综合优先级下相控阵火控雷达自适应调度算法_王岩松.pdf
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1、第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 .().收稿日期:作者简介:王岩松(),男,硕士研究生。研究方向为相控阵雷达的资源调度技术。综合优先级下相控阵火控雷达自适应调度算法王岩松 韩 星 陈 春 鲁 金(西安电子工程研究所 西安)摘 要:针对相控阵火控雷达多任务调度时的资源分配问题,提出一种综合优先级下的自适应调度算法。基于相控阵火控雷达需与高炮配合对待拦截目标进行火力打击的特性,进行目标射击有利度求解。利用两级二维优先级表级联的思想,结合目标射击有利度、工作方式优先级和任务截止期进行综合优先级规划。以加权时间偏移量平方和最小作为调度代价准则,构建任务调度代价模型,提出带有时间窗的一步回
2、溯法与插空法相结合的自适应调度算法,并利用该算法求解调度模型。通过仿真将本文所提调度算法与传统工作方式优先级加截止期调度算法进行对比分析,结果表明:相比传统调度算法,本文所提调度算法提升了射击价值率,降低了平均时间偏移率和调度代价。关键词:相控阵火控雷达;射击有利度;综合优先级;自适应调度;及时性中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:王岩松,韩星,陈春,鲁金.综合优先级下相控阵火控雷达自适应调度算法.火控雷达技术,():.:.,(,):.,.,.,.,.:;引言火控雷达在近程防空武器系统中占据重要地位,可通过对波束覆盖空域内目标进行搜索和跟踪,控制火力系统对来袭目标进行拦截。目前,
3、火控雷达多采用相控阵体制,实现了搜索和跟踪时波束的自适应捷变,为任务执行带来了极大的灵活性。为第 期王岩松等:综合优先级下相控阵火控雷达自适应调度算法充分发挥相控阵火控雷达(下文简称火控雷达)作战性能优势,提升其时间资源利用效率,更好地执行近程防空任务,必须进行合理可行的雷达资源调度。雷达任务调度主要包括两个方面:一是任务优先级规划;二是调度策略的选择。早期的优先级规划仅利用一种参数确定优先级,如截止期最早最优先算法()和高工作方式优先级最优先算法()。文献 综合考虑工作方式优先级和截止期两个因素,提出工作方式优先级加截止期算法()以及两种变形算法:修正 算法()和修正 算法()。文献采用优先
4、级表思想,将根据目标信息得出的目标威胁度与任务截止期相结合,共同进行任务综合优先级规划。文献 在规划优先级时突破两个参数的限制,采用多参数加权的方式进行优先级规划。常用雷达调度策略有固定模板法、多模板法、部分模板法和自适应调度法四种,其中自适应调度策略更能发挥相控阵火控雷达性能的综合优势。文献 给任务请求增加时间窗约束,使原本在时间上有冲突的雷达任务经调整后也可能被调度执行,在任务的调度效率和时间利用率上均有较大提升。文献 基于调度收益或调度代价构建雷达任务调度模型,并采用二次规划或者遗传算法等方法进行求解。为进一步提高雷达的时间利用率,文献 采用脉冲交错算法,其思想是在单个任务收发脉冲间隔中
5、交错调度其它任务的发射或接收脉冲。然而上述算法存在以下缺陷:一是未考虑火控雷达对各个目标的射击有利度问题,无法确定雷达所跟踪目标是否处于火控雷达配属武器的有效攻击范围内;二是火控雷达属于精密跟踪系统,波束很窄,对雷达任务及时性要求很高,而上述调度策略对调度及时性的考虑较少。针对以上不足,本文在 调度算法基础上,综合考虑工作方式优先级、任务截止期和射击有利度三个参数共同进行任务优先级规划,同时基于任务及时性构建调度代价模型,并采用所提出的带有时间窗的一步回溯法与插空法相结合的自适应调度算法来进行模型求解。射击有利度分析射击有利度是指防空火力单元对空袭兵器实施射击的有利程度,它是战场防空指挥员进行
6、射击指令下发的重要依据。火控雷达的重要任务之一就是控制高炮对目标进行拦截,因此分析待拦截目标射击有利度时,不仅要考察来袭目标自身因素,还要考察火控雷达所配属武器的性能因素。本文从目标和火力单元覆盖范围的角度考虑,探讨影响火控雷达(配属高炮为例)射击有利度的 个主要参数:目标类型、目标速度、目标高度、航路捷径、目标飞临时间和高炮攻击区。考虑到各参数对目标射击有利度的非线性影响,分别构建如下射击有利度函数。.目标类型()的射击有利度一般大型目标速度慢,飞行高度高,机动性差,被弹面积大,在射击范围内射击较有利。构建如式()的目标类型射击有利度函数,若目标不属于所分类型,则射击有利度置为。.大型目标.
