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面向饱和攻击防空预警的组网雷达异质任务协同调度架构

叶炬航 方愚渊 魏少鹏 段佳 张磊

叶炬航, 方愚渊, 魏少鹏, 段佳, 张磊. 面向饱和攻击防空预警的组网雷达异质任务协同调度架构[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260373
引用本文: 叶炬航, 方愚渊, 魏少鹏, 段佳, 张磊. 面向饱和攻击防空预警的组网雷达异质任务协同调度架构[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260373
YE Juhang, FANG Yuyuan, WEI Shaopeng, DUAN Jia, ZHANG Lei. Heterogeneous Task Cooperative Dispatch Scheduling Architecture of Networked Radar for Saturation Attack Air Defense Early Warning[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260373
Citation: YE Juhang, FANG Yuyuan, WEI Shaopeng, DUAN Jia, ZHANG Lei. Heterogeneous Task Cooperative Dispatch Scheduling Architecture of Networked Radar for Saturation Attack Air Defense Early Warning[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260373

面向饱和攻击防空预警的组网雷达异质任务协同调度架构

doi: 10.11999/JEIT260373 cstr: 32379.14.JEIT260373
基金项目: 国家自然科学基金(62301612),山东省科技重大工程青年人才支持(SDAST2025QTA099),山东省自然科学基金(ZR2024MF096),山东省自然科学基金(ZR2023QF004),广东省自然科学基金(2025A1515010242)
详细信息
    作者简介:

    叶炬航:男,硕士生,研究方向为雷达资源管理

    方愚渊:男,副教授(讲师),研究方向为组网雷达、认知电子战等

    魏少鹏:男,副教授,研究方向为雷达信号处理、雷达干扰对抗、雷达成像、雷达目标探测

    段佳:女,副教授,研究方向为雷达成像、电磁特征提取

    张磊:男,教授,研究方向为SAR、ISAR高分辨成像与运动补偿等

    通讯作者:

    张磊 zhanglei57@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TN95

Heterogeneous Task Cooperative Dispatch Scheduling Architecture of Networked Radar for Saturation Attack Air Defense Early Warning

  • 摘要: 面对无人机集群和智能巡飞弹等大规模、高速度饱和攻击威胁带来的海量、突发且异质预警任务的严峻挑战,如何依托组网雷达设计可拓展的协同调度架构,释放防空预警体系抗饱和攻击潜力亟待解决。针对现有架构动态协同僵化和异质任务调度能力不足等局限,该文深入分析饱和攻击场景多雷达多目标多任务调度难题,将非凸的协同调度问题解耦为多维资源动态协同和自适应异质任务调度多阶段决策过程,通过针对性引入派单机制和分层强化学习,以可拓展性为目标提出了一种决策层次上融合了集中式动态目标分配和分布式异质任务调度的混合架构,并具体设计了执行-再派单认知闭环、目标派单算法和分层式指挥调度方法。仿真表明所提架构面对大规模高速度饱和攻击时,能实时动态协同组网雷达以调度搜索、确认和跟踪三类异质预警任务,并在适用处理规模、环境自适应能力、长期调度能力、可拓展性和可解释性等方面具有改进。
  • 图  1  可拓展组网雷达异质任务协同调度架构设计示意图

