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綜合優(yōu)先級(jí)的被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度算法*

2018-03-16 03:36:23鮑鵬飛黃孝鵬周希辰
現(xiàn)代防御技術(shù) 2018年1期
關(guān)鍵詞:截止期任務(wù)調(diào)度輻射源

鮑鵬飛,黃孝鵬,周希辰

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇 南京 210044;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二四研究所,江蘇 南京 211106;3.海軍裝備研究院 博士后科研工作站,北京 100161)

0 引言

被動(dòng)雷達(dá)可靜寂執(zhí)行對(duì)輻射源搜索、跟蹤等各類任務(wù),極大改變了傳統(tǒng)雷達(dá)攻防作戰(zhàn)模式,具有巨大性能優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景[1]。高效資源管控技術(shù)是發(fā)揮被動(dòng)雷達(dá)性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵;而雷達(dá)任務(wù)調(diào)度[2]中,合理有效的優(yōu)先級(jí)算法對(duì)提高任務(wù)執(zhí)行效率有重要意義。

早期,任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)預(yù)置優(yōu)先級(jí),環(huán)境適應(yīng)能力差。當(dāng)前,一般根據(jù)任務(wù)和目標(biāo)等參數(shù)安排任務(wù)優(yōu)先級(jí),文獻(xiàn)[3]提出基于工作方式優(yōu)先級(jí)和截止期的HPEDF(highest priority and earliest deadline first)算法,但沒(méi)有考慮目標(biāo)因素;根據(jù)任務(wù)不同特性以優(yōu)先級(jí)表的形式實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)排序,考慮截止期與價(jià)值密度2參數(shù)[4-5];一些優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)方法[6-7]較多考慮任務(wù)與目標(biāo)參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí),但是沒(méi)有考慮被動(dòng)雷達(dá)工作特征。這些調(diào)度算法缺乏考慮到輻射源目標(biāo)威脅度對(duì)雷達(dá)任務(wù)調(diào)度的影響。針對(duì)現(xiàn)有調(diào)度算法的不足,本文在HPEDF調(diào)度算法基礎(chǔ)上,綜合考慮輻射源參數(shù)與被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)特征,提出一種納入輻射源威脅度參數(shù)的被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)調(diào)度算法(highest threat,HPEDF,HTHPEDF),實(shí)現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度,并設(shè)計(jì)調(diào)度收益與調(diào)度代價(jià)評(píng)估公式,最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該算法的有效性和實(shí)用性。

1 輻射源威脅度分析

在HPEDF算法基礎(chǔ)上提出的HTHPEDF算法綜合考慮了工作方式優(yōu)先級(jí)[8]、截止期和威脅度,故需對(duì)輻射源威脅度進(jìn)行分析。

1.1 輻射源威脅度度被動(dòng)任務(wù)影響

由于戰(zhàn)場(chǎng)各輻射源目標(biāo)的威脅度不一,需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行差異化管理。被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)與輻射源目標(biāo)密切相關(guān),因此本文所提及的威脅度包含輻射源威脅度與任務(wù)威脅度2層含義。威脅度作為一重要參數(shù),直接影響被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì);如在執(zhí)行威脅度較低的任務(wù)時(shí),可適當(dāng)減少其波束資源,高威脅度任務(wù)繁忙時(shí)可適當(dāng)舍棄低威脅度任務(wù),以提高調(diào)度綜合效能。

被動(dòng)雷達(dá)的任務(wù)信息包含任務(wù)參數(shù)屬性(如任務(wù)類型、期望執(zhí)行時(shí)間、截止期等)以及指控平臺(tái)提供的指示信息(如輻射源參數(shù)、電子情報(bào)信息等),可利用這些信息進(jìn)行威脅度評(píng)估。在沒(méi)有截獲輻射源信號(hào)條件下,系統(tǒng)無(wú)法提供輻射源參數(shù)時(shí),如搜索階段,可不考慮該任務(wù)的威脅度,默認(rèn)搜索任務(wù)威脅度為0;一旦發(fā)現(xiàn)輻射源目標(biāo),在獲取輻射源參數(shù)信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行威脅度分析,得到輻射源威脅度。輻射源威脅度將會(huì)直接影響被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)執(zhí)行的順序,對(duì)被動(dòng)任務(wù)執(zhí)行影響重大。

1.2 輻射源威脅度指標(biāo)參數(shù)

