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    綜合優(yōu)先級的被動雷達任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度算法*

    2018-03-16 03:36:23鮑鵬飛黃孝鵬周希辰
    現(xiàn)代防御技術(shù) 2018年1期
    關(guān)鍵詞:截止期任務(wù)調(diào)度輻射源

    鮑鵬飛,黃孝鵬,周希辰

    (1.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;2.中國船舶重工集團公司 第七二四研究所,江蘇 南京 211106;3.海軍裝備研究院 博士后科研工作站,北京 100161)

    0 引言

    被動雷達可靜寂執(zhí)行對輻射源搜索、跟蹤等各類任務(wù),極大改變了傳統(tǒng)雷達攻防作戰(zhàn)模式,具有巨大性能優(yōu)勢與發(fā)展前景[1]。高效資源管控技術(shù)是發(fā)揮被動雷達性能優(yōu)勢的關(guān)鍵;而雷達任務(wù)調(diào)度[2]中,合理有效的優(yōu)先級算法對提高任務(wù)執(zhí)行效率有重要意義。

    早期,任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計基于經(jīng)驗知識預(yù)置優(yōu)先級,環(huán)境適應(yīng)能力差。當(dāng)前,一般根據(jù)任務(wù)和目標(biāo)等參數(shù)安排任務(wù)優(yōu)先級,文獻[3]提出基于工作方式優(yōu)先級和截止期的HPEDF(highest priority and earliest deadline first)算法,但沒有考慮目標(biāo)因素;根據(jù)任務(wù)不同特性以優(yōu)先級表的形式實現(xiàn)優(yōu)先級排序,考慮截止期與價值密度2參數(shù)[4-5];一些優(yōu)先級設(shè)計方法[6-7]較多考慮任務(wù)與目標(biāo)參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)先級,但是沒有考慮被動雷達工作特征。這些調(diào)度算法缺乏考慮到輻射源目標(biāo)威脅度對雷達任務(wù)調(diào)度的影響。針對現(xiàn)有調(diào)度算法的不足,本文在HPEDF調(diào)度算法基礎(chǔ)上,綜合考慮輻射源參數(shù)與被動雷達任務(wù)特征,提出一種納入輻射源威脅度參數(shù)的被動雷達任務(wù)調(diào)度算法(highest threat,HPEDF,HTHPEDF),實現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度,并設(shè)計調(diào)度收益與調(diào)度代價評估公式,最后通過仿真驗證了該算法的有效性和實用性。

    1 輻射源威脅度分析

    在HPEDF算法基礎(chǔ)上提出的HTHPEDF算法綜合考慮了工作方式優(yōu)先級[8]、截止期和威脅度,故需對輻射源威脅度進行分析。

    1.1 輻射源威脅度度被動任務(wù)影響

    由于戰(zhàn)場各輻射源目標(biāo)的威脅度不一,需對目標(biāo)進行差異化管理。被動雷達任務(wù)與輻射源目標(biāo)密切相關(guān),因此本文所提及的威脅度包含輻射源威脅度與任務(wù)威脅度2層含義。威脅度作為一重要參數(shù),直接影響被動雷達任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計;如在執(zhí)行威脅度較低的任務(wù)時,可適當(dāng)減少其波束資源,高威脅度任務(wù)繁忙時可適當(dāng)舍棄低威脅度任務(wù),以提高調(diào)度綜合效能。

    被動雷達的任務(wù)信息包含任務(wù)參數(shù)屬性(如任務(wù)類型、期望執(zhí)行時間、截止期等)以及指控平臺提供的指示信息(如輻射源參數(shù)、電子情報信息等),可利用這些信息進行威脅度評估。在沒有截獲輻射源信號條件下,系統(tǒng)無法提供輻射源參數(shù)時,如搜索階段,可不考慮該任務(wù)的威脅度,默認(rèn)搜索任務(wù)威脅度為0;一旦發(fā)現(xiàn)輻射源目標(biāo),在獲取輻射源參數(shù)信息的基礎(chǔ)上進行威脅度分析,得到輻射源威脅度。輻射源威脅度將會直接影響被動雷達任務(wù)執(zhí)行的順序,對被動任務(wù)執(zhí)行影響重大。

