相控阵雷达自适应资源调度研究

周 潇，李凌鹏，彭思勇

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

0 引 言

相控阵雷达具有波束灵活、任务多样的特点，为对付复杂多变的现代战场环境提供了多功能操作的可能性，并实现将其变成现实的资源调度。相控阵雷达资源调度是指在给定雷达任务请求集的条件下，根据一定标准的各种任务请求的执行顺序，在满足系统约束条件的同时达到某种意义上的最优调度效果[1]。

相控阵雷达的硬件设备虽然先进，但是其资源依然是有限的。多目标时出现的多种问题都是由资源调度来处理的[2]。可以看出资源调度是相控阵雷达的大脑，指挥着这个精密而且庞大的雷达系统有条不紊地运行，完成各项任务。

当前弹道导弹技术快速发展，诱饵、箔条、弹载有源干扰、多弹头等技术构成了复杂的电磁环境，严重消耗了相控阵雷达系统有限的资源，延迟了雷达系统发现真实目标的时间，减少了稳定跟踪真实目标和进行数据采集、识别的时间；更严重地，假目标的出现增加了识别的难度，资源饱和状态下，雷达不得不放弃对一些目标的跟踪、识别，使防御系统面临巨大威胁的同时，资源调度分配资源、确定工作方式的复杂程度也直线提高。因此，研究在复杂电磁环境下的资源调度问题，是提高相控阵雷达作战能力和作战效率的有效方法。

1 资源调度的物理基础

1.1 相控阵雷达系统基本原理

相控阵体制雷达系统可以划分为两部分：雷达设备和雷达控制器。将通用控制计算机及其程序和雷达系统的其余部分分割为两大块。相控阵雷达与机械雷达相比较，最大的区别是其具有波束快速无惯性扫描的能力，这得益于相控阵雷达特殊的天线结构。在波束控制计算机条件下，改变天线元件之间信号的相位和幅度关系，可以获得对应于所需天线方向图的天线孔径照度函数，形成不同的天线波束方向和天线波束形状，即不同的天线方向图函数[3]，如图1所示。

图1 相控阵雷达波束形成示意图

1.2 相控阵雷达资源基本概念

相控阵雷达的资源包括：天线阵面资源，并行处理通道数，时间资源，能量资源等。阵面资源是指对GBR雷达的32个子阵面进行阵面分割，利用部分阵面进行波束形成或形成同时多波束[4]。并行处理通道数是指接收通道数目。时间资源由波形和目标驻留时间表现出来。波形是所有资源中最主要、最重要的资源，甚至可以把脉冲长度称为一个“时间资源”。从波形可以看出，脉冲长度可达34 ms，工作时间按34 ms间隔分割，决定了在调度间隔1 s内，跟踪和识别的目标容量有限。能量资源指发射的平均功率，占空比最大达到15～20%，为了器件安全不能长时间发射脉冲[5]。

1.3 GBR雷达的工作流程

根据相控阵雷达的一般工作流程，综合考虑了宽带和窄带交替识别任务中的工作模式和GBR雷达本身的特点，给出GBR雷达的工作流程如图2所示。

2 相控阵雷达的工作方式

2.1 相控阵雷达工作模式

相控阵雷达对于不同目标或者同一目标在不同阶段的操作称为雷达任务[6]。相控阵雷达需要考虑的4个主要任务是搜索、确认、跟踪、识别。对于不同的任务，雷达的各项参数设定也是不同的[7]。为了提高识别效率和准确率，必须对工作方式进行合理调度，使用不同的发射波形、数据率、驻留时间[8]。

目标的属性决定了雷达的任务，为了完成任务，雷达会进行相应的操作(即相应的工作方式)。不同的工作方式下，雷达的资源需求也是不同的，因此了解各种工作方式才能设计出合理的资源调度系统来满足不同工作方式需要的资源[9]，如图3所示。

