祁煒,李俠,蔡萬勇,魯千紅
(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢430019)
空襲中預(yù)警機(jī)陣位選擇及航線規(guī)劃*
祁煒,李俠,蔡萬勇,魯千紅
(空軍預(yù)警學(xué)院,武漢430019)
針對空襲作戰(zhàn)時對預(yù)警機(jī)的需求問題,以空襲作戰(zhàn)想定為背景,構(gòu)建了預(yù)警機(jī)陣位選擇的估算模型;以預(yù)警機(jī)實(shí)時探測能力為基礎(chǔ),給出了預(yù)警機(jī)航線規(guī)劃的定量公式,并在其中考慮了工作模式變化對其影響;通過仿真,分析了主要參數(shù)與預(yù)警機(jī)陣位和航線的關(guān)系,其結(jié)果具有一定的實(shí)用價值。
空襲作戰(zhàn),預(yù)警機(jī),陣位選擇,航線規(guī)劃
在對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空襲作戰(zhàn)時,使用預(yù)警機(jī)遂行空中指揮引導(dǎo)任務(wù),可充分發(fā)揮其機(jī)動靈活和有效提供低空情報保障的特點(diǎn),從而使空襲戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)施超低空突防的成功率得到有效提升[1]。預(yù)警機(jī)的陣位選擇和航線規(guī)劃直接影響其能否實(shí)時、有效地全面覆蓋空襲作戰(zhàn)所需指揮引導(dǎo)區(qū)域,因此,尤為重要。文獻(xiàn)[2]基于航母編隊對岸實(shí)施打擊的背景下,分析了預(yù)警機(jī)探測威力大于或小于敵機(jī)攻擊路線短軸時的陣位配置問題;文獻(xiàn)[3]以航母編隊對空防御為背景,從前伸距離和預(yù)警扇面角度分析了預(yù)警機(jī)空域配置方法和巡邏線長度變化情況;文獻(xiàn)[4]從艦載預(yù)警機(jī)探測距離需求出發(fā),引入預(yù)警機(jī)陣位變量,分析了攻擊戰(zhàn)斗機(jī)和巡航戰(zhàn)斗機(jī)速度與預(yù)警機(jī)所需最小探測距離之間的關(guān)系;文獻(xiàn)[5]從預(yù)警機(jī)巡邏空域設(shè)置的角度,分析了對其航線長度的需求,并給出了預(yù)警機(jī)兵力使用的估算方法。
本文首先分析了空襲作戰(zhàn)時攻防雙方的防空導(dǎo)彈攔截線的設(shè)置問題,并對預(yù)警機(jī)的具體作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行了界定;基于確保自身安全且充分發(fā)揮固有探測威力的基本原則,同時充分考慮了預(yù)警機(jī)陣位與攻方戰(zhàn)斗機(jī)續(xù)航能力的關(guān)系,提出了一種實(shí)用的預(yù)警機(jī)陣位選擇方法;基于實(shí)時探測區(qū)應(yīng)有效覆蓋責(zé)任區(qū)和攻方內(nèi)層防空預(yù)警線至預(yù)警機(jī)情報交界線的中間區(qū)域,且直飛航線L最大的基本原則,給出了具體的預(yù)警機(jī)航線的計算公式,并討論了機(jī)載預(yù)警雷達(dá)工作模式變化對直飛航線L的影響問題。最后,基于所構(gòu)建的預(yù)警機(jī)陣位設(shè)置和巡航航線估算模型,對守方戰(zhàn)斗機(jī)速度、責(zé)任區(qū)長度、預(yù)警機(jī)陣位和巡航航線直飛長度之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。文中給出的各種定量公式和估算模型均考慮了主要的內(nèi)外因素,具有實(shí)用價值。
