基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法

摘要

本发明涉及一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，包括：步骤1：获取空间目标的可见性预报；步骤2：对可见性预报进行预处理，得到满足相控阵雷达探测条件的空间目标的预报弧段；步骤3：对预报弧段进行截取操作，得到满足预设定轨计算条件的目标可见弧段；步骤4：对目标可见弧段按照预设的优先级进行编排，若出现编排任务冲突，则根据已编排的目标可见弧段，获取通道中的空闲时间区间，并根据空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排。本发明方法对空间目标的可见弧段进行截取操作，能够较大程度地提高资源利用率，进一步满足各类空间目标的观测需求，能够持续地提升空间目标稳定编目数量。

说明书

技术领域

本发明属于空间目标测控资源调度技术领域，具体涉及一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法。

背景技术

相对于急剧增加的空间目标，相控阵雷达的资源仍处于短缺状态，针对空间目标测控资源调度，国内外学者通过优化各种资源调度策略进行装备应用，以提高装备利用率。

例如，一种基于约束满足问题的随机搜索编目调度算法（CB-RSA算法），其将调度策略按任务级别和设备类型进行分解，通过合理的调度测量设备，实现对空间目标的编目。该算法在目标、任务数据量大、复杂度高的任务环境下，求解快速、稳定。通过合理设计数据结构，调度算法得以高效的实现。一种利用任务综合规划的相控阵自适应调度算法，该算法在综合考虑调度时刻前后任务请求、调度限制和可用资源等因素基础上，权衡任务请求重要程度、紧急程度和前后一定时间段内资源利用情况，能够在雷达有限时间资源内提高相控阵雷达任务调度效率和时间利用率，获得更优的综合性能。

但是，现有的资源调度算法基本上都是针对空间目标进行全弧段跟踪，从而造成大部分目标观测数据冗余，不仅造成装备资源的浪费，也使得优先级较低的空间目标无资源可用。同时系统在处理任务冲突时，不能自动化调整弧段时间，从而解决弧段冲突问题，导致在目标计划制定过程中，直接造成冲突的整弧段舍弃，不仅未能完成该目标弧段的计划编排，同时装备资源也未得到充分利用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，包括：

步骤1：获取空间目标的可见性预报；

步骤2：对所述可见性预报进行预处理，得到满足相控阵雷达探测条件的所述空间目标的预报弧段；

步骤3：对所述预报弧段进行截取操作，得到满足预设定轨计算条件的目标可见弧段；

步骤4：对所述目标可见弧段按照预设的优先级进行编排，若出现编排任务冲突，则根据已编排的目标可见弧段，获取通道中的空闲时间区间，并根据所述空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排。

在本发明的一个实施例中，所述步骤1包括：

对所述空间目标的轨道文件进行计算处理得到所述空间目标的可见性预报，其中，所述空间目标的轨道文件包括：双行根数、开普勒六根数、code根数和惯性系弹道的轨道文件；

所述空间目标的可见性预报包括空间目标过境时的进站点时刻、进站点斜距、进站点方位、进站点俯仰、进站点相对速度、出站点时刻、出站点斜距、出站点方位、出站点俯仰、出站点相对速度、进站点瞬根数和进站点平根数。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

步骤2.1：根据所述可见性预报，计算得到所述空间目标相对相控阵雷达的等效作用距离，并提取得到所述空间目标过境的最高仰角；

步骤2.2：对所述等效作用距离和相控阵雷达的最大探测距离指标进行比较，若所述等效作用距离大于所述最大探测距离指标，则剔除对应的所述空间目标的预报弧段，否则，保留该空间目标的预报弧段；

步骤2.3：对所述最高仰角和相控阵雷达的最低仰角进行比较，若所述空间目标过境的最高仰角小于所述相控阵雷达的最低仰角，则剔除对应的所述空间目标的预报弧段，否则，保留该空间目标的预报弧段，得到满足相控阵雷达探测条件的所述空间目标的预报弧段。

在本发明的一个实施例中，所述空间目标相对相控阵雷达的等效作用距离按照下式计算得到：

其中，

在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：

步骤3.1：获取所述预报弧段对应的所述空间目标过境的最高仰角时刻t、进站时刻t

步骤3.2：根据所述空间目标过境的进站时刻t

若

否则，根据截取时间段△t对所述预报弧段进行截取操作，得到所述目标可见弧段，其中，所述预报弧段的截取时间段△t按照下式确定：

其中，

在本发明的一个实施例中，若出现编排任务冲突，则根据已编排的目标可见弧段，获取通道中的空闲时间区间，并根据所述空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排，包括：