    1.2 輻射源威脅度指標(biāo)參數(shù)

    這里探討影響輻射源威脅度的5個主要參數(shù)[9-10]:輻射源重頻、脈寬、方位、載頻、距離,這些可由被動雷達調(diào)度平臺直接獲取。

    (1) 輻射源重頻在0.1 kHz以內(nèi)時,威脅度為0;超過0.1 kHz時,重頻越高,威脅程度越大。重頻的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位kHz)

    (1)

    (2) 輻射源脈寬越小對我方目標(biāo)威脅程度越大。脈寬的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位μs)

    (2)

    (3) 輻射源相對方位是指輻射源運動方向與輻射源到被動雷達連線的夾角,取值范圍[0°, 180°];其值越小,威脅越大,相對方位的歸一化指標(biāo)函數(shù)為(單位(°))

    (3)

    (4) 輻射源載頻越高對我方威脅程度越大。載頻的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位GHz)

    (4)

    (5) 輻射源與被動雷達的距離越近,威脅越大;函數(shù)可表示為(單位km)

    (5)

    式中:D1=20 km;D2=300 km;k=10-2。

    1.3 輻射源威脅度計算

    以上5個因素對威脅度影響各不相同,需進行加權(quán)評估。常用的計算權(quán)值的方法有AHP(analytic hierarchy process)、信息熵法[11]、Delphi法、專家打分法等;AHP是定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,簡便有效,參考文獻[12]給出的判斷矩陣可求得各影響因素的加權(quán)向量

    Wi=(w1,w2,w3,w4,w5)

    .

    建立輻射源目標(biāo)威脅度因素集:

    U=(u1,u2,…,uk,…,um),

    (6)

    式中:uk為第k個影響因素對應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)值;m為影響威脅度評估的因素個數(shù),這里m=5。

    故第i個輻射源目標(biāo)的威脅度指標(biāo)函數(shù)值可構(gòu)成一個表征該目標(biāo)威脅度的向量:

    (7)

    n個輻射源的威脅度加權(quán)計算結(jié)果可構(gòu)成輻射源集威脅度向量

    H={Hi=WiUiT|i=1,2,…,n}.

    (8)

    2 綜合優(yōu)先級設(shè)計方法

    被動雷達根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級合理安排任務(wù)序列,使得任務(wù)序列得到高效快速調(diào)度,從而提升雷達系統(tǒng)的效能。

    2.1 被動雷達任務(wù)分析

    雷達任務(wù)是一系列有時間限制并按時間排序的雷達事件序列[13],可以用若干屬性的集合表征。被動雷達任務(wù)形式化描述如下:

    Ri={tai,tEi,tei,tdwi,twi,pi,di,hi},

    (9)

    式中:tai,tEi,tei分別表示被動雷達任務(wù)請求的到達時刻、期望行時刻、實際執(zhí)行時刻;tdwi被動雷達波束駐留時間;twi為時間窗寬;pi表示任務(wù)工作方式優(yōu)先級;di表示任務(wù)的截止期;hi為輻射源威脅度??筛鶕?jù)此任務(wù)模型設(shè)計合理的調(diào)度算法。

    被動雷達不同工作方式下執(zhí)行的任務(wù)也不盡相同,主要任務(wù)類型有:搜索任務(wù)、確認(rèn)任務(wù)、跟蹤任務(wù)、引導(dǎo)探測任務(wù)、協(xié)同任務(wù)等;具體特性分析如表1。

    2.2 任務(wù)綜合優(yōu)先級設(shè)計

    在HPEDF算法基礎(chǔ)上,提出基于威脅度、工作方式優(yōu)先級和任務(wù)截止期的被動雷達任務(wù)綜合優(yōu)先級算法(HTHPEDF)。其中,任務(wù)的重要程度用任務(wù)工作方式優(yōu)先級p來衡量,任務(wù)的時間緊迫程度用任務(wù)截止期d來表示,任務(wù)關(guān)鍵性用輻射源威脅度h表示,如圖1所示。