這里探討影響輻射源威脅度的5個(gè)主要參數(shù)[9-10]:輻射源重頻、脈寬、方位、載頻、距離,這些可由被動(dòng)雷達(dá)調(diào)度平臺(tái)直接獲取。

(1) 輻射源重頻在0.1 kHz以內(nèi)時(shí),威脅度為0;超過(guò)0.1 kHz時(shí),重頻越高,威脅程度越大。重頻的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位kHz)

(1)

(2) 輻射源脈寬越小對(duì)我方目標(biāo)威脅程度越大。脈寬的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位μs)

(2)

(3) 輻射源相對(duì)方位是指輻射源運(yùn)動(dòng)方向與輻射源到被動(dòng)雷達(dá)連線的夾角,取值范圍[0°, 180°];其值越小,威脅越大,相對(duì)方位的歸一化指標(biāo)函數(shù)為(單位(°))

(3)

(4) 輻射源載頻越高對(duì)我方威脅程度越大。載頻的指標(biāo)函數(shù)可表示為(單位GHz)

(4)

(5) 輻射源與被動(dòng)雷達(dá)的距離越近,威脅越大;函數(shù)可表示為(單位km)

(5)

式中:D1=20 km;D2=300 km;k=10-2。

1.3 輻射源威脅度計(jì)算

以上5個(gè)因素對(duì)威脅度影響各不相同,需進(jìn)行加權(quán)評(píng)估。常用的計(jì)算權(quán)值的方法有AHP(analytic hierarchy process)、信息熵法[11]、Delphi法、專家打分法等;AHP是定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,簡(jiǎn)便有效,參考文獻(xiàn)[12]給出的判斷矩陣可求得各影響因素的加權(quán)向量

Wi=(w1,w2,w3,w4,w5)

.

建立輻射源目標(biāo)威脅度因素集:

U=(u1,u2,…,uk,…,um),

(6)

式中:uk為第k個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)值;m為影響威脅度評(píng)估的因素個(gè)數(shù),這里m=5。

故第i個(gè)輻射源目標(biāo)的威脅度指標(biāo)函數(shù)值可構(gòu)成一個(gè)表征該目標(biāo)威脅度的向量:

(7)

n個(gè)輻射源的威脅度加權(quán)計(jì)算結(jié)果可構(gòu)成輻射源集威脅度向量

H={Hi=WiUiT|i=1,2,…,n}.

(8)

2 綜合優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)方法

被動(dòng)雷達(dá)根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)合理安排任務(wù)序列,使得任務(wù)序列得到高效快速調(diào)度,從而提升雷達(dá)系統(tǒng)的效能。

2.1 被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)分析

雷達(dá)任務(wù)是一系列有時(shí)間限制并按時(shí)間排序的雷達(dá)事件序列[13],可以用若干屬性的集合表征。被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)形式化描述如下:

Ri={tai,tEi,tei,tdwi,twi,pi,di,hi},

(9)

式中:tai,tEi,tei分別表示被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)請(qǐng)求的到達(dá)時(shí)刻、期望行時(shí)刻、實(shí)際執(zhí)行時(shí)刻;tdwi被動(dòng)雷達(dá)波束駐留時(shí)間;twi為時(shí)間窗寬;pi表示任務(wù)工作方式優(yōu)先級(jí);di表示任務(wù)的截止期;hi為輻射源威脅度??筛鶕?jù)此任務(wù)模型設(shè)計(jì)合理的調(diào)度算法。

被動(dòng)雷達(dá)不同工作方式下執(zhí)行的任務(wù)也不盡相同,主要任務(wù)類型有:搜索任務(wù)、確認(rèn)任務(wù)、跟蹤任務(wù)、引導(dǎo)探測(cè)任務(wù)、協(xié)同任務(wù)等;具體特性分析如表1。

2.2 任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

在HPEDF算法基礎(chǔ)上,提出基于威脅度、工作方式優(yōu)先級(jí)和任務(wù)截止期的被動(dòng)雷達(dá)任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)算法(HTHPEDF)。其中,任務(wù)的重要程度用任務(wù)工作方式優(yōu)先級(jí)p來(lái)衡量,任務(wù)的時(shí)間緊迫程度用任務(wù)截止期d來(lái)表示,任務(wù)關(guān)鍵性用輻射源威脅度h表示,如圖1所示。

圖1 綜合任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design block diagram for integrated task priority