7、武装直升机.小型目标.巡航导弹.战术弹道导弹|().目标速度()的射击有利度目标速度越快,射击越不利;速度越慢,射击越有利。构建如式()的目标飞行速度射击有利度函数为|()其中 为目标最大飞行速度。.目标高度()的射击有利度目标高度过高或过低均会降低高炮火力射击效能,只有目标飞行在中间高度时射击最有利。构建如式()的目标高度射击有利度函数为 ,|()其中 为目标飞行最大高度,为目标飞行最小高度。.航路捷径()的射击有利度火控雷达所配属高炮只能拦截最大航路捷径()内的目标,一般在有效射击范围内,航路捷径越小,射击越有利;航路捷径越大,射击越不利;航路捷径为 时,射击最有利。构建如式()的航路捷径
8、射击有利度函数。火 控 雷 达 技 术第 卷|().目标飞临时间()的射击有利度目标飞临时间是指来袭目标飞临防空火力单元的时间。目标在防空火力单元的目标分配始线(始)以外,射击有利度置为,在目标分配终线(终)以内,射击有利度置为,介于二者之间,目标飞临时间越大,射击越有利。构建如式()的目标飞临时间射击有利度函数(只考虑目标接近情况,未考虑目标远离情况)为 始 终 始 终|()其中,为目标在高炮攻击区的最大可能停留时间,为高炮系统反应时间.高炮攻击区()的射击有利度要使高炮能够毁伤目标,目标必须处于高炮的攻击区内。采用图 和图 进行说明。图 高炮垂直攻击区图 高炮水平攻击区图 中 为高炮射击最
9、大射程:为高炮射击最小射程;为高炮攻击区的最大俯仰角;为高炮攻击区的最大方位角。其中,和为高炮攻击区远界,和 为高炮攻击区近界,为高炮攻击区高界,为高炮攻击区低界,和 为高炮攻击区的侧界。判断目标是否处于高炮攻击区内,只需要满足目标方位角、俯仰角和距离小于其对应的最大方位角、最大俯仰角和最大射程。高炮攻击区所覆盖的空域,防空高炮杀伤目标的概率高于一定的给定值。本文默认处于高炮攻击区外的目标射击有利度为,处于高炮攻击区内的目标射击有利度根据其径向距离与 大小关系依次等间隔取值。本文采用层次分析法进行相应权值计算,得出影响火控雷达火力系统射击有利度的 个因素的权值大小,结合上文介绍的各个因素射击有
10、利度函数,得出高炮对不同目标的射击有利度。图 射击有利度属性层次结构图结合参考文献 给出的层次分析法决策步骤,首先分析各因素之间的关系,建立系统的递阶层次关系,如图 所示;其次对第二层各元素关于射击有利度的重要性进行两两比较,构造两两比较判断矩阵;最后由判断矩阵计算第二层各元素对于射击有利度的相对权重,求出各属性的加权向量为(,)()其中 为第 个影响属性的权重。针对不同目标,影响射击有利度的各个因素按照.节进行量化,得到量化后向量为(,)()其中 为第 个影响属性对应的实际量化值。第 个目标相对于高炮的射击有利度为()个目标相对于高炮的射击有利度的加权结果可构成多目标射击有利度向量为 ,()
11、第 期王岩松等:综合优先级下相控阵火控雷达自适应调度算法任务综合优先级规划任务调度一般以调度间隔 为周期,在调度间隔,内共有 个任务驻留请求,各个雷达任务可以用若干个属性的集合进行表征。火控雷达任务模型的驻留请求形式化描述为,()其中,为任务期望执行时刻;为任务的工作方式优先级;为任务驻留时间;为任务实际执行时刻;为时间窗;为目标任务的射击有利度;为低截止期 高截止期。若一个任务请求被成功调度,其实际执行时刻应该满足:()其中 ,。本文以工作方式优先级表征任务重要性,以截止期表征任务紧迫性,以射击有利度表征任务分配的必要性,结合三者共同作为综合优先级的构成因素,其中工作方式优先级和任务截止期可
12、以从任务属性中直接提取,射击有利度使用上节所述方法进行计算。在综合优先级计算时,为解决不同参数的量纲与取值范围不同的问题,利用文献 提出的二维优先级表思想,采用两级二维优先级表级联的方式进行求解。本文设定三种因素的倾向性顺序由大到小为:射击有利度、工作方式优先级、任务截止期,综合优先级计算时首先将倾向性居中的工作方式优先级和倾向性最小的任务截止期在同一层面形成一级优先级,此处取;再将倾向性最大的射击有利度和一级优先级在同一层面上形成综合优先级,此处 取,如图 所示。图 任务综合优先级计算框图将任务驻留请求集合中所有任务驻留请求分别按照射击有利度降序、工作方式优先级降序和任务截止期升序排列,记任
13、务 在三个序列中的位置分别为,其中射击有利度排序过程中搜索任务排在其他类型任务之后,搜索任务之间按照期望执行时间由前到后排列。按照优先级表计算规则,一级优先级函数为()()()综合优先级函数为()()()其中 和 分别表示倾向工作方式优先级和射击有利度的加权系数;(),()。越小,对应的任务优先级越高。图()和图()分别给出 和 时的一级优先级表和综合优先级表设计。图 优先级表设计在该动态优先级表的设计中,改变,在式()和式()中的相应位置以及权重的取值,可火 控 雷 达 技 术第 卷以动态快速调整任务优先级顺序,充分发挥优先级表的动态自适应特性。任务自适应调度算法实现.任务调度代价模型本文综
14、合优先级规划过程中体现了任务调度的重要性、紧迫性以及任务分配的必要性等原则。相控阵火控雷达属于精密跟踪系统,波束很窄,当任务实际执行时刻较期望执行时刻发生变化时,就有很大几率导致跟踪精度降低,进而降低雷达性能。同时,随着武器装备的更新换代,待拦截目标机动性和威胁性大大提升,也对任务调度及时性提出更高的要求。因此,本文从及时性原则出发,构建任务调度代价模型如式()、式()所示。()()().:(,)(,),:,:,|()其中 表示每个调度间隔起始时刻。将任务工作方式优先级作为目标函数中的权值,表示对同一时间偏移量,工作方式优先级越高的任务需要付出的代价越大。式()中:表示被调度任务之间相互时间约
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