一種孔徑分割多功能雷達的實時任務(wù)調(diào)度方法

中國人民解放軍95333部隊 陳光陸

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，使得多功能相控陣的綜合化程度不斷提高?？讖椒指疃喙δ芾走_是將一個大的天線陣面分割成多個子陣面，某一功能的實現(xiàn)僅占用其需要的一個子陣面，因而可以同時完成雷達、電子戰(zhàn)和通信等多種任務(wù)，極大提高了作戰(zhàn)平臺效率[1]?？讖椒指疃喙δ芾走_任務(wù)多樣，其工作時要完成的任務(wù)量較多，此時有限的時間資源和孔徑資源難以滿足眾多任務(wù)的分配。因此研究如何充分利用資源、有效調(diào)度任務(wù)，對孔徑分割多功能任務(wù)調(diào)度性能的提升有著重要意義。

文獻[2-5]分析研究了常規(guī)相控陣雷達在時間資源約束條件下的任務(wù)調(diào)度，提出了相應(yīng)的調(diào)度方法，但沒有考慮孔徑資源的約束。文獻[6-7]分析研究了孔徑分割多功能雷達在時間資源和孔徑資源約束條件下的任務(wù)調(diào)度，提出了一種多任務(wù)并行EDF(MTPEDF)算法，該算法雖然實現(xiàn)了在時間資源和孔徑資源同時約束條件下的多任務(wù)并行處理，但是沒有考慮資源的充分利用，存在資源浪費的現(xiàn)象，導(dǎo)致在任務(wù)數(shù)量增多時，其調(diào)度效率較低。所以，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對孔徑分割多功能雷達在任務(wù)調(diào)度時資源的充分利用，綜合考慮時間資源、孔徑資源等約束條件，提出了一種調(diào)度方法。該方法在時間上提出一種極大空暇間隔調(diào)度算法，在天線孔徑上提出一種多通道并行處理的方法，二者綜合運用，來實現(xiàn)孔徑分割多功能雷達對任務(wù)的實時調(diào)度以及在負載飽和情況下的充分調(diào)度。最后對該方法進行仿真，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性和優(yōu)越性。

1 任務(wù)建模

多功能雷達的任務(wù)中既有雷達中的搜索、驗證、跟蹤、失跟處理等任務(wù)，還包括電子戰(zhàn)中的偵察、干擾等任務(wù)以及通信中的指揮通信等任務(wù)，在此對其任務(wù)進行建模[6]：

式中：tei和tsi分別表示每個任務(wù)的期望執(zhí)行時刻和實際執(zhí)行時刻；Δti和Pi分別表示每個任務(wù)的所需執(zhí)行時間長度和綜合優(yōu)先級；αi和wi分別表示每個任務(wù)需要占用孔徑資源的百分比和時間窗。

1.1 綜合優(yōu)先級的設(shè)計

任務(wù)綜合優(yōu)先級的高低，取決于其工作方式優(yōu)先級和截止期[2]。任務(wù)的工作方式優(yōu)先級越高，則綜合優(yōu)先級越高；任務(wù)的截止期越早，則綜合優(yōu)先級越高。任務(wù)的工作方式優(yōu)先級與其本身類型有關(guān)，根據(jù)專家經(jīng)驗事先固定，用pri表示；任務(wù)的截止期與其類型和期望執(zhí)行時刻有關(guān)，表示為。在tp時刻任務(wù)qi的綜合優(yōu)先級Pi表示為：

其中pri和di分別表示任務(wù)qi的工作方式優(yōu)先級和截止期。由于pri與di量綱不同，需分別進行歸一化處理。本文中采用對工作方式優(yōu)先級進行歸一化，其中表示tp時刻任務(wù)集合最大工作方式優(yōu)先級；采用對截止期進行歸一化，其中，表示截止期與tp時刻的時間差，xmin,tp表示tp時刻任務(wù)集合最小xi；是對工作方式優(yōu)先級和截止期的加權(quán)函數(shù)，函數(shù)表達式如下：

式中：η為加權(quán)值，其取值范圍是[0, 1]。當η = 0時，截止期早的任務(wù)，其綜合優(yōu)先級都高于其他任務(wù)。當η = 1時，工作方式優(yōu)先級大的任務(wù)，其綜合優(yōu)先級都高于其他任務(wù)。當η在這兩個值之間時，綜合優(yōu)先級由工作方式優(yōu)先級和截止期共同決定，可通過調(diào)整η的大小來控制二者對綜合優(yōu)先級各自的影響程度。當出現(xiàn)多個任務(wù)的綜合優(yōu)先級相同的情況時，則采用先入先出準則進行處理。