結(jié)合優(yōu)先級(jí)表的算法思想,通過(guò)加權(quán)3參數(shù)得到任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)。3個(gè)參數(shù)的權(quán)值選取如圖2所示,α,β,γ為各參數(shù)的權(quán)值變量,可表示為面積為1的等邊三角形△ABC三邊所對(duì)應(yīng)三角形面積,故α+β+γ=1。根據(jù)O點(diǎn)的不同位置有如下3種情況:

任務(wù)類型特點(diǎn)與作用調(diào)度特點(diǎn)搜索任務(wù)搜索范圍大,快速截獲波束駐留時(shí)間短,優(yōu)先級(jí)較低,確認(rèn)任務(wù)確保有效截獲,確認(rèn)目標(biāo)與任務(wù)駐留時(shí)間較長(zhǎng),不宜設(shè)置太多任務(wù)跟蹤任務(wù)獲取更精確的輻射源目標(biāo)信息駐留時(shí)間長(zhǎng),資源消耗多引導(dǎo)任務(wù)在指示信息下,探測(cè)重點(diǎn)目標(biāo)周邊區(qū)域在頻率上差別較大,任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高協(xié)同任務(wù)與其他雷達(dá)協(xié)同工作,獲取目標(biāo)信息多時(shí)空對(duì)準(zhǔn)要求高,調(diào)度難度大

(1) 當(dāng)O點(diǎn)在A,B,C點(diǎn)時(shí),優(yōu)先級(jí)僅考慮單個(gè)參數(shù),如HPF(highest priority first),EDF(earliest deadline first)算法。

(2) 當(dāng)O點(diǎn)在AC邊時(shí),可有MEDF(modified earliest deadline first),MHF(modified priority deadline first),HPEDF算法。

(3) 當(dāng)O點(diǎn)在△ABC內(nèi)部時(shí),即本文算法(HTHPEDF),綜合考慮了3因素,特別在等邊三角形重心時(shí),α=β=γ=1/3,均衡考慮3參數(shù)對(duì)優(yōu)先級(jí)影響;可以根據(jù)被動(dòng)雷達(dá)使用環(huán)境與作戰(zhàn)使命,調(diào)節(jié)O點(diǎn)位置以選擇合適的權(quán)值。

2.3 綜合優(yōu)先級(jí)計(jì)算算法

根據(jù)前文可以得到每個(gè)任務(wù)的工作方式優(yōu)先級(jí)、任務(wù)截止期和威脅度,這3個(gè)不同量綱的參數(shù)需要映射到同一個(gè)參考系中才能進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。結(jié)合優(yōu)先級(jí)表的思想,可以將某調(diào)度間隔內(nèi)的任務(wù)(設(shè)n個(gè)任務(wù))按該3參數(shù)進(jìn)行排序,得到一個(gè)基于任務(wù)排序號(hào)的參考系([1,n]區(qū)間),每個(gè)任務(wù)的3參數(shù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)排序號(hào),再通過(guò)加權(quán)得到綜合優(yōu)先級(jí)。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

步驟1: 將工作方式優(yōu)先級(jí)和輻射源威脅度序列按照從低到高排列有(p1,p2,…,pj,…,pn),(h1,h2,…,hk,…,hn);截止期序列按從大到小排列(d1,d2,…,dl,…,dn),則每一任務(wù)都有一組對(duì)應(yīng)的序列[j,k,l]。

步驟2: 選取工作方式優(yōu)先級(jí)、輻射源威脅度、截止時(shí)間的權(quán)值α,β,γ。

步驟3:計(jì)算任務(wù)的綜合優(yōu)先級(jí):

Pi=αj+βk+γl

.

(10)

引入的權(quán)值變量α,β,γ可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整,以適應(yīng)不同作戰(zhàn)需求。如被動(dòng)雷達(dá)主要跟蹤敵方來(lái)襲目標(biāo)時(shí),應(yīng)增加β值減少威脅度較高目標(biāo)任務(wù)的丟失。計(jì)算得到任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)相同時(shí),采取先到先出(first in first out,FIFO)方式處理。

3 任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

當(dāng)多個(gè)任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)時(shí)間片時(shí)發(fā)生沖突,需要具有沖突消解功能的調(diào)度算法,保證任務(wù)有序執(zhí)行。相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)調(diào)度算法一般選取一段時(shí)間作為調(diào)度間隔(scheduling interval,SI)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度[14-15]。調(diào)度間隔中請(qǐng)求任務(wù)按照任務(wù)綜合優(yōu)先級(jí)和時(shí)間窗進(jìn)行任務(wù)排序,確定任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。

