一种面向相控阵组网雷达的任务调度方法与流程

1.本发明属于相控阵组网雷达技术，具体涉及一种面向相控阵组网雷达的任务调度方法。


背景技术：

2.相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能，而且具有其它射频功能。有源电扫阵列的最重要的特点是能直接向空中辐射和接收射频能量。它与机械扫描天线系统相比，有许多显著的优点。例如、相控阵省略了整个天线驱动系统，其中个别部件发生故障时，仍保持较高的可靠性。相控阵雷达与机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化。相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等。相控阵组网雷达由多种相控阵雷达组成，可以完成对多个监视区域的监视任务，在现代军事战争中发挥着重要的作用。
3.为了充分发挥相控阵组网雷达的优势，需要对雷达的资源进行合理规划，雷达资源包括雷达时间轴资源、雷达工作的频谱资源、雷达的能量资源等。然而，从近几年大多数的研究文章可以看出，对于雷达的资源分配主要集中在时间资源上的分配，如果将时间域上的任务调度问题解决了，则空间域、频域上的问题也可以利用同样的方法，通过扩展得到问题的解。
4.一般相控阵雷达所执行的任务跟踪目标有多种，比如无人机、战斗机、导弹，不同的跟踪目标及其飞行状态，有不同的重要程度，因此基于这些先验知识，我们可以给任务不同的优先级。根据对跟踪目标的先验知识，得到任务的期望执行时间，当任务实际执行时间与其期望执行时间产生偏差时，跟踪精度与任务成功率都会降低，因此，任务调度过程要尽量满足跟踪任务对时间资源的要求，提高其调度的及时性。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种面向相控阵组网雷达的任务调度方法，本发明同时考虑任务的优先级与任务的期望执行时间。
6.技术方案：本发明的一种面向相控阵组网雷达的任务调度方法，包括以下步骤：
7.步骤(1)、建立相控阵组网雷达任务调度模型，形式化相控阵组网雷达任务调度效用最大化问题；
8.设定组网雷达网络中有m个相控阵雷达，相控阵雷达执行搜索跟踪任务，每个雷达的搜索跟踪任务i的驻留时间为d(i)＝t(i) w(i) r(i)，t(i)为任务i的发射脉冲持续时间长度，w(i)为任务i的等待脉冲的时长，r(i)为任务i的接收脉冲的时长；在一个调度间隔(t0,t0 t]内，调度器收到n个搜索跟踪任务的任务请求，任务的参数为t(i)＝{p(i),te(i),ta(i),td(i),d(i)},i为任务序号，p(i)为任务优先级，te(i)为任务i的期望执行时刻，ta(i)为任务i的到达时间，td(i)为任务i的截止时间；
9.用tj＝{tj(1),tj(2),
…
,tj(k),
…
,tj(lj)}表示雷达j上的任务执行队列，其中tj(k)表示在雷达j上第k个执行的任务，lj表示雷达j上分配的任务数量，其中pj(k)表示在雷达j上第k个执行任务的优先级，为雷达j上第k个执行任务的期望执行时刻，为在雷达上第k个执行任务的到达时间，为在雷达j上第k个执行任务的截止时间，dj(k)为在雷达j上第k个执行任务的驻留时间；
10.令任务tj(k)的调度效用为其中为在雷达j上第k个执行任务的实际执行时刻，因为按照目标优先级进行资源调度易造成目标任务的丢失，因此将任务的实际执行时刻与其期望执行时刻的偏差考虑到目标函数中，α与β分别表示优先级和执行时刻偏差的权重系数，且满足α＞0,β＞0；
11.形式化相控阵组网雷达任务调度效用最大化问题如下：
[0012][0013]
约束：
[0014][0015][0016]
公式(1)中目标函数表示组网雷达的调度效用是每个任务的调度效用之和，由于每个相控阵雷达在同一时刻只能执行一个任务，因此其任务的调度效用需同时考虑任务的优先级与实际执行时刻和其期望执行时刻的偏差；
[0017]
约束(2)确保在一个雷达上，任务i的实际执行时刻不早于其前一个任务的实际执行时刻加上其驻留时间；
[0018]
