CN110717651B - 基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法，属于雷达任务规划技术领域。针对相控阵雷达感知太空态势任务优化编排调度问题，建立可变数据率的空间目标任务规划模型，提出一种相控阵雷达任务调度方法，基于当前任务调度负载情况，当可观测范围内目标数大于雷达负载上限时，利用相控阵雷达波束灵活调度和数据率可变特点，通过在任务规划过程中自适应调整观测任务数据率，对雷达时间资源进行重新优化分配，以便合理安排雷达对过境空间目标的观测时间段。

Description

基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法

技术领域

本发明涉及一种雷达任务规划技术，特别是一种基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法。

背景技术

太空态势感知系统是战略预警体系的重要组成部分，是获取空间目标信息的重要手段，其能力是衡量一个国家空间作战能力和综合国力的主要指标之一。

太空态势感知系统主要用于对地球轨道上运行的人造目标(包括：己方、友方和敌方的各类卫星、空天飞机、报废的卫星、运载火箭、火箭末级、空间碎片以及弹道导弹等)进行发现、跟踪、测量、轨道计算和编目、属性判别，建立并维持空间目标编目数据库，及时发现空间目标的异常事件(包括：新目标发射，在轨目标的轨道机动，空间目标交汇、碰撞或者解体，空间目标陨落等)，为太空态势感知、空间资产安全防护以及空间攻防对抗等战略任务提供信息保障，为弹道导弹预警系统星弹分类提供信息支持，支持重点航天任务保障、应急突发事件、空天武器试验以及空间环境监测和天体研究等科学试验。

大型地基相控阵雷达属于国家的战略资源，具有作用距离远、跟踪目标多、数据率高且可变、自适应能力强等特点，具备全天候、全天时观测能力，是实现太空态势感知任务主要装备之一。相控阵雷达任务规划旨在通过合理规划，充分利用雷达测量资源，优化计划组织方式，完成尽可能多的观测任务。任务规划是相控阵雷达系统性能发挥和资源合理利用的关键，直接影响了各项太空态势感知任务(包含空间目标的发现、跟踪、测量、轨道计算和编目、分类识别等)执行效果。因此研究太空态势感知相控阵雷达的任务规划方法，对提高相控阵雷达资源合理利用和感知太空目标的效能有着重要的意义。

针对相控阵雷达探测空间目标任务规划问题，已经有一些文章进行了研究。文献一“空间探测相控阵雷达系统中的任务规划算法,系统工程与电子技术,2007,29(10):1631-1634”较早地针对该问题进行了研究，建立了观测任务模型和观测任务资源占用模型，并提出了一种多任务并行截止期越早越优先(MTPEDF)调度算法解决搜索任务和跟踪任务规划问题。文献二“基于非精确计算的空间探测相控阵雷达任务规划算法,飞行器测控学报,2007,26(3):18-24”在MTPEDF算法任务模型基础上，建立了一种非精确计算任务模型，提出了一种多任务并行的实时容错调度算法来解决空间目标搜索和跟踪任务规划问题。然而，文献一提出的算法中任务的观测时间是个定值，即雷达系统一旦执行该任务，就必须完全执行这一固定时间长度的观测，这和相控阵雷达波束可瞬时切换，观测数据率可自适应变化等特点相违背，因而在实际应用中不够灵活。文献二在文献一的基础上改进了观测任务模型，将观测时间分为前后两部分，一部分为强制执行部分，另外一部分为可选执行部分，从而建立了可变观测时长的观测任务模型。文献二虽然在一定程度上解决了文献一固定观测时长问题，提高了空间目标观测任务过载情况下的规划成功率，但将观测时间分为强制执行部分和可选执行部分，这两部分时间长度的确定在实际雷达任务规划调度中不方便设计，缺乏一定的理论支撑，并且强行将观测时段切分为前后两段，在实际波束调度应用中仍然不够灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法，包括以下步骤：

