一种基于回溯策略的多功能相控阵雷达任务调度方法与流程

本发明涉及相控阵雷达资源管理技术领域，尤其是一种基于回溯策略的多功能相控阵雷达任务调度方法。

背景技术：

相控阵雷达具有波束捷变、天线波束快速扫描、空间功率合成与多波束形成等能力，能够完成多目标跟踪、多区域搜索等复杂任务，因此在现代战争中得到广泛运用。但多功能相控阵雷达需要承担警戒、搜索、跟踪、制导等多项任务，不同任务存在相互冲突的可能，因此必须选择灵活有效地调度策略发挥相控阵雷达性能、完成作战任务。

目前相控阵雷达调度策略主要有模板类调度策略和自适应调度策略两大类，其中模板类调度策略适用环境单一，调度效率低下，难以适应现代战争需要；自适应调度策略具有资源利用率高、环境适应力强等优点，被广泛用于各型相控阵雷达中。

在各种自适应调度策略中，基于时间指针的调度策略具有技术成熟、时效性强、调度成功率高等优点。但该方法在提升调度成功率同时也使得时间偏移率显著升高，这是由于在调度过程中尤其是在参与调度事件数目较少时算法无法“预测”下一时刻资源利用情况，因此将尽可能提前执行事件以避免该时刻雷达资源遭到浪费；过大的时间偏移率将引起雷达对目标跟踪精度的下降，严重情况下甚至会引起“失跟”现象。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于回溯策略的多功能相控阵雷达任务调度方法；能在不影响调度成功率低的同时显著减小时间偏移率，进而提升跟踪精度，大大提升雷达性能。

本发明公开了一种基于回溯策略的多功能相控阵雷达任务调度方法，包括：

生成本调度间隔内的请求序列；所述本调度间隔内的请求序列包括获取的新请求执行事件和上一调度间隔的延迟请求执行事件；

在本调度间隔内，按时间顺序提取所述请求序列中满足雷达资源约束条件的请求执行事件，并确定所述请求执行事件的优先级，将优先级最高的事件写入执行序列；

设定再优化时间段，优化所述优先级最高的事件的执行时间；

对于本调度间隔内未写入执行序列的事件，判断是否满足下个调度间隔，满足则延迟到下一调度间隔，否则删除。

进一步地，所述事件执行时间再优化采用的再优化模型包括一步回溯模型和两步回溯模型；

所述一步回溯模型根据再优化时间段与事件请求执行时刻之间关系进行回溯再优化；

所述两步回溯模型根据回溯两步得到的两批事件期望执行时间之间的关系进行回溯再优化。

进一步地，所述再优化时间段的起始时间结束时间其中，为事件i-n-1的实际执行时间，n为再优化模型的回溯步数，n＝1或2；为事件i-1请求执行时刻，为事件i-1驻留时间，为事件i-1时间窗大小，t为当前时间指针。

进一步地，所述一步回溯模型进行回溯再优化包括：

若事件请求执行时间位于再优化时间段之后，则tp＝tb-tτ；其中，tp为实际执行时间；

若事件请求执行时间位于再优化时间段之内，则tp＝te

若事件请求执行时间位于再优化时间段之前，则tp＝ta。

进一步地，所述两步回溯模型根据两批事件期望执行时间是否重合分为两种情况，即与为a、b两批事件的请求执行时刻，为a事件驻留时间；

具体包括以下情况：

情况1：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段后，即且此时有：为a、b两批事件的实际执行时间，为b事件驻留时间；

情况2：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段内，即且此时有：

情况3：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段外，即且此时有：

情况4：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段前，即且此时有：

情况5：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段后，即且此时有：

情况6：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段中，即且此时有：

情况7：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段前，即且此时有：

进一步地，所述雷达资源约束条件包括时间资源约束条件和能量资源约束条件；

所述时间资源约束条件包括：当前事件实际执行时刻范围在当前事件所对应时间窗内；不同事件相互间不能发生冲突，即雷达在执行某一事件期间不能被其它事件抢占；

所述能量资源约束条件为消耗功率不大于雷达瞬时消耗功率上限。

进一步地，所述确定事件的优先级pw＝η·td+(1-η)·dl；式中，η为权重参数；td为事件威胁度；dl为事件截止期。

进一步地，事件威胁度td＝λ1tv+λ2ta+λ3tr+λ4tt；式中tv、ta、tr、tt为目标速度、航向、高度、类型威胁度；λ1,λ2,λ3,λ4为权重系数。

