基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法
阅读说明：本技术 基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法 (Generalized time window-based tracking beam arrangement method for rotary phased array radar ) 是由 李纪三 班阳阳 侯娇 陈稳 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法。该方法主要适用于旋转相控阵雷达的跟踪任务的波束编排。技术方案是：根据旋转相控阵雷达波束偏扫的限制计算出目标的跟踪的方位窗,根据天线的转速换算出目标跟踪的广义时间窗,利用广义时间窗进行波束编排,编排完成后确定了目标跟踪的执行时刻,根据目标的状态信息,外推出目标在跟踪执行时刻的方位和仰角,将此方位和仰角作为任务请求执行的位置,相比较于传统的数据处理提出位置请求和执行时刻的波束编排方法,当同方位上跟踪任务多,同时竞争同一时间片时,该方法采用广义时间窗进行任务编排,时能够显著提高任务编排的成功率。(The invention relates to a rotating phased array radar tracking wave beam arranging method based on a generalized time window. The method is mainly suitable for beam arrangement of a tracking task of the rotary phased array radar. The technical scheme is as follows: the method comprises the steps of calculating a tracking azimuth window of a target according to the limitation of beam deflection scanning of a rotary phased array radar, converting a generalized time window of target tracking according to the rotating speed of an antenna, arranging beams by using the generalized time window, determining the execution time of target tracking after arranging, extrapolating the azimuth and elevation of the target at the tracking execution time according to the state information of the target, and taking the azimuth and elevation as the position of task request execution.)
技术领域
本发明属于旋转相控阵雷达资源管理中波束编排中的技术。
背景技术
旋转相控阵雷达根据任务负载的情形，在雷达控制器的作用下，相控阵雷达能够自适应地调整工作参数，并在搜索、跟踪等多种工作方式之间进行切换波束。因此，在一定的硬件条件下，研究更加灵活、高效的任务调度算法对进一步提升性能以充分发挥相控阵雷达的潜力具有重要意义。任务调度是指给定的任务集合的条件下，合理编排各种任务的执行顺序，以期望在满足约束条件的同时，最大化提高任务的调度成功率和时间利用率。
为了使其充分发挥多功能优势，必须对系统有限的时间、能量等资源进行有效管理与合理分配。A.G.Huizing于1996年做多功相控阵雷达资源仿真时提出雷达任务时间窗的概念。利用这个时间窗约束，在设计资源调度程序的时候就可以灵活安排资源分配。于是，时间窗的具体含义为波束驻留的实际发射时间在期望发射时间前后能移动的有效范围，如果超过时间窗范围波束驻留仍未执行，则认为本次雷达时间请求失败。
时间窗概念是基于雷达跟踪工作方式的，时间窗的具体含义为雷达事件的实际发射时间在期望发射时间前后能移动的有效范围，如果超过时间窗范围雷达事件仍未执行，即使再调用该雷达事件也没有意义，则放弃调度该雷达事件。这样，很多因时间上冲突而被舍弃的事件便可以通过时间窗的安排得到调度，从而提高了时间的利用率。
根据时间窗的基本原理，分析时间窗设计的相关因素。根据预测的目标位置申请雷达波束在t0时刻照射该空域,使天线轴线指向目标方向，这时雷达接收到的信号最强。t0就是该雷达事件期望执行时间。当雷达事件在t1时刻执行(t1>t0)，只要目标没有通过雷达分辨单元，雷达事件执行照样可以检测到目标。但一旦目标通过雷达分辨单元，再执行该事件就没有任何意义。上述分析是针对推迟执行，提前执行也是如此。
