旋转相控阵雷达资源调度策略研究

李纪三，侯 姣，班阳阳，杨玉亮，胡 英，任 渊

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

相控阵雷达任务调度的内涵为当多任务抢占资源时确定任务执行的时刻和使用的资源[1-3]。相控阵雷达资源灵活可控，可根据外部环境和需求切换不同的工作方式(通常包括跟踪模式、搜索模式等)，在不同工作方式下的各任务资源分配不同比例，合理实时地分配雷达的资源，成为释放系统强大工作能力的重要因素[4]。

1 概 论

相控阵雷达资源主要是指时间资源、能量资源和计算资源[5]。能量资源通常与T/R组件的功率和工作比有关，同时也受冷却系统的冷却效率的影响。计算资源主要是板卡的处理能力。随着计算机技术的发展，信息处理能力越来越强，并且通用的雷达的信息处理是流处理，计算机的板卡需要能够支持最大的信息处理能力。通常雷达设计要求在满足其工作比的要求下以最大功率工作，以提高雷达回波的信噪比，增强对弱小目标的检测能力。因此，能量资源不需要调度。雷达的探测任务分时执行，信息是以流的方式从前端到后端的。雷达的计算资源通常要保证最大的需求。因此，通常说的相控阵雷达资源调度主要是指时间资源的调度。

1.1 舰载相控阵雷达任务

舰载相控阵雷达主要承担以下任务使命：低空搜索、海面搜索、中远程搜索(情报收集、态势建立)，近程中高空搜索(捕获高速高机动来袭目标)、武器制导、重点目标跟踪(含来袭目标的目指)、失跟捕获、可疑点确认、打击评估，以及目标分类识别、气象探测[6-7]。

每个任务对应着3个参数：数据率、波束驻留时间和时间资源预算。数据率是指每秒中驻留执行的次数(现在通常用其倒数来代替)。波束驻留时间是指为了完成任务一次驻留需要的时间资源。时间资源预算是指一个雷达周期内分给本任务的时间资源总量。例如：假设重点目标跟踪的时间预算是30%，则有以下关系：

目标个数*数据率*波束驻留时间<1 s*30%

1.2 资源调度框架

如图1所示，狭义的资源调度主要为接收各类任务请求，根据当前的工作方式和各类任务的时间资源预算，实时计算各类任务的优先级，按照一定的调度策略，生成可执行的任务列表。

广义的雷达资源调度也称为雷达控制，包括以下功能：

(1) 雷达工作频点的控制、雷达跳频变频抗干扰、频率分集抑制海杂波、实时确定每个波束的工作频点和信号形式;

(2) 生成各种工作方式下的搜索扫描表，根据跟踪任务请求生成跟踪任务的扫描表;

(3) 任务调度结果的统计和输出;

(4) 对于固定面阵的相控阵雷达有面阵交叠区的任务规划，对于旋转相控阵雷达有伺服转速控制，以及天线电子波束指向与伺服方位的实时控制。

1.3 资源调度评估指标

(1) 时间资源分配比例的计算是根据如下公式进行的：

其中，ti为任务最大耗时，Tp为任务数据率，TT为设计任务分配周期。根据上式计算得各任务的时间资源分配比例。

(2) 任务调度成功率SSR

其中，N为成功调度任务总数，M为所有请求的任务总数。

(3) 平均时间偏移率ATSR

其中，N为成功调度任务总数，wi为第i个任务的动态时间窗，tsi和tei分别为第i个任务的实际执行时间和期望执行时间。

2 自适应调度算法

雷达资源管理与调度部分是相控阵雷达系统的核心，其作用是根据某种最优的准则确定一种调度策略来调度雷达任务，以有效地分配雷达资源，达到优化雷达整体性能的目的。它主要完成雷达事件的任务生成、任务编排和波束调度。雷达任务驻留一旦被调度执行则不能被其他驻留所中断，即调度是非抢占式的。

2.1 时间预算调度法(Time Balancing Scheduling)

时间预算调度法对每个任务预先设计一个资源的使用上限，当此任务的资源使用达到限制时则不再响应此任务的请求，然后执行其他的任务。流程如图2所示。

在调度间隔开始时刻t1，统计可以在此时刻执行的任务，选择优先级最高的任务执行。任务驻留时间为d，在t1+d时刻系统又空闲时，统计在此时刻可以执行的任务，同时计算各类任务已经消耗的时间资源的占比，选出可以优先级最高的且时间占比没有超过预先设定比例的任务执行。若此刻没可执行的任务则时间向后推移1个单位，统计t1+d+1时刻的任务。如此循环下去，直至把调度间隔排满。