    圖1 綜合任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計框圖Fig.1 Design block diagram for integrated task priority

    結(jié)合優(yōu)先級表的算法思想,通過加權(quán)3參數(shù)得到任務(wù)綜合優(yōu)先級。3個參數(shù)的權(quán)值選取如圖2所示,α,β,γ為各參數(shù)的權(quán)值變量,可表示為面積為1的等邊三角形△ABC三邊所對應(yīng)三角形面積,故α+β+γ=1。根據(jù)O點的不同位置有如下3種情況:

    任務(wù)類型特點與作用調(diào)度特點搜索任務(wù)搜索范圍大,快速截獲波束駐留時間短,優(yōu)先級較低,確認(rèn)任務(wù)確保有效截獲,確認(rèn)目標(biāo)與任務(wù)駐留時間較長,不宜設(shè)置太多任務(wù)跟蹤任務(wù)獲取更精確的輻射源目標(biāo)信息駐留時間長,資源消耗多引導(dǎo)任務(wù)在指示信息下,探測重點目標(biāo)周邊區(qū)域在頻率上差別較大,任務(wù)優(yōu)先級較高協(xié)同任務(wù)與其他雷達協(xié)同工作,獲取目標(biāo)信息多時空對準(zhǔn)要求高,調(diào)度難度大

    (1) 當(dāng)O點在A,B,C點時,優(yōu)先級僅考慮單個參數(shù),如HPF(highest priority first),EDF(earliest deadline first)算法。

    (2) 當(dāng)O點在AC邊時,可有MEDF(modified earliest deadline first),MHF(modified priority deadline first),HPEDF算法。

    (3) 當(dāng)O點在△ABC內(nèi)部時,即本文算法(HTHPEDF),綜合考慮了3因素,特別在等邊三角形重心時,α=β=γ=1/3,均衡考慮3參數(shù)對優(yōu)先級影響;可以根據(jù)被動雷達使用環(huán)境與作戰(zhàn)使命,調(diào)節(jié)O點位置以選擇合適的權(quán)值。

    2.3 綜合優(yōu)先級計算算法

    根據(jù)前文可以得到每個任務(wù)的工作方式優(yōu)先級、任務(wù)截止期和威脅度,這3個不同量綱的參數(shù)需要映射到同一個參考系中才能進行加權(quán)計算。結(jié)合優(yōu)先級表的思想,可以將某調(diào)度間隔內(nèi)的任務(wù)(設(shè)n個任務(wù))按該3參數(shù)進行排序,得到一個基于任務(wù)排序號的參考系([1,n]區(qū)間),每個任務(wù)的3參數(shù)都對應(yīng)一個排序號,再通過加權(quán)得到綜合優(yōu)先級。其具體實現(xiàn)步驟如下:

    步驟1: 將工作方式優(yōu)先級和輻射源威脅度序列按照從低到高排列有(p1,p2,…,pj,…,pn),(h1,h2,…,hk,…,hn);截止期序列按從大到小排列(d1,d2,…,dl,…,dn),則每一任務(wù)都有一組對應(yīng)的序列[j,k,l]。

    步驟2: 選取工作方式優(yōu)先級、輻射源威脅度、截止時間的權(quán)值α,β,γ。

    步驟3:計算任務(wù)的綜合優(yōu)先級:

    Pi=αj+βk+γl

    .