3.1 自適應(yīng)調(diào)度算法

設(shè)時(shí)刻t0為某一調(diào)度間隔起始時(shí)刻,在該調(diào)度間隔內(nèi)有q個(gè)任務(wù)請(qǐng)求,按到達(dá)時(shí)間先后排序生成任務(wù)請(qǐng)求鏈表R={R1,R2,…,Rq},調(diào)度算法如下,流程圖如圖3所示。

Step 1:初始化調(diào)度程序,生成任務(wù)請(qǐng)求鏈表R,空閑時(shí)間片用向量freej(tsaj,tsdj)表示,j=1,tsa1=t0,tsd1=t0+SI。

Step 2:將上一調(diào)度間隔的延遲任務(wù)添加到任務(wù)請(qǐng)求鏈表中,形成請(qǐng)求任務(wù)集R={R1,R2,…,Rq,…,RQ},按前面的優(yōu)先級(jí)算法對(duì)調(diào)度間隔內(nèi)的待調(diào)度任務(wù)進(jìn)行綜合優(yōu)先級(jí)排序。

Step 3:按優(yōu)先級(jí)從高到低依次取任務(wù)調(diào)度,任務(wù)以tEi為中心,在時(shí)間窗限制范圍內(nèi)前后移動(dòng),尋找最小移動(dòng)距離Movmin的空閑時(shí)間片使各任務(wù)無(wú)重疊,滿足tsaj≤tEi+Movmin≤tsdj-tdwi。若存在該空閑時(shí)間片則插入任務(wù)i并更新空閑時(shí)間片向量,freej(tsaj,tEi+Movmin),freej+1(tEi+Movmin+tdwi,tsdj),轉(zhuǎn)Step 5;否則進(jìn)入Step 4。

圖3 調(diào)度算法流程圖Fig.3 Flow chart of scheduling algorithm

當(dāng)flagi=-1時(shí),將該任務(wù)送入刪除鏈表;當(dāng)flagi=0時(shí),將該任務(wù)送入延遲鏈表等待下個(gè)調(diào)度間隔調(diào)度執(zhí)行。

Step 5:判斷請(qǐng)求任務(wù)集中任務(wù)是否全部調(diào)度完畢,若還有待調(diào)度任務(wù)則轉(zhuǎn)Step 3,否則該調(diào)度間隔的調(diào)度任務(wù)結(jié)束,計(jì)算該調(diào)度間隔內(nèi)調(diào)度效率。

3.2 調(diào)度收益與調(diào)度代價(jià)

自適應(yīng)調(diào)度算法遵循3個(gè)調(diào)度原則[12]:優(yōu)先級(jí)原則、時(shí)間利用原則、期望時(shí)間原則。結(jié)合調(diào)度原則,根據(jù)其優(yōu)先級(jí)、執(zhí)行時(shí)間偏移量以及任務(wù)關(guān)鍵性,我們定義調(diào)度收益E,調(diào)度代價(jià)Cost函數(shù)分別為

(11)

(12)

式中:k為變量(這里k=1);pi,hi為任務(wù)工作方式優(yōu)先級(jí)與威脅度;Q為調(diào)度任務(wù)數(shù)。調(diào)度收益值越大,調(diào)度效果越好。則調(diào)度代價(jià)越小,調(diào)度效果也越好。

4 仿真分析

基于以上研究,設(shè)被動(dòng)雷達(dá)360°環(huán)掃,探測(cè)300 km內(nèi)目標(biāo),針對(duì)SPS-48輻射源目標(biāo)群進(jìn)行仿真分析,SPS-48部分參數(shù):脈寬為3,9,27 μs;脈沖重頻為330~2 750 Hz;載頻2.9~3.1 GHz。被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)給出所需調(diào)度任務(wù)及各任務(wù)輻射源參數(shù)信息。參考點(diǎn)選擇在等邊三角形重心,α=β=γ=1/3,均衡考慮三參數(shù)對(duì)優(yōu)先級(jí)影響。設(shè)定被動(dòng)雷達(dá)調(diào)度間隔SI=50 ms,仿真時(shí)間為5個(gè)調(diào)度周期,設(shè)置5類任務(wù),其參數(shù)如表2所示。

