周 瀟，李凌鵬，彭思勇

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)具有波束靈活、任務(wù)多樣的特點(diǎn)，為對(duì)付復(fù)雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境提供了多功能操作的可能性，并實(shí)現(xiàn)將其變成現(xiàn)實(shí)的資源調(diào)度。相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度是指在給定雷達(dá)任務(wù)請(qǐng)求集的條件下，根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)的各種任務(wù)請(qǐng)求的執(zhí)行順序，在滿足系統(tǒng)約束條件的同時(shí)達(dá)到某種意義上的最優(yōu)調(diào)度效果[1]。

相控陣?yán)走_(dá)的硬件設(shè)備雖然先進(jìn)，但是其資源依然是有限的。多目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)的多種問題都是由資源調(diào)度來處理的[2]。可以看出資源調(diào)度是相控陣?yán)走_(dá)的大腦，指揮著這個(gè)精密而且龐大的雷達(dá)系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行，完成各項(xiàng)任務(wù)。

當(dāng)前彈道導(dǎo)彈技術(shù)快速發(fā)展，誘餌、箔條、彈載有源干擾、多彈頭等技術(shù)構(gòu)成了復(fù)雜的電磁環(huán)境，嚴(yán)重消耗了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)有限的資源，延遲了雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)的時(shí)間，減少了穩(wěn)定跟蹤真實(shí)目標(biāo)和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、識(shí)別的時(shí)間；更嚴(yán)重地，假目標(biāo)的出現(xiàn)增加了識(shí)別的難度，資源飽和狀態(tài)下，雷達(dá)不得不放棄對(duì)一些目標(biāo)的跟蹤、識(shí)別，使防御系統(tǒng)面臨巨大威脅的同時(shí)，資源調(diào)度分配資源、確定工作方式的復(fù)雜程度也直線提高。因此，研究在復(fù)雜電磁環(huán)境下的資源調(diào)度問題，是提高相控陣?yán)走_(dá)作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效率的有效方法。

1 資源調(diào)度的物理基礎(chǔ)

1.1 相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)基本原理

相控陣體制雷達(dá)系統(tǒng)可以劃分為兩部分：雷達(dá)設(shè)備和雷達(dá)控制器。將通用控制計(jì)算機(jī)及其程序和雷達(dá)系統(tǒng)的其余部分分割為兩大塊。相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械雷達(dá)相比較，最大的區(qū)別是其具有波束快速無慣性掃描的能力，這得益于相控陣?yán)走_(dá)特殊的天線結(jié)構(gòu)。在波束控制計(jì)算機(jī)條件下，改變天線元件之間信號(hào)的相位和幅度關(guān)系，可以獲得對(duì)應(yīng)于所需天線方向圖的天線孔徑照度函數(shù)，形成不同的天線波束方向和天線波束形狀，即不同的天線方向圖函數(shù)[3]，如圖1所示。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)波束形成示意圖

1.2 相控陣?yán)走_(dá)資源基本概念

相控陣?yán)走_(dá)的資源包括：天線陣面資源，并行處理通道數(shù)，時(shí)間資源，能量資源等。陣面資源是指對(duì)GBR雷達(dá)的32個(gè)子陣面進(jìn)行陣面分割，利用部分陣面進(jìn)行波束形成或形成同時(shí)多波束[4]。并行處理通道數(shù)是指接收通道數(shù)目。時(shí)間資源由波形和目標(biāo)駐留時(shí)間表現(xiàn)出來。波形是所有資源中最主要、最重要的資源，甚至可以把脈沖長(zhǎng)度稱為一個(gè)“時(shí)間資源”。從波形可以看出，脈沖長(zhǎng)度可達(dá)34 ms，工作時(shí)間按34 ms間隔分割，決定了在調(diào)度間隔1 s內(nèi)，跟蹤和識(shí)別的目標(biāo)容量有限。能量資源指發(fā)射的平均功率，占空比最大達(dá)到15～20%，為了器件安全不能長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射脈沖[5]。

1.3 GBR雷達(dá)的工作流程

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)的一般工作流程，綜合考慮了寬帶和窄帶交替識(shí)別任務(wù)中的工作模式和GBR雷達(dá)本身的特點(diǎn)，給出GBR雷達(dá)的工作流程如圖2所示。

2 相控陣?yán)走_(dá)的工作方式

2.1 相控陣?yán)走_(dá)工作模式

相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于不同目標(biāo)或者同一目標(biāo)在不同階段的操作稱為雷達(dá)任務(wù)[6]。相控陣?yán)走_(dá)需要考慮的4個(gè)主要任務(wù)是搜索、確認(rèn)、跟蹤、識(shí)別。對(duì)于不同的任務(wù)，雷達(dá)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定也是不同的[7]。為了提高識(shí)別效率和準(zhǔn)確率，必須對(duì)工作方式進(jìn)行合理調(diào)度，使用不同的發(fā)射波形、數(shù)據(jù)率、駐留時(shí)間[8]。

