：低空搜索、海面搜索、中遠(yuǎn)程搜索(情報(bào)收集、態(tài)勢建立)，近程中高空搜索(捕獲高速高機(jī)動來襲目標(biāo))、武器制導(dǎo)、重點(diǎn)目標(biāo)跟蹤(含來襲目標(biāo)的目指)、失跟捕獲、可疑點(diǎn)確認(rèn)、打擊評估，以及目標(biāo)分類識別、氣象探測[6-7]。

每個(gè)任務(wù)對應(yīng)著3個(gè)參數(shù)：數(shù)據(jù)率、波束駐留時(shí)間和時(shí)間資源預(yù)算。數(shù)據(jù)率是指每秒中駐留執(zhí)行的次數(shù)(現(xiàn)在通常用其倒數(shù)來代替)。波束駐留時(shí)間是指為了完成任務(wù)一次駐留需要的時(shí)間資源。時(shí)間資源預(yù)算是指一個(gè)雷達(dá)周期內(nèi)分給本任務(wù)的時(shí)間資源總量。例如：假設(shè)重點(diǎn)目標(biāo)跟蹤的時(shí)間預(yù)算是30%，則有以下關(guān)系：

目標(biāo)個(gè)數(shù)*數(shù)據(jù)率*波束駐留時(shí)間<1 s*30%

1.2 資源調(diào)度框架

如圖1所示，狹義的資源調(diào)度主要為接收各類任務(wù)請求，根據(jù)當(dāng)前的工作方式和各類任務(wù)的時(shí)間資源預(yù)算，實(shí)時(shí)計(jì)算各類任務(wù)的優(yōu)先級，按照一定的調(diào)度策略，生成可執(zhí)行的任務(wù)列表。

廣義的雷達(dá)資源調(diào)度也稱為雷達(dá)控制，包括以下功能：

(1) 雷達(dá)工作頻點(diǎn)的控制、雷達(dá)跳頻變頻抗干擾、頻率分集抑制海雜波、實(shí)時(shí)確定每個(gè)波束的工作頻點(diǎn)和信號形式;

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

(3) 任務(wù)調(diào)度結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和輸出;

(4) 對于固定面陣的相控陣?yán)走_(dá)有面陣交疊區(qū)的任務(wù)規(guī)劃，對于旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)有伺服轉(zhuǎn)速控制，以及天線電子波束指向與伺服方位的實(shí)時(shí)控制。

1.3 資源調(diào)度評估指標(biāo)

(1) 時(shí)間資源分配比例的計(jì)算是根據(jù)如下公式進(jìn)行的：

其中，ti為任務(wù)最大耗時(shí)，Tp為任務(wù)數(shù)據(jù)率，TT為設(shè)計(jì)任務(wù)分配周期。根據(jù)上式計(jì)算得各任務(wù)的時(shí)間資源分配比例。

(2) 任務(wù)調(diào)度成功率SSR

其中，N為成功調(diào)度任務(wù)總數(shù)，M為所有請求的任務(wù)總數(shù)。

(3) 平均時(shí)間偏移率ATSR

其中，N為成功調(diào)度任務(wù)總數(shù)，wi為第i個(gè)任務(wù)的動態(tài)時(shí)間窗，tsi和tei分別為第i個(gè)任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間和期望執(zhí)行時(shí)間。

2 自適應(yīng)調(diào)度算法

雷達(dá)資源管理與調(diào)度部分是相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的核心，其作用是根據(jù)某種最優(yōu)的準(zhǔn)則確定一種調(diào)度策略來調(diào)度雷達(dá)任務(wù)，以有效地分配雷達(dá)資源，達(dá)到優(yōu)化雷達(dá)整體性能的目的。它主要完成雷達(dá)事件的任務(wù)生成、任務(wù)編排和波束調(diào)度。雷達(dá)任務(wù)駐留一旦被調(diào)度執(zhí)行則不能被其他駐留所中斷，即調(diào)度是非搶占式的。