仿真場(chǎng)景1:任務(wù)請(qǐng)求較少時(shí),作用區(qū)域內(nèi)有跟蹤任務(wù)為24個(gè),搜索任務(wù)18個(gè),確認(rèn)任務(wù)5個(gè),引導(dǎo)任務(wù)5個(gè),協(xié)同任務(wù)5個(gè)。

仿真場(chǎng)景2:任務(wù)請(qǐng)求較多的情況,作用區(qū)域內(nèi)跟蹤任務(wù)為80個(gè),搜索任務(wù)60個(gè),確認(rèn)任務(wù)5個(gè),引導(dǎo)任務(wù)5個(gè),協(xié)同任務(wù)5個(gè)。

場(chǎng)景1仿真如圖4,負(fù)載(負(fù)載定義為一調(diào)度間

表2 任務(wù)參數(shù)表

圖4 場(chǎng)景1仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of scene 1

隔內(nèi)各請(qǐng)求任務(wù)駐留時(shí)間之和與調(diào)度間隔的比值)為0.8,2種調(diào)度有效率均為100%,結(jié)果表明在任務(wù)較少,雷達(dá)資源相對(duì)充裕時(shí),威脅度較高與較低的任務(wù)均能得到調(diào)度。場(chǎng)景2仿真如圖5,負(fù)載為2.26,HPEDF算法調(diào)度有效率為40.38%,HTHPEDF算法調(diào)度成功率為41.73%;表明在任務(wù)請(qǐng)求飽和,資源緊張時(shí),本文提出的算法可提升高威脅度任務(wù)調(diào)度能力,部分低威脅度任務(wù)被舍棄。

對(duì)2種算法在不同負(fù)載條件下調(diào)度仿真,并作50次蒙特卡羅試驗(yàn),結(jié)果如圖6,7所示。圖6更直觀說(shuō)明負(fù)載增大時(shí),本文提出的算法調(diào)度高威脅度任務(wù)優(yōu)勢(shì)明顯;圖7展示不同負(fù)載條件下2種算法下跟蹤任務(wù)調(diào)度數(shù),表明本文提出的算法相對(duì)HPEDF算法具有更好的跟蹤任務(wù)調(diào)度能力,有效減少跟蹤任務(wù)丟失。

對(duì)情景2中的2種算法仿真進(jìn)行100次蒙特卡羅仿真,計(jì)算2種算法的調(diào)度收益與調(diào)度代價(jià)均值,結(jié)果如表3所示??梢钥闯霰疚奶岢龅乃惴ㄕ{(diào)度收益明顯高于HPEDF算法,其調(diào)度代價(jià)也低于HPEDF算法,本文的調(diào)度算法取得較好的調(diào)度效果。

圖5 場(chǎng)景2仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of scene 2

圖6 不同負(fù)載下調(diào)度任務(wù)威脅度Fig.6 Scheduling task threats under different loads

圖7 不同負(fù)載下跟蹤任務(wù)調(diào)度數(shù)Fig.7 Tracking number of task scheduling under different loads

參數(shù)算法HPEDFHTHPEDF調(diào)度收益213.94226.28調(diào)度代價(jià)112.4699.67

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于被動(dòng)雷達(dá)工作特點(diǎn),針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度算法沒(méi)有考慮輻射源目標(biāo)特征的不足,提出基于威脅度、工作方式優(yōu)先級(jí)和任務(wù)截止期的綜合優(yōu)先級(jí)算法,給出輻射源目標(biāo)威脅度的評(píng)估方法。利用帶時(shí)間窗的自適應(yīng)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)自適應(yīng)調(diào)度,并設(shè)計(jì)調(diào)度收益與調(diào)度代價(jià)的評(píng)價(jià)函數(shù)。仿真結(jié)果表明,本文的綜合優(yōu)先級(jí)算法在負(fù)載較高時(shí),能有效提升高威脅度任務(wù)和跟蹤任務(wù)的調(diào)度能力,并以較低的調(diào)度代價(jià)獲得較高的調(diào)度收益。算法僅考慮時(shí)間資源的利用,而計(jì)算機(jī)資源、天線孔徑資源受限條件下的任務(wù)調(diào)度有待深入研究;在影響因素的權(quán)值選取上,如何精確認(rèn)知雷達(dá)工作環(huán)境,自適應(yīng)獲取權(quán)值以滿足不同作戰(zhàn)需求也有待繼續(xù)研究。

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