约束(3)确保每个任务的实际执行时刻不早于其到达时刻ta(i)，任务i的执行结束时间不晚于其截止时间；
[0019]
约束(4)确保所有任务的执行结束时间不超过调度间隔；
[0020]
步骤(2)、依据相控阵组网雷达任务调度模型，对相控阵组网雷达的追踪任务进行调度，得到任务调度方案，包括以下步骤：
[0021]
步骤(2.1)、将当前的请求追踪任务按照优先级p(i)非递增顺序排列，得到任务序列s；
[0022]
步骤(2.2)、判断任务序列s是否为空，若为空则调度结束，否则继续执行步骤(2.3)；
[0023]
步骤(2.3)、从任务序列s中取出一个任务i，初始化当前任务的最小偏差时间mino为无穷，任务实际执行时刻ts(i)为无穷，设当前考虑的雷达为j＝1，用fi来表示当前任务i是否能在雷达上执行，初始fi＝0；
[0024]
步骤(2.4)、判断当前雷达j是否不大于m，若j＞m，则已遍历完所有雷达，进入步骤(2.7)；若j≤m，则令当前任务i在雷达j上执行的最小偏差时间为o
ij
，初始为无穷，判断当前任务能否在雷达j上执行，即在时间区间[ta(i),min(td(i),t0 t)]内雷达j是否有长度至少为d(i)的连续空闲时间，若能够在雷达j上执行则进入步骤(2.5)，否则进入步骤(2.6)；
[0025]
步骤(2.5)、令fi＝1，设为任务i在雷达j上的实际执行时刻，计算的值，使得雷达j在时间区间[ts(i),ts(i) d(i)]上空闲，并且使得的值最小，令任务i在雷达j上执行的最小偏差时间比较o
ij
与当前任务的最小偏差时间mino，若o
ij
《mino，则更新当前任务的最小偏差时间和任务的实际执行时间，即令mino＝o
ij
，
[0026]
步骤(2.6)、考虑任务i在下一个雷达上的执行情况，令j＝j 1，继续执行步骤(2.4)；
[0027]
步骤(2.7)、判断fi的值，若fi＝0，则表示任务i在所有的雷达上都不能执行，进入步骤(2.8)；若fi＝1，则表示任务i能够执行，将任务i分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
的执行队列上，即j
*
＝arg[min
j＝1,2,
…
,m
(o
ij
)]，若多个雷达对应的o
ij
相等，则将此任务分配到序号较小的雷达执行队列上，执行步骤(2.2)；
[0028]
步骤(2.8)、计算任务i的截止时间td(i)是否大于当前调度间隔的结束时间t0 t，若td(i)＞t0 t，则将此任务放入延迟队列，作为下一个调度间隔的任务，若td(i)≤t0 t，则任务无法执行，将该任务放入删除队列，执行步骤(2.2)。
[0029]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0030]
本发明形式化了以调度效用为目标的相控阵组网雷达的问题；提出调度效用最大化算法，解决了相控阵组网雷达的任务调度问题，时间复杂度为o(mn)。
[0031]
面向相控阵组网雷达的任务调度算法的时间复杂度为o(mn)：对于每个任务，计算其在每个雷达上的最小偏差时间的时间复杂度为o(m)，总共有n个任务。因此，算法的时间复杂度为o(mn)。
附图说明
[0032]
图1为本发明的整体调度流程示意图；
[0033]
图2为本发明的调度结构示意图。
具体实施方式
[0034]
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0035]
相控阵组网雷达的追踪任务调度就是将各个相控阵雷达的时间资源和任务进行匹配，任务调度过程一般按照一定的周期进行调度，在一个调度周期t内，调度器接收输入端的任务请求队列，处理后输出的结果为延迟队列、删除队列、每个雷达的执行队列。本发明所要解决的是一个有着m个相控阵雷达的组网雷达网络的追踪任务调度问题，每个相控阵雷达主要执行搜索跟踪任务，而每一个相控阵雷达的追踪任务i均包括：雷达任务的发射脉冲持续时间长度为t(i)，等待脉冲的时长为w(i)和接收脉冲的时长为r(i)；在雷达实际工作过程中，以上三个时间均被同一个任务i占用，因此将这三个时间作为一个整体考虑。