进一步地，事件截止期dl＝te+tw-t；te为请求执行时刻；tw为事件时间窗大小；t为当前时间指针。

进一步地，所述任务请求模型为taskrequire＝{ps,pw,tτ,te,tw}；式中，ps为目标优先级，由目标类型、状态、位置等信息决定；pw为该事件发射功率，由雷达性能参数决定；tw为时间窗大小，由雷达波门大小与目标速度共同决定；tτ为事件驻留时间，由发射功率、目标距离、目标rcs共同决定；te为事件请求执行时刻，由上一次事件执行时刻与跟踪间隔决定。

本发明的有益效果如下：

本发明通过利用“回溯”策略通过生成再优化时间段对已调度事件进行再优化，在不影响调度成功率的基础上大大降低了时间偏移率，进而提升跟踪精度；

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一中的多功能相控阵雷达任务调度方法流程图；

图2为本发明实施例一中的再优化过程流程图；

图3为本发明实施例一中的多功能相控阵雷达任务调度方法流程图；

图4为本发明实施例一中的与传统方法调度效果比较图；

图5为本发明实施例一中的与传统方法ssr比较图；

图6为本发明实施例一中的与传统方法tsr比较图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例公开了一种基于回溯策略的多功能相控阵雷达任务调度方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s1、生成本调度间隔内的请求序列；所述本调度间隔内的请求序列包括根据任务请求模型获取的新请求执行事件和上一调度间隔的延迟请求执行事件；

在本实施例中的相控阵雷达为跟踪或发现目标，必须定期\不定期对目标进行回访，即进行一次“事件”，每完成一次回访(事件)将消耗一定量的雷达资源；每一次事件包括目标属性、位置、雷达工作状态、滤波方法等信息。

通过建立的任务请求模型获取的新请求执行事件，在一个调度间隔tsi内包括获取的新新请求执行事件和上一调度间隔的延迟请求执行事件；

优选的，所述任务请求模型为taskrequire＝{ps,pw,tτ,te,tw}；式中，ps为目标优先级，由目标类型、状态、位置等信息决定；pw为该事件发射功率，由雷达性能参数决定；tw为时间窗大小，由雷达波门大小与目标速度共同决定；tτ为事件驻留时间，由发射功率、目标距离、目标rcs共同决定；te为事件请求执行时刻，由上一次事件执行时刻与跟踪间隔决定。

步骤s2、在本调度间隔内，按时间顺序提取所述请求序列中满足雷达资源约束条件的请求执行事件，确定事件的优先级，将优先级最高事件写入执行序列；设定再优化时间段，进行事件执行时间再优化；

如图2所示，具体包括以下子步骤：

步骤s201、初始化；

具体包括，置时间指针t＝0，执行序列中事件数目i＝0，再优化时间段起始时间ta＝0，结束时间tb＝0。

步骤s202、按时间顺序，提取所述事件请求序列中满足雷达资源约束的事件；

相控阵雷达在调度事件过程中需要满足多种资源约束，主要有时间资源、能量资源、计算机资源、阵面资源等；四种资源约束中由于时间轴固定，因此时间资源约束不能调节，属于“刚性约束”；能量资源约束可以通过如加大输入电流、更换扇热设备等方法手段调节，属于“弹性约束”；后两种约束条件难以用数学模型表述。因此需重点考虑时间资源约束与能量资源约束。其中时间资源描述如下：

对于传统雷达来说，事件必须在其时间窗内进行执行，且在执行期间无法被其他事件抢占，不同事件在时间轴上不能相互冲突，则事件i调度成功需满足的约束条件为：

式中表示事件i的实际执行事件。其中第一个约束条件指出当前事件实际执行时刻范围，即在当前事件所对应时间窗内。第二个约束条件表明不同事件相互间不能发生冲突，即雷达在执行某一事件期间不能被其它事件抢占。

能量资源约束描述如下：

雷达在发射脉冲时会产生大量热量，为避免发射机持续工作时间过长而损坏，需要对发射脉冲数量加以限制，即能量资源约束限制。能量资源约束可表示为：p(t)≤pmax；上式中pmax为雷达瞬时消耗功率上限.p(t)为t时刻雷达功率消耗,可具体表示为：式中pi(x)为雷达的功率函数，τ是回退参数，由雷达扇热性能决定。当雷达消耗功率达到上限时，必须停止工作，否则会因为过热而损坏。

