舰载综合射频系统对空作战资源调度模型构建*

王龙涛,王 苗,王丽颖

(海军大连舰艇学院,辽宁 大连 116018)

舰载综合射频系统实现了雷达电子对抗系统的一体化,实施对空作战任务时,综合运用主动探测、被动侦察、有源干扰、无源干扰等手段,在进行数据融合及资源调度的基础上,实现对目标及信号的探测侦收、识别定位、引导干扰。针对对空作战中的多任务、多阶段、多传感器资源所构成的复杂系统,如何构建资源调度模型是实施作战指挥及辅助决策首先要解决的重要问题。

1 资源运用冲突分析

资源运用冲突,是指舰载综合射频系统执行作战任务时,系统内各射频资源为了实现自身功能目标,在时间、资源有限性、工作方式排斥性以及电磁兼容等方面存在的相互对立特性,而由此引发的使用冲突。

由于舰载综合射频系统作战任务的多样性,在同一作战时刻或较短的时间段内,系统内的多个射频资源需要同时执行彼此相关的多个任务,就会产生系统内多设备同任务情况下的资源竞争冲突。同时,由于设备资源本身的有限性,不同的射频资源可同时保障的任务数量是有限的,当需要同时保障的任务数量过多时,就会产生单设备不同工作模式下的多任务保障冲突,再加上不同射频设备的工作方式互斥性以及系统内外的电磁兼容特性限制,执行不同作战任务时,相关工作方式不能同时工作或者禁止工作,就会使得总执行任务数量降低,加剧资源运用的冲突状况。其中,工作方式排斥性及电磁兼容冲突一般由设备嵌入执行,本文重点考虑时间及资源有限性的冲突。

射频资源运用冲突并不是一成不变的,具有动态性,资源冲突态势根据作战任务的不同、作战阶段的推进,以及资源占用情况的变化而随时变化。因此,针对某一阶段的资源分配,不能解决资源使用过程中的冲突问题,必须动态分析资源使用、变化的趋势,依据具体的资源占用和需求情况进行动态分配,以满足资源分配的整体效能最优。为了实现这一目的,就需要在舰载综合射频系统资源协同的基础上进行有效的资源调度。

2 “任务—作战步骤—射频资源”调度体系的建立

为方便对系统对空作战射频资源调度问题进行研究,首先对其进行形式化描述,调度问题的本质在于针对已给定的大量可选择的目标任务及相对有限的射频资源组合,确定“什么时间、确定哪些资源、对哪些目标任务进行保障”,基于此进行射频资源的分配和调度,最终使得经过调度后的任务实现效益最佳。调度体系主要由目标、任务、作战步骤、射频资源等4部分构成,如图1所示。

图1 资源调度体系结构

2.1 作战任务合集

对所有来袭的飞机、导弹目标进行射频资源保障的任务集合记为

={|=1,2,…,}

(1)

其中,表示系统对空作战资源保障的每一个任务,舰载综合射频系统的主要任务包括预警探测、武器信息保障、电子对抗等,对进行描述,记为

={,,,,}

(2)

其中，表示作战任务何时开始;表示作战任务何时结束;表示任务何时开始执行;表示当前任务在所有任务中的优先级;表示可对任务进行保障的射频资源集合。

2.2 作战步骤合集

通过对各作战任务的分解,相应作战任务下的作战步骤由表示,表示第个作战目标的第个作战步骤,记为

={,,,,}

(3)

表示作战步骤开始的时间;表示作战步骤结束的时间;表示作战步骤当前的保障优先级;表示作战步骤当前可用的保障射频资源集合;表示中可用资源数量。

2.3 射频资源合集

(4)

3 确定柔性调度时间

舰载综合射频系统对空作战射频信息保障,主要包括预警探测、武器信息保障以及电子对抗。对于预警探测来说,越早发现目标，对已发现目标的跟踪越稳定，时间越久，越能够获取来袭目标的准确方位、距离、速度等信息;对于武器信息保障来说,对目标的信息保障时间越长、越稳定,越能够获取目标的准确信息,越有利于保障武器进行抗击;对电子对抗来说,电子侦察越早发现,越能够提升系统的整体预警能力,信号跟踪越久越稳定越有利于信息融合、引导以及进行电子干扰。综上,当来袭的飞机、导弹目标较多时,为了使得射频信息保障的整体效益最大,需要在合适、恰当的时间对射频保障资源进行动态调整、重新分配,也就是要确定进行射频资源调度的具体时间。