2.1 時(shí)間預(yù)算調(diào)度法(Time Balancing Scheduling)

時(shí)間預(yù)算調(diào)度法對每個(gè)任務(wù)預(yù)先設(shè)計(jì)一個(gè)資源的使用上限，當(dāng)此任務(wù)的資源使用達(dá)到限制時(shí)則不再響應(yīng)此任務(wù)的請求，然后執(zhí)行其他的任務(wù)。流程如圖2所示。

在調(diào)度間隔開始時(shí)刻t1，統(tǒng)計(jì)可以在此時(shí)刻執(zhí)行的任務(wù)，選擇優(yōu)先級最高的任務(wù)執(zhí)行。任務(wù)駐留時(shí)間為d，在t1+d時(shí)刻系統(tǒng)又空閑時(shí)，統(tǒng)計(jì)在此時(shí)刻可以執(zhí)行的任務(wù)，同時(shí)計(jì)算各類任務(wù)已經(jīng)消耗的時(shí)間資源的占比，選出可以優(yōu)先級最高的且時(shí)間占比沒有超過預(yù)先設(shè)定比例的任務(wù)執(zhí)行。若此刻沒可執(zhí)行的任務(wù)則時(shí)間向后推移1個(gè)單位，統(tǒng)計(jì)t1+d+1時(shí)刻的任務(wù)。如此循環(huán)下去，直至把調(diào)度間隔排滿。

2.2 基于時(shí)間窗和任務(wù)優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度算法

Huizing A G 在1996年做多功相控陣?yán)走_(dá)資源仿真時(shí)提出雷達(dá)任務(wù)時(shí)間窗的概念。利用這個(gè)時(shí)間窗約束，在設(shè)計(jì)資源調(diào)度程序的時(shí)候就可以靈活安排資源分配。時(shí)間窗概念是基于雷達(dá)跟蹤工作方式的。時(shí)間窗的具體含義為雷達(dá)事件的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間在期望執(zhí)行時(shí)間前后能移動的有效范圍，如果超過時(shí)間窗范圍雷達(dá)事件仍未執(zhí)行，即使再調(diào)用該雷達(dá)事件也沒有意義，則放棄調(diào)度該雷達(dá)事件。這樣，很多因時(shí)間上沖突而被舍棄的事件便可以通過時(shí)間窗的安排得到調(diào)度，從而提高了時(shí)間的利用率。

扇區(qū)任務(wù)調(diào)度間隔內(nèi)按照優(yōu)先級進(jìn)行排序，高優(yōu)先級的任務(wù)先執(zhí)行，低優(yōu)先級的任務(wù)在時(shí)間資源不夠用的情況下被舍棄。對于固定面陣的雷達(dá)的調(diào)度，在任務(wù)時(shí)間窗內(nèi)，高優(yōu)先級的任務(wù)先執(zhí)行，而低優(yōu)先級的任務(wù)被延遲。實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

根據(jù)雷達(dá)任務(wù)閉環(huán)所需時(shí)間確定調(diào)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(zhí)行的任務(wù)，按照優(yōu)先級從高到低，根據(jù)期望執(zhí)行時(shí)刻編排波束。每安排完一個(gè)波束，同時(shí)記錄本間隔內(nèi)的空隙時(shí)間段。從任務(wù)列表中取出下個(gè)任務(wù)，判斷能否在時(shí)間窗約束下在某個(gè)空閑時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行。安排完所有能在本間隔內(nèi)的任務(wù)后獲取發(fā)射波束的順序列表，然后重新設(shè)定每個(gè)波束的發(fā)射時(shí)刻，把前一個(gè)波束的介紹時(shí)刻作為下個(gè)波束的執(zhí)行時(shí)刻，把時(shí)間碎片擠掉。本間隔內(nèi)最后一個(gè)任務(wù)結(jié)束時(shí)刻作為下個(gè)調(diào)度間隔的開始時(shí)間。