步骤a：获取冲突的目标可见弧段的开始时间和结束时间，得到所述冲突的目标可见弧段的冲突时间区间；

步骤b：根据已编排的目标可见弧段，获取所述冲突时间区间内每一个通道的空闲时间区间，并对所述空闲时间区间取并集，得到空闲时间序列；

步骤c：对所述空闲时间序列进行排序，并将所述空闲时间序列中小于

步骤d：根据所述可编排时间序列中最长的时间区间，对所述冲突的目标可见弧段进行截取和编排。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤c中，若所述空闲时间序列中所有时间区间均小于

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 本发明的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，通过对空间目标的预报弧段进行截取操作，获取能够满足预设定轨计算条件的目标可见弧段，可以在较大程度地提高资源利用率，进一步满足各类空间目标的观测需求，同时能够持续地提升空间目标稳定编目数量。

2. 本发明的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，在进行弧段编排时，将目标可见弧段按照预先设定的优先级进行编排，如果出现编排任务冲突时，则将冲突的目标可见弧段与已编的目标可见排弧段进行比对分析，利用通道中的空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排，进一步优化了资源调度，实现对空间目标的跟踪连续性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法的示意图；

图2是本发明实施例提供的目标可见弧段的获取流程示意图；

图3是本发明实施例提供的基于弧段截取的冲突消解流程图；

图4是本发明实施例提供的冲突的目标可见弧段的截取示意图；

图5a-5b是本发明实施例提供的针对最大多目标数为20的资源利用率对比示意图；

图6a-6b是本发明实施例提供的针对最大多目标数为40的资源利用率对比示意图；

图7是本发明实施例提供的针对一天内每一时刻资源利用率均值的对比分析图；

图8是本发明实施例提供的针对最大多目标数为20的计划数量对比分析图；

图9是本发明实施例提供的针对最大多目标数为40的计划数量对比分析图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

首先，对相控阵雷达资源调度流程进行说明，具体地，先计算空间目标相对装备的可见性，将空间目标所有满足要求的可见弧段放入资源池中，作为资源调度算法的输入元素；然后在计划编排过程中进行弧段冲突消解，尽可能多的将各类空间目标的可见弧段与装备资源对应起来，从而满足弧段观测需求，进一步提高装备利用率。

进一步地，对本实施例的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法进行说明，请结合参见图1-图3，图1是本发明实施例提供的一种基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法示意图，图2是本发明实施例提供的目标可见弧段的获取流程示意图；图3是本发明实施例提供的基于弧段截取的冲突消解流程图；如图所示，本实施例的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，包括：

步骤1：获取空间目标的可见性预报；

具体地，对于空间目标，通过对批量空间目标的双行根数、开普勒六根数、code根数、惯性系弹道等不同类型的轨道文件进行计算处理，完成空间目标轨道过境预报，得到空间目标的可见性预报。

空间目标的可见性预报主要包括空间目标过境时的进站点时刻、进站点斜距、进站点方位、进站点俯仰、进站点相对速度、出站点时刻、出站点斜距、出站点方位、出站点俯仰、出站点相对速度、进站点瞬根数和进站点平根数。同时，还包括目标星下点轨迹、地影、月影、升降交点等信息。

在本实施例中，批量空间目标根据任务需求划分为应急目标集、任务目标集和编目目标集，其中，应急目标集、任务目标集和编目目标集的优先级依次降低。进一步地，根据收集得到的3个目标集中所有目标的目标信息，利用可见性预报OTF软件对其进行处理得到空间目标对应的可见性预报。其中，目标信息包括目标编号、轨道信息以及跟踪信息（包括跟踪需求、跟踪圈数、跟踪次数和跟踪时间）。

步骤2：对可见性预报进行预处理，得到满足相控阵雷达探测条件的空间目标的预报弧段；

具体地，步骤2包括：

步骤2.1：根据可见性预报，计算得到空间目标相对相控阵雷达的等效作用距离，并提取得到空间目标过境的最高仰角；

步骤2.2：对等效作用距离和相控阵雷达的最大探测距离指标进行比较，若等效作用距离大于最大探测距离指标，则剔除对应的空间目标的预报弧段，否则，保留该空间目标的预报弧段；

也就是，如公式（1）所示：

其中，

具体地，相控阵雷达的探测范围根据设计指标进行确定，最大探测距离指标是以RCS（Radar cross-section，雷达截面积）为1的目标为标准进行验证的。因此，在考虑目标穿屏距离时需将所有目标根据其原有的RCS值转换为RCS为1时的等效距离项，以确保所有目标集都在同一标准下进行分析。

