基于預測模板的雷達資源自適應調度管理算法
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摘 要：相控陣雷達天線陣面具備波束捷變能力，能夠快速對多個目標進行搜索、跟蹤、驗證等任務操作，而雷達系統的資源總量是有限的。如何實現雷達資源的最大化利用，保障搜索與跟蹤的性能需求一直是雷達后段軟件的重點難點。本文提出了一種基于預測模板的自適應雷達資源動態自適應規劃、分配及調度算法，結合了基于模板的調度策略和動態自適應的調度策略的優點，盡可能提高雷達整機資源的最大化利用，能夠根據當前工作環境和任務壓力，動態地對雷達資源進行分配調度，實現最優化資源管理。
關鍵詞：相控陣雷達;任務管理;資源調度;軟件化
中圖分類號：TN958 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0027-02
雷達是一種高度可靠的遠距離探測系統，已廣泛應用在防空預警、航空航天、空間探測等多個領域，發揮著不可替代的重大作用，尤其是在我國的國防戰略預警體系中扮演著不可或缺的角色，是戰略預警的基礎。相控陣雷達在系統層面上實現了“雷達天線陣列+后端控制處理”的新型架構，不同于傳統的機械雷達，相控陣雷達陣面可以在后端軟件系統的控制下實現波束快速捷變，數字化合成不同的波束形狀，從而能夠同時對多個目標進行多種任務操作[1]。雷達的整機的時間、能量和系統軟硬件資源總量是有限的，當系統處于高強度任務壓力下時，某些任務必然會因為有限的資源條件而無法得到執行，而這些任務中可能包括高優先級的重要作戰事件，這些任務的丟失是不可接受的。如何在外部環境實時快速變化的情況以及有限的雷達資源限制條件下，實現對任務資源的最優化調度分配，確保任務不丟失或者執行失敗，對雷達的工作性能提升有著十分巨大的現實意義。
新型軟件化架構防空反導一體化相控陣雷達是新一代先進雷達的代表，具備高度軟件可定義、模塊功能可擴展的先進特性，大幅提高了雷達裝備的靈活性和適應性。該型雷達作戰環境較為復雜，設計作戰任務多樣化，要求能夠快速適應不同戰場環境的反導防空任務要求，在實際情況下需要設計復雜多變的任務模式，需要盡可能的提高資源利用率，對于其資源的自適應動態分配能力提出了較高的要求，本文對其資源管理需求進行了深入分析，提出了一種基于預測模板的資源自適應調度與管理算法，在幾種經典調度算法的基礎上進行了整合改進，能夠完成系統高負荷情況下的雷達資源最優化調度分配。
1 雷達資源調度算法
常用的資源調度分配算法包括：模板化調度策略和自適應資源調度與管理策略。其中模板化調度策略包括：固定模板調度，多模板調度和部分模板調度;自適應資源調度與管理策略常用的方法包括：基于優先級的時間資源自適應調度，帶時間窗的自適應調度，基于綜合優先級的自適應調度。
模板化調度策略的核心思想是將雷達工作流程切割為一個個調度間隔，將這些間隔劃分為一個個時間槽，每一個時間槽用來執行一個任務時間，將雷達整機的資源在時域上切割為不同用途的時間片單位，系統自動選取該類型的時間槽作為調度載體，在事件執行完畢后再處理下一個事件，不同的模板調度策略有不同的時間槽編排算法和分配比例，固定模板根據系統特點設計有固定的時間槽排列，雷達裝備整機均按照一個固定的時間槽來進行實際工作;多模板針對不同的工作模式有不同的排列，能夠針對不同的工作模式進行適應性調整;部分模板只排列好一部分事件，在間隔內留出了空閑段作為動態調度空間，盡可能的在模板調度算法中保留了靈活性。
自適應調度算法的基本設計思路為每一種類型的任務時間設置對應的優先級，根據優先級進行實時調度分配，在此基礎上帶時間窗的自適應調度具備根據事件是否落在窗內決定事件在哪個間隔內執行的特性，能夠最大化利用每一個間隔內的資源。自適應調度算法實時分析當前各個任務的緊迫程度，得到各個任務的優先級分布，根據優先級進行綜合調度，使得各種類型的任務負載都可以得到均衡和保障，同時緊急任務可能得到迅速執行。固定優先級的自適應調度為雷達每個類型的任務事件設置了固定的優先級數值，在實際調度時按照優先級從高到低進行調度;動態優先級的自適應調度在各個事件優先級數值的基礎上，加入了優先級動態調整的機制;基于綜合優先級的自適應調度對事件的優先級進行深入分析，計算事件的二次優先級，統計學特性優先級等，對雷達工作趨勢進行預測。
固定模板調度策略和自適應資源調度與管理策略各有優缺點。固定模板調度策略在系統接近滿負荷運行的情況下可以較好地保證各種類型任務的有效執行，任務的截止期錯失率可以很小，甚至為零，但對于驗證和失跟波束請求不能及時響應，當跟蹤目標較少，系統出現空閑時間時，系統資源利用率降低的問題也不可避免，在系統低負載量的情況下仍然需要較多的資源來保證系統正常運行。自適應資源調度與管理策略的方法較為靈活，可以實時地平衡各種系統波束請求所要求的時間、能量和計算機資源，及時響應各種類型的波束請求，提高系統的資源利用率，最大化的確保各類任務的最優化調度，但是算法流程較為復雜，需要進行復雜的優先級體系設計，對雷達作戰運行過程中可能出現的各類情況進行提前分析，程序本身的運算量大，與模板調度相比實時性低、可靠性不夠，在高負荷情況下可能會跟不上雷達工作時序。