[0036]
如图1所示，本实施例的面向相控阵组网雷达的任务调度方法具体包括以下步骤：
[0037]
步骤(1)、建立相控阵组网雷达调度模型，形式化相控阵组网雷达任务调度效用最
大化问题。
[0038]
假设在一个调度间隔(t0,t0 t]内，任务调度器收到n个任务请求，任务的参数为t(i)＝{p(i),te(i),ta(i),td(i),d(i)},其中i为任务序号，p(i)为任务优先级，te(i)为任务的期望执行时刻，ta(i)为任务的到达时间，td(i)为任务的截止时间，d(i)为任务的驻留时间；
[0039]
用tj＝{tj(1),tj(2),
…
,tj(k),
…
,tj(lj)}表示雷达j上的任务执行队列，其中tj(k)表示在雷达j上第k个执行的任务，lj表示雷达j上分配的任务数量，其中pj(k)表示在雷达j上第k个执行任务的优先级，为雷达j上第k个执行任务的期望执行时刻，为在雷达上第k个执行任务的到达时间，为在雷达j上第k个执行任务的截止时间，dj(k)为在雷达j上第k个执行任务的驻留时间。
[0040]
令任务tj(k)的调度效用为其中为在雷达j上第k个执行任务的实际执行时刻，因为按照目标优先级进行资源调度易造成目标任务的丢失，因此将任务的实际执行时刻与其期望执行时刻的偏差考虑到目标函数中，α与β分别表示优先级和执行时刻偏差的权重系数，且满足α＞0,β＞0；
[0041]
形式化相控阵组网雷达任务调度效用最大化问题如下：
[0042][0043]
约束：
[0044][0045][0046]
公式(1)中目标函数表示组网雷达的调度效用是每个任务的调度效用之和，约束(2)确保在一个雷达上，任务的实际执行时刻不早于前一个任务的实际执行时刻加上其驻留时间，约束(3)确保每个任务的实际执行时刻不早于其到达时刻ta(i)，任务的执行结束时间不晚于其截止时间，约束(4)确保所有任务的执行结束时间不超过调度间隔。
[0047]
步骤(2)采用面向相控阵组网雷达的任务调度算法，得到任务调度方案。
[0048]
(2.1)将任务按照优先级p(i)非递增顺序排列，得到任务序列s；
[0049]
(2.2)判断任务序列s是否为空，若为空则调度结束，否则继续执行；
[0050]
(2.3)从s中取出一个任务i，初始化当前任务的最小偏差时间mino为无穷，任务实际执行时刻ts(i)为无穷，设当前考虑的雷达为j＝1，用fi来表示当前任务i是否能在雷达上执行，初始fi＝0；
[0051]
(2.4)判断当前雷达j是否不大于m，若j＞m，则已遍历完所有雷达，进入步骤(2.7)，若j≤m，则令当前任务i在雷达j上执行的最小偏差时间为o
ij
，初始为无穷，判断当前任务能否在雷达j上执行，即在时间区间[ta(i),min(td(i),t0 t)]内雷达j是否有长度至少为d(i)的连续空闲时间，若能够在雷达j上执行则进入步骤(2.5)，否则进入步骤(2.6)；
[0052]
(2.5)令fi＝1，设为任务i在雷达j上的实际执行时间，计算的值，使得雷
达j在时间区间[ts(i),ts(i) d(i)]上空闲，并且使得的值最小，令任务i在雷达j上执行的最小偏差时间比较o
ij
与当前任务的最小偏差时间mino，若o
ij
《mino，则更新当前任务的最小偏差时间和任务的实际执行时间，即令mino＝o
ij
，
[0053]
(2.6)考虑任务i在下一个雷达上的执行情况，令j＝j 1，继续执行步骤(2.4)；
[0054]
(2.7)判断fi的值，若fi＝0，则表示任务i在所有的雷达上都不能执行，进入步骤(2.8)，若fi＝1，则表示任务i能够执行，将任务i分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
的执行队列上，即j
*
＝arg[min
j＝1,2,
…
,m
(o
ij
)]，若多个雷达对应的o
ij
相等，则将此任务分配到序号较小的雷达执行队列上，执行步骤(2.2)；
[0055]
