相控阵制导雷达自适应调度技术应用

摘 要： 相控阵制导雷达需要在进行空域搜索、目标捕获跟踪的同时精确地导引导弹攻击来袭目标，为此需要使用基于优先级排序的雷达自适应调度技术完成各种雷达任务的调度，描述了相控阵制导雷达应用自适应调度技术的实现方法，实际应用结果表明该技术能够有效提高雷达时间资源的利用率，保证雷达整体工作效能。

关键词： 相控阵制导雷达； 自适应调度； 任务优先级； 时间片

中图分类号： TN958.92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）11?0012?04

0 引 言

相控阵雷达实现了天线波束控制的电控扫描，可对空间多个波束指向交替扫描，具有波束控制灵活的特点[1]。雷达在工作过程中会产生许多雷达任务，包括目标搜索、验证、跟踪，导弹捕获、跟踪以及导引，雷达控制系统需要及时安排雷达时间资源来处理这些雷达任务，否则会造成雷达任务失效。相控阵雷达所采用的资源调度技术可以说在一定程度上决定了相控阵制导雷达的性能。

目前相控阵制导雷达调度策略有固定模板、多模板、部分固定模板以及自适应调度等多种方法[2?5]。模板调度算法一般适合于雷达工作在时间槽工作方式，必须按照所有雷达时间安排时间槽，这些算法的区别是固定时间槽占雷达时序资源的比例不同，它们的缺点是雷达资源浪费比较严重，不能做到根据雷达当前运行情况灵活安排雷达时间能量资源。目前自适应调度技术是最为有效的雷达资源调度算法。随着自适应调度技术的不断发展又产生了多种分支，文献[6]提出了时间窗的概念，将雷达自适应时序调度技术从硬调度发展为柔性调度，文献[7?10]根据雷达工作特性从不同角度提出时间窗优化算法，进一步提升了相控阵雷达自适应调度的能力。

1 相控阵制导雷达资源调度需求

相控阵制导雷达完成来袭目标的探测、跟踪和验证，同时对发射后的导弹进行全过程控制，控制导弹攻击来袭目标。

相控阵制导雷达一个工作周期等分成6个信道，对应可同时攻击6个目标，每个跟踪目标及其攻击导弹安排在对应信道中；每个信道等分成26个时间片，每个时间片称为一个时隙，这些时间片就成为雷达任务调度中用于安排雷达任务处理波位的时间资源；雷达任务自适应调度根据需要处理的雷达任务所需时间片数目安排相应的连续时间片簇组成不同长短的波位，每个波位代表相控阵雷达发射波束的一次驻留时间。

相控阵制导雷达在工作过程中需要调度的主要雷达任务见表1。

不同的雷达任务占用的时间片资源不同，部分雷达任务对占用时间片在跟踪周期中的位置有严格的要求。导弹跟踪任务、导弹截获任务、目标照射任务、指令发送任务是对导弹进行跟踪、截获、控制以及为导引头提供照射能量的任务，一旦满足调度条件，自适应调度必须响应并且不能被其他任务干扰。因此该类雷达任务占用的时间片被安排在跟踪周期中相应的固定位置。

雷达强制资源占用情况下的调度框图如图1所示。

2 相控阵制导雷达自适应调度处理

2.1 数据结构

雷达自适应调度流程在初始化阶段首先建立以下数据结构：

（1）雷达任务池

雷达任务池是一个数据链表，相控阵制导雷达依据人工操作制定、工作时刻触发以及数据处理流程产生等多个途径产生相应的雷达任务，这些雷达任务在等待自适应调度时按照预期调度时间排序安置在雷达任务池中，当雷达任务提取进程提取某个雷达任务后，该雷达任务数据链表节点删除，如果该雷达任务未被调度，则继续返回雷达任务池中等待下一次的调度。

该数据结构在雷达工作过程中以及雷达任务自适应调度期间，不断被更新，属于全局共享存储数据结构。

（2）雷达任务调度时隙占用表

雷达任务调度时隙占用表见表2，按照信道编号排序，共计156项。

表2中每一表项代表一个雷达时间片的雷达任务调度信息，通常一个雷达任务需占用多个时间片，在自适应调度中为了识别雷达任务，在时隙占用表中专门设定了占用时隙序数表项，该序数循环从1安排至255，凡是序数相同的时隙占用表项均属于同一个雷达任务，该表中其他信息表示所调度雷达任务的一些细节，比如任务名称及波位编号等信息，这些信息在后续形成波位控制表时使用。

时隙占用表在每一次雷达任务自适应调度流程触发启动时清除，属于局部私有数据结构。

（3）雷达任务优先级排序队列

该队列为一个链表结构，其中每一个节点代表一个适合调度的雷达任务，这些雷达任务依据优先级由高至低安置在雷达任务优先级排序队列中，如果调度成功则该链表节点被提取用于形成波位控制表；否则该节点进入雷达任务延迟队列等待返回雷达任务池。

