基于動態優先級的相控陣火控雷達自適應調度方法

任小葉

【摘 要】TAS模式下，相控陣火控雷達需要完成空域搜索、多個目標捕獲以及精確跟蹤。為了及時充分的調度安排雷達時間資源，本文提出了一種綜合考慮目標威脅度、工作方式和任務截止時間的動態優先級雷達自適應調度方法，該方法可有效的提高相控陣雷達對高威脅目標的處理能力。

【關鍵詞】相控陣雷達；自適應調度；動態優先級；目標威脅度

中圖分類號：TN958.92 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0101-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.047

An Adaptive Scheduling method for Phased Array Fire Control Radar Based on Dynamic Priority

REN Xiao-ye

（No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230031，China）

【Abstract】Under the TAS mode， phased array fire control radar has to search， confirm and track targets. In order to schedule and arrange radar time resources timely and fully， a dynamic priority radar adaptive scheduling method， which considers target threat degree， work mode and the deadline of tasks， is proposed in this paper. This method can effectively improve the processing ability of phased array radar to high threat target.

【Key words】Phased array radar； Adaptive scheduling； Dynamic priority； Target threat degree

0 引言

相控陣雷達具有波形捷變和波束自適應的特點，可以在空域搜索的同時完成目標跟蹤等多種功能[1]。在實戰中目標往往成批出現，火控雷達在跟蹤加搜索（TAS）模式下，搜索發現目標即刻轉入跟蹤，同時繼續搜索空域中是否存在新的目標，捕獲一個跟蹤一個，直至容量達到飽和，不能再跟蹤新的目標，如何控制波束在多個目標間合理調度，使得既能維持對已捕獲目標的跟蹤，又能實現對新發現目標的跟蹤，并優先保障重要目標的精密跟蹤，充分利用有限的時間資源，值得深入研究。

任務調度模塊包括調度策略和任務優先級規劃兩部分。調度策略分為模板法和自適應方法等，其中自適應調度的計算開銷最大，也最能靈活的發揮相控陣雷達的優勢，隨著計算機性能提升，越來越多的雷達選用自適應波束調度方法[2-8]。傳統的優先級規劃中，優先級由雷達的工作方式決定，并在調度過程中保持不變，自適應能力最差。隨后出現的截止期越早優先級（EDF）算法[6]，大幅提高了雷達調度性能。現在的優先級規劃常常考慮多種屬性得到綜合優先級序列。如HPEDF算法[7-8]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，截止期越早，綜合優先級越高。但上述方法沒有充分利用目標的先驗信息[7]且雷達任務優先級由人工劃分，受主觀因素的影響較大。因此本文對跟蹤目標引入目標威脅度模型，與工作方式和截止期一起形成任務綜合優先級。

1 目標威脅等級

目標威脅等級由目標類型[9]、目標運動特征（徑向距離、速度、高度、航向）、目標敵我等多種因素決定。

（1）目標類型（導彈、戰斗機、轟炸機、直升機、干擾機和預警機等）由模式識別模塊識別，由專家系統設定類型威脅等級pType。

（2）目標徑向距離R，制導導彈最遠殺傷距離Rgmax，雷達威力Rdmax，目標距離越近，威脅等級越大，則徑向距離威脅度pR為[10]：

（3）目標低速時威脅較小，為一較小的常數，當速度大于一定值時威脅迅速上升；當目標速度大于vH時，速度威脅值為1。則速度威脅度pv為：

（4）定義目標航向與雷達中心指向的夾角為目標航向角θ。當θ=0°時，目標相向飛行，威脅度最大；當θ=180°時，目標背向飛行，威脅度最小。則航向威脅度pθ為：

（5）目標低空突防時威脅度最大，目標越高則威脅度越小。目標高度威脅ph為：

式中H為臨界高度，h為目標高度，b為控制函數衰減速度的常系數。

（6）目標敵我識別為敵、未知和我，則敵我威脅度pIFF分別為1，0，-1。

綜合上述威脅度函數，總的威脅度等級為：

pt=pTpye（？姿1pR+？姿2pv+？姿3pθ+？姿4ph+？姿5pIFF），？姿l=1（5）

2 綜合優先級規劃

綜合優先級由工作方式、截止期和目標威脅度共同決定。工作方式分為搜索、確認、普通跟蹤、精確跟蹤和失跟處理。目標確認之后，根據目標的威脅度從高到低自動劃分N1批精跟目標和N2批普通跟蹤目標；精跟目標也可由飛行員手動選定，飛行員手動選定的目標認為威脅等級最高。