3.1 柔性调度时间确定原则

当前有关资源调度的时间确定问题，典型的有两种方法。一是固定时间窗口。如图2所示,以一定的时间周期进行资源调度,这种调度方法简单、易操作,但是时间窗口的长短不易确定,如果时间周期过长,则当任务态势发生变化时,相应的保障资源对任务态势变化导致的保障需求变化不能够及时做出响应;如果时间周期过短,则可能导致作战目标态势正在进行资源保障时,态势没有发生变化而进行频繁地调度调整,从而影响整个调度效率。

图2 固定时间窗口的调度时刻划分

二是依据资源对目标的保障节点进行调度。不同的资源对作战目标有一定的保障区间和范围。如图3所示,据此进行时间窗口的确定,这种调度方法的好处在于,当目标资源保障状态发生变化时才执行调度,调度时间准确,能够很好地解决固定时间窗口调度产生的窗口长度不好确定的难题,但是,这种调度方法对于射频资源的保障性能以及目标状态变化的适应性要求很高。

图3 基于射频保障区间的调度时刻划分

通过分析以上两种资源调度时间确定的方法,在实际的执行中还存在一个主要问题没有解决，那就是没有考虑目标的突然消失和意外出现。舰载综合射频系统对空作战进行射频资源保障,有可能出现目标跟丢,或者目标被击毁等情况引起的目标消失,还有可能突然出现新的目标。无论是目标的消失还是突然出现,都会导致当前的射频资源保障态势发生变化,需要立即进行资源的重新分配。

综合考虑两种调度方法的优点和不足,针对调度过程中可能出现的目标突然消失或者出现的情况,对调度时刻的确定进行优化。这里提出柔性调度时间概念，所谓柔性调度时间，是指在规定时间窗口及射频保障区间的基础上，进行调度时刻整体优化。首先，进行固定时间窗口的确定,在完成保障资源任务的基础上,确定最小的时间调度窗口,之后，对射频资源保障区间时刻划分进行优化,加入目标突然消失或者突然出现的情况,当出现目标消失或者突然出现的情况时,加入射频保障区间,生成新的保障区间调度时刻,当新射频资源保障区间比最小时间调度窗口大时,以新射频保障区间为准进行调度,反之,则根据最小时间调度窗口进行调度。其中，柔性调度时刻划分如图4所示,调度时刻由式(5)表示。

(5)

图4 柔性调度时刻划分示意图

如图4所示,当依据保障节点进行调度比较密集时,依据最小调度时刻间隔进行；当保障节点比较稀疏时,以态势发生变化的时刻进行。这种柔性调度方法一方面避免了频繁调度,尤其是对空作战进行射频资源保障时,大多数的作战步骤都有相应的最低时间保障要求;另一方面又能根据作战步骤与资源需求、作战态势的实时变化提供及时的调度触发。出现新目标、原有目标消失时，加入保障节点调度时刻,及时处理态势变化引起的资源调度需求。

3.2 柔性调度时间确定方法

1)划分初始调度时刻节点

表1 初始高度时刻节点划分表格

2)划分柔性调度时刻节点

对得出的各保障节点距离进行时间换算,以表1数据为例,可得到40个时间保障节点,在确定固定时间窗口的基础上,结合保障时间节点,按照柔性时间确定原则进行调度时刻划分,在除去重复调度后,对新得到的各时间保障节点进行时间长度划分。选取前10个调度节点进行显示,具体如图5所示。

4 资源分配及保障优先度计算

在对空作战中,当触发资源调度,进行作战步骤与射频资源的保障匹配时,需要从整个匹配策略集合中选出最优的射频保障策略。由于作战目标众多，作战步骤复杂,各约束条件交叉、相互影响,射频资源保障策略优化问题呈现典型约束条件下的多目标性,可用群智能优化算法对此计算求解。作战步骤射频资源保障优先程度的确定，本质上是对目标在不同作战阶段、作战任务下的威胁程度量化问题,主要反映了目标的威胁程度大小,除此之外,保障目标跨度距离远，层区大,不同的作战目标在不同作战步骤下的保障任务不一样,因此,在考虑目标威胁程度的基础上,应根据实际作战态势、典型作战目标属性进行目标所在层区以及作战步骤保障任务属性,采用分层聚合的方法进行计算。

图5 由原始调度节点到柔性调度节点划分步骤

调度的最终目的是使整个调度过程中调度效益最大化,资源与作战目标各作战步骤的保障匹配最优,综合调度效益函数用表示。

(6)

其中，

(7)

式中，,表示射频保障资源与各目标作战步骤的最优匹配函数;

为第个作战步骤的优先保障程度值;