    (10)

    引入的權(quán)值變量α,β,γ可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境動態(tài)調(diào)整,以適應(yīng)不同作戰(zhàn)需求。如被動雷達主要跟蹤敵方來襲目標(biāo)時,應(yīng)增加β值減少威脅度較高目標(biāo)任務(wù)的丟失。計算得到任務(wù)綜合優(yōu)先級相同時,采取先到先出(first in first out,FIFO)方式處理。

    3 任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度算法實現(xiàn)

    當(dāng)多個任務(wù)競爭同一個時間片時發(fā)生沖突,需要具有沖突消解功能的調(diào)度算法,保證任務(wù)有序執(zhí)行。相控陣?yán)走_自適應(yīng)調(diào)度算法一般選取一段時間作為調(diào)度間隔(scheduling interval,SI)進行任務(wù)調(diào)度[14-15]。調(diào)度間隔中請求任務(wù)按照任務(wù)綜合優(yōu)先級和時間窗進行任務(wù)排序,確定任務(wù)執(zhí)行時間。

    3.1 自適應(yīng)調(diào)度算法

    設(shè)時刻t0為某一調(diào)度間隔起始時刻,在該調(diào)度間隔內(nèi)有q個任務(wù)請求,按到達時間先后排序生成任務(wù)請求鏈表R={R1,R2,…,Rq},調(diào)度算法如下,流程圖如圖3所示。

    Step 1:初始化調(diào)度程序,生成任務(wù)請求鏈表R,空閑時間片用向量freej(tsaj,tsdj)表示,j=1,tsa1=t0,tsd1=t0+SI。

    Step 2:將上一調(diào)度間隔的延遲任務(wù)添加到任務(wù)請求鏈表中,形成請求任務(wù)集R={R1,R2,…,Rq,…,RQ},按前面的優(yōu)先級算法對調(diào)度間隔內(nèi)的待調(diào)度任務(wù)進行綜合優(yōu)先級排序。

    Step 3:按優(yōu)先級從高到低依次取任務(wù)調(diào)度,任務(wù)以tEi為中心,在時間窗限制范圍內(nèi)前后移動,尋找最小移動距離Movmin的空閑時間片使各任務(wù)無重疊,滿足tsaj≤tEi+Movmin≤tsdj-tdwi。若存在該空閑時間片則插入任務(wù)i并更新空閑時間片向量,freej(tsaj,tEi+Movmin),freej+1(tEi+Movmin+tdwi,tsdj),轉(zhuǎn)Step 5;否則進入Step 4。

    圖3 調(diào)度算法流程圖Fig.3 Flow chart of scheduling algorithm

    當(dāng)flagi=-1時,將該任務(wù)送入刪除鏈表;當(dāng)flagi=0時,將該任務(wù)送入延遲鏈表等待下個調(diào)度間隔調(diào)度執(zhí)行。

    Step 5:判斷請求任務(wù)集中任務(wù)是否全部調(diào)度完畢,若還有待調(diào)度任務(wù)則轉(zhuǎn)Step 3,否則該調(diào)度間隔的調(diào)度任務(wù)結(jié)束,計算該調(diào)度間隔內(nèi)調(diào)度效率。

    3.2 調(diào)度收益與調(diào)度代價

    自適應(yīng)調(diào)度算法遵循3個調(diào)度原則[12]:優(yōu)先級原則、時間利用原則、期望時間原則。結(jié)合調(diào)度原則,根據(jù)其優(yōu)先級、執(zhí)行時間偏移量以及任務(wù)關(guān)鍵性,我們定義調(diào)度收益E,調(diào)度代價Cost函數(shù)分別為

    (11)

    (12)

    式中:k為變量(這里k=1);pi,hi為任務(wù)工作方式優(yōu)先級與威脅度;Q為調(diào)度任務(wù)數(shù)。調(diào)度收益值越大,調(diào)度效果越好。則調(diào)度代價越小,調(diào)度效果也越好。

    4 仿真分析

    基于以上研究,設(shè)被動雷達360°環(huán)掃,探測300 km內(nèi)目標(biāo),針對SPS-48輻射源目標(biāo)群進行仿真分析,SPS-48部分參數(shù):脈寬為3,9,27 μs;脈沖重頻為330~2 750 Hz;載頻2.9~3.1 GHz。被動雷達系統(tǒng)平臺給出所需調(diào)度任務(wù)及各任務(wù)輻射源參數(shù)信息。參考點選擇在等邊三角形重心,α=β=γ=1/3,均衡考慮三參數(shù)對優(yōu)先級影響。設(shè)定被動雷達調(diào)度間隔SI=50 ms,仿真時間為5個調(diào)度周期,設(shè)置5類任務(wù),其參數(shù)如表2所示。