目標(biāo)的屬性決定了雷達(dá)的任務(wù)，為了完成任務(wù)，雷達(dá)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的操作(即相應(yīng)的工作方式)。不同的工作方式下，雷達(dá)的資源需求也是不同的，因此了解各種工作方式才能設(shè)計(jì)出合理的資源調(diào)度系統(tǒng)來滿足不同工作方式需要的資源[9]，如圖3所示。

圖3 雷達(dá)任務(wù)間的關(guān)系

2.2 相控陣?yán)走_(dá)搜索方式

有3種可能的情況，相控陣?yán)走_(dá)可以執(zhí)行目標(biāo)搜索：

第一，在監(jiān)視空域中突顯新目標(biāo)，且無任何目標(biāo)指示數(shù)據(jù)。

第二，根據(jù)協(xié)同對(duì)空探測(cè)雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)信息及目標(biāo)指示數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)空探測(cè)。

第三，初次建立航跡過程中，對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤時(shí)出現(xiàn)目標(biāo)丟失，而采取小范圍內(nèi)重照的工作方式。

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)識(shí)別并跟蹤目標(biāo)時(shí)，如果目標(biāo)丟失，則需要在丟失的目標(biāo)區(qū)域附近建立一個(gè)小的搜索區(qū)域，以便二次發(fā)現(xiàn)改目標(biāo)，并繼續(xù)維持對(duì)該目標(biāo)的跟蹤[7]。

由于相控陣?yán)走_(dá)具有天線波束靈活、信號(hào)波形多樣的特性，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)充分利用相控陣?yán)走_(dá)特性以及承擔(dān)的任務(wù)，獲得多種搜索工作方式。

2.3 確認(rèn)工作方式

在搜索過程中，一旦找到并鎖定目標(biāo)，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的命令，并將目標(biāo)三維坐標(biāo)信息和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)間發(fā)送到相控陣?yán)走_(dá)控制計(jì)算機(jī)[10]。計(jì)算機(jī)首先根據(jù)目標(biāo)指令確認(rèn)是否為虛警情況，由波束控制器發(fā)出“重照”指令，以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置為中心，形成與門相關(guān)聯(lián)的窄搜索“相關(guān)確認(rèn)”，相關(guān)門的大小完全取決于相控陣?yán)走_(dá)分辨率的測(cè)量能力、信噪比和目標(biāo)速度，通常只把距離作為關(guān)聯(lián)參數(shù)，此時(shí)關(guān)聯(lián)波門為距離波門。在GBR雷達(dá)中，速度和高度也被考慮作為關(guān)聯(lián)參數(shù)。因此，若在此波門內(nèi)至少連續(xù)3次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則判定目標(biāo)為真目標(biāo)。

2.4 跟蹤工作方式

邊掃描邊跟蹤(TWS)方式常用于一維相控陣掃描雷達(dá)中。例如，相控陣三坐標(biāo)雷達(dá)，其在方位角上執(zhí)行機(jī)械掃描，在仰角上執(zhí)行電子掃描。由于天線波束在仰角方向進(jìn)行相控陣掃描受目標(biāo)方向限制，因此這類雷達(dá)在檢測(cè)新目標(biāo)時(shí)與跟蹤老目標(biāo)工作方式相同，并沒有設(shè)定專門的跟蹤照射[11]。其跟蹤采樣時(shí)間完全取決于在方位上的轉(zhuǎn)速與采樣間隔。也可以使用相控陣?yán)走_(dá)，其在仰角處實(shí)現(xiàn)相位掃描，并且在仰角處具有寬光束。

3 自適應(yīng)資源調(diào)度

3.1 自適應(yīng)資源調(diào)度算法與模型

目前最靈活和有效的設(shè)計(jì)方法是自適應(yīng)資源調(diào)度算法。該算法使用遞歸算法來描述雷達(dá)約束，雷達(dá)約束可以基于優(yōu)先級(jí)接受或拒絕替代雷達(dá)事件。這種算法可以做成遞歸式或響應(yīng)式，或者是以單個(gè)波束駐留為基礎(chǔ)，或者是以整個(gè)調(diào)度間隔為基礎(chǔ)，視單個(gè)約束的嚴(yán)重程度而異。它滿足以下幾條自適應(yīng)準(zhǔn)則：