一級綜合優先級用來表示同一類型任務中不同威脅程度的目標任務的優先級。首先第k個任務的一級優先級pk1由工作方式優先級prk和目標威脅度pkt產生。

pk1=prk+ptk（6）

由于搜索任務和確認任務一般沒有先驗知識，不涉及目標威脅度，所以在對二者的優先級綜合規劃中，一級綜合優先級即為工作方式優先級。

二級優先級規劃準則：（1）截止期越早的任務優先級越高；（2）重要性越高的任務優先級越高。設計優先級表，將目標一級優先級和任務截止期統一起來：在一個調度周期內，將所有任務分別按截止期di有先到后和一級優先級pk1由大到小進行排序，第i個任務在兩個有序隊列中的位置分別為m和n，則綜合優先級函數：

pric=am+（1-α）n（7）

3 調度策略

調度策略的目的為充分利用時間資源，在一個調度間隔內，按綜合優先級大小依次安排任務請求，步驟如下：

圖1 算法流程圖

（1）初始化，判斷調度是否結束，結束轉（7），否則轉（2）；

（2）取任務期望時間te在本調度間隔[tbegin，tend]之間的任務；

（3）刪除超出截止期的任務；

（4）進行綜合優先級排序，依次取任務；

（5）若波束駐留時間twell小于本次調度剩余時間，則加入執行隊列；否則如果任務最晚執行時間大于本次調度截至時間tend，則加入延時隊列；否則加入刪除隊列；

（6）下一個調度間隔，延時隊列加入新請求隊列，轉入（2）；

（7）調度結束，分析數據。

4 性能評估

（1）調度成功率（SSR）：

SSR=Nsuc/Nsum（6）

其中Nsuc為成功調度任務數，Nsum為總請求任務數。

（2）執行威脅率（ETR）

調度成功的任務威脅率之和與總請求目標威脅度總和之比。執行威脅率可以衡量調度算法對重要任務的調度性能。由于任務實際執行時間有可能在時間窗內[11]偏離任務期望執行時間，引入修正執行威脅率（METR）：

修正執行威脅率不僅反映所采用的調算法對重要任務的調度性能，還能夠表征調度重要任務時，對其期望執行時間遵循程度的符合情況。

5 仿真實驗

5.1 參數設置

考慮搜索、確認、精確跟蹤、普通跟蹤、失跟處理五類雷達任務，參數如下表1。對比本文算法和HPEDF算法。

目標威脅等級參數分別為Rgmax=80km，Rdmax=200km，vL=50m/s，vH=450m/s，a=0.2，k=0.8，H=500m，b=0.03；各威脅參數權重設置為λ={0.22，0.11，0.16，0.11，0.4}，目標綜合優先級的規劃重點考慮目標重要性的影響，設α=0.8。

雷達場景設置： 搜索任務在仿真開始后周期產生，目標被隨機搜索到； 搜索的目標經驗證后產生跟蹤任務；驗證任務由目標驗證和虛驚共同產生；失跟任務在穩定跟蹤起始后（跟蹤達到3次）數據率達不到要求時產生，未穩定跟蹤的目標不產生失跟請求。雷達跟蹤目標0-90批，精跟和普跟數目比1：3，每增加10批目標進行100次蒙特卡羅仿真，結果如圖2-圖4。

5.2 結果分析

由圖2和圖3可知：隨著跟蹤任務的增加，雷達逐漸過載，在過載情況下，本文算法執行任務的數量小于HPEDF算法，但執行威脅率高于HPEDF算法。說明本文算法對高威脅目標進行優先調度，保證其執行。由圖4可知，修正執行威脅率本文算法明顯高于HPEDF算法，說明本文算法威脅率高的任務執行實際時間比期望執行時間偏移較少，更符合雷達的實際工作需求。

6 結論

本文建立目標威脅度模型，根據目標屬性計算目標標威脅度，并根據威脅度自動劃分跟蹤任務的跟蹤精度，與工作方式、任務截止期一起進行綜合優先級規劃。實驗結果表明，雷達通過已知目標參數，動態調整跟蹤任務的優先級，使得高威脅目標在期望執行時間附近優先調度，有效提高了高威脅目標的處理能力。

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