(2.8)计算任务i的截止时间td(i)是否大于当前调度间隔的结束时间t0 t，若td(i)＞t0 t，则将此任务放入延迟队列，作为下一个调度间隔的任务，若td(i)≤t0 t，则任务无法执行，将该任务放入删除队列，执行步骤(2.2)。
[0056]
实施例1：
[0057]
如图2所示，本实施例的相控阵组网雷达中，雷达的数量为m＝2，任务的数量为n＝5，任务的参数为：t(1)＝{p(1)＝2,te(1)＝3,ta(1)＝2,td(1)＝7,d(1)＝3},t(2)＝{p(2)＝3,te(2)＝5,ta(2)＝4,td(2)＝8,d(2)＝1},t(3)＝{p(3)＝5,te(3)＝7,ta(3)＝4,td(3)＝10,d(3)＝3},t(4)＝{p(4)＝4,te(4)＝2,ta(4)＝0,td(4)＝7,d(4)＝4},t(5)＝{p(5)＝1,te(5)＝5,ta(5)＝
[0058]
3,td(5)＝12,d(5)＝5}，调度开始时间为t0＝0,调度周期t＝10，即雷达的时间轴长度为10。
[0059]
然后根据任务调度方法得到相应删除队列、延迟队列和每个雷达的任务执行队列。
[0060]
其中，任务调度方法的具体过程为步骤(2.1)到步骤(2.5)：
[0061]
(2.1)将任务按照优先级非递增顺序排序，得到任务序列s,s＝{t(3),t(4),t(2),t(1),t(5)}；
[0062]
(2.2)当前s不为空，算法继续执行；
[0063]
(2.3)从s中取出任务t(3)，初始化当前任务的最小偏差时间mino为无穷，任务实际执行时刻ts(3)为无穷，设当前考虑的雷达为j＝1，用f3来表示当前任务是否能在雷达上执行，初始f3＝0；
[0064]
(2.4)当前j《m，令o
31
为无穷，雷达1在区间[4，10]内有长度大于3的连续空闲时间，故当前任务t(3)可以在雷达1上执行，进入步骤(2.5)；
[0065]
(2.5)令f3＝1,设为任务t(3)在雷达1上的实际执行时间，计算的值为7，使得雷达j在时间区间[ts(3),ts(3) d(3)]上空闲，并且使得的值最小，令任务t(3)在雷达1上执行的最小偏差时间任务t(3)在雷达1上执行的最小偏差时间因为o
31
《mino，故更新当前任务的最小偏差时间和任务的实际执行时间，即令mino＝o
31
＝0，
[0066]
(2.6)考虑任务t(3)在下一个雷达上的执行情况，令j＝j 1＝2，继续执行步骤(2.4)；
[0067]
重复执行步骤(2.4)-(2.6)得到任务t(3)的最小偏差时间mino＝0,ts(3)＝7；
[0068]
(2.7)f1＝1，故任务t(3)可以被执行，将任务t(3)分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
＝1的执行队列上，执行步骤(2.2)；
[0069]
本实施例中依次从s中取出任务t(4)，重复执行步骤(2.4)-(2.6)，得到f4＝1，故任务t(4)可以被执行，最小偏差时间mino＝0,ts(4)＝2，将任务t(4)分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
＝1的执行队列上；继续从s中取出任务t(2)，重复执行步骤(2.4)-(2.6)，得到f2＝1，故任务t(2)可以被执行，且o
21
＝1,o
22
＝0,则mino＝o
22
＝0，最小偏差时间mino＝0,ts(2)＝5，将任务t(2)分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
＝2的执行队列上；继续从s中取出任务t(1)，重复执行步骤(2.4)-(2.6)，得到f1＝1，故任务t(1)可以被执行且只能在雷达2上执行，最小偏差时间mino＝1,ts(1)＝2，将任务t(1)分配给对应偏差时间最小的雷达j
*
＝2的执行队列上；最后从s中取出任务t(5)，重复执行步骤(2.4)-(2.6)，得到f5＝0，故任务t(5)在所有雷达上都无法被执行，执行步骤(2.8)得到其任务截止时间td(5)＝12＞t，故将此任务放入延迟队列，在下一个调度周期内进行调度；此时s为空，最终得到了所有的执行队列、删除队列和延迟队列。