CN114237842A - 基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法。该方法的主要流程：首先生成时间轴上的任务请求队列，初始化时间指针；从请求队列中删除最晚可执行时间小于时间指针的任务；判断请求队列中是否存在最早可执行时间小于或等于时间指针的任务，若无，更新时间指针重复以上判断，若有形成任务判断列表；再计算判断列表中每个任务此时的时间偏差和截止期差值，通过典型参数限定的方法选取任务执行，若均不满足参数限定的条件则更新时间指针进行以上判断，若满足则写入执行队列、更新时间指针并从任务请求队列中删除；当请求队列为空或时间指针超出时间轴范围时，结束调度任务。本发明较传统调度方法可提高平均5％的调度成功率、改善执行时间偏移性能因子1.75dB，有效的实现了调度成功率和执行时间偏差之间的平衡。

Description

基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法

技术领域

本发明应用于相控阵雷达资源管理技术领域，特别涉及基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法

背景技术

相控阵雷达阵列天线在微秒量级上的波束捷变能力，使之可以在搜索的同时，执行对多个目标的跟踪、制导、验证等任务，具有多功能的特点。由于任务的多样性，存在多个任务请求同一时间片段执行的情况；这就要求能根据不同任务的请求参数、时间资源约束，来决定如何调度任务请求，使相控阵雷达的时间资源利用率和任务调度执行率均达到最优状态。灵活高效的任务调度策略是发挥相控阵雷达强大性能的基础，也是其系统设计的核心问题之一。目前，自适应调度策略因其能动态地满足复杂环境和多变的任务需求，已逐步成为任务调度研究的主要方面。基于时间指针的调度策略技术成熟、时效性高，但仅针对时间指针所在调度间隔进行任务分析，若任务分布不均匀很容易造成时间资源的浪费。改进调度间隔的时间指针打通不同的调度间隔，从整个时间轴上考虑任务的执行，提高了任务调度执行率，但也因此加剧了任务的执行偏移度。而对于高优先级任务例如验证及跟踪，不仅需要尽量保证可执行，还要尽量保证在任务的期望执行时间附近执行，否则跟踪精度下降，可能引发“失跟”现象。

发明内容

本发明针对上述时间指针自适应调度策略在资源管理中的不足以及综合考虑高优先级任务的时间偏移度代价，提出一种基于典型参数限定的自适应任务调度方法；不仅保证了较高的调度成功率与时间资源利用率，同时大幅度降低了任务的执行时间偏移率，提高了雷达的性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：在进行调度任务选择时，选取整个时间轴上满足时间指针要求的任务集合，从而可以更好的利用时间资源；为了不造成高优先级任务的执行时间偏差过大，在对满足要求的任务进行选择时基于优先级、任务执行偏差度和截止期之差三个典型参数进行限定；首先判断是否存在高优先级任务且截止期与时间指针相近的任务，若有则调度执行，更新时间指针并从任务申请队列中删除；若不满足再判断是否存在高优先级任务且执行时间偏差度在允许范围内的，若有则调度执行；再依次判断是否存在较高优先级任务且截至期相近或偏差度较小的，若均不存在，最后再依据优先级优先、若优先级相同，选择截止期优先(工作方式优先级)的低优先级任务调度执行；若以上均不满足，则更新时间指针进行下一轮次的判断；当任务申请队列为空或时间指针超出截至时间，则调度任务完成。因而本发明技术方案为基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：获取待调度任务集合：T＝[T₁,T₂,...,T_N]、起始时刻t₀、截至时刻t₁、初始化时间指针tp＝t₀；

步骤2：将待调度任务集合T中最晚可执行时间小于tp的任务从T中删除；

步骤3：判断待调度任务集合中是否存在最早可执行时刻小于或等于tp的任务，若存在生成任务判断队列T^*并转至步骤4，若不存在，令tp＝tp+1，转至步骤2；

步骤4：利用步骤3得到的任务判断队列，对其中任务进行典型参数限定法，若存在任务P_i ^*可调度执行，则令

同时从待调度集合中删除任务P_i ^*，转至步骤5；

步骤4.1：将待调度任务集合T中的任务优先级进行去重排序，得到n_p个不同的优先级，且优先级列表为：

其中P_m为所有优先级的中位数；步骤4.2：先判断T^*中是否存在P_i≥P₂且β_i≤20的任务，若有，取其中β最小的任务在tp时刻执行，若min(β)对应多个任务，则按照工作方式优先级准则选取任务执行，同时结束此次对任务判断序列的选择；