2.3 兩種算法對比

時(shí)間預(yù)算法(TBS)是側(cè)重于宏觀的任務(wù)規(guī)劃和時(shí)間資源分配，而基于時(shí)間窗和優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度算法偏重于微觀的駐留調(diào)度或者稱為波束編排。

時(shí)間預(yù)算法(TBS)注重了任務(wù)間時(shí)間資源的分配，能夠保證低優(yōu)先級的任務(wù)也有相應(yīng)的時(shí)間執(zhí)行。特別是當(dāng)雷達(dá)工作遇到假目標(biāo)干擾時(shí)，目標(biāo)跟蹤任務(wù)的優(yōu)先級高于搜索任務(wù)的優(yōu)先級，因此會造成雷達(dá)的任務(wù)飽和和過載。時(shí)間預(yù)算法能夠保證預(yù)留一定的時(shí)間用于搜索。缺點(diǎn)是處理在某個(gè)時(shí)間段上突發(fā)很多高優(yōu)先級的任務(wù)時(shí)高優(yōu)先級的任務(wù)會被丟掉，由于在此時(shí)間段上高優(yōu)先級的任務(wù)明顯增多，調(diào)度時(shí)會按照比例卡掉很多高優(yōu)先級的任務(wù)。

基于時(shí)間窗和優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度算法與時(shí)間預(yù)算法正好相反，特點(diǎn)是保證短期內(nèi)高優(yōu)先級的任務(wù)能夠執(zhí)行，但是周期上的任務(wù)規(guī)劃和時(shí)間資源分配欠缺。后者算法是在實(shí)驗(yàn)室仿真中提出來的，后來很多的學(xué)者又進(jìn)行了跟蹤研究。但是該算法不太適合警戒雷達(dá)裝備上實(shí)際使用。通常警戒搜索可作為低優(yōu)先級的任務(wù)，沒有時(shí)間窗的限制，當(dāng)跟蹤等高優(yōu)先級的任務(wù)多時(shí)可以增加搜索的幀周期，而不是將任務(wù)舍棄掉。

3 旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度的特點(diǎn)分析

旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)相比于固定面陣相控陣?yán)走_(dá)有其自身的特點(diǎn)：(1)天線360°旋轉(zhuǎn)，面陣的法線方向能到達(dá)任一方位；(2)對任一方位，在三分之二的時(shí)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(fèi)是無法彌補(bǔ)的，而旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)可通過把任務(wù)盡可能編排在法線方向節(jié)省系統(tǒng)的資源。

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)的調(diào)度中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1) 無論任務(wù)的優(yōu)先級高低，若不能在規(guī)定的時(shí)間段執(zhí)行，則任務(wù)在本周期內(nèi)無法完成；

(2) 波束能在法線方向正負(fù)45°內(nèi)掃描，保證了資源調(diào)度的靈活性；

(3) 要保證本周期突發(fā)任務(wù)的有效執(zhí)行，如回掃確認(rèn)和捕獲。

國內(nèi)外學(xué)者和工程人員對固定面陣的相控陣?yán)走_(dá)的資源調(diào)度技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，如前文中介紹的兩種自適應(yīng)算法。這些技術(shù)應(yīng)用于固定面陣的資源調(diào)度中，取得很好的效果。對于旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)的資源調(diào)度，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)還不多，并且根據(jù)以上分析也不能簡單地將固定的面陣的資源調(diào)度策略應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)的資源調(diào)度中。

4 全周期資源規(guī)劃方法

根據(jù)旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)的特點(diǎn)，通常將時(shí)間資源和任務(wù)按扇區(qū)進(jìn)行劃分，一種劃分法如圖4所示。

將0°～360°等分為18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)20°。雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)速為30 r/min。天線掃過每個(gè)扇區(qū)的時(shí)間為100 ms。調(diào)度間隔取為100 ms。在每個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)，收集本間隔內(nèi)所有任務(wù)請求，包括搜索請求、跟蹤請求、確認(rèn)請求，以及上個(gè)間隔的延遲列表中的請求。扇區(qū)內(nèi)總時(shí)間資源減去精跟確認(rèn)捕獲的時(shí)間后剩余的時(shí)間均勻分配到每個(gè)方位上。按照分配時(shí)間的多少確定探測的距離或者仰角范圍。