(·)表示匹配效益函数,根据搜索时间、跟踪精度、跟踪稳定性等获得搜索的效益函数。

1)搜索时间效益函数()是资源对空搜索在保证对目标高概率发现情况下所用时间长短的度量。

射频资源对目标的搜索时间效益函数与装备自身性能、搜索空域大小有关。其中，搜索空域的影响因素可转化为设备独立无引导搜索和在引导搜索(协同)下的效能提升。

()=(,)

(8)

式中，表示装备对空目标的自身搜索能力,表示设备在有无引导下的搜索能力提升效益值。

2)跟踪精度效益函数()是资源对空中目标进行跟踪时的精度度量。

射频资源对目标的跟踪精度效益函数主要与射频装备自身的装备性能有关。

()=()

(9)

3)跟踪稳定性效益函数()是资源对空中目标进行跟踪时,对其跟踪稳定性的度量。

射频资源对目标的跟踪稳定性效益函数主要与射频装备自身的装备性能、跟踪设备的协同效益有关,隶属于协同策略集中的多设备协同跟踪时,可有效提升对目标的跟踪稳定性。

()=(,)

(10)

4)有源干扰的效益函数()是射频资源对空中目标辐射源信号进行有源干扰时,对其干扰效益的综合度量。

射频资源对目标信号的有源干扰效益函数主要与射频装备自身的装备性能、侦察引导设备的引导效益有关,在干扰设备性能一定的情况下,引导设备的引导信息越精确，干扰效果越好。

()=(,)

(11)

5 约束条件

1)射频资源同时保障任务容量约束

在同一工作时间内,同一射频装备工作方式有限,每种工作方式下可同时保障的任务(作战步骤)数量有限,各工作方式可同时工作的个数为,则进行射频资源保障时,同时工作的作战步骤保障数量不能超过设备总容量，即

(12)

2)射频资源保障任务能量约束

在一个调度间隔内,对于射频资源,其执行保障的所有作战步骤所需的能量，不大于资源当前可用能量总和，即

(13)

6 调度策略要求

规则1 以作战目标为资源调度依据,但要保障对未知目标以及疑似威胁空域的搜索资源,以虚拟作战步骤的形式进行分配;

规则2 针对同一作战目标的相邻作战步骤是连续的,以保证目标的稳定跟踪、干扰;

规则3 在给定的调度时间间隔内,保障资源不会发生变化,保证资源对任务的连续保障,直到触发下一调度时刻;

规则4 根据柔性时间调度规则触发每一次的调度时刻,进行资源的重新分配;

规则5 设定的每个作战步骤都有最短的保障时间,除非目标跟丢消失或被抗击掉;

规则6 对于同一射频资源,不同目标的作战步骤产生资源保障冲突时,依据作战步骤的射频资源优先保障程度进行调度;

规则7 对同一射频资源,产生保障竞争时,优先程度高的作战步骤可以进行抢占,当目标消失时,资源释放可重新进行分配;

规则8 进行资源分配时,优选射频资源分配策略中匹配度最高的进行分配。

7 调度流程

Step1 依据柔性时间调度规则触发调度;

Step2 对当前所有作战目标(包括虚拟待搜索目标)态势进行综合,形成各具体作战步骤合集;

Step3 对当前所有射频资源占用情况进行统计,给出可用的射频资源合集;

Step4 依据作战步骤的射频资源保障需求,形成虚拟的作战步骤-射频资源保障匹配关系;

Step5 依据射频资源可用资源情况,对所有保障需求进行遍历匹配,根据各作战步骤优先保障程度与保障效益函数值的综合,得出各资源的匹配效益优先排序;

Step6 对射频资源保障容量和保障能量内的作战步骤开始保障,超出射频资源保障能力的作战步骤进入待保障作战步骤合集,等待下一次调度保障;

Step7 综合射频系统依据调度保障指令,生成各射频设备的工作指令,进行调度,同时对射频资源合集进行更新;

Step8 调度中,当目标消失，新目标突然出现，到达射频资源保障交界点或者预定调度时刻时,依据柔性时间调度规则触发下一调度,重新进入Step1,同时更新作战步骤合集、射频资源合集;

Step9 当作战步骤合集为空,射频资源保障停止。

资源调度流程如图6所示。

图6 射频资源综合调度流程

8 结束语

舰载综合射频系统对空作战对象以多架携带对海攻击导弹的战斗飞机组成的空中编队为主,同时舰载综合射频系统本身传感器资源丰富,对空作战射频资源保障复杂,这就构成了典型的多任务、多阶段、多传感器资源的复杂系统。为保证对空作战资源调度的合理性,充分发挥系统的最大效能,本文提出了一种以作战步骤为驱动的舰载综合射频系统多传感器资源调度方法,对实现具体的作战资源调度具有参考意义,后续可就具体的工程应用从事进一步研究。