β_i＝wt_i+lt_i-tp

其中，wt_i表示任务的请求执行时刻，lt_i表示任务的时间窗，β_i代表任务的最晚可执行时间与时间指针之差；

步骤4.3：若步骤4.2未选择出应执行的任务序列，继而判断T^*中是否存在P_i≥P₂且α_i≤0.3的任务；若有，按照工作方式优先级准则选取任务执行，并结束此次选择，若没有转至步骤4.4，其中，α_i代表任务的执行时间偏差度；

步骤4.4：判断T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且β_i≤20的任务，若有，取其中β最小任务在tp时刻执行，若min(β)对应多个任务，则按照工作方式优先级准则选取任务执行，并结束此次选择，若没有转至下一步骤；

步骤4.5：判断T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且α_i≤0.6的任务，若有，按照工作方式优先级准则选取满足条件的任务执行，并结束此次选择，若没有转至下一步骤；

步骤4.6：对任务判断序列T^*中其他优先级任务，即T_i∈T^*,有P_i＜P_m，直接按照工作方式优先级准则进行任务选择，确定执行任务后，结束此次参数限定方法；若不存在满足条件的任务，则令tp＝tp+1，转至步骤2；

步骤5：判断此时待调度队列T是否为空，若为空，则该时间轴上的任务调度完成，若不为空，进行下一步骤；

步骤6：判断时间指针tp是否大于或等于结束时刻t₁，若满足，则取待调度任务集合T中最晚可执行时间大于t₁的任务放入延迟列表中，等待下一时刻调度执行，其他任务放入删除列表中，并完成此时间轴上的调度；若不满足，转至步骤2；

其中，η_i衡量任务的调度属性。

进一步的，所述步骤1中每个任务的请求模型为T_i＝{P_i,wt_i,Δt_i,lt_i,η_i,st_i}；其中，P_i为任务的优先级，wt_i是任务的期望执行时刻，由上一任务的执行时间、采样间隔及更新周期决定；Δt_i为任务驻留时长；lt_i为时间窗，由雷达波门、任务类型、目标速度共同决定，st_i是任务的实际执行时间，此两项由调度算法给出；

进一步的，所述步骤4.2中利用的工作方式优先级准则为工作方式优先级越高的任务越优先调度，若任务优先级相同，则选取截止期最早的任务调度；并且，先将准则的适用范围限定在高优先级且截止期相近的任务区间内，以保证高优先级任务的执行，步骤4.2中任务选取的数学模型为：

T_min＝{min(β_i)|P_i≥P₂,β_i≤20ms}

其中，Np_i代表任务T_i在最小截止期队列T_min优先级从高到低排列的序号，Nd_i代表任务在最小截止期队列T_min截止期从小到大的排列的序号，Q为T_min中的任务数量，T_ex代表本次调度执行的任务请求，η_ex表示此任务的调度属性，st_ex表示此任务的实际执行时间。

进一步的，所述步骤4.3中将工作方式优先级准则限定在高优先级且期望执行时间偏差较小的任务序列内，以平衡高优先级任务的调度率和执行时间偏差，使得高优先级任务尽可能在期望执行时间附近被调度，任务选取的数学模型为：

本发明由于将任务的优先级、截止期和偏差度三个典型参数结合起来引入到时间指针的任务选择过程中，可以实现在不牺牲高优先级任务执行时间偏差度的情况下达到高效的时间资源利用和任务调度执行，较原方案改善执行时间偏移度1.75dB。同时本发明也结合改进调度间隔的时间指针方法，打通不同调度间隔(SI)之间的任务调度，使得请求任务数较少的前一调度间隔内可以容纳后一任务量较多的任务请求，进一步提高了任务的调度执行比例。