扇區(qū)規(guī)劃的缺點(diǎn)是時(shí)間資源利用率不高，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)集中在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，會極大地壓縮本扇區(qū)搜索的時(shí)間資源，導(dǎo)致距離縮得很小，而此扇區(qū)旁邊的扇區(qū)因?yàn)闆]有目標(biāo)警戒距離較遠(yuǎn)，其他扇區(qū)的資源不能調(diào)配到本扇區(qū)。

4.1 問題分析

通過方位的波束寬度，可以計(jì)算出整個(gè)周期內(nèi)需要掃描的方位上的波位數(shù)。如果波束寬度是2°，則有

360°/2°=180(個(gè))

同理可根據(jù)仰角的波束寬度和仰角的覆蓋范圍計(jì)算出仰角的波位數(shù)。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(gè))

為了節(jié)省時(shí)間資源，相控陣?yán)走_(dá)可通過增加硬件設(shè)備用仰角多波束進(jìn)行探測。如果同時(shí)7波束進(jìn)行探測，則在仰角上減少至35/7=5個(gè)波位。同時(shí)，要確定單脈沖探測還是脈組探測、脈沖的脈寬PW、脈沖重復(fù)周期PRT、波形(線性調(diào)頻還是相位編碼)、信號帶寬等。確定好以上參數(shù)之后，相當(dāng)于設(shè)計(jì)好了掃描表，并且還要考慮到艦船的搖擺、大風(fēng)氣候條件下的轉(zhuǎn)速不均勻，以及搜索任務(wù)的資源分配等情況。

天線法向過大地坐標(biāo)系正北時(shí)，計(jì)算本周期各類任務(wù)的時(shí)間資源。任務(wù)分為搜索類任務(wù)和目標(biāo)跟蹤識別類任務(wù)。資源調(diào)度分系統(tǒng)接收外部波控系統(tǒng)的50 ms的調(diào)度中斷，雷達(dá)天線周期是2 s，每個(gè)天線周期內(nèi)會接收到40個(gè)中斷，資源調(diào)度收到中斷后向波控發(fā)送總時(shí)間為50 ms左右的任務(wù)列表。

沒有跟蹤類任務(wù)時(shí)，假設(shè)搜索類的任務(wù)占用的總時(shí)間1.8 s，當(dāng)發(fā)送1.8/0.05=36個(gè)任務(wù)包，可將本周期的搜索任務(wù)全部執(zhí)行完。剩余的4個(gè)調(diào)度間隔沒有任務(wù)，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?yàn)榇藭r(shí)天線的增益最大、信噪比最高)，避免天線還沒有轉(zhuǎn)到正北，已經(jīng)把本周期的任務(wù)全部執(zhí)行了。如圖5所示，會將多余的時(shí)間分配在每個(gè)調(diào)度間隔，即0.2 s/40=5 ms。這5 ms是以空閑時(shí)間的形式插在每個(gè)調(diào)度間隔里，即每個(gè)調(diào)度間隔實(shí)際發(fā)送了45 ms左右的搜索任務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)跟蹤任務(wù)后，優(yōu)先使用這多余的200 ms的空時(shí)間；如果跟蹤任務(wù)再多的話，則開始占用搜索的時(shí)間。

如果跟蹤類的時(shí)間是300 ms，那剛開始設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)間不多于1.7 s的掃描表。有跟蹤任務(wù)時(shí)的掃描表設(shè)計(jì)有以下幾種策略：

