0 引言
随着战场威胁日益复杂化，各类作战平台尤其是机载、球载、舰载等机动平台，需要装备雷达、电子战、敌我识别等多种电子设备[1]。多功能相控阵雷达由于可实现空海警戒监视、远程目标指示、辅助成像识别、打击效果评估等同时多功能和多任务能力，并且具备抗干扰工作方式，能大幅提升作战平台执行各类作战任务和应对复杂环境的能力，成为当前雷达的主要研究和发展方向。
多功能相控阵雷达在微秒量级上快速扫描和捷变，以完成同时搜索、跟踪、制导等多种工作方式的操作，相应的雷达实时调度处理能力就尤为重要。关于雷达调度策略的研究主要有模板法[2]和自适应调度算法[3-4]，通常这些调度算法会选择一定的驻留周期作为调度间隔，调度器对调度间隔中任务请求进行排序，最后交付执行器执行。考虑到调度与执行之间数据交互以及调度算法自身的时间开销，一般任务调度间隔需要设计为一个波位多个驻留脉冲周期，甚至占用多个波位的时间周期。随着当前多功能雷达的任务调度复杂性和实时性要求不断提高，某些任务只需较少的脉冲驻留，甚至存在单脉冲调度任务，因此传统的调度方法并不能保证任务执行的快速性和有效性。针对实际应用问题，本文设计了一种可实现脉冲级雷达任务调度的方法，并采用参数化设计实现任务调度的灵活性，同时将调度与执行一体化设计以确保任务执行的实时性。
1 多功能雷达任务模型
分析多功能雷达的功能，需具备搜索监视(TWS)、跟踪监视(TAS)、动目标显示(MTI)、合成孔径成像(SAR)等主模式，同时可插入一维距离成像(HRR)、逆合成孔径成像(ISAR)、气象探测等任务。以TAS模式为例，其工作方式如图1所示。
图1 TAS模式工作方式
由于任务需要实现脉冲级任务切换，如同时SAR/MTI工作模式时，多个窄带脉冲会插入单个宽带脉冲交替进行工作。为了保证脉冲级调度实现，调度器设计为两级模型，如图2所示，由处理器软件层实现每个波位BSH分隔的一级调度任务，FPGA逻辑层实现每个脉冲FR分隔的二级调度任务，两者之间通过参数化进行传递。执行器设计与二级调度共用FPGA，完成每个脉冲周期内的任务执行。
图2 调度执行设计
1.1 一级调度模型
一级调度模型与任务类型相关。搜索任务模型[5]，第i个搜索区域的第j个波位的任务模型为
(1)
式中，
为驻留脉冲数，
为任务优先级，
为调度序号，
为传递参数。
跟踪任务模型，第k类跟踪任务的第m个目标的任务模型为
(2)
其他SAR，ISAR，HRR等任务模型与上述类似，模型设计方法具有普遍性，不同任务的具体传递参数类型和参数值有所不同。
其中，驻留脉冲数决定当前任务周期，最小值取1时表示当前为单脉冲任务；任务优先级[6]决定任务编排的方式和顺序；调度序号与参数实现一级与二级调度之间的信息传递。
1.2 二级调度模型
一级调度完成波位级的任务编排，形成该波位下的一组调度序列，序号数量与驻留脉冲数一致，通过该序号统一指派每个脉冲任务。
二级调度任务模型统一为
(3)
其中，调度序号按如下约定设计：
0：SAR宽带任务；1～n：MTI窄带任务，n为捷变数；n+1～m：抢占式任务。
传递参数具有多个，包括频点、时宽、带宽、指向角等具体脉冲工作参数。调度序号与传递参数具有对应关系，二级调度每脉冲获取调度序号，关联相应脉冲参数完成实时解算，送执行器完成该脉冲内的任务执行。一级调度可以根据任务要求自由编排每脉冲的调度序号，二级调度无需关注具体任务内容，脉冲参数化设计最大程度地实现了调度的灵活性。
1.3 调度优先级设计
任务初始优先级由下发任务时产生，调度算法综合初始优先级和任务延时，进行调度分析后完成任务的编排。
传统雷达任务调度设计为非抢占式，即雷达任务驻留一旦被调度执行，在执行间隔周期内不能被其他任务中断。通过对多功能任务需求分析，非抢占式调度往往不能满足应用要求。如ISAR[7]任务执行周期需要较多的积累脉冲(大于2 000)，若在此任务较长的执行周期内，新下发实时性要求较高的跟踪或HRR任务不能立即执行，则会导致任务失败。
由于能基于脉冲级完成调度实现，因此本文调度方法支持抢占式和非抢占式两种调度方式，调度方式随任务下发。如果是非抢占方式，则在已完成编排的调度序号之后顺序编排；如果要求是抢占方式，则在当前工作序号和下一序号之间插入该任务形成的调度序号，二级调度实时获取插入序号立即执行，从而实现脉冲级任务切换和调度功能。
按任务类型区别对待调度方式，当系统处于低优先级任务时，可以被高优先级跟踪、HRR等任务在任务执行截止期之前采用抢占式调度立即执行，反之低优先级搜索、气象探测任务则采用非抢占式方式编排，从而保证雷达各类任务执行性能。
与传统调度方法的另一个区别是，当多个高优先级任务出现竞争时，可以脉冲级实现多任务交叉编排，不是只基于调度算法排序执行，真正意义上实现了多任务的并行执行。
2 调度方法功能实现
2.1 系统数据流设计
本任务调度方法的设计实现不仅事关任务调度系统自身设计，还与整机系统架构设计相关。由于任务调度是雷达系统任务控制中心，各分系统都需要与任务调度进行信息交互。但是脉冲级的任务调度，每个脉冲的控制参数都在发生切换，如果需要每个脉冲内与各系统均进行通信交互，系统设计复杂，实时性和时序性难以完全保证。
因此系统设计将任务调度系统设计于前端阵面，实时完成任务调度，并控制前端设备立即执行，与后端处理系统之间并不直接进行控制信息交互。而是基于数据流驱动方式，每个脉冲将控制参数传递给数字收发，与采集的回波组包送综合处理系统，最大程度地简化了接口和流程设计。