    图  2  分层式指挥调度方法马尔可夫决策过程

    图  3  求解算法评估曲线对比

    图  4  求解算法计算用时对比

    图  5  调度方法平均外部奖励曲线对比

    图  6  调度方法任务执行分布对比

    图  7  调度方法目标失跟率和平均距离误差对比

    表  1  归一化作战效能函数定义

    序号 命名 定义
    1 波束指向调整代价 $ U_{k,1}^{j}(j)=\dfrac{\left(\mathbf{p}_{k}^{j}-\mathbf{p}_{k}^{i}\right)\cdot \mathbf{\dot{p}}_{k}^{i}}{\left|\left|\mathbf{p}_{k}^{j}-\mathbf{p}_{k}^{i}\right|\right|\cdot \left|\left|\mathbf{\dot{p}}_{k}^{i}\right|\right|}-1 $
    2 资源充分利用收益 $ U_{k,2}^{j}(i)=\max \left(\min \left(\dfrac{\displaystyle\sum \limits_{i}x_{k}^{i,j}}{{N}_{\text{J}}}\right)\right) $
    3 跟踪精度收益 $ U_{k,3}^{j}(i)=1-\dfrac{\eta _{k}^{i,j}}{\underset{i}{\max }\eta _{k}^{i,j}} $
    4 多站协同受益 $ U_{k,1}^{i}(j)=\dfrac{1}{\pi }\underset{j\neq j'}{\max }\left(\arccos \left(\dfrac{\mathbf{p}_{k}^{j}-\mathbf{p}_{k}^{i}}{\left|\left|\mathbf{p}_{k}^{j}-\mathbf{p}_{k}^{i}\right|\right|}\cdot \dfrac{\mathbf{p}_{k}^{j'}-\mathbf{p}_{k}^{i}}{\left|\left|\mathbf{p}_{k}^{j'}-\mathbf{p}_{k}^{i}\right|\right|}\right)\right) $
    5 超负荷代价 $ U_{k,4}^{j}(j)=-\max \left(0,\dfrac{\displaystyle\sum \limits_{i}x_{k}^{i,j}-{N}_{\text{J}}}{{N}_{\text{J}}}\right) $
    6 高威胁目标战术倾斜收益 $ U_{k,2}^{i}(j)=\dfrac{P_{k}^{i}}{\underset{i}{\max }P_{k}^{i}} $
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    表  2  目标派单算法表

     输入:综合作战效能矩阵$ {\mathbf{U}}_{k} $,信息素权重$ \alpha $、启发式信息权重$ \beta $、挥发率$ \rho $、信息素常数$ Q $、最大信息素$ {\tau }_{\text{min}} $和最小信息素$ {\tau }_{\text{max}} $、雷达负
     载上限$ {N}_{\text{J}} $和目标覆盖上限$ {N}_{\text{I}} $
     输出:全局最优目标派单方案$ \hat{X}_{k}^{n} $
     (1)初始化最大迭代次数$ K $、种群规模$ N $、信息素矩阵$ \tau _{0}^{i,j}={\tau }_{\max } $和综合作战效能$ J(X_{0}^{n})=0 $
     (2)目标覆盖层求解,随机顺序遍历目标,筛选未满载、处于威力范围内且过门限的雷达并计算路径转移概率$ P_{n,k}^{i,j} $,确保满足零漏警硬约束
     (3)多站协同层求解,再次随机顺序遍历目标,剔除已派单雷达,筛选剩余资源可用雷达并派单,计算观测几何增益
     (4)针对每个蚂蚁的解$ X_{\hat{k}}^{n} $评估综合作战效能$ J\left(X_{\hat{k}}^{n}\right) $,更新最优解$ \hat{X}_{\hat{k}}^{n} $并找到该蚂蚁
     (5)所有信息素进行挥发
     (6)仅允许找到最优解$ \hat{X}_{\hat{k}}^{n} $的蚂蚁更新信息素
     (7)所有信息素限幅$ [{\tau }_{\min },{\tau }_{\max }] $
     (8)若达到最大迭代次数则输出$ \hat{X}_{k}^{n} $,否则转至 (2)
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    表  3  指挥规划层任务池定义

    编号命名预期任务比例基础传递奖励设计及说明
    1响应搜索10%
    确认10%
    跟踪80%
    跟踪+8鼓励跟踪
    失跟-8更重视失跟惩罚
    搜索+1允许新增个别搜索
    确认+1允许新增个别确认
    其他情况-0.1防止怠工
    2维护搜索20%
    确认20%
    跟踪60%
    跟踪+6维护现有跟踪
    失跟-6失跟予以惩罚
    搜索+2允许新的搜索
    确认+2允许新的确认
    其他情况-0.1防止怠工
    3扫描搜索40%
    确认40%
    跟踪20%
    跟踪+2允许继续跟踪
    失跟-2允许取消跟踪
    确认+4鼓励确认
    搜索+4鼓励搜索
    其他情况-0.1防止怠工
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    表  4  战术执行层任务池定义

    编号命名时间消耗功率消耗基础任务紧急度任务依赖关系
    1搜索5%5%5第一次发现目标时
    搜索后未及时确认
    确认后未及时跟踪
    失跟后未及时确认
    2确认10%10%10搜索后且处于确认有效期内
    失跟后但处于确认有效期内
    3跟踪20%20%20确认后处于跟踪有效期内
    未失跟时
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    表  5  基本实验参数设置