雷达方程公式如下：

其中，

从上式中可以看出，相控阵雷达的最大探测距离

在本实施例中，通过中心数据库中目标RCS为参考，计算相控阵雷达对不同目标RCS的等效最大作用距离。天线增益在法线方向最大，偏离法线方向以

其中，

步骤2.3：对最高仰角和相控阵雷达的最低仰角进行比较，若空间目标过境的最高仰角小于相控阵雷达的最低仰角，则剔除对应的空间目标的预报弧段，否则，保留该空间目标的预报弧段，得到满足相控阵雷达探测条件的空间目标的预报弧段。

需要说明的是，上述预处理过程实际上都是可见性计算中雷达装备能力限制的约束，在本实施例中，包括距离和仰角两个维度，在其他实施例中，也可以包括方位维度。

步骤3：对预报弧段进行截取操作，得到满足预设定轨计算条件的目标可见弧段；

在本实施例中，基于空间目标相对于相控雷达的最高仰角（一般为最短距离）对该空间目标的预报弧段进行切割，以最短斜距(最高仰角)为基准点，以n分钟的滑动窗口作为基准，向前向后切割n分钟的预报弧段作为目标可见弧段，如果向前或者向后的某一方向的弧段时长小于n/2，则该滑动窗口以该方向的开头开始截取，以尽量获得满足n分钟时长的切割弧段。需要说明的是，该n分钟时长的弧段既要满足定轨数据最短时长需求，又需要考虑到采集数据质量。

根据空间目标的可见性预报，获取预报弧段预处理的已知变量为：预报弧段的对应的空间目标过境的最高仰角时刻t、空间目标过境的进站时刻t

在本实施例中，截取操作后的目标可见弧段的时间段记为△t，其获取方式如下，首先，计算预报弧段的最高仰角时刻t与进站时刻t

需要说明的是，进行截取操作的预报弧段的空间目标过境的时间差t

具体地，所述步骤3包括：

步骤3.1：获取预报弧段对应的空间目标过境的最高仰角时刻t、进站时刻t

步骤3.2：根据空间目标过境的进站时刻t

若

否则，根据截取时间段△t对预报弧段进行截取操作，得到目标可见弧段，其中，预报弧段的截取时间段△t按照下式确定：

其中，

需要说明的是，当前相控阵雷达对目标基本上是按照全弧段跟踪的方式对空间目标进行探测，该方式可对空间目标所有可见时间的运行轨迹进行观测，然后将观测数据用于空间目标的定轨计算，当前在轨运行的空间目标（包括在轨卫星、箭体、碎片等）有数万个，而相控阵雷达由于资源有限，对所有空间目标进行编目难度较大。同时考虑到定轨计算中对观测数据的有一个时间最低要求，只要该观测数据时间长度满足定轨最低要求，则该数据即可参与定轨，对定轨精度基本上无影响。

因此，本实施例通过对预报弧段进行截取操作，得到满足预设定轨计算条件的目标可见弧段，以便于利用相同的资源安排更多的目标进行跟踪探测，以期提升空间目标编目的数量。

进一步地，在对可见性预报进行预处理和截取操作处理得到目标可见弧段之后，利用程跟资源分配RSA软件对目标可见弧度进行编排，其中，程跟资源分配RSA软件的编排原则为按照优先级顺序进行编排。在利用程跟资源分配RSA软件对目标可见弧度进行编排过程中，若出现编排任务冲突则按照以下方式解决冲突。

步骤4：对目标可见弧段按照预设的优先级进行编排，若出现编排任务冲突，则根据已编排的目标可见弧段，获取通道中的空闲时间区间，并根据空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排。

在本实施例中，若出现编排任务冲突，则根据已编排的目标可见弧段，获取通道中的空闲时间区间，并根据所述空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排，具体包括以下步骤：

步骤a：获取冲突的目标可见弧段的开始时间和结束时间，得到冲突的目标可见弧段的冲突时间区间；

在本实施例中，目标可见弧段的开始时间和结束时间也就是对空间目标的预报弧段进行截取操作之后的弧度（目标可见弧段）的开始时间和结束时间。

步骤b：根据已编排的目标可见弧段，获取冲突时间区间内每一个通道的空闲时间区间，并对空闲时间区间取并集，得到空闲时间序列；

步骤c：对空闲时间序列进行排序，并将空闲时间序列中小于

需要说明的是，在步骤c中，若空闲时间序列中所有时间区间均小于

步骤d：根据可编排时间序列中最长的时间区间，对冲突的目标可见弧段进行截取和编排。

进一步地，对本实施例的冲突消解方法进行具体说明如下：

首先获取雷达装备的最大多目标通道数m，对目标可见弧段按照目标集等级进行计划编排，如果某一时刻可编排数量小于m，则直接对该目标可见弧段进行计划编排。如果某一时刻可编排数量等于m，出现编排任务冲突，则得到该冲突的目标可见弧段的开始时间和结束时间的时间段，取该时间段内m个通道中所剩余的空闲时间区间，将所有通道的空闲时间区间取并集，得到空闲时间序列。