(1) 適應(yīng)變動(dòng)著的波束請(qǐng)求環(huán)境；

(2) 適應(yīng)不同工作模式的相對(duì)優(yōu)先級(jí)，滿足不同工作模式下的特征參數(shù)閾值范圍；

(3) 約束范圍不得超過雷達(dá)設(shè)計(jì)條件；

(4) 為避免出現(xiàn)峰值資源需求，波束請(qǐng)求安排應(yīng)盡可能做到均勻。

3.1.1 自適應(yīng)資源調(diào)度基本模型

由圖4可以看出，在自適應(yīng)算法中每一種雷達(dá)任務(wù)的請(qǐng)求是分開的，并且以鏈表的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，此鏈表一般是依據(jù)先進(jìn)先出(FIFO)的原則進(jìn)行排序的，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序和約束條件，在下一個(gè)調(diào)度間隔期間要執(zhí)行的雷達(dá)事件通常由雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)確定。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于所有的雷達(dá)都有飽和的可能，所以不是所有的請(qǐng)求調(diào)度事件都會(huì)立即得到滿足的。若存在低優(yōu)先級(jí)任務(wù)不能進(jìn)行合理的調(diào)度，需暫時(shí)忽略甚至放棄此類任務(wù)，并將其放至下一個(gè)調(diào)度間隔進(jìn)行再次調(diào)度。

3.1.2 雷達(dá)事件的優(yōu)先級(jí)

根據(jù)事件的重要性和時(shí)間的依賴性，把全部事件分為若干類[12]。最高優(yōu)先級(jí)一般是分配給最重要的或時(shí)間要求緊迫的雷達(dá)任務(wù)，依此類推，直到完全確定從最高優(yōu)先級(jí)至最低優(yōu)先級(jí)的雷達(dá)任務(wù)為止。從根本上說，確定優(yōu)先級(jí)的目的是根據(jù)目標(biāo)的重要程度強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)及時(shí)對(duì)空監(jiān)視。

圖4 自適應(yīng)模板資源調(diào)度流程圖

3.1.3 雷達(dá)約束

明確約束雷達(dá)操作的因素，對(duì)如何使用雷達(dá)資源并使其性能更好地有效發(fā)揮也是自適應(yīng)算法中的重要部分，以遞歸的形式在數(shù)學(xué)上闡述每一個(gè)約束，以便不間斷地檢查已經(jīng)確定的事件是否違反約束條件。研究基本的雷達(dá)資源約束不僅對(duì)支持每一個(gè)單個(gè)雷達(dá)工作方式，而且對(duì)支持作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)所要求的短期和長(zhǎng)期工作方式組合的執(zhí)行都是必要的。

3.2 自適應(yīng)資源調(diào)度的設(shè)計(jì)

3.2.1 自適應(yīng)資源調(diào)度的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)一個(gè)具有時(shí)間窗約束的簡(jiǎn)單自適應(yīng)調(diào)度算法。符號(hào)定義如表1所示。

表4 符號(hào)定義

在設(shè)計(jì)任何類型的自適應(yīng)調(diào)度算法時(shí)，通常應(yīng)遵循優(yōu)先級(jí)原則、時(shí)間利用率和預(yù)期時(shí)間。一般來說，首先應(yīng)該遵循優(yōu)先原則，然后是預(yù)期時(shí)間原則和時(shí)間利用原則，或者根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行改變[13]。

3.2.2 自適應(yīng)調(diào)度算法的性能評(píng)估

為了實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估調(diào)度算法的有效性，基于上述調(diào)度原則，定義算法評(píng)估的綜合性能指標(biāo)和個(gè)體性能指標(biāo)，綜合性能指標(biāo)是雷達(dá)事件容量(SREV)，單一性能指標(biāo)包括調(diào)度成功率(PSSR)、時(shí)間利用率(TTUR)、平均時(shí)間偏移率(TATSR)[14]，下面列出各項(xiàng)指標(biāo)具體定義(設(shè)雷達(dá)工作時(shí)間為T0)：

(1) 單個(gè)雷達(dá)事件的目標(biāo)函數(shù)(CREVi)為：

CREVi=f(Pi,ΔTi)

(1)

f(x)對(duì)于目標(biāo)函數(shù)，如果優(yōu)先級(jí)更高并且停留時(shí)間更短，則CREVi更大，反之亦然。f(x)的設(shè)計(jì)比較靈活，本文采用以下形式：

f(Pi,ΔTi)=(1+p/Pi)(1/ΔTi)q

(2)

式中：p和q為調(diào)整系數(shù)(p,q≥0,p+q=1)，p越大，q越小，Pi對(duì)CREVi的影響越大；q越大，p越小，ΔTi的影響越大；當(dāng)p=0時(shí)，Pi對(duì)CREVi沒有影響；當(dāng)q=0時(shí)，ΔTi對(duì)CREVi沒有影響。