此方法引入的另一个设计问题是，由于工作流程上每个脉冲周期回波采集滞后于控制，一些后端处理需要提前获取的控制参数，如DBF解算需要的频点、角度信息不能提前获取。针对此类需求，将回波数据按如图3所示的格式设计。
图3 基于数据流驱动的控制协议格式
二级调度基于每个脉冲触发，提前预取下一脉冲调度序号，并产生下一脉冲工作参数，与当前工作参数同时送综合处理，综合处理可依此协议提前获取相关控制参数。
2.2 任务执行设计
本任务调度方法的设计实现同时还需要执行器提供相应设计保障。由于需要基于脉冲周期实现任务切换，因此需要在单个脉冲内完成所有控制参数解算并执行。相控阵雷达阵面上T/R组件数量庞大，若采用处理器解算每个波束指向的所有T/R移相衰减控制码，再加上读写周期，时间开销为毫秒量级，不能满足单个脉冲周期的工作要求。因此在设计上，控制参数解算均在FPGA内逻辑实现。
二次调度每个脉冲周期，预取下一脉冲工作参数，并将参数传递给执行器的参数解算单元。参数解算单元，基于CORDIC算法实现波束指向角的正弦和余弦变换，并采用三级流水线，实现阵面所有T/R组件和延迟放大组件的移相衰减值计算，归一化后产生最终控制码，整个解算过程在微秒量级完成，从控制执行端确保了本调度方法的最终实现。
3 仿真分析
按照多功能雷达实际任务需求，以TAS工作模式设置仿真场景，主要设计精密跟踪、一维距离成像、普通跟踪、逆合成孔径成像、重点区域搜索、气象探测、全空域搜索七种任务类型，任务参数如表1所示。
表1 任务参数设置
仿真比对采用传统基于波束驻留周期的调度方法和本文基于脉冲周期调度实时调度方法。对于有效性的验证，主要针对雷达性能至关重要的任务执行时间偏差和任务调度丢失率等指标进行。
图4是两种方法的平均任务执行时间偏差曲线。由于传统的调度方法基于波位级多个脉冲周期进行任务切换，所以大部分任务的执行最小时延大于4 ms。本文调度方法基于脉冲级实现任务切换，实时性要求高的任务可在下一脉冲立即执行，最小时延为0.3 ms，从而保证任务能尽量靠近其期望时刻执行。因此，本文调度方法能获得更高的任务执行有效性。
图4 平均执行时间偏差曲线
图5是两种方法的任务丢失率曲线。以跟踪任务为例，当任务数目较少时，由于任务之间的竞争不明显，所有任务都能得到有效执行。当随着任务增多，传统的调度方法任务丢失率迅速上升，而本文的调度方法则能控制在0.04。这是由于本文调度方法基于抢占式策略，保证了优先级高的重要任务立即执行，并且当出现多个同优先级任务发生竞争时，能将多个任务混合编排，以每个脉冲为时间分割，轮流切换并发执行，而传统调度方法只能以每个任务驻留为时间分割顺序执行。因此，本文调度方法能较好地控制高优先级任务丢失率，满足系统的各项复杂任务需求。
图5 跟踪任务丢失率曲线
4 结束语
本文针对传统驻留调度方法不能满足雷达快速变换的功能需求，提出一种基于多功能相控阵雷达任务模型的实时调度方法。该方法的两级调度器与执行器一体化设计，实现了基于脉冲周期任务调度的系统架构，采用脉冲参数化设计方法，综合考虑优先级调度算法和抢占式调度策略，保证了各类任务的灵活、有效和实时调度。解决了系统设计层面和任务执行层面的关键设计问题，经过实际工程实现和验证，该调度方法能基于微秒量级的脉冲周期完成任务调度和高效执行。
参考文献：
[1] 綦文超, 杨瑞娟, 李晓柏, 等. 多功能一体化雷达任务调度算法研究[J]. 雷达科学与技术， 2012, 10(2):150-155.
QI Wenchao, YANG Ruijuan, LI Xiaobai, et al. Research on Task Scheduling Algorithm for Multifunction Integrated Radar[J]. Radar Science and Technology, 2012, 10(2):150-155. (in Chinese)
[2] SHIH C S, GANTI P, GOPALAKRISHNAN S, et al. Synthesizing Task Periods for Dwells in Multi-Function Phased Array Radars[C]∥ IEEE Radar Conference, Philadelphia, PA: IEEE, 2004:145-150.
[3] 程婷, 何子述, 李会勇. 一种数字阵列雷达自适应波束驻留调度算法[J]. 电子学报, 2009, 37(9):2025-2029.
[4] 张瑞, 雷瑛, 谢敏. 一种基于波束驻留的相控阵雷达自适应调度算法[J]. 软件导刊, 2016, 15(2):63-65.
[5] 洪冬冬, 刘以安, 薛松, 等. 相控阵雷达实时任务二次调度算法[J]. 计算机仿真, 2015, 32(11):42-45.
[6] 张浩为, 谢军伟, 盛川. 综合优先级规划下的相控阵雷达自适应调度方法[J]. 兵工学报, 2016, 37(11):2163-2169.
[7] 陈怡君, 罗迎, 张群, 等. 基于认知ISAR成像的相控阵雷达资源自适应调度算法[J]. 电子与信息学报, 2014, 36(7):1566-1572.