2.2 基于时间窗和任务优先级的自适应调度算法

Huizing A G 在1996年做多功相控阵雷达资源仿真时提出雷达任务时间窗的概念。利用这个时间窗约束，在设计资源调度程序的时候就可以灵活安排资源分配。时间窗概念是基于雷达跟踪工作方式的。时间窗的具体含义为雷达事件的实际执行时间在期望执行时间前后能移动的有效范围，如果超过时间窗范围雷达事件仍未执行，即使再调用该雷达事件也没有意义，则放弃调度该雷达事件。这样，很多因时间上冲突而被舍弃的事件便可以通过时间窗的安排得到调度，从而提高了时间的利用率。

扇区任务调度间隔内按照优先级进行排序，高优先级的任务先执行，低优先级的任务在时间资源不够用的情况下被舍弃。对于固定面阵的雷达的调度，在任务时间窗内，高优先级的任务先执行，而低优先级的任务被延迟。实现流程如图3所示。

根据雷达任务闭环所需时间确定调度间隔，从扫描列表、跟踪列表以及延迟列表中取出本间隔要执行的任务，按照优先级从高到低，根据期望执行时刻编排波束。每安排完一个波束，同时记录本间隔内的空隙时间段。从任务列表中取出下个任务，判断能否在时间窗约束下在某个空闲时间段内执行。安排完所有能在本间隔内的任务后获取发射波束的顺序列表，然后重新设定每个波束的发射时刻，把前一个波束的介绍时刻作为下个波束的执行时刻，把时间碎片挤掉。本间隔内最后一个任务结束时刻作为下个调度间隔的开始时间。

2.3 两种算法对比

时间预算法(TBS)是侧重于宏观的任务规划和时间资源分配，而基于时间窗和优先级的自适应调度算法偏重于微观的驻留调度或者称为波束编排。

时间预算法(TBS)注重了任务间时间资源的分配，能够保证低优先级的任务也有相应的时间执行。特别是当雷达工作遇到假目标干扰时，目标跟踪任务的优先级高于搜索任务的优先级，因此会造成雷达的任务饱和和过载。时间预算法能够保证预留一定的时间用于搜索。缺点是处理在某个时间段上突发很多高优先级的任务时高优先级的任务会被丢掉，由于在此时间段上高优先级的任务明显增多，调度时会按照比例卡掉很多高优先级的任务。

基于时间窗和优先级的自适应调度算法与时间预算法正好相反，特点是保证短期内高优先级的任务能够执行，但是周期上的任务规划和时间资源分配欠缺。后者算法是在实验室仿真中提出来的，后来很多的学者又进行了跟踪研究。但是该算法不太适合警戒雷达装备上实际使用。通常警戒搜索可作为低优先级的任务，没有时间窗的限制，当跟踪等高优先级的任务多时可以增加搜索的帧周期，而不是将任务舍弃掉。

3 旋转相控阵雷达资源调度的特点分析

旋转相控阵雷达相比于固定面阵相控阵雷达有其自身的特点：(1)天线360°旋转，面阵的法线方向能到达任一方位；(2)对任一方位，在三分之二的时间天线波束照射不到。固定面阵偏离法线方向的扫描造成的资源浪费是无法弥补的，而旋转相控阵雷达可通过把任务尽可能编排在法线方向节省系统的资源。

根据以上分析，在进行旋转相控阵雷达的调度中应注意以下几点：

(1) 无论任务的优先级高低，若不能在规定的时间段执行，则任务在本周期内无法完成；

(2) 波束能在法线方向正负45°内扫描，保证了资源调度的灵活性；

(3) 要保证本周期突发任务的有效执行，如回扫确认和捕获。

国内外学者和工程人员对固定面阵的相控阵雷达的资源调度技术进行了深入的研究，如前文中介绍的两种自适应算法。这些技术应用于固定面阵的资源调度中，取得很好的效果。对于旋转相控阵雷达的资源调度，国内外学者发表的文献还不多，并且根据以上分析也不能简单地将固定的面阵的资源调度策略应用于旋转相控阵雷达的资源调度中。

4 全周期资源规划方法

根据旋转相控阵雷达的特点，通常将时间资源和任务按扇区进行划分，一种划分法如图4所示。

将0°～360°等分为18个扇区，每个扇区20°。雷达的天线转速为30 r/min。天线扫过每个扇区的时间为100 ms。调度间隔取为100 ms。在每个调度间隔内，收集本间隔内所有任务请求，包括搜索请求、跟踪请求、确认请求，以及上个间隔的延迟列表中的请求。扇区内总时间资源减去精跟确认捕获的时间后剩余的时间均匀分配到每个方位上。按照分配时间的多少确定探测的距离或者仰角范围。

扇区规划的缺点是时间资源利用率不高，因为当目标集中在一个扇区内时，会极大地压缩本扇区搜索的时间资源，导致距离缩得很小，而此扇区旁边的扇区因为没有目标警戒距离较远，其他扇区的资源不能调配到本扇区。