步骤1，对于一时间段内L个空间目标观测弧段产生的M个观测任务，建立第i个观测任务的模型

其中，t_ia为任务开始时间，t_id为任务截止时间，Δt_io为任务观测时长，Δt_id为观测目标所采用的波束驻留时长，

为观测目标可选用的一组观测间隔，J为观测间隔个数，p_i为任务优先级；

步骤2，获取待规划任务集P＝{Task_i}_i＝1...M，设置每个任务的初始观测间隔为最小观测间隔，M为观测任务个数；

步骤3，对P中任务进行规划处理：

按照优先级由高到低从P中依次获取开始时间已经到达的任务，若系统资源可以执行该任务，则将任务移到可执行队列，该任务规划成功；

若系统资源不够执行该任务，通过对可执行队列中任务进行降数据率观测，释放部分系统资源，直到满足待执行任务所需资源；

若降低数据率仍然不能满足待执行任务需求，则推迟该任务等到可执行队列中任务结束并释放其占有的系统资源再重新规划处理；

若任务超时仍然未能执行，则将任务移到超时任务集中，该任务规划失败。

进一步地，步骤1中对于观测任务任务i，在其观测时间内雷达资源占用率为：

其中，Δt_id为波束驻留。

进一步地，对P中任务进行规划处理具体步骤为：

步骤3.1，从P中获取超时任务，并将其任务移入到超时任务集D中；

步骤3.2，从P中获取开始时间已经到达任务，并将其移入到任务集S中；

步骤3.3，将S按照任务优先级降序排列为任务队列T，令任务序号n＝1；

步骤3.4，从T中获取任务n；

步骤3.5，判断任务n是否可执行，若任务n所需雷达资源小于当前雷达剩余资源，则转步骤3.6，否则转步骤3.11；

步骤3.6，将任务n从T中移入到执行队列E中，代表任务n规划成功，系统剩余资源减少任务n占有的资源；

步骤3.7，判断n是否等于T中总任务数N，若T中任务均规划处理过，则转步骤3.8，否则转步骤3.10；

步骤3.8，将E中已结束任务移入到队列O中，并释放已结束任务所占用的系统资源；

步骤3.9，判断P是否为空，若是则任务规划结束，所有待规划任务均被规划处理过，否则转步骤3.1；

步骤3.10，n＝n+1，转到步骤3.4；

步骤3.11，令任务序号k＝K，K为E中总任务数；

步骤3.12，从E中获取任务k；

步骤3.13，根据任务可选观测间隔集

降低任务k的观测数据率，并释放降低数据率带来的对应系统资源；

步骤3.14，判断任务n是否可执行，若是，则转步骤3.6，否则转步骤3.15；

步骤3.15，判断k是否等于1，即是否E中所有任务均已变过观测数据率，若是则转步骤3.16，否则转步骤3.18；

步骤3.16，还原E中任务数据率，并恢复占有相应资源；

步骤3.17，将任务n推迟执行，重新移入到待规划任务集P中，转步骤3.7执行；

步骤3.18，k＝k-1，转到步骤3.12。

本发明提出的方法得到的结果明显优于常规任务规划方法，在搜索资源占用较少，跟踪资源较为充裕时，本发明提出的方法可以保证所有任务的执行，同时保证任务按照期望的时刻执行；随着跟踪资源的不断减少，任务请求量保持不变的情况下，系统严重过载，常规任务规划方法的规划性能显著下降，而本发明提出的方法通过降低执行任务的数据率，释放其占有的部分资源，保证了更多的任务能够按照预期时刻执行，进而保证了规划性能在系统过载条件下仍然优于常规的方法。

附图说明

图1为任务规划总体流程图。

图2为波束驻留时长和观测间隔关系示意图。

图3为获取超时任务流程图。

图4为获取时间已到达任务流程图。

图5为已结束执行任务处理流程图。

图6为在通过常规任务规划方法和本发明方法分别得到的任务规划成功率对比图。

图7为在通过常规任务规划方法和本发明方法分别得到的任务时间偏移率对比图。

具体实施方式

本发明的总体流程图参见图1，下面对本发明实施例作详细描述：

步骤1：空间目标观测任务规划问题建模。

针对[T₁,T₂]时间段内L个空间目标观测弧段产生的M个观测任务，第i(1≤i≤M)个待规划任务建模为Task_i＝{t_ia,t_id,Δt_io,Δt_id,{rt_i ^j}_j＝1...J,p_i}，其中t_ia为任务开始时间，t_id为任务截止时间，Δt_io为任务观测时长，Δt_id为观测目标所采用的波束驻留时长，

为观测目标可选用的一组观测间隔(目标观测间隔倒数为目标观测数据率)，p_i为任务优先级；

基于上述模型，对于规划任务i，根据采用的观测间隔不同，其占用的雷达系统资源也不同。任务i在其观测时间内雷达资源占用率为：

在实际的目标探测中，任务i采用的波束驻留Δt_id时间根据其采用的波形决定。波形不同，波束驻留时长也不同，例如探测远距离目标需要使用的长波束驻留波形，近距离目标使用短波束驻留波形。从雷达资源占用率公式和图2可以看出，当采用较大观测间隔，即较低观测数据率时，任务所占用的雷达资源将降低。

任务规划问题描述如下：

在[T₁,T₂]时间段内，对于进入相控阵雷达探测范围内的空间目标，如何合理安排雷达时间资源对空间目标进行观测。主要面临三个实际问题：(1)对第i个观测任务，如何在[t_ia,t_id]中选择合适的观测时长进行雷达观测？(2)当某些时刻，雷达探测范围内目标数量过多，超过雷达能观测的目标数时，如何选择目标开展观测？(3)如何选择观测数据率对目标进行观测，尤其是在雷达资源不足以应对观测需求时？

