李靖舒，高貴明，廖衛(wèi)東，潘瑞云

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044；2.南京船舶雷達研究所，江蘇 南京 210003)

0 引言

隨著軍事科技的日新月異，世界各國更加重視各探測設(shè)備的協(xié)同探測能力。相控陣天線系統(tǒng)具有無慣性的快速電子波束掃描、空間低損耗、大功率合成等優(yōu)點，能夠克服傳統(tǒng)雷達協(xié)同資源分配不均，造成資源浪費、效率較低的問題[1]。將數(shù)字相控陣系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于協(xié)同探測系統(tǒng)，既可發(fā)揮相控陣系統(tǒng)高度靈活的系統(tǒng)資源調(diào)度優(yōu)勢，實現(xiàn)遠距離、寬覆蓋、高數(shù)據(jù)率、高分辨、高精度探測，又能充分利用多基協(xié)同探測反隱身、抗干擾、抗摧毀能力強的優(yōu)點[2]。

雷達協(xié)同探測系統(tǒng)具有空間、體制、能量、頻率分集等諸多優(yōu)勢，已成為當(dāng)前裝備體系集成作戰(zhàn)運用的研究熱點之一。隨著協(xié)同探測技術(shù)的發(fā)展，探測資源優(yōu)化管控正成為協(xié)同探測系統(tǒng)當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵問題[3]。文獻[4-6]對雷達組網(wǎng)探測進行了研究，但主要是基于具體組網(wǎng)系統(tǒng)而言或僅考慮完成主要功能，尚未對協(xié)同探測資源調(diào)度提出具體算法。本文對相控陣?yán)走_協(xié)同探測提出一種資源調(diào)度算法，具有一定的參考價值。

1 相控陣?yán)走_協(xié)同探測

相控陣?yán)走_協(xié)同探測，指的是為實現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)，通過統(tǒng)一指揮管控系統(tǒng)，使多節(jié)點雷達在時間同步和空間同步下按照最優(yōu)的時間序列、工作參數(shù)和工作方式，實現(xiàn)對目標(biāo)遠距離、寬覆蓋、高精度探測的一種工作方式[7]。

1.1 協(xié)同探測的優(yōu)勢

身處高密集電磁信號和多方位、多層次威脅目標(biāo)的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，單一體制雷達和獨立單節(jié)點雷達在作戰(zhàn)使用上難以滿足任務(wù)需求[8]。多節(jié)點雷達協(xié)同探測系統(tǒng)將多頻段、多體制雷達在統(tǒng)一資源管控下進行資源優(yōu)化，將獲得比單節(jié)點探測更大的性能優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：

(1) 提高了資源利用效率。多節(jié)點協(xié)同探測使各節(jié)點在最合適的時機，作用于相應(yīng)的典型目標(biāo)，從而節(jié)約了資源，提高了效率。

(2) 增強了探測系統(tǒng)的生存能力。當(dāng)有節(jié)點無法使用或受到干擾、攻擊時，其他部分節(jié)點依舊可以提供探測信息，實現(xiàn)探測性能的可持續(xù)化。

(3) 提升了資源調(diào)度的靈活性。多節(jié)點協(xié)同探測將為資源管控提供更多的選擇方案，提升調(diào)度的靈活性。

多節(jié)點協(xié)同探測打破傳統(tǒng)單節(jié)點雷達條塊分割界限，將多節(jié)點雷達資源進行集中管理，整合資源協(xié)同使用，從而充分發(fā)揮多節(jié)點雷達優(yōu)勢互補能力[9]。

1.2 協(xié)同探測多節(jié)點選配和協(xié)同策略規(guī)劃

相控陣?yán)走_協(xié)同探測多節(jié)點選配時，主要考慮以下幾個方面：

(1) 擴展頻率覆蓋范圍。多節(jié)點協(xié)同探測能夠擴大頻率覆蓋范圍，提升多節(jié)點間相互引導(dǎo)、寬覆蓋，增加整個系統(tǒng)的探測性能。

(2) 增加時間覆蓋范圍。當(dāng)某個節(jié)點無法正常工作時，可通過其他節(jié)點進行彌補探測，增加整個系統(tǒng)的時間覆蓋范圍和檢測概率。