1.2 時間窗的分析

任務(wù)的時間窗就是任務(wù)實際執(zhí)行時刻可以在其期望執(zhí)行時刻前后移動的時間范圍[5]。對于搜索任務(wù)，雷達波束在空域中掃描以發(fā)現(xiàn)新目標，并且只要雷達系統(tǒng)有空閑資源即用來執(zhí)行搜索任務(wù)，所以搜索任務(wù)可能會提早或延遲執(zhí)行。對于跟蹤任務(wù)，雷達角度分辨單元有確定的范圍，并且在實際中目標是在較遠的距離之外飛過分辨單元，這個時間較長且可以估算，雷達只要在這個時間段內(nèi)對目標執(zhí)行跟蹤任務(wù)即可，此時跟蹤任務(wù)的時間窗可依據(jù)目標飛過雷達分辨單元的時間來進行設(shè)計。對于通信任務(wù)，可以根據(jù)通信等待期來設(shè)定時間窗。對于電子戰(zhàn)任務(wù)，可以將雷達波束掃過偵察目標或干擾目標的時間分別設(shè)置為電子偵察任務(wù)和電子干擾任務(wù)的時間窗。所以，綜合上述分析，對任務(wù)加以時間窗的約束是合理的。在現(xiàn)實情況中，由于多功能雷達要執(zhí)行的任務(wù)較多，會使得一些任務(wù)在執(zhí)行時間上發(fā)生沖突，而此時利用時間窗的方法，就有可能讓這些任務(wù)都被調(diào)度執(zhí)行，從而使多功能雷達能在調(diào)度間隔內(nèi)調(diào)度執(zhí)行更多任務(wù)，提高了系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度性能。

1.3 任務(wù)孔徑資源占用率的分析

多功能雷達對某一任務(wù)分配孔徑資源的多少可依據(jù)該務(wù)的作用距離[7]。多功能雷達中每種任務(wù)都有其最大作用距離，因此在分配孔徑資源時可依據(jù)各個任務(wù)的作用距離來確定。下面以執(zhí)行雷達任務(wù)和電子偵察任務(wù)時所需要的孔徑資源百分比計算為例，分析說明怎樣確定各個任務(wù)的孔徑資源占用比例。

當系統(tǒng)工作于雷達模式時，雷達作用距離為[8]：

式中：Pt為雷達發(fā)射機峰值功率；Gt為雷達發(fā)射天線增益；σ為目標的雷達截面積；Ar為雷達接收天線有效面積；L為系統(tǒng)損耗；Smin為雷達最小可檢測信號功率。

若天線單元總數(shù)為N，每個天線單元的發(fā)射機峰值功率和在陣面中占有的有效面積分別為Pe和Se，雷達工作波長為λ時，因為故雷達最大作用距離為：

當天線單元數(shù)目減少為n時，雷達作用距離為：

所以，當雷達任務(wù)距離為R0時，其孔徑資源百分比為：

當系統(tǒng)工作于電子戰(zhàn)模式時，雷達偵察作用距離為[9]：

當天線單元數(shù)目減少為n時，雷達偵察作用距離為：

所以，當偵察任務(wù)距離為Rr0時，其孔徑資源百分比為：

同理，當多功能雷達執(zhí)行通信等其他任務(wù)時，同樣可以依據(jù)任務(wù)的作用距離來確定其孔徑資源占用比例。

2 調(diào)度方法的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 調(diào)度方法的設(shè)計原則

通常情況下，雷達調(diào)度任務(wù)時，應(yīng)當遵循下面幾條原則：

（2）資源利用原則：

（3）期望時間原則：

2.2 調(diào)度方法的原理及具體實現(xiàn)

在雷達系統(tǒng)中設(shè)置多個任務(wù)處理通道，并將此時的目標任務(wù)按數(shù)量均勻分配給各個通道來進行處理。首先，各個通道將自己所分配得到的目標任務(wù)在時間上進行合理調(diào)度；然后，雷達系統(tǒng)聯(lián)立所有通道，對在時間上調(diào)度完畢的目標任務(wù)進行孔徑資源調(diào)度。