(2) 總調(diào)度成功率(PSSR)：

PSSR=N/M

(3)

式中：N為安排執(zhí)行事件總數(shù)；M為參與調(diào)度事件總數(shù)。

(3) 各類事件調(diào)度成功率(PSSRk)：

PSSRk=Nk/Mk,k=1,2,…,9

(4)

式中：Nk為第k類雷達(dá)事件類型的預(yù)定執(zhí)行總數(shù)；Mk為第k類雷達(dá)事件類型的預(yù)定參與總數(shù)。

(4) 時(shí)間利用率(TTUR)：

(5)

(6)

3.2.3 自適應(yīng)調(diào)度算法優(yōu)化模型

根據(jù)上述性能指標(biāo)參數(shù)，提出了優(yōu)化的自適應(yīng)調(diào)度算法模型如下：

(7)

約束條件為：

(8)

式中：i=1,2,…,Nr。

式(8)約束下的調(diào)度算法優(yōu)化模型使式(7)的目標(biāo)函數(shù)最大。

3.2.4 自適應(yīng)調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)

由數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提出所需請(qǐng)求，形成一個(gè)請(qǐng)求鏈表，送往調(diào)度器，經(jīng)調(diào)度器分析，而后雷達(dá)事件依次經(jīng)過執(zhí)行鏈表、延遲鏈表以及刪除鏈表。執(zhí)行列表中的雷達(dá)事件根據(jù)其總tei和Wi的約束適度改變tei(雷達(dá)事件在調(diào)度區(qū)間內(nèi)移動(dòng))[13]。延遲列表中的雷達(dá)事件需要由調(diào)度器在下一個(gè)調(diào)度間隔中確定。超出事件生命周期的事件將發(fā)送到刪除列表，并刪除列表中的雷達(dá)事件。調(diào)度模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

具體的算法流程如圖6所示，數(shù)據(jù)處理提請(qǐng)求的時(shí)候是按時(shí)間順序提交的，把請(qǐng)求存儲(chǔ)在一個(gè)大鏈表里，調(diào)度時(shí)調(diào)度器遍歷整個(gè)鏈表，將各個(gè)事件按不同的類型排成子鏈表。根據(jù)事件的優(yōu)先級(jí)，調(diào)度器會(huì)再次遍歷優(yōu)先級(jí)最高的事件類型的子請(qǐng)求鏈表，然后判斷該請(qǐng)求鏈表是否為空，非空時(shí)取出該請(qǐng)求。然后根據(jù)時(shí)間窗的計(jì)算來判斷本次調(diào)度間隔中是否有足夠的時(shí)間來完成。為了更靈活地控制不同目標(biāo)的數(shù)據(jù)率，還需要判斷請(qǐng)求的調(diào)度時(shí)間是否到了。每執(zhí)行一次雷達(dá)事件后，資源模塊會(huì)對(duì)目標(biāo)加上一個(gè)時(shí)間戳，來確定該事件的下次執(zhí)行時(shí)間。例如導(dǎo)彈為1 s，飛機(jī)為10 s，則只有在下一個(gè)調(diào)度間隔才會(huì)安排探測(cè)導(dǎo)彈目標(biāo)的請(qǐng)求，對(duì)于飛機(jī)目標(biāo)的請(qǐng)求需要等待9個(gè)調(diào)度間隔。當(dāng)?shù)却龝r(shí)間足夠時(shí)，將該請(qǐng)求從請(qǐng)求鏈表中取出置于事件執(zhí)行鏈表，根據(jù)事件參數(shù)選擇波形，并推進(jìn)調(diào)度間隔的時(shí)間標(biāo)志。

圖5 調(diào)度模塊

圖6 有時(shí)間窗約束的自適應(yīng)算法流程

4 結(jié)束語

自適應(yīng)資源調(diào)度通過優(yōu)先級(jí)判斷，并且通過時(shí)間、能量、器件功率等約束條件來完成對(duì)于雷達(dá)事件的安排，對(duì)波形、波束、數(shù)據(jù)率、駐留時(shí)間和能量的控制十分靈活，使相控陣?yán)走_(dá)的資源得到了充分的利用，在作戰(zhàn)使用中起到重要作用。本文主要以GBR雷達(dá)參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)資源調(diào)度算法，使得相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)資源調(diào)度的過程有了更為直觀的反映。未來X波段多功能地基相控陣?yán)走_(dá)資源調(diào)度的發(fā)展以目標(biāo)識(shí)別和抗干擾為中心，不斷優(yōu)化調(diào)度模型，使雷達(dá)資源利用效率得到提高，增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率和在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力。