该链表在每一次时间片调度循环初期进行初始化，属于全局共享数据结构。

（4）雷达任务延迟队列

该队列为一个链表结构，其中每一个节点代表一个未被调度的雷达任务，这些雷达任务等待返回雷达任务池，在返回雷达任务池后，由于该任务曾被延迟因此优先级可以逐步提高。

该链表在每一次时间片调度循环初期进行初始化，属于全局共享数据结构。

2.2 处理流程

相控阵制导雷达时序资源调度流程如图2所示，该流程采用实时多任务操作系统VxWorks实现，VxWorks良好的基于优先级的任务抢占以及任务间切换机制，保证了流程中多个进程的并发执行。

相控阵制导雷达依据人工操作制定、工作时刻触发以及数据处理流程产生等多个途径不断产生相应的待处理雷达任务，这些雷达任务按照属性不同进入相应的雷达任务池。

当雷达满足自适应调度触发条件时，启动一次雷达任务时间片调度操作，按照以下步骤执行：

（1）由雷达任务提取进程启动提取雷达任务调度时间片集合的时间片序列，遍历当前雷达任务池集合，提取满足调度条件的雷达任务。

（2）雷达任务优先级排序功能获取各雷达任务的优先级，对于被延迟的雷达任务应提高其优先级，然后按照优先级从高到低的次序排序，依次进入雷达任务优先级队列，雷达任务调度进程提取优先级最高的雷达任务进行调度，同时更新雷达任务调度时间片集合，未被调度的雷达任务通过雷达任务延迟队列返回雷达任务池，等待下一个循环的雷达任务时间片调度。

（3）以上雷达任务时间片调度操作循环执行，直至雷达任务提取进程无输出时，表示目前已不存在等待调度的雷达任务，或所有雷达任务调度时间片均不足以安排雷达任务，此时将雷达任务调度时间片集合剩余时间片以检查任务填充，完成本次雷达任务调度。

3 运行结果分析

相控阵制导雷达在TAS工作方式（边搜索边跟踪）下可完成6个目标（M1～M6）精跟踪，10个目标（M7～M16）粗跟踪，同时完成作战空域的目标搜索。在该雷达中，精跟目标M1～M6要求每雷达周期要跟踪一次，波束发射时间间隔起伏不超过2.8 ms；粗跟目标M7～M16要求2～10个雷达周期跟踪一次波束发射时间间隔起伏不超过4个雷达周期。

精跟目标雷达资源调度图如图3所示，其中横坐标序数表示该精跟目标被调度的次数序号，纵坐标表示实际调度结果偏离理论期望调度时刻的以毫秒表示的时间偏差（单位：ms）。

由图3可看出精跟目标波位由于具有较高优先级，雷达资源安排均满足波束发射期望发射时间要求，波束发射时间准确，没有出现雷达事件调度超限。

粗跟目标雷达资源调度图如图4所示，其中横坐标序数表示该粗跟目标被调度的次数序号，纵坐标表示实际调度结果偏离理论期望调度时刻的时间偏差与该粗跟目标在保证跟踪精度情况下允许的最大时间偏差门限的百分比。

由图4可看出，由于粗跟目标波位优先级相对精跟目标波位较低，因此实际波束发射时间相对期望发射时间的偏离值相对起伏较大，具有一定离散性，但总体符合雷达资源调度时间窗要求，只在个别点偏离比率超过100%，表明该时刻目标粗跟踪雷达事件安排超出了前后时间窗要求，出现超期延迟现象。

雷达TAS模式下空域搜索时间分布图如图5所示，其中横坐标序数表示完成完整空域搜索的次数序号，纵坐标表示完成一帧空域搜索的时间。

在完全空闲状态下，该雷达完成空域搜索需耗时5.2 s。图5表明，通过基于动态优先级的相控阵制导雷达自适应调度算法的有序调度，在满足目标精粗跟的同时，能够均匀安排空域搜索波位，各帧空域搜索完成时间始终比较均衡，没有出现较大起伏。

目标精粗跟各通道雷达事件调度状态表见表3。

由表3可以看出，目标精跟踪事件的调度成功率均达到100%，目标粗跟踪事件调度成功率平均也达到99.5%以上。基于动态优先级的相控阵制导雷达自适应调度算法保证了雷达在正确的时刻执行规定的雷达事件处理操作，保证雷达能量资源和时间资源得到有效而全面的利用，能够保证更紧急的雷达事件在较低级雷达事件之前得到执行，同时被延迟的雷达事件在其时间窗范围内也能得到执行。

4 结 语

本文阐述了相控阵制导雷达在雷达资源调度方面的需求，介绍了自适应雷达资源调度技术在某相控阵制导雷达上的应用，并对雷达任务调度结果进行了分析。

雷达任务自适应调度结果表明相控阵制导雷达对于自适应调度技术的应用是成功的，能够有效处理安排雷达工作过程中产生的各类不同优先级的雷达任务，并能够充分利用雷达时间资源，雷达资源调度残余时间片少，能够保证延迟任务得到及时安排，充分发挥了相控阵制导雷达的整体工作效能。

参考文献

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