    仿真場景1:任務(wù)請求較少時,作用區(qū)域內(nèi)有跟蹤任務(wù)為24個,搜索任務(wù)18個,確認(rèn)任務(wù)5個,引導(dǎo)任務(wù)5個,協(xié)同任務(wù)5個。

    仿真場景2:任務(wù)請求較多的情況,作用區(qū)域內(nèi)跟蹤任務(wù)為80個,搜索任務(wù)60個,確認(rèn)任務(wù)5個,引導(dǎo)任務(wù)5個,協(xié)同任務(wù)5個。

    場景1仿真如圖4,負(fù)載(負(fù)載定義為一調(diào)度間

    表2 任務(wù)參數(shù)表

    圖4 場景1仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of scene 1

    隔內(nèi)各請求任務(wù)駐留時間之和與調(diào)度間隔的比值)為0.8,2種調(diào)度有效率均為100%,結(jié)果表明在任務(wù)較少,雷達資源相對充裕時,威脅度較高與較低的任務(wù)均能得到調(diào)度。場景2仿真如圖5,負(fù)載為2.26,HPEDF算法調(diào)度有效率為40.38%,HTHPEDF算法調(diào)度成功率為41.73%;表明在任務(wù)請求飽和,資源緊張時,本文提出的算法可提升高威脅度任務(wù)調(diào)度能力,部分低威脅度任務(wù)被舍棄。

    對2種算法在不同負(fù)載條件下調(diào)度仿真,并作50次蒙特卡羅試驗,結(jié)果如圖6,7所示。圖6更直觀說明負(fù)載增大時,本文提出的算法調(diào)度高威脅度任務(wù)優(yōu)勢明顯;圖7展示不同負(fù)載條件下2種算法下跟蹤任務(wù)調(diào)度數(shù),表明本文提出的算法相對HPEDF算法具有更好的跟蹤任務(wù)調(diào)度能力,有效減少跟蹤任務(wù)丟失。

    對情景2中的2種算法仿真進行100次蒙特卡羅仿真,計算2種算法的調(diào)度收益與調(diào)度代價均值,結(jié)果如表3所示??梢钥闯霰疚奶岢龅乃惴ㄕ{(diào)度收益明顯高于HPEDF算法,其調(diào)度代價也低于HPEDF算法,本文的調(diào)度算法取得較好的調(diào)度效果。

    圖5 場景2仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of scene 2

    圖6 不同負(fù)載下調(diào)度任務(wù)威脅度Fig.6 Scheduling task threats under different loads

    圖7 不同負(fù)載下跟蹤任務(wù)調(diào)度數(shù)Fig.7 Tracking number of task scheduling under different loads

    參數(shù)算法HPEDFHTHPEDF調(diào)度收益213.94226.28調(diào)度代價112.4699.67

    5 結(jié)束語

    本文基于被動雷達工作特點,針對傳統(tǒng)調(diào)度算法沒有考慮輻射源目標(biāo)特征的不足,提出基于威脅度、工作方式優(yōu)先級和任務(wù)截止期的綜合優(yōu)先級算法,給出輻射源目標(biāo)威脅度的評估方法。利用帶時間窗的自適應(yīng)調(diào)度算法實現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度,并設(shè)計調(diào)度收益與調(diào)度代價的評價函數(shù)。仿真結(jié)果表明,本文的綜合優(yōu)先級算法在負(fù)載較高時,能有效提升高威脅度任務(wù)和跟蹤任務(wù)的調(diào)度能力,并以較低的調(diào)度代價獲得較高的調(diào)度收益。算法僅考慮時間資源的利用,而計算機資源、天線孔徑資源受限條件下的任務(wù)調(diào)度有待深入研究;在影響因素的權(quán)值選取上,如何精確認(rèn)知雷達工作環(huán)境,自適應(yīng)獲取權(quán)值以滿足不同作戰(zhàn)需求也有待繼續(xù)研究。

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