(a) 降低脈沖的PRT，相當(dāng)于降低了警戒的距離；

(b) 減少掃描的仰角范圍，本來掃5個(gè)仰角層，現(xiàn)在只搜索了4個(gè)仰角層；

(c) 減少脈組里的脈沖數(shù)，本來做5脈沖積累，現(xiàn)在做4脈沖積累。

4.2 算法流程

旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)的全周期資源規(guī)劃方法由兩大功能組成，一是本周期開始時(shí)(面陣的法線方向過正北時(shí))的全周期的搜索參數(shù)確定，二是每個(gè)調(diào)度間隔的中斷到來時(shí)編排本調(diào)度間隔的波束執(zhí)行鏈表。

全周期的參數(shù)確定是根據(jù)工作方式以及其他的操控命令確定本周期的掃描參數(shù)表。參數(shù)通常包括方位號、仰角號、脈沖數(shù)、多波束數(shù)、脈沖處理方式、脈沖寬度、脈沖重復(fù)周期、信號形式，以及信號帶寬、信號頻點(diǎn)。通常是預(yù)先設(shè)計(jì)好掃描表，然后計(jì)算本周期分配給搜索的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間選擇相應(yīng)的掃描表，具體流程見圖6。

每個(gè)調(diào)度間隔的波束編排是指編排本調(diào)度間隔的搜索任務(wù)和跟蹤任務(wù)。搜索任務(wù)從本周期的搜索鏈表中根據(jù)上調(diào)度間隔結(jié)束處開始執(zhí)行。比如說，本周期的掃描表中共有1 000個(gè)搜索任務(wù)，第1個(gè)調(diào)度間隔掃了50個(gè)任務(wù)，那第2個(gè)調(diào)度間隔是從第51個(gè)任務(wù)開始執(zhí)行。跟蹤任務(wù)是指落在本調(diào)度間隔內(nèi)的任務(wù)。通常每個(gè)調(diào)度間隔對應(yīng)著一個(gè)掃描方位區(qū)間。如果跟蹤的目標(biāo)的方位落在本區(qū)間，那么跟蹤任務(wù)就在本調(diào)度間隔內(nèi)執(zhí)行。但是，像回掃確認(rèn)和高數(shù)據(jù)率跟蹤等任務(wù)，需要根據(jù)掃描的提前量和滯后量重新計(jì)算調(diào)度間隔。如果目標(biāo)在大地坐標(biāo)下的方位上70°，希望提前30°對目標(biāo)進(jìn)行掃描，那么應(yīng)該在天線轉(zhuǎn)到40°左右時(shí)對任務(wù)進(jìn)行編排，具體流程見圖7。

5 結(jié) 論

全周期的資源規(guī)劃技術(shù)在本周期任務(wù)執(zhí)行中記錄本周期任務(wù)的跟蹤類任務(wù)執(zhí)行的總時(shí)間。當(dāng)天線過正北時(shí)，根據(jù)上周期跟蹤用的時(shí)間來生成本周期的掃描表。換個(gè)角度講，本周期相比較于上周期新增加的跟蹤時(shí)間確定了下圈的掃描表，是一種延遲補(bǔ)償策略。傳統(tǒng)算法與跨周期資源調(diào)度算法效果對比如圖8所示。傳統(tǒng)算法中任務(wù)“遠(yuǎn)程搜索2”時(shí)間資源在調(diào)度間隔1中被兩個(gè)更高優(yōu)先級的跟蹤任務(wù)擠占了，因此被刪除。在改進(jìn)的算法中，可以將全周期的空閑時(shí)間拿來作為跟蹤用，因此在安排了兩個(gè)跟蹤任務(wù)后仍能執(zhí)行“遠(yuǎn)程搜索2”。

6 結(jié)束語

經(jīng)過外場試驗(yàn)的驗(yàn)證，本文提出的全周期的資源規(guī)劃技術(shù)兼容扇區(qū)調(diào)度的整圈規(guī)劃技術(shù)，能夠快速響應(yīng)其他分系統(tǒng)系統(tǒng)下達(dá)的扇區(qū)任務(wù)，大大提高了時(shí)間利用率。