2.2.1 時間資源調(diào)度

調(diào)度器對任務(wù)時間資源調(diào)度的分析過程中，采用極大空暇間隔調(diào)度算法，即在調(diào)度上一任務(wù)時，要為下一任務(wù)留出盡可能長的空暇間隔，避免分割時間，實現(xiàn)盡可能多地安排任務(wù)。如圖1所示，若任務(wù)qi按照圖1(a)被調(diào)度，則任務(wù)qi+1就不能在此次調(diào)度間隔內(nèi)被執(zhí)行，將會被送入延時鏈表或刪除鏈表；但任務(wù)qi若按照圖1(b)進行調(diào)度，那么任務(wù)qi+1就能夠在本調(diào)度間隔內(nèi)被執(zhí)行，從而系統(tǒng)就能夠調(diào)度更多的任務(wù)。要實現(xiàn)這一目的，調(diào)度器就要根據(jù)各個任務(wù)的tei和wi，適度改變各個任務(wù)的tsi，以產(chǎn)生極大空暇間隔。

圖1 任務(wù)時間資源調(diào)度示意圖

第一步：從申請鏈表中取出任務(wù)qi*，設(shè)為任務(wù)qi*的最早可執(zhí)行時刻，為任務(wù)qi*的最晚可執(zhí)行時刻。根據(jù)tfi和tli確定其是否滿足本間隔時間調(diào)度的要求。若滿足，則轉(zhuǎn)第二步；若不滿足，則轉(zhuǎn)第四步。

第二步：計算如下兩個時間：

設(shè)：

具體算法如下：

有：

設(shè)：

有：

(T1, T2)為任務(wù)qi*的執(zhí)行時刻在(tfi, tli)內(nèi)移動時，所能夠產(chǎn)生的空暇間隔的范圍。

第三步：計算任務(wù)qi*的執(zhí)行時刻在(tfi, tli)內(nèi)移動時，(T1, T2)能夠產(chǎn)生的極大空暇間隔ΔT，并將此時刻作為qi*的最終執(zhí)行時刻tsi。如果有多個相等的ΔT的情況出現(xiàn)，則根據(jù)期望時間原則來安排任務(wù)的執(zhí)行時刻。轉(zhuǎn)第五步。

第四步：比較任務(wù)qi*的tli是否大于tn，若是，則移入延時鏈表；若不是，則移入刪除鏈表。

第五步：檢查任務(wù)申請鏈表是否為空。若申請鏈表不為空，則轉(zhuǎn)第一步；否則說明所有任務(wù)申請都已處理完畢。

第六步：調(diào)度結(jié)束，得到該通道的待執(zhí)行鏈表、延時鏈表和刪除鏈表。

同理，其它通道同樣采用極大空暇間隔算法對各自任務(wù)進行時間調(diào)度，得到各自的待執(zhí)行鏈表、延時鏈表和刪除鏈表。此時，調(diào)度器將對各通道待執(zhí)行鏈表中的任務(wù)進行孔徑資源調(diào)度。

2.2.2 孔徑資源調(diào)度

調(diào)度器聯(lián)立所有通道的待執(zhí)行鏈表，對其中的任務(wù)分別進行孔徑資源調(diào)度。如圖2所示，各個通道的待執(zhí)行鏈表在時間上并列，任務(wù)按照各自執(zhí)行時刻的先后順序再次經(jīng)調(diào)度器分析，進行孔徑資源調(diào)度。被成功調(diào)度的任務(wù)按照其所需進行孔徑資源分配，并且執(zhí)

行完后立即釋放所占用的孔徑資源。

圖2 任務(wù)孔徑資源調(diào)度示意圖

具體步驟如下：

對于所有通道的任務(wù)待執(zhí)行鏈表，在[tp, tn]內(nèi)，當調(diào)度器分析到某一時刻，假設(shè)此時的孔徑資源中被占用百分比為αs，則剩余孔徑資源為。

第一步：檢查該時刻是否有任務(wù)執(zhí)行完畢。若有，設(shè)其孔徑資源占有百分比為αj0i0，此時。

第二步：檢查該時刻是否有新的待執(zhí)行任務(wù)。若有，則轉(zhuǎn)第三步；若沒有，則調(diào)度器分析下一時刻，并轉(zhuǎn)第一步。

第三步：檢查該時刻新的待執(zhí)行任務(wù)是否為單個。若是，則轉(zhuǎn)第四步，若不是，則轉(zhuǎn)第五步。

第七步：該調(diào)度間隔分析完畢，得到各通道最終的執(zhí)行鏈表、延遲鏈表以及刪除鏈表。

調(diào)度流程圖如圖3、圖4所示。

3 仿真試驗及性能評估

3.1 性能評估指標

為驗證該方法有效性，定義以下評估指標。

（1）調(diào)度成功率（Schedule Sccess Ratio，SSR）：

式中：m為成功調(diào)度任務(wù)總數(shù)；N為所有請求的任務(wù)總數(shù)。任務(wù)調(diào)度成功率越大，雷達調(diào)度性能越好