基于时间窗设计的自适应调度策略，依据雷达分辨单元(波束宽度)是一个范围，在一定的距离上此范围比较大，此时目标飞过分辨单元的时间较长，可根据Kalman滤波的目标位置、速度、距离和雷达分辨单元得知目标通过分辨单元的时间，根据此时间设计雷达跟踪任务时间窗大小。
对于高速高机动目标，在离雷达比较近的距离区域，目标通过雷达分辨单元的距离比较小，因此跟踪的时间窗也特别小，通常在十几毫秒到几十毫秒之间。研究表明，在跟踪任务负载大的情况下，较大的时间窗能够提高任务调度的成功率，而小的时间窗会导致很多任务竞争同一时间片而导致任务调度失败。
发明内容
本发明针对传统的数据处理提出位置请求和执行时刻的调度算法中跟踪时间窗小，当同方位上跟踪任务多，多任务竞争同一时间片时造成的调度失败问题，基于任务的优先级和时间窗的相控阵雷达自适应调度技术的基础上，提出了一种基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法。
本发明提出的基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法，首先根据旋转相控阵雷达波束偏扫的范围限制计算出目标跟踪的方位窗，根据天线的转速将跟踪的方位窗换算出跟踪的广义时间窗，利用广义时间窗进行波束编排，编排完成后确定了目标跟踪的执行时刻，根据目标的状态信息，外推出目标在跟踪执行时刻的方位和仰角，将此方位和仰角作为跟踪任务执行角度。
本发明具体步骤如下：
S1：根据旋转相控阵雷达波束偏扫的限制计算出目标的跟踪的方位窗；相控阵雷达的方位上偏扫的最大角度为
S2：根据天线的转速换算出目标跟踪的广义跟踪时间窗t_window；天线的旋转周期为T，天线转过目标方位窗的时间即为广义跟踪时间窗：
S3：接收数据处理提出的跟踪请求，并计算本请求的时间窗：跟踪请求包括参数为目标批号，目标大地坐标系下的位置，目标大地坐标系下的方位仰角距离，任务期望执行时刻t_hope，任务优先级；时间窗为[t_hope-0.5*t_window,t_hope+0.5*t_window]；
S4：按照任务的期望执行时刻和步骤S2计算出的广义跟踪时间窗，进行任务编排；将没有编排完的任务放回任务链表，确定该任务的执行时刻t_excute；
S5：根据目标的状态外推任务执行时刻的目标位置：
首先计算在直角坐标系下，外推时刻目标的位置(x,y,z)：
x＝x_0+v_x*(t_excute-t_hope)；
y＝y_0+v_y*(t_excute-t_hope)；
z＝z_0+v_z*(t_excute-t_hope)；
将直角坐标系下的位置转换为量测坐标系下的距离、仰角和方位：(r,β,θ)
S6：将步骤5计算的位置(r,β,θ)和步骤4计算的t_excute作为任务执行时刻和位置发送给波控。
进一步的，所述步骤S4中编排方法为：在调度间隔来临时，将时间窗落在本调度间隔内的任务取出来，按照优先级进行编排，将没有编排完的任务放回任务链表。
本发明针对高速高机动目标跟踪，提出一种广义时间窗的调度方法，相对于传统较小的时间窗，结构简单，逻辑清楚，易于工程实现，能够大大提高任务调度的成功率。
附图说明
图1为基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提出的基于广义时间窗的旋转相控阵雷达跟踪波束编排方法，实现过程实施例如下：
1、对警戒区域进行扇区划分：假设将0～360°等分为10个扇区(每个扇区对应2个调度间隔)，每个扇区36°。设置搜索任务的期望发射时间时，把远程的搜索放在天线的法线方向，此时波束增益最大，能够保证雷达威力，近程的搜索和跟踪可以安排在波束偏离法线方向的角度。
2、计算目标跟踪的方位窗：
相控阵雷达的方位上偏扫的最大角度为目标处于方位位置为ψ，则天线面阵在方位
如果相控阵偏扫的角度为45°，则跟踪窗大小为90度。
3、计算目标跟踪的广义时间窗t_window大小；
天线的旋转周期为T，天线转过目标方位窗的时间即为广义跟踪时间窗：
如果天线的旋转周期为1秒，则目标跟踪的广义时间窗250ms。远远大于了文献公开的时间窗的大小。
4、接收数据处理提出的跟踪请求，并计算本请求的时间窗：
跟踪请求包括以下参数：目标批号，目标大地坐标系下的位置，目标大地坐标系下的方位仰角距离，任务期望执行时刻t_hope，任务优先级等。
时间窗为[t_hope-125,t_hope+125]
5、按照任务的期望执行时刻和步骤2计算出的时间窗，进行任务编排，编排方法为，在调度间隔来临时，将时间窗落在本调度间隔内的任务取出来，按照优先级进行编排，将没有编排完的任务放回任务链表。确定该任务的执行时刻t_excute；
首先计算在直角坐标系下，外推时刻目标的位置(x,y,z)：
x＝x_0+v_x*(t_excute-t_hope)
y＝y_0+v_y*(t_excute-t_hope)
z＝z_0+v_z*(t_excute-t_hope)
将直角坐标系下的位置转换为量测坐标系下的距离、仰角和方位(r,β,θ)
6、将步骤5计算的位置(r,β,θ)和步骤4计算的t_excute作为任务执行时刻和位置发送给波控。