    分量系数 符号 实验设定 分量系数 符号 实验设定
    权重因子 $ {\alpha }_{\text{U}} $ 0.5 信噪比奖励系数 $ {\beta }_{\text{SNR}} $ 0.4
    雷达自适应权重初值 $ {\beta }_{\text{T},0} $ 1.0 跟踪精度奖励系数 $ {\beta }_{\text{P}} $ -0.4
    雷达自适应权重初值 $ {\beta }_{\text{R},0} $ 1.0 公平性惩罚系数 $ {\beta }_{\text{fair}} $ 0.2
    目标自适应权重基准系数 $ {\beta }_{\text{T},\text{th}} $ 0.8 比例惩罚权重 $ {w}_{\text{radio}} $ 200
    雷达自适应权重基准系数 $ {\beta }_{\text{R},\text{th}} $ 0.8 综合作战效能权重 $ {w}_{\text{base}} $ 10
    自适应权重最大值 $ {\beta }_{\text{T,max}} $/$ {\beta }_{\text{R,max}} $ 1.0 过载惩罚权重 $ {w}_{\text{cap}} $ 0.5
    自适应权重最小值 $ {\beta }_{\text{T,min}} $/$ {\beta }_{\text{R,min}} $ 0 漏警惩罚系数 $ {w}_{\text{miss}} $ 0.1
    波束指向调整代价权重 $ {w}_{1} $ 0.25 加速度过程噪声 $ {Q}_{\text{a}} $ 0.9
    资源充分利用收益权重 $ {w}_{2} $ 0.25 转弯过程噪声 $ {Q}_{\text{w}} $ 0.2
    跟踪精度收益权重 $ {w}_{3} $ 0.25 测距噪声 $ {R}_{\text{r}} $ 120
    多站协同收益权重 $ {w}_{4} $ 0.5 测角噪声 $ {R}_{\theta } $ $ {(0.5\cdot \dfrac{\pi }{180})}^{2} $
    超负荷代价权重 $ {w}_{5} $ 0.25 测速噪声 $ {R}_{\text{v}} $ 5
    高威胁目标战术倾斜权重 $ {w}_{6} $ 0.5 PBM资源加权 $ {\beta }_{\text{PBM}} $ 300
    雷达自适应权重更新系数 $ {\gamma }_{\text{R}} $ 0.12 窗口大小 $ W $ 10
    目标自适应权重更新系数 $ {\gamma }_{\text{T}} $ 0.12 失跟计数阈值 $ {N}_{\text{lost}} $ 5
    迎击距离优先级权重 $ {w}_{\text{dist}} $ 0.4 蛇形机动幅度 $ {A}_{\text{snake}} $ [0.05,0.15]
    角速度优先级权重 $ {w}_{\text{mea}} $ 0.3 蛇形机动频率 $ {f}_{\text{snake}} $ [0.1,0.3]
    跟踪精度优先级权重 $ {w}_{\text{unc}} $ 0.3 来袭方向扰动范围 $ {\theta }_{\text{coming}} $ $ \dfrac{\pi }{4} $
    高优先级阈值 $ {P}_{\text{high}} $ 0.7 初始协方差 $ {\mathbf{P}}_{0} $ [500,500,100$ {(10\cdot \dfrac{\pi }{180})}^{2} $,0.1]
    中优先级阈值 $ {P}_{\text{medium}} $ 0.4 跟踪精度阈值 $ {y}_{{{e}_{\text{th}}}} $ 50
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    表  6  求解算法对比实验参数设置

    参数类型TDAMMASABCGA
    种群规模$ N $30/10030/10030/10030/100
    最大迭代$ K $100100100100
    信息素权重$ {\beta }_{\tau } $1.01.0--
    启发式权重$ {\beta }_{\text{U}} $2.02.0--
    挥发率$ \rho $0.10.1--
    信息素常数$ Q $100100--
    特有参数信息素最大值10信息素最大值10停滞阈值5交叉率0.8
    信息素最小值0.1信息素最小值0.1观察蜂0.5变异率0.1
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    表  7  调度方法对比实验参数设置

    参数类型HQLQLPBM
    状态空间$ s $上层1331/下层363121-
    动作空间$ a $上层3/下层443
    训练轮数$ e $10001000-
    每轮步数$ n $100100
    学习率$ \alpha $上层0.05/下层0.10.1-
    折扣因子$ \gamma $0.850.85-
    探索率$ \varepsilon $1.1至0.0051.1至0.005-
    算法类型指挥规划-战术执行双层Q表单层Q表最高优先级优先调度
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    表  8  协同调度架构横向对比

    拍卖算法[11]其他分层强化学习[26]所提架构
    任务场景反导预警空天网络计算
    资源调度
    饱和攻击
    防空预警
    任务假设异质同质异质
    适用处理规模
    环境自适应能力
    长期调度能力
    可拓展性
    可解释性
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  • 修回日期:  2026-06-24
  • 录用日期:  2026-06-24
  • 网络出版日期:  2026-07-04

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