(3) 改善探測性能。通過多個節(jié)點相互引導(dǎo)，協(xié)同工作，增加探測的有效性、精確性和連續(xù)性。

在實際作戰(zhàn)中，由于作戰(zhàn)任務(wù)不同和節(jié)點性能各異，對于同一種目標(biāo)任務(wù)，在滿足任務(wù)需求的同時可能存在多種節(jié)點分配方式[10]，需要相應(yīng)的協(xié)同策略進行工作方式、節(jié)點分配的選擇，以達到更好的探測性能。

2 協(xié)同探測資源調(diào)度模型

面對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，單個任務(wù)往往需要多個節(jié)點同時提供協(xié)同保障，滿足一種任務(wù)的協(xié)同策略是多樣的，而節(jié)點資源和性能是有限的；同時，多節(jié)點協(xié)同探測調(diào)度的靈活性與多樣性也增加了調(diào)度決策的復(fù)雜性。為了有效解決協(xié)同探測資源調(diào)度問題，需要對多節(jié)點協(xié)同探測建立資源調(diào)度模型，對調(diào)度策略進行優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)點資源的統(tǒng)一管控，從而提高多節(jié)點協(xié)同探測系統(tǒng)的資源利用率和探測性能。

2.1 資源調(diào)度模型

雷達任務(wù)是一系列有時間限制和時序要求的雷達事件序列，可以用若干屬性的集合表征，描述如下：

Ri={Pi，T0，Tni，tai，tdi，tei，tsi，tdwi，twi，TFbi，TFei},

(1)

式中:Pi為任務(wù)工作方式優(yōu)先級;T0為調(diào)度間隔;Tni為任務(wù)的節(jié)點分配屬性;tai，tdi，tei，tsi分別為任務(wù)請求的到達時刻、截止時刻、期望執(zhí)行時間、實際執(zhí)行時間;tdwi為任務(wù)波束駐留時間；twi為時間窗寬度；TFbi，TFei為表示調(diào)度間隔中時間碎片的起始時間和終止時間。

根據(jù)上述任務(wù)模型設(shè)計調(diào)度算法。

2.2 資源調(diào)度性能評價指標(biāo)

(1) 時間利用率(TUR)

(2)

式中:T0為調(diào)度間隔;tdwi為第i個調(diào)度任務(wù)的駐留長度。

(2) 平均偏移率(ATSR)

(3)

式中:tsi為第i個調(diào)度任務(wù)的執(zhí)行時間;tei為第i個調(diào)度任務(wù)的期望時間;T0為調(diào)度間隔。

(3) 單個雷達任務(wù)的容量 (REVi)[11]

REVi=f(pi，tdwi，tsk),

(4)

式中：表示調(diào)度此事件的所獲得的收益；f(·)為容量函數(shù)，其根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級、時間利用率、時間偏移量綜合設(shè)計獲得。f(·)具有以下特點：

f：I×(0，∞)→(0，∞).

1) ?p∈I，?tsk∈(0，∞)，f(p，·，tsk)是單調(diào)遞增函數(shù)，即f(p，tdw1，tsk)

2) ?tdw∈(0，∞)，?tsk∈(0，∞)，

f(·，tdw，tsk)是單調(diào)遞增函數(shù)，即f(p1，tdw，tsk)<

f(p2，tdw，tsk)，當(dāng)且僅當(dāng)p1

3) ?p∈I，?tdw∈(0，∞)，f(p，tdw，·)是單調(diào)遞減函數(shù)，即f(p，tdw，tsk1)>f(p，tdw，tsk2)，當(dāng)且僅當(dāng)tsk1

f(·)函數(shù)設(shè)計具有一定的靈活性，本文采取下面的形式：

(5)

式中:m，n，q為調(diào)整系數(shù)表示任務(wù)優(yōu)先級、時間利用率、時間偏移率3因素對事任務(wù)容量的影響程度，滿足m，n，q≥0，m+n+q=1。

(4) 調(diào)度容量(SVj)

(6)

單個調(diào)度間隔內(nèi)，參與調(diào)度的雷達任務(wù)的容量之和。

(5) 調(diào)度成功率(SSR)

(7)

式中:M,N分別為已調(diào)度的雷達任務(wù)和參加資源調(diào)度的總?cè)蝿?wù)數(shù)。

2.3 多節(jié)點協(xié)同探測資源調(diào)度優(yōu)化模型

時間窗在相控陣?yán)走_任務(wù)調(diào)度算法中得到了廣泛的應(yīng)用，文獻[12]對時間窗進行了詳細的研究，文獻[13-14]在調(diào)度算法研究中應(yīng)用了時間窗。在時間窗任務(wù)調(diào)度算法中，時間偏移量和時間利用率是一對矛盾。

針對多節(jié)點協(xié)同探測，提出一種優(yōu)化模型。在各節(jié)點調(diào)度間隔中尋找與任務(wù)駐留長度相近的時間碎片來插入任務(wù)，提高時間利用率。權(quán)衡時間偏移量和時間利用率2個因素，在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。

根據(jù)上述分析以及上節(jié)提出的性能指標(biāo)，本文提出以下優(yōu)化模型：

(8)

其中滿足

tff=TFej-TFbj>=tdwi.