附图说明

图1是本发明的相控阵雷达自适应调度流程图；

图2是本发明与另外两种调度算法在不同任务数的任务调度率对比图；

图3是本发明与另外两种调度算法在不同任务数的时间资源利用率对比图；

图4是本发明与另外两种调度算法的不同任务数的平均时间偏差度对比图；

图5是本发明在1s内，总任务数量为140时的调度效果图；

图6是对本发明在任务调度的时间偏差度上的改善图例说明。

具体实施方式

以下将针对本文的发明内容结合附图和具体实施例进行详细阐述，以便于更好地体现出本发明的技术要点。本发明是基于典型参数限定的相控阵雷达自适应调度算法，实施步骤流程如图1所示，各步骤具体按照以下方式实施：

步骤1：获取该时间轴的任务请求队列T＝[T₁,T₂,...,T_N]，起始时刻t₀、结束时刻t₁，时间间隔SI。

步骤1.1：对每个波束驻留任务而言，均有以下参数，分别为任务优先级、期望执行时间、任务执行时间长度、驻留时间窗、任务调度属性及实际执行时刻。在波束调度排列中，除任务调度属性和实际执行时刻以外其余任务参数均已知，本实施例中所使用的任务类型及对应参数如表1所示；

T_i＝{P_i,wt_i,Δt_i,lt_i,η_i,st_i}

P_i为任务的优先级，本发明不限制优先级的选取方式，可根据任务类型分配，也可由目标类型、径向速度与机动程度综合决定；

步骤1.2：初始化时间指针tp＝t₀；

步骤1.3：对任务请求队列T中的优先级进行去重排列，共有n_p个不同的优先级个数，其中优先级的中位数记为P_m；

步骤2：从请求队列T中取出最晚可执行时间小于tp的任务，同时送入删除链表并从请求队列中将其删除；

{η_i＝-1|wt_i+lt_i＜tp}

步骤3：判断任务请求队列T中是否存在最早可执行时间小于或等于tp的任务，若有，将其全部取出形成任务判断列表

若没有，则令tp＝tp+1并转至步骤6；

步骤4：对任务判断列表T^*进行典型参数限定的方法，得到时间指针的下一指向时刻以及任务的执行属性，同时从请求队列T中删除根据典型参数限定法选取的执行任务；

步骤4.1：计算任务判断列表T^*中每个任务对应的执行时刻偏差度α_i和截止期差值β_i，并形成对应序列；

β^*＝[β₁,β₂,...,β_N],β_i＝wt_i+lt_i-tp

步骤4.2：由于除了希望高优先级任务在期望执行时刻附近执行之外，要先尽量保证高优先级任务能被调度执行。因此先判断序列中是否存在高优先级任务且截止期差值较小的驻留任务，若有，则为此时刻的执行任务。具体而言，先判断T^*中是否存在P_i≥P₂且β_i≤20ms的任务，如果有，则取符合要求的min(β_i)任务执行，若最小值相同，则选择最高优先级的任务执行，若有最高优先级有多个，则取截止期最小的在tp时刻执行，这也是经典的工作方式优先级准则。调度数学模型如下所示，其中Np_i、Nd_i代表优先级、截止期从高到低、从小到大的排列序号，Q代表满足要求的总请求数。同时更新时间指针tp，转至步骤5；若不存在满足要求的任务，转至步骤4.3；

T_min＝{min(β_i)|P_i≥P₂,β_i≤20ms}

tp＝tp+Δt_ex

步骤4.3：判断是否存在高优先级任务且执行时刻偏差在一定范围内的，具体而言，T^*中是否存在P_i≥P₂且α_i≤0.3的任务，若存在，按照工作方式优先级准则选取符合条件的任务在tp时刻调度执行，转至步骤5；若不存在转至步骤4.4；

tp＝tp+Δt_ex

步骤4.4：对于较高优先级的任务，也先尽量保证在截止期内被调度执行。即T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且β_i≤20ms的任务，若有，取符合要求的min(β_i)任务执行，若多个任务拥有相同最小值，按照工作方式优先级准则选取任务在tp时刻执行，并更新时间指针，转至步骤5，若没有，转至步骤4.5；