图3 雷达任务间的关系

2.2 相控阵雷达搜索方式

有3种可能的情况，相控阵雷达可以执行目标搜索：

第一，在监视空域中突显新目标，且无任何目标指示数据。

第二，根据协同对空探测雷达提供的数据信息及目标指示数据进行对空探测。

第三，初次建立航迹过程中，对目标实施跟踪时出现目标丢失，而采取小范围内重照的工作方式。

当相控阵雷达识别并跟踪目标时，如果目标丢失，则需要在丢失的目标区域附近建立一个小的搜索区域，以便二次发现改目标，并继续维持对该目标的跟踪[7]。

由于相控阵雷达具有天线波束灵活、信号波形多样的特性，在实际应用过程中，应充分利用相控阵雷达特性以及承担的任务，获得多种搜索工作方式。

2.3 确认工作方式

在搜索过程中，一旦找到并锁定目标，就会发出相应的命令，并将目标三维坐标信息和发现目标时间发送到相控阵雷达控制计算机[10]。计算机首先根据目标指令确认是否为虚警情况，由波束控制器发出“重照”指令，以发现目标位置为中心，形成与门相关联的窄搜索“相关确认”，相关门的大小完全取决于相控阵雷达分辨率的测量能力、信噪比和目标速度，通常只把距离作为关联参数，此时关联波门为距离波门。在GBR雷达中，速度和高度也被考虑作为关联参数。因此，若在此波门内至少连续3次发现目标，则判定目标为真目标。

2.4 跟踪工作方式

边扫描边跟踪(TWS)方式常用于一维相控阵扫描雷达中。例如，相控阵三坐标雷达，其在方位角上执行机械扫描，在仰角上执行电子扫描。由于天线波束在仰角方向进行相控阵扫描受目标方向限制，因此这类雷达在检测新目标时与跟踪老目标工作方式相同，并没有设定专门的跟踪照射[11]。其跟踪采样时间完全取决于在方位上的转速与采样间隔。也可以使用相控阵雷达，其在仰角处实现相位扫描，并且在仰角处具有宽光束。

3 自适应资源调度

3.1 自适应资源调度算法与模型

目前最灵活和有效的设计方法是自适应资源调度算法。该算法使用递归算法来描述雷达约束，雷达约束可以基于优先级接受或拒绝替代雷达事件。这种算法可以做成递归式或响应式，或者是以单个波束驻留为基础，或者是以整个调度间隔为基础，视单个约束的严重程度而异。它满足以下几条自适应准则：

(1) 适应变动着的波束请求环境；

(2) 适应不同工作模式的相对优先级，满足不同工作模式下的特征参数阈值范围；

(3) 约束范围不得超过雷达设计条件；

(4) 为避免出现峰值资源需求，波束请求安排应尽可能做到均匀。

3.1.1 自适应资源调度基本模型

由图4可以看出，在自适应算法中每一种雷达任务的请求是分开的，并且以链表的形式存储在计算机中，此链表一般是依据先进先出(FIFO)的原则进行排序的，然后根据优先级顺序和约束条件，在下一个调度间隔期间要执行的雷达事件通常由雷达控制计算机确定。应当注意的是，由于所有的雷达都有饱和的可能，所以不是所有的请求调度事件都会立即得到满足的。若存在低优先级任务不能进行合理的调度，需暂时忽略甚至放弃此类任务，并将其放至下一个调度间隔进行再次调度。

3.1.2 雷达事件的优先级

根据事件的重要性和时间的依赖性，把全部事件分为若干类[12]。最高优先级一般是分配给最重要的或时间要求紧迫的雷达任务，依此类推，直到完全确定从最高优先级至最低优先级的雷达任务为止。从根本上说，确定优先级的目的是根据目标的重要程度强制实现及时对空监视。

图4 自适应模板资源调度流程图

3.1.3 雷达约束

明确约束雷达操作的因素，对如何使用雷达资源并使其性能更好地有效发挥也是自适应算法中的重要部分，以递归的形式在数学上阐述每一个约束，以便不间断地检查已经确定的事件是否违反约束条件。研究基本的雷达资源约束不仅对支持每一个单个雷达工作方式，而且对支持作战态势所要求的短期和长期工作方式组合的执行都是必要的。

3.2 自适应资源调度的设计

3.2.1 自适应资源调度的设计原则

设计一个具有时间窗约束的简单自适应调度算法。符号定义如表1所示。

表4 符号定义

在设计任何类型的自适应调度算法时，通常应遵循优先级原则、时间利用率和预期时间。一般来说，首先应该遵循优先原则，然后是预期时间原则和时间利用原则，或者根据优化目标进行改变[13]。