(9)

式(8)表示權(quán)衡時間利用率和偏移量2個因素，在調(diào)度間隔中尋找時間碎片，使?jié)M足在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。式(9)保證尋找的時間碎片長度要大于駐留，以便任務(wù)可以插入時間碎片中。

借助文獻[15]的層次化分析方法(AHP)，針對時間偏移量和時間利用率2個因素，本文選取p=0.363，q=0.637，經(jīng)計算，滿足一致性要求。

3 協(xié)同探測調(diào)度算法

3.1 算法實現(xiàn)原理

針對多節(jié)點協(xié)同探測，提出一種協(xié)同調(diào)度算法。首先，先進行協(xié)同任務(wù)調(diào)度。將協(xié)同任務(wù)填滿各節(jié)點的調(diào)度間隔，以獲得最好的探測性能；然后，對于各個單節(jié)點都能滿足探測性能的任務(wù)，將申請隊列中的任務(wù)按優(yōu)先級依次加入執(zhí)行隊列，遍歷各節(jié)點，按照期望時間進行任務(wù)調(diào)度，使參與調(diào)度任務(wù)的時間偏移盡可能的??；最后，將剩余的申請任務(wù)按2.3節(jié)描述的調(diào)度優(yōu)化模型進行調(diào)度，依次插入時間碎片，進一步壓縮時間碎片，在不顯著增加時間偏移量的前提下，提高時間利用率。

3.2 協(xié)同調(diào)度算法實現(xiàn)流程

協(xié)同調(diào)度算法流程圖如圖1所示。

4 仿真分析

基于以上研究，對算法進行仿真分析。假設(shè)進行3節(jié)點協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度仿真試驗，任務(wù)調(diào)度間隔SI=50 ms，仿真時間為1個調(diào)度周期，設(shè)置5類任務(wù)，總共40個任務(wù)請求，其中5個為協(xié)同任務(wù)。具體參數(shù)如表1所示。

得到的任務(wù)調(diào)度仿真結(jié)果如圖2所示，且經(jīng)過100次蒙特卡羅仿真，得到如表2所示的性能比較，其中算法1為時間窗調(diào)度算法，算法2為本文提出的協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度算法?？梢缘贸觯惴?時間利用率(TUR)、調(diào)度容量(SV)和調(diào)度成功率(SSR)均優(yōu)于算法1，能夠獲得更好的任務(wù)調(diào)度性能。

表1 任務(wù)參數(shù)表Table 1 Table of tasks parameters

圖1 協(xié)同調(diào)度算法流程圖Fig.1 Flow chart of cooperative scheduling algorithm

算法TUR(%)ATSR(%)SV(%)SSR(%)169．9411．62212．6982．5278．5813．35278．0690．0

圖3為2種算法的任務(wù)調(diào)度性能指標(biāo)隨參與調(diào)度任務(wù)數(shù)變化的比較。可以發(fā)現(xiàn)，隨著參與調(diào)度任務(wù)數(shù)的增加，在不顯著增加時間偏移率的前提下，算法2各項性能指標(biāo)均優(yōu)于算法1，提高了時間利用率，同時也提升了雷達協(xié)同探測性能。通過仿真，驗證了本文提出的算法有效性。

圖2 2種調(diào)度算法任務(wù)調(diào)度結(jié)果Fig.2 Task scheduling results of two algorithms

圖3 2種調(diào)度算法性能指標(biāo)對比Fig.3 Performance comparison of two algorithms

5 結(jié)束語

本文針對相控陣?yán)走_協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度需求，提出了一種協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度算法，針對時間窗任務(wù)調(diào)度算法中時間偏移量和時間利用率這一矛盾問題，通過將任務(wù)插入時間碎片來提高時間利用率。仿真結(jié)果表明，基于本文提出的協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度算法，在不顯著提高時間偏移量的前提下，提高了時間利用率，提升了探測性能，對協(xié)同探測任務(wù)調(diào)度研究具有一定的參考價值。

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