T_min＝{min(β_i)|P_m≤P_i≤P₂,β_i≤20ms}

tp＝tp+Δt_ex

步骤4.5：判断T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且α_i≤0.6的任务，若有，依据工作方式优先级准则选取任务在tp时刻执行，并更新时间指针，转至步骤5，若没有，进行步骤4.6；

tp＝tp+Δt_ex

步骤4.6：对低优先级任务而言，执行时间偏差的敏感度较低，只要满足时间窗要求即可调度执行。因此，若对判断序列以上条件均不满足，则取T^*中P_i＜P_m的任务，按照工作方式优先级准则选取tp时刻调度执行的任务，进入下一步骤；若以上条件不满足，同时也无符合P_i＜P_m的任务，则此时不执行任务，令tp＝tp+1转至步骤6；

步骤5：经过上述将不符合时间要求和已调度任务从任务申请队列T中删除后，判断申请链表是否为空，若

则此时间轴上的任务调度完成，否则转至步骤6；

步骤6：判断时间指针是否满足tp≥t₁，若满足，将任务申请队列T中最晚可执行时间大于t₁的任务放入延迟队列，其余任务放入删除队列中，同时结束该时间轴上的任务调度；若不满足，转至步骤2；

为验证本实施例中方法的效果，与传统时间指针方法(仅取该调度间隔内任务进行调度属性确定)、改进调度间隔的时间指针方法(未使用参数限定法，仅按照工作方式优先级准则选择任务执行)两种自适应调度算法进行比较。

仿真一：评估和比较本发明算法的有效性和优越性。

本仿真评估了本文方法的有效性，分别利用调度成功率(SSR)、时间资源利用率(TUR)、平均期望执行时间偏差度(ARB)三项指标进行评价，三项指标的衡量公式如下，其中N_suc代表调度成功的任务总数，T为总仿真时长。仿真时长为1s，调度间隔为50ms，任务总数以步长10从50个到150个，蒙特卡洛次数为100次，调度结果如图2～4所示。

从实验结果可看出，本文方法在任务调度率和时间资源利用率上的表现接近于改进调度间隔的时间指针方法，调度有效性明显优于传统时间指针；同时本文算法能大幅度降低改进调度时间指针带来的平均执行时间偏差。实验结果证明了本文中提出算法的有效性，能有效平衡任务调度成功率和期望执行时间偏差度，既保证了任务尽可能被调度执行，同时也保证了高优先级任务尽可能在期望执行时间附近调度执行，保证了跟踪的精度要求，有效防止“失跟”现象发生。

仿真二：验证典型参数限定法在本发明中的有效性。

在本仿真中，仿真总时长为1s，调度间隔为50ms，任务总数为140个，不同类型的数量、驻留时长、时间窗等参数信息如表1所示，所有任务在仿真时长内随机产生。实验重复100次，定量实验结果以SSR、TUR和ARB指标汇总在表2。总调度结果如图5所示，图6详细展示了两种算法在0～200ms间的调度差别。从实验结果可看出，在改进调度间隔的时间指针方法中引入典型参数限定思想可改善任务的执行时间偏差，性能改善因子η约为1.75dB。同时从图6可以具体看出本文算法对任务调度执行时刻的优化，对于期望执行时间为35ms的任务A，原方法会让其提前到20ms处执行，损伤了高优先级任务的执行精度；而采用本文方法，可以让对执行偏差不敏感的低优先级任务先执行，使高优先级任务A能在期望时刻执行。

上述说明给出并描述了发明应用的实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

表1.本发明中任务类型及参数设定

任务名称	任务数量	任务优先级	请求驻留时长	请求时间窗
					验证	10	6	10ms	20ms
高精度跟踪	10	5	10ms	20ms
					中精度跟踪	20	4	10ms	20ms
普通跟踪	30	3	10ms	30ms
					地平线搜索	30	2	10ms	40ms
空域搜索	40	1	5ms	50ms

表2.本发明的算法与其他两种算法的调度性能比较

Claims (4)

1.基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：获取待调度任务集合：T＝[T₁,T₂,...,T_N]、起始时刻t₀、截至时刻t₁、初始化时间指针tp＝t₀；