步骤2：获取待规划任务集。

根据空间目标编目数据库中目标轨道根数，能够计算出空间目标未来某一时刻的位置和速度信息，结合相控阵雷达的探测空域，则可以预测出目标进入、离开时刻以及雷达可观测时长，进而可获得待规划的观测任务集P＝{Task_i}_i＝1...M。设置每个任务的初始观测间隔为最小观测间隔，即设置为最大观测数据率，在任务初始观测时，采用较高观测数据率，有助于快速对目标进行稳定观测。在本实施例中，假设对于任意任务i均有两个可选观测间隔

且

任务i初始采用

观测间隔。任务参数中任务优先级可以人工根据战略目标事先设定，也可以根据目标的实时探测精度、任务的紧迫性、目标类型以及结合人工初始设置的初值等自适应改变。

步骤3：对待规划任务进行规划处理。

(1)从P中获取超时任务，并将其任务移入到超时任务集D中，获取超时任务具体流程参见图3，其中t_c为当前任务规划时刻，M为P中任务总数：遍历P中任务，逐一判断待规划任务在当前时刻离其截止时间所剩时间是否满足任务观测时长需求，若不满足，则将该任务移入超时任务集，代表该任务规划失败，否则不做任何处理；

(2)从P中获取开始时间已经到达任务，并将其移入到任务集S中，具体流程参见图4：遍历P中任务，逐一判断待规划任务的开始时间是否小于在当前任务规划时刻t_c，若是，则代表该任务规划开始时间已到，可以规划执行，否则不做任何处理；

(3)将S按照任务优先级降序排列为待执行任务队列T，令任务序号n＝1。任务优先越大，则代表了该空间目标观测任务越重要。优先级越高的任务应该优先执行。

(4)从T中获取任务n；

(5)判断任务n是否可执行，即任务n所需雷达资源

是否小于当前系统剩余资源η_s，初始雷达资源η_s＝1，若是，则执行步骤(6)，否则执行步骤(11)；

(6)将任务n从T中移入到执行队列E中，代表任务n规划成功，系统剩余资源减少任务n占有的资源，即系统资源为

同时设置任务n实际开始时间t_is为t_is＝t_c和预期结束时间t_ie为t_ie＝t_c+Δt_io；

(7)判断n是否等于T中总任务数N，即T中任务是否均规划处理过，若是，则执行步骤(8)，否则执行步骤(10)；

(8)对E中已结束任务进行处理，详细处理流程参见图5，其中|E|为集合E的任务数量：首先判断待执行任务队列T是否已全部规划成功，若全部规划成功，则从待规划任务集P中找出开始时间最小的时刻t_min，将E中预期结束时间小于或等于t_min的所有执行任务结束执行，移入已结束执行队列集O中，并且释放这些任务所占有的雷达资源，将当前时刻t_c设置为t_c＝t_min。若T中任务未全部规划成功，则从E中获得最小结束时间任务i，将任务i结束，移入已结束执行队列集O中，并释放任务i所占用的雷达资源，同时将当前时刻t_c设置为t_c＝t_min；

(9)判断P是否为空，若是，则任务规划结束，所有待规划任务均被规划处理过，集合E和集合O中的任务合集为最终规划执行任务集，否则执行步骤(1)；

(10)n＝n+1，转到步骤(4)；

(11)令任务序号k＝K，K为E中总任务数；

(12)从E中获取任务k；

(13)由于本实施例中假设任务只能变换一次数据率，则将任务k的观测间隔变换为

并释放降低数据率带来的对应系统资源，雷达系统资源将增加为

(14)判断任务n是否可执行，即判断

是否成立，若是，则转到步骤(6)执行，否则执行步骤(15)；

(15)判断k是否等于1，即是否E中所有任务均已变过观测数据率，若是，说明了将正在执行的任务降低数据率释放的资源仍然不能够满足任务n的需求，则执行步骤(16)，否则执行(18)；

(16)还原E中任务数据率，将步骤(13)中变换过的观测间隔的所有任务k，恢复其观测数据间隔

并恢复占有相应资源，基于公式

恢复原雷达资源占用情况；

(17)将任务n推迟执行，重新移入到待规划任务集P中，转步骤(7)执行；

(18)k＝k-1，转到步骤(12)。

将本发明的方法与现有的MTPEDF算法得到的任务规划结果进行对比，以说明本发明的有效性。仿真条件：假设某相控阵雷达在对某天6时至9时时段观测任务开展规划，观测任务数为3000，观测任务最小时长为1分钟，最大时长为3分钟，观测时刻和观测时长选取满足随机分布，雷达有两类观测任务，一类为搜索，另外一类为对目标进行跟踪，假定在一次任务规划中搜索类任务所占用雷达时间资源固定，任务规划重点对3000个目标跟踪任务开展规划，每个跟踪波束驻留时长均为50ms，每个雷达的跟踪间隔数量J＝2，取值为1.0s和2.0s。MTPEDF算法仿真中跟踪间隔取值为1.0s。