步骤s203、确定所述满足雷达资源约束条件的所有事件的优先级，并将综合优先级最高事件写入执行序列；

本步骤中计算事件综合优先级需要满足重要性原则与紧急性原则，即重要事件优先调度、紧急事件优先调度。本实施例选用事件威胁度td与事件截止期dl来衡量事件重要性与紧急性，并通过线性加权方法计算事件综合优先级，其计算式为：pw＝η·td+(1-η)·dl；式中η为权重参数，由人为设定给出；td与dl计算方法如下。

事件威胁度td计算方法：

影响事件威胁度的因素众多，为简化计算，本实施例主要选取目标速度、航向、高度、距离与目标类型四项参数，首先将四项参数归一化处理后映射至同一量纲，再通过线性加权得到事件威胁度。

1)目标速度威胁

设定目标速度优先级参数随着目标速度增大而增大，当速度超过某一门限时，优先级稳定为一常值，则可得目标速度确定的优先级参数表达式为：式中v为目标速度，vmax为距离门限，由人为设置得出。

2)目标距离威胁度

设定目标距离优先级参数随目标距离增大而减小，当距离大于某一门限时其优先级下降为0，则可得目标距离优先级表达式为：

式中r为目标速度，rmax为距离门限，由人为设置得出。

3)目标航向威胁度

设定目标面向雷达飞行时航向威胁度最高，背向目标时航向威胁度最低，则设置目标航向威胁度为：式中为飞行器航向与雷达法线方向夹角。

4)目标类型威胁度

现代战争中雷达所面对的目标有弹道导弹、临空目标、反辐射导弹、常规飞机、直升机等，依次给出这些目标威胁度优先级参数其具体值由事先设定得出。

根据目标速度、航向、高度、类型威胁度可算得目标综合威胁度为：式中λ1,λ2,λ3,λ4为权重系数。

事件截止期dl计算方法：

事件截止期反应了事件紧迫程度，由当前时间指针t，事件请求执行时刻te，事件时间窗大小tw共同决定，其计算式为：

dl＝te+tw-t；te为请求执行时刻；tw为事件时间窗大小；t为当前时间指针。

步骤s204、在设定的再优化时间段内，回溯执行序列中的事件，进行事件执行时间再优化；

具体的，所述事件执行时间再优化采用的再优化模型包括一步回溯模型和两步回溯模型；

所述一步回溯模型根据再优化时间段与事件请求执行时刻之间关系进行回溯再优化；

所述两步回溯模型根据两批事件期望执行时间之间的关系进行回溯再优化。

具体的，在当前要处理的事件为事件i时，所述再优化时间段的起始时间结束时间其中，为事件i-n-1的实际执行时间，n为再优化模型的回溯步数，n＝1或2；为事件i-1请求执行时刻，为事件i-1驻留时间，为事件i-1时间窗大小。

进一步地，所述一步回溯模型包括以下三种情况：

情况1：事件请求执行时间位于再优化时间段之后；即te＞tb-tτ时，此时有：tp＝tb-tτ；其中，te为请求执行时刻，tb为再优化时间段的结束时间，tτ为i事件驻留时间；tp为实际执行时间；

情况2：事件请求执行时间位于再优化时间段之内；即tb-tτ≥te≥ta时，此时有：tp＝te

情况3：事件请求执行时间位于再优化时间段之前；即te＜ta时，此时有：tp＝ta。

进一步地，所述两步回溯模型根据回溯两步得到的两批事件期望执行时间是否重合分为两种情况，即与为a、b两批事件的请求执行时刻，为a事件驻留时间；

具体包括以下情况：

情况1：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段后，即且此时有：为a、b两批事件的实际执行时间，为b事件驻留时间；

