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        基于同時(shí)多波束跟蹤的任務(wù)調(diào)度方法研究

        2016-02-23 03:45:29鋼,凌牧,汪
        現(xiàn)代雷達(dá) 2016年4期
        關(guān)鍵詞:資源

        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,對跟蹤時(shí)的資源調(diào)度和能量管理策略研究較少,對多波束進(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??梢酝瑫r(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。

        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。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)可被檢測三個(gè)要求。

        建立對目標(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,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)對應(yīng)目標(biāo)i時(shí)序,圖1b)對應(yīng)目標(biāo)j時(shí)序,圖1c) 對應(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)可被探測原則

        目標(biāo)可被探測需要回波強(qiáng)度滿足目標(biāo)檢測條件,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)度解算對發(fā)射能量資源的需求,實(shí)現(xiàn)對陣面功率、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.

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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.

        [6] 張 珂,張 璇,金家才.認(rèn)知電子戰(zhàn)初探[J].航天電子對抗,2013,29(1):53-56. ZHANG Ke,ZHANG Xuan,JIN Jiacai.Preliminary exploration of cognitive electronic warfare[J].Aerospace Electronic Warfare,2013,29(1):53-56.

        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

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