3.2.2 自适应调度算法的性能评估

为了实现有效评估调度算法的有效性，基于上述调度原则，定义算法评估的综合性能指标和个体性能指标，综合性能指标是雷达事件容量(SREV)，单一性能指标包括调度成功率(PSSR)、时间利用率(TTUR)、平均时间偏移率(TATSR)[14]，下面列出各项指标具体定义(设雷达工作时间为T0)：

(1) 单个雷达事件的目标函数(CREVi)为：

CREVi=f(Pi,ΔTi)

(1)

f(x)对于目标函数，如果优先级更高并且停留时间更短，则CREVi更大，反之亦然。f(x)的设计比较灵活，本文采用以下形式：

f(Pi,ΔTi)=(1+p/Pi)(1/ΔTi)q

(2)

式中：p和q为调整系数(p,q≥0,p+q=1)，p越大，q越小，Pi对CREVi的影响越大；q越大，p越小，ΔTi的影响越大；当p=0时，Pi对CREVi没有影响；当q=0时，ΔTi对CREVi没有影响。

(2) 总调度成功率(PSSR)：

PSSR=N/M

(3)

式中：N为安排执行事件总数；M为参与调度事件总数。

(3) 各类事件调度成功率(PSSRk)：

PSSRk=Nk/Mk,k=1,2,…,9

(4)

式中：Nk为第k类雷达事件类型的预定执行总数；Mk为第k类雷达事件类型的预定参与总数。

(4) 时间利用率(TTUR)：

(5)

(6)

3.2.3 自适应调度算法优化模型

根据上述性能指标参数，提出了优化的自适应调度算法模型如下：

(7)

约束条件为：

(8)

式中：i=1,2,…,Nr。

式(8)约束下的调度算法优化模型使式(7)的目标函数最大。

3.2.4 自适应调度算法的实现

由数据处理分系统提出所需请求，形成一个请求链表，送往调度器，经调度器分析，而后雷达事件依次经过执行链表、延迟链表以及删除链表。执行列表中的雷达事件根据其总tei和Wi的约束适度改变tei(雷达事件在调度区间内移动)[13]。延迟列表中的雷达事件需要由调度器在下一个调度间隔中确定。超出事件生命周期的事件将发送到删除列表，并删除列表中的雷达事件。调度模块结构如图5所示。

具体的算法流程如图6所示，数据处理提请求的时候是按时间顺序提交的，把请求存储在一个大链表里，调度时调度器遍历整个链表，将各个事件按不同的类型排成子链表。根据事件的优先级，调度器会再次遍历优先级最高的事件类型的子请求链表，然后判断该请求链表是否为空，非空时取出该请求。然后根据时间窗的计算来判断本次调度间隔中是否有足够的时间来完成。为了更灵活地控制不同目标的数据率，还需要判断请求的调度时间是否到了。每执行一次雷达事件后，资源模块会对目标加上一个时间戳，来确定该事件的下次执行时间。例如导弹为1 s，飞机为10 s，则只有在下一个调度间隔才会安排探测导弹目标的请求，对于飞机目标的请求需要等待9个调度间隔。当等待时间足够时，将该请求从请求链表中取出置于事件执行链表，根据事件参数选择波形，并推进调度间隔的时间标志。

图5 调度模块

图6 有时间窗约束的自适应算法流程

4 结束语

自适应资源调度通过优先级判断，并且通过时间、能量、器件功率等约束条件来完成对于雷达事件的安排，对波形、波束、数据率、驻留时间和能量的控制十分灵活，使相控阵雷达的资源得到了充分的利用，在作战使用中起到重要作用。本文主要以GBR雷达参数为依据，设计了一种相控阵雷达自适应资源调度算法，使得相控阵雷达自适应资源调度的过程有了更为直观的反映。未来X波段多功能地基相控阵雷达资源调度的发展以目标识别和抗干扰为中心，不断优化调度模型，使雷达资源利用效率得到提高，增强目标识别准确率和在复杂电磁环境下的抗干扰能力。