（2）資源利用率（Resource Use Ratio，RUR）：

式中：T為仿真時間長度。資源利用率表征雷達對時間資源和孔徑資源的綜合利用，資源利用率越大，雷達調(diào)度性能越好。

3.2 仿真分析

為證明本文提出方法的有效性，下面對該方法和MTPEDF算法分別進行仿真，利用評估指標對仿真結(jié)果進行分析對比。仿真中，除調(diào)度方法不同外，仿真參數(shù)設(shè)置完全相同。

圖3 任務(wù)時間資源調(diào)度流程圖

圖4 任務(wù)孔徑資源調(diào)度流程圖

仿真參數(shù)：（1）調(diào)度間隔為50ms，任務(wù)處理通道為3通道，仿真時間為10s；（2）搜索任務(wù)在仿真開始就均按其更新率周期產(chǎn)生；（3）目標出現(xiàn)經(jīng)驗證后，對其進行跟蹤，跟蹤任務(wù)按其更新率產(chǎn)生；（4）驗證任務(wù)由兩部分產(chǎn)生：目標驗證與虛警；（5）失跟處理任務(wù)在跟蹤起始后按更新率產(chǎn)生；（6）通信、電子干擾以及IFF等其他任務(wù)在仿真時間內(nèi)隨機產(chǎn)生；（7）各個任務(wù)的孔徑資源占用率和執(zhí)行時間在實際中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的具體設(shè)計及實時情況來確定，在這里為便于仿真只做了簡單設(shè)定。對于綜合優(yōu)先級設(shè)計中的權(quán)值η，設(shè) η = 0.5。

任務(wù)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 任務(wù)參數(shù)設(shè)置

下面對兩種方法在不同任務(wù)數(shù)量情況下分別進行仿真，仿真20次取其平均結(jié)果，得到圖5所示的調(diào)度成功率曲線和圖6所示的資源利用率曲線。圖中，方法一為MTPEDF算法，方法二為本文所提的孔徑分割多功能雷達的調(diào)度方法。

圖5 調(diào)度成功率曲線圖

圖6 資源利用率曲線圖

結(jié)合圖5和圖6可知，當任務(wù)數(shù)量較少時，方法一和方法二都能調(diào)度全部任務(wù)，所以兩種方法的調(diào)度成功率都幾乎為1，資源利用率也相同。當任務(wù)逐漸增多，直至達到飽和，方法法一和方法二無法滿足所有任務(wù)的執(zhí)行，需舍棄部分任務(wù)，調(diào)度成功率開始小于1，并隨著任務(wù)的增多而逐漸減小。此時方法二的調(diào)度成功率和資源利用率始終在方法一之上，并且兩種方法調(diào)度成功率和資源利用率之間的差值也越來越大。在這里需要說明的是，圖6中兩種方法的資源利用率曲線始終處于上升趨勢，這是因為當任務(wù)數(shù)量逐漸增加，高優(yōu)先級搜索任務(wù)的數(shù)量也隨之增多，其工作方式優(yōu)先級較高，兩種方法的任務(wù)調(diào)度數(shù)量中會有更多的高優(yōu)先級搜索任務(wù)，而且其駐留時間較長，陣面資源占用比例較大，所以即使任務(wù)數(shù)量逐漸飽和，兩種方法的資源利用率曲線始終保持者上升趨勢。

綜合以上分析可以看出，本文所提方法相比較MTPEDF算法而言，有效實現(xiàn)了資源的充分利用，極大提升了孔徑分割多功能雷達的任務(wù)調(diào)度性能。

4 結(jié)束語

孔徑分割多功能雷達能完成多種任務(wù)，并可以同時執(zhí)行多個任務(wù)。本文針對孔徑分割多功能雷達在實時任務(wù)調(diào)度時的資源充分利用的問題，提出了一種方法，詳細介紹了方法的調(diào)度流程，并對其進行了仿真，仿真結(jié)果表明，該方法有效提升了孔徑分割多功能雷達的任務(wù)調(diào)度性能。