4.1 问题分析

通过方位的波束宽度，可以计算出整个周期内需要扫描的方位上的波位数。如果波束宽度是2°，则有

360°/2°=180(个)

同理可根据仰角的波束宽度和仰角的覆盖范围计算出仰角的波位数。如果仰角上扫到70°，仰角的波束宽度也为2°，那在仰角上有

70°/2°=35(个)

为了节省时间资源，相控阵雷达可通过增加硬件设备用仰角多波束进行探测。如果同时7波束进行探测，则在仰角上减少至35/7=5个波位。同时，要确定单脉冲探测还是脉组探测、脉冲的脉宽PW、脉冲重复周期PRT、波形(线性调频还是相位编码)、信号带宽等。确定好以上参数之后，相当于设计好了扫描表，并且还要考虑到舰船的摇摆、大风气候条件下的转速不均匀，以及搜索任务的资源分配等情况。

天线法向过大地坐标系正北时，计算本周期各类任务的时间资源。任务分为搜索类任务和目标跟踪识别类任务。资源调度分系统接收外部波控系统的50 ms的调度中断，雷达天线周期是2 s，每个天线周期内会接收到40个中断，资源调度收到中断后向波控发送总时间为50 ms左右的任务列表。

没有跟踪类任务时，假设搜索类的任务占用的总时间1.8 s，当发送1.8/0.05=36个任务包，可将本周期的搜索任务全部执行完。剩余的4个调度间隔没有任务，且天线的电子波束与面阵的法线方向会相差4*9=36°。为了让波束在法线附近扫描(因为此时天线的增益最大、信噪比最高)，避免天线还没有转到正北，已经把本周期的任务全部执行了。如图5所示，会将多余的时间分配在每个调度间隔，即0.2 s/40=5 ms。这5 ms是以空闲时间的形式插在每个调度间隔里，即每个调度间隔实际发送了45 ms左右的搜索任务。当出现跟踪任务后，优先使用这多余的200 ms的空时间；如果跟踪任务再多的话，则开始占用搜索的时间。

如果跟踪类的时间是300 ms，那刚开始设计的全空域的1.8 s的扫描表就不能用了，需要重新选用一个时间不多于1.7 s的扫描表。有跟踪任务时的扫描表设计有以下几种策略：

(a) 降低脉冲的PRT，相当于降低了警戒的距离；

(b) 减少扫描的仰角范围，本来扫5个仰角层，现在只搜索了4个仰角层；

(c) 减少脉组里的脉冲数，本来做5脉冲积累，现在做4脉冲积累。

4.2 算法流程

旋转相控阵雷达的全周期资源规划方法由两大功能组成，一是本周期开始时(面阵的法线方向过正北时)的全周期的搜索参数确定，二是每个调度间隔的中断到来时编排本调度间隔的波束执行链表。

全周期的参数确定是根据工作方式以及其他的操控命令确定本周期的扫描参数表。参数通常包括方位号、仰角号、脉冲数、多波束数、脉冲处理方式、脉冲宽度、脉冲重复周期、信号形式，以及信号带宽、信号频点。通常是预先设计好扫描表，然后计算本周期分配给搜索的时间，根据时间选择相应的扫描表，具体流程见图6。

每个调度间隔的波束编排是指编排本调度间隔的搜索任务和跟踪任务。搜索任务从本周期的搜索链表中根据上调度间隔结束处开始执行。比如说，本周期的扫描表中共有1 000个搜索任务，第1个调度间隔扫了50个任务，那第2个调度间隔是从第51个任务开始执行。跟踪任务是指落在本调度间隔内的任务。通常每个调度间隔对应着一个扫描方位区间。如果跟踪的目标的方位落在本区间，那么跟踪任务就在本调度间隔内执行。但是，像回扫确认和高数据率跟踪等任务，需要根据扫描的提前量和滞后量重新计算调度间隔。如果目标在大地坐标下的方位上70°，希望提前30°对目标进行扫描，那么应该在天线转到40°左右时对任务进行编排，具体流程见图7。

5 结 论

全周期的资源规划技术在本周期任务执行中记录本周期任务的跟踪类任务执行的总时间。当天线过正北时，根据上周期跟踪用的时间来生成本周期的扫描表。换个角度讲，本周期相比较于上周期新增加的跟踪时间确定了下圈的扫描表，是一种延迟补偿策略。传统算法与跨周期资源调度算法效果对比如图8所示。传统算法中任务“远程搜索2”时间资源在调度间隔1中被两个更高优先级的跟踪任务挤占了，因此被删除。在改进的算法中，可以将全周期的空闲时间拿来作为跟踪用，因此在安排了两个跟踪任务后仍能执行“远程搜索2”。

6 结束语

经过外场试验的验证，本文提出的全周期的资源规划技术兼容扇区调度的整圈规划技术，能够快速响应其他分系统系统下达的扇区任务，大大提高了时间利用率。