任务规划成功率定义为依据该方法在雷达资源约束条件下所能安排的观测任务数目与所有观测任务申请数目的比值，其表达式为：

ξ＝N_excute/N

其中N_excute为规划执行的任务，N为总任务数。

任务时间偏移率为任务实际执行时刻偏离期望开始刻的偏离时长占期望跟踪时长的比率，其表达式为：

其中t_is为雷达任务实际执行时刻，t_ia为雷达任务期望开始时刻，t_id为雷达任务期望结束时刻。

图6为在不同的可用跟踪资源条件下，常规任务规划方法(MTPEDF方法)和本发明方法的调度成功率。图7为在不同的可用跟踪资源条件下，常规任务规划方法(MTPEDF方法)和本发明提出方法的任务时间偏移率。从图中可以看出，当搜索资源占用较少，即跟踪资源较充裕条件下，两种方法的性能都相对较好，但随着跟踪资源的减少，两种方法的性能都有所下降。而本发明提出的方法得到的结果明显优于常规任务规划方法，在搜索资源占用较少，跟踪资源较为充裕时，本发明提出的方法可以保证所有任务的执行，同时保证任务按照期望的时刻执行；随着跟踪资源的不断减少，任务请求量保持不变的情况下，系统严重过载，常规任务规划方法的规划性能显著下降，而本发明提出的方法通过降低执行任务的数据率，释放其占有的部分资源，保证了更多的任务能够按照预期时刻执行，进而保证了规划性能在系统过载条件下仍然优于常规的方法。

Claims (3)

1.一种基于变数据率的太空态势感知相控阵雷达任务规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对于一时间段内L个空间目标观测弧段产生的M个观测任务，建立第i个观测任务的模型

其中，t_ia为任务开始时间，t_id为任务截止时间，Δt_io为任务观测时长，Δt_id为观测目标所采用的波束驻留时长，

为观测目标可选用的一组观测间隔，J为观测间隔个数，p_i为任务优先级；

步骤2，获取待规划任务集P＝{Task_i}_i＝1...M，设置每个任务的初始观测间隔为最小观测间隔，M为观测任务个数；

步骤3，对P中任务进行规划处理：

按照优先级由高到低从P中依次获取开始时间已经到达的任务，若系统资源可以执行该任务，则将任务移到可执行队列，该任务规划成功；

若系统资源不够执行该任务，通过对可执行队列中任务进行降数据率观测，释放部分系统资源，直到满足待执行任务所需资源；

若降低数据率仍然不能满足待执行任务需求，则推迟该任务等到可执行队列中任务结束并释放其占有的系统资源再重新规划处理；

若任务超时仍然未能执行，则将任务移到超时任务集中，该任务规划失败。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中对于观测任务任务i，在其观测时间内雷达资源占用率为：

其中，Δt_id为波束驻留。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对P中任务进行规划处理具体步骤为：

步骤3.1，从P中获取超时任务，并将其任务移入到超时任务集D中；

步骤3.2，从P中获取开始时间已经到达任务，并将其移入到任务集S中；

步骤3.3，将S按照任务优先级降序排列为任务队列T，令任务序号n＝1；

步骤3.4，从T中获取任务n；

步骤3.5，判断任务n是否可执行，若任务n所需雷达资源小于当前雷达剩余资源，则转步骤3.6，否则转步骤3.11；

步骤3.6，将任务n从T中移入到执行队列E中，代表任务n规划成功，系统剩余资源减少任务n占有的资源；

步骤3.7，判断n是否等于T中总任务数N，若T中任务均规划处理过，则转步骤3.8，否则转步骤3.10；

步骤3.8，将E中已结束任务移入到队列O中，并释放已结束任务所占用的系统资源；

步骤3.9，判断P是否为空，若是则任务规划结束，所有待规划任务均被规划处理过，否则转步骤3.1；

步骤3.10，n＝n+1，转到步骤3.4；

步骤3.11，令任务序号k＝K，K为E中总任务数；

步骤3.12，从E中获取任务k；

步骤3.13，根据任务可选观测间隔集

降低任务k的观测数据率，并释放降低数据率带来的对应系统资源；

步骤3.14，判断任务n是否可执行，若是，则转步骤3.6，否则转步骤3.15；

步骤3.15，判断k是否等于1，即是否E中所有任务均已变过观测数据率，若是则转步骤3.16，否则转步骤3.18；

步骤3.16，还原E中任务数据率，并恢复占有相应资源；

步骤3.17，将任务n推迟执行，重新移入到待规划任务集P中，转步骤3.7执行；

步骤3.18，k＝k-1，转到步骤3.12。

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