如果空闲时间序列中某一时间区间满足弧段最低时间要求（也就是，满足预设定轨计算最短时长

请结合参加图4，图4是本发明实施例提供的冲突的目标可见弧段的截取示意图，如图所示，设通道数量为m，待编排的目标可见弧段的开始时间t

如果没有冲突，则直接编排，如果出现冲突，则首先按照待编排弧段的开始时间和结束时间对所有通道的空闲时间进行计算，如图4所示，通道1的空间时间区间为u

对该时间序列S进行排序，并与

在本实施例中，上述基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解的资源调度方法的程序如下，在本实施例中，通过C语言编程如下程序：

本实施例的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法，通过对空间目标的预报弧段进行截取操作，获取能够满足预设定轨计算条件的目标可见弧段，可以在较大程度地提高资源利用率，进一步满足各类空间目标的观测需求，同时能够持续地提升空间目标稳定编目数量。而且在进行弧段编排时，将目标可见弧段按照预先设定的优先级进行编排，如果出现编排任务冲突时，则将冲突的目标可见弧段与已编的目标可见排弧段进行比对分析，利用通道中的空闲时间区间对冲突的目标可见弧段进行编排，进一步优化了资源调度，实现对空间目标的跟踪连续性。

实施例二

本实施例通过具体仿真实验对实施例一的基于弧段截取的相控阵雷达调度冲突消解方法的效果进行说明。

相控阵雷达一般设计最大多目标数指标m，本实施例利用资源利用率来对装备的时间利用情况进行描述，资源利用率是指同一时刻所编排的计划目标数量与最大多目标数m的比值，资源利用率越高，说明同一时刻所排目标弧段数量越接近最大多目标数m，则对雷达装备的利用就越充分。本实施例利用2021年11月7日公开发布的TLE作为计划目标根数，设定某固定点位为雷达装备位置进行预报和资源利用，以最大多目标数指标为20和40两种情况进行验证。

在最大多目标数为20时，本发明算法和CB-RSA算法一天内资源利用率变化情况如图5a-5b所示，图5a为CB-RSA算法的资源利用率变化情况，图5b为本发明算法的资源利用率变化情况，其中横坐标表示一天内的不同时刻（以1秒为步进进行统计），纵坐标表示在该时刻共安排的可见弧段数量与最大多目标数的比值。通过对比可以看出，本发明算法基本上保持在83%的水平，整体上比CB-RSA算法的资源利用率更高。

在最大多目标数为40时，本发明算法和CB-RSA算法一天内资源利用率变化情况如图6a-6b所示，图6a为CB-RSA算法的资源利用率变化情况，图6b为本发明算法的资源利用率变化情况，通过对比可以看出，本发明算法基本上保持在85%的水平，整体上比CB-RSA算法的资源利用率更高。

对一天内每一时刻的资源利用率求均值，通过图7进行对比分析。从图中可以看出，本发明算法在多目标数为20时，平均资源利用率比CB-RSA算法要高16.55%；在多目标数为40时，平均资源利用率比CB-RSA算法要高5.75%，效果明显提升。

本发明算法每日的计划数量也有了显著提升，由于每日目标相对于装备的可见性不一样，因此，选取连续5日（以2021年11月9日至13日期间为例）计划弧段编排数量进行统计分析，针对最大多目标数m为20和40时，每日的计划编排数量如图8和图9所示。

在最大多目标数为20时，本发明算法的每日计划编排数量如图8所示。从图中可以看出，本发明算法每日计划编排数量保持在约4700的水平，最高可达到4939个，相比于CB-RSA算法，每日计划数量提高了约1500个,显著提升了雷达装备利用效率。

在最大多目标数为40时，本发明算法的每日计划编排数量如图9所示。从图中可以看出，本发明算法每日计划编排数量保持在约11000的水平，最高可达到12206个，相比于CB-RSA算法，每日计划数量提高了约3000个，显著提升了雷达装备利用效率。

应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。