步骤2：将待调度任务集合T中最晚可执行时间小于tp的任务从T中删除；

步骤3：判断待调度任务集合中是否存在最早可执行时刻小于或等于tp的任务，若存在生成任务判断队列T^*并转至步骤4，若不存在，令tp＝tp+1，转至步骤2；

步骤4：利用步骤3得到的任务判断队列，对其中任务进行典型参数限定法，若存在任务P_i ^*可调度执行，则令

同时从待调度集合中删除任务P_i ^*，转至步骤5；

步骤4.1：将待调度任务集合T中的任务优先级进行去重排序，得到n_p个不同的优先级，且优先级列表为：

其中P_m为所有优先级的中位数；步骤4.2：先判断T^*中是否存在P_i≥P₂且β_i≤20的任务，若有，取其中β最小的任务在tp时刻执行，若min(β)对应多个任务，则按照工作方式优先级准则选取任务执行，同时结束此次对任务判断序列的选择；

β_i＝wt_i+lt_i-tp

其中，wt_i表示任务的请求执行时刻，lt_i表示任务的时间窗，β_i代表任务的最晚可执行时间与时间指针之差；

步骤4.3：若步骤4.2未选择出应执行的任务序列，继而判断T^*中是否存在P_i≥P₂且α_i≤0.3的任务；若有，按照工作方式优先级准则选取任务执行，并结束此次选择，若没有转至步骤4.4，其中，α_i代表任务的执行时间偏差度；

步骤4.4：判断T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且β_i≤20的任务，若有，取其中β最小任务在tp时刻执行，若min(β)对应多个任务，则按照工作方式优先级准则选取任务执行，并结束此次选择，若没有转至下一步骤；

步骤4.5：判断T^*中是否存在P_m≤P_i＜P₂且α_i≤0.6的任务，若有，按照工作方式优先级准则选取满足条件的任务执行，并结束此次选择，若没有转至下一步骤；

步骤4.6：对任务判断序列T^*中其他优先级任务，即T_i∈T^*,有P_i＜P_m，直接按照工作方式优先级准则进行任务选择，确定执行任务后，结束此次参数限定方法；若不存在满足条件的任务，则令tp＝tp+1，转至步骤2；

步骤5：判断此时待调度队列T是否为空，若为空，则该时间轴上的任务调度完成，若不为空，进行下一步骤；

步骤6：判断时间指针tp是否大于或等于结束时刻t₁，若满足，则取待调度任务集合T中最晚可执行时间大于t₁的任务放入延迟列表中，等待下一时刻调度执行，其他任务放入删除列表中，并完成此时间轴上的调度；若不满足，转至步骤2；

其中，η_i衡量任务的调度属性。

2.如权利要求1所述的基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法，其特征在于，所述步骤1中每个任务的请求模型为T_i＝{P_i,wt_i,Δt_i,lt_i,η_i,st_i}；其中，P_i为任务的优先级，wt_i是任务的期望执行时刻，由上一任务的执行时间、采样间隔及更新周期决定；Δt_i为任务驻留时长；lt_i为时间窗，由雷达波门、任务类型、目标速度共同决定，st_i是任务的实际执行时间，此两项由调度算法给出；

3.如权利要求1所述的基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法，其特征在于，所述步骤4.2中利用的工作方式优先级准则为工作方式优先级越高的任务越优先调度，若任务优先级相同，则选取截止期最早的任务调度；并且，先将准则的适用范围限定在高优先级且截止期相近的任务区间内，以保证高优先级任务的执行，步骤4.2中任务选取的数学模型为：

T_min＝{min(β_i)|P_i≥P₂,β_i≤20ms}

其中，Np_i代表任务T_i在最小截止期队列T_min优先级从高到低排列的序号，Nd_i代表任务在最小截止期队列T_min截止期从小到大的排列的序号，Q为T_min中的任务数量，T_ex代表本次调度执行的任务请求，η_ex表示此任务的调度属性，st_ex表示此任务的实际执行时间。

4.如权利要求1所述的基于典型参数限定的相控阵雷达自适应任务调度方法，其特征在于，所述步骤4.3中将工作方式优先级准则限定在高优先级且期望执行时间偏差较小的任务序列内，以平衡高优先级任务的调度率和执行时间偏差，使得高优先级任务尽可能在期望执行时间附近被调度，任务选取的数学模型为：

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