2 基于預測模板的雷達資源自適應調度管理算法
相控陣防空反導一體化雷達在執行作戰任務時，最常用的兩種工作模式包括搜索與跟蹤（TAS）和邊搜索邊跟蹤（TWS）兩種工作模式[2]。TAS工作模式下要求系統能夠實時對多個目標進行跟蹤，發射專門的精確跟蹤波位鎖定目標并進行實時跟蹤，同時也要確保最低的搜索任務量，保證不遺漏新目標，其任務種類多，運行機制較為復雜;TWS以搜索為主要工作模式，其工作特點為在每一幀都按照全空域搜索的方式進行工作，不發射專用的跟蹤波束進行目標跟蹤，其跟蹤實時性較低，運行機制較為簡單。任務具有高實時性、動態性、非周期性等特點，典型事件包括：搜索、跟蹤、確認和驗證等任務事件。
對多種雷達偵察系統的實際作戰運行情況進行分析，發現在負荷較重的情況下，系統任務的競爭基本都來自于周期頻繁的跟蹤任務，在實時跟蹤任務請求產生頻率高的情況下，系統內部的資源競爭會大幅上升。為了既能夠提高系統資源利用效率，避免任務競爭，在系統研發過程中，我們試驗了多種調度算法策略，傳統的模板調度和自適應調度均無法很好的適應軟件化雷達系統需求。為此我們對資源管理調度算法進行深入研究，提出了采用基于預測模板的自適應資源調度與管理算法。這種算法的核心設計思想是將基于模板的方法和自適應的方法的優勢結合起來，最大限度的減少任務執行之間的資源浪費，在事件產生模式較為固定和緊急任務較為頻繁的情況下都能最大化系統的資源利用率。其算法流程詳細如下。 首先根據系統當前的工作情況動態地將雷達工作流程劃分為一個個可變模板（時間片Time），模板時間片的長度由系統當前的工作負載輸入情況來動態決定，其決定依據是一個可擴展的集合Event={跟蹤數據率，資源利用率，搜索類型…}，根據用戶選取的因素來確定時間片的決定因素;在確定了各個模板的長度之后，對各個類型的事件優先級進行分析設計;最后在模板內部根據事件的優先級進行自適應調度，調度算法采用成熟的綜合優先級分析算法。本論文在進行算法驗證實驗時，選用跟蹤數據率作為時間片分割輸入，算法運行時對目標進行跟蹤時把系統工作時間劃分為若干個時間片，如跟蹤數據率為1赫茲時，時間片為1秒;數據率為2赫茲時，時間片為100毫秒。任務管理軟件在收到航跡處理計算機發來的跟蹤波束申請時并不按照波束期望時間的要求立即響應執行，而只是把跟蹤波束申請的相關信息（如目標的方位、距離、仰角等）先存儲起來，在系統工作時間進行到每個時間片的開始時再按照存儲的信息發送跟蹤波束，執行完跟蹤波束后在當前時間片的剩余時間內再響應執行搜索、驗證等波束。該算法的優點在于，根據當前系統的工作情況將資源切割成適應性較強的時間片集合，最大限度的避免了調度間隔內部的無序競爭和時間碎片，在時間片內部采用自適應調度算法對不同類型的任務事件進行調度編排，既確保緊急任務的實時執行，又能保證系統正常工作模式的各項任務需求。本調度策略在進行實際研發過程中，在可變模板分割算法和自適應調度算法兩個關鍵環節設計了擴展接口，可以根據實際需求對算法進行替換、擴展和優化。圖1為此算法下的時間片的設計。
在應用這種算法設計之后，系統跟蹤波束的發送時間基本嚴格按照時間片的大小來進行，從而在跟蹤數據率較高的情況下也可以獲得較為均勻的點跡時間間隔。它保留了模板法的思路，模塊自動地把調用頻繁的周期性跟蹤任務集中編排在一個固定時間段，盡可能避免任務間競爭，提高調度效率;同時又采取自適應調度策略，對剩余的時間資源進行自適應調度，系統的自適應能力得到大幅提高。該方法中，模板時間段的大小通過預測進行改變，增強了系統對外界動態環境的適應能力?；陬A測模板的自適應調度算法的核心是根據系統周期性任務預測下一個探測周期中模板時間的長短，而把剩余時間分配給自適應調度需求。同時本方法的可擴展性也為后續的升級優化預留了提升空間。
3 結語
新一代相控陣雷達的設計指標提出了高適應性、多功能一體化、靈活可擴展的性能要求，如何在有限的雷達資源限制下，實現資源的最優化調度分配已經成為新一代雷達研制的重難點問題。本文對已有調度算法進行了深入分析對比，開展了廣泛的仿真實驗，提出了一種基于預測模板的資源自適應調度分配算法，結合了模板和自適應兩大類經典調度算法的優勢設計，在確保高優先級跟蹤任務能夠正確實時執行的前提下，最大化了每個時間片內的資源利用率，上述自適應資源調度與管理與管理算法已在多個產品和課題項目中得到了充分的技術應用實踐。
參考文獻
[1] 陳大偉.相控陣雷達自適應調度算法研究[D].成都：電子科技大學碩士學位論文.2011.
[2] 張貞凱，汪飛，周建江，等.多目標跟蹤中的自適應資源調度[J].航空學報，2011，32（3）：522-530.
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