情况2：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段内，即且此时有：

情况3：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段外，即且此时有：

情况4：两批事件期望执行时间不重合，且事件请求执行时间位于待优化时间段前，即且此时有：

情况5：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段后，即且此时有：

情况6：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段中，即且此时有：

情况7：两事件期望执行时间重合，事件请求执行时刻位于待优化时间段前，即且此时有：

步骤s205、重复步骤s202至s204，直至本调度间隔结束。

步骤s3、对于本调度间隔未写入执行序列的事件，判断是否满足下个调度间隔，满足则延迟到下一调度间隔等待下一次优化，否则删除。

具体的，判断剩下事件是否满足下个调度间隔，其判别式为：若某批事件满足上式时意味着该事件将进入下个调度间隔进行再调度；反之不满足下个调度间隔，该批事件将被删除。

更为具体的，为更加便于实现本实施例中的多功能相控阵雷达任务调度方法，本实施例中还给出了更为细节的实现流程，如图3所示，包括以下步骤

步骤s1、建立事件请求模型。调取当前调度间隔内事件请求新序列与上个调度间隔内的延迟序列。

步骤s2、初始化，置时间指针t＝0，执行序列中事件数目i＝0，再优化时间段起始时间ta＝0，结束时间tb＝0。

步骤s3、判断t时刻是否存在满足资源约束事件；若存在，计算其综合优先级，将综合优先级最高事件记为事件j并进入步骤s4；反之进入步骤s9。

步骤s4、判断若是，将事件j写入执行序列，令i＝i+1，进入步骤s5；反之进入步骤s10。

步骤s5、判断i<n，若是返回步骤s3；反之进入步骤s6；其中n为回溯步数，根据所采用回溯模型得出。

步骤s6、生成再优化时间段[ta,tb]，其中

步骤s7、“回溯”执行序列中事件i-n-1至事件i-1，并在再优化时间段[ta,tb]内使用上述再优化模型对这些事件进行再优化。

步骤s8、令并返回步骤s3。

步骤s9、令t＝t+δt，判断t＜tsi，若是返回步骤s3，反之进入步骤s10。其中δt为最小调度步进，由雷达性能决定。

步骤s10、判断剩余事件是否满足te+tw-tτ≥tsi；若是，写入延迟序列，反之写入删除序列。

步骤s11、结束调度。

为验证本实施例中方法的效果，与传统基于时间指针算法(回溯步数n＝0时，简称：指针法)进行比较，其中本方法又分为基于一步回溯策略调度算法(回溯步数n＝1时，简称：一步回溯法)、基于两步回溯策略调度算法(回溯步数n＝2时，简称：两步回溯法)两种；分别利用调度成功率(ssr)、时间偏移率(tsr)两项指标进行评价，调度结果如图4～图6所示，ssr与tsr表达式分别为：

ssr:

tsr：

由图4可以看到，三种算法ssr几乎完全一致，均随参与调度事件数目增多呈下降趋势，可见是否采用回溯策对ssr没有影响。由图5可以看出，当参与调度事件数目较少时指针法tsr较高，随着参与事件数目增多tsr逐渐下降，并最终稳定在一常值附件；基于回溯策略的调度算法调度结果与指针法相反，当参与调度事件数目较少时tsr较低，随着事件数目增多tsr呈上升趋势，且一步回溯法上升速率高于两步回溯法，这是由于随着事件数目增多，雷达资源处于接近饱和状态几率增大，因此两步回溯策略效果由于一步回溯策略，随着事件数目进一步增多，雷达资源处于饱和状态，难以形成有效待优化时间段，因此三种算法效果趋于一致。

由图6可以看出三种算法耗时变化规律近乎一致，均随参与调度事件数目增多呈减少趋势，当达到某一“临界值”后算法耗时几乎维持不变，仅有缓慢上升；这是由于当参与调度事件数较少时当前时间指针下有较大概率不存在待调度事件，此时时间步进仅为δt，完成调度所需步数较多，当事件数目增多时，当前时间指针下有较大概率存在待调度事件，此时时间步进为tτ，大大减小了调度步数，因此算法耗时显著降低，当事件数目达到“临近值”后，雷达资源利用趋于饱和，调度步数趋于固定，因此算法耗时没有大幅变化。比较三种算法耗时可以看出与传统算法相比，回溯法耗时有一定程度上升，但三种算法基于本文平台调度时算法耗时均为毫秒级，能够满足实际需求。

综上所述，本发明提出了一种基于回溯策略的相控阵雷达调度算法，该方法可以实现相控阵雷达资源管理，并提高雷达资源系统的利用率，更充分有效利用雷达资源，提升雷达效能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。