如圖1所示,空襲作戰(zhàn)時,攻方為了能從任意角度對守方重點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施空中打擊,其機(jī)場位置與守方重點(diǎn)目標(biāo)之間的距離將小于攻方戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)半徑,戰(zhàn)斗機(jī)空襲路線最遠(yuǎn)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的連線構(gòu)成橢圓形戰(zhàn)斗機(jī)轉(zhuǎn)彎遠(yuǎn)界。當(dāng)守方重點(diǎn)目標(biāo)附近有機(jī)場,且戰(zhàn)斗機(jī)性能與攻方相仿時,此時攻方機(jī)場同樣會遭到守方戰(zhàn)斗機(jī)從任意角度進(jìn)行的攻擊,因此,攻方機(jī)場需要構(gòu)筑環(huán)形防空區(qū),其地(艦)空導(dǎo)彈陣位線和導(dǎo)彈攔截線均為圓形。攻方內(nèi)層防空預(yù)警線以里全部區(qū)域的防空預(yù)警任務(wù)主要由其陸基(艦載)平臺所搭載的各類傳感器承擔(dān)。
圖1 空襲作戰(zhàn)攻防想定圖
定義1:貫穿攻方機(jī)場中心點(diǎn)G與守方重點(diǎn)目標(biāo)中心點(diǎn)F的直線為進(jìn)攻軸。垂直于進(jìn)攻軸且與攻守雙方導(dǎo)彈攔截線相切的直線中間區(qū)域?yàn)榫C合作戰(zhàn)區(qū),它既是攻守雙方各自的掩護(hù)區(qū)域,又是攻方進(jìn)攻區(qū)域的初始部分。
現(xiàn)代化條件下的空襲作戰(zhàn)通常分為以下3個階段。
第1階段:奪取制空權(quán)。為了保障攻方空襲作戰(zhàn)力量順利對守方重點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施空中打擊,首先需要封鎖和控制綜合作戰(zhàn)區(qū)空域,據(jù)此構(gòu)建其掩護(hù)區(qū)域,并為戰(zhàn)場偵查和實(shí)施打擊階段,創(chuàng)造較為安全的空中環(huán)境;
第2階段:戰(zhàn)場偵察。攻方利用偵察衛(wèi)星、電子偵察機(jī)、預(yù)警機(jī)和無人機(jī)等裝備,對守方重點(diǎn)目標(biāo)的防御力量進(jìn)行偵察,從而獲得其配置武器裝備的地理坐標(biāo)和性能參數(shù),找出防御薄弱角(如圖1所示),并依據(jù)攻方裝備性能和空襲計劃最終劃定預(yù)警機(jī)探測責(zé)任區(qū)范圍;
第3階段:實(shí)施打擊。在攻方內(nèi)層防空預(yù)警線以外,使用預(yù)警機(jī)作為空中指揮所,并派遣戰(zhàn)斗機(jī)對其護(hù)航。預(yù)警機(jī)對參加空襲的所有空中力量進(jìn)行指揮控制,并完成遠(yuǎn)距離空中警戒任務(wù)。預(yù)警機(jī)的使命在整個空襲作戰(zhàn)行動完成后方能結(jié)束。
本文主要討論在第3階段中預(yù)警機(jī)的陣位選擇以及航線規(guī)劃問題。
定義2:攻方戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)和守方戰(zhàn)斗機(jī)均在相同高度層hT飛行,攻方戰(zhàn)斗機(jī)以vxj勻速飛行,守方戰(zhàn)斗機(jī)以VT勻速飛行,預(yù)警機(jī)平飛速度為Va、轉(zhuǎn)彎飛行速度為Vr。
定義3:如圖2所示,陰影區(qū)域?yàn)榫匦呜?zé)任區(qū),θ為守方防御薄弱角,進(jìn)攻軸分別是它們的垂直平分線和角平分線。責(zé)任區(qū)近界與守方導(dǎo)彈攔截線相切于進(jìn)攻軸上的Z1點(diǎn),且其兩端端點(diǎn)為Z2和Z3。攻守雙方地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)射平臺均處于海平面高度,且分別以G、F點(diǎn)為圓心構(gòu)筑陣位線。為能滿足攻方戰(zhàn)斗機(jī)從上任意一點(diǎn)開始空襲行動,所需責(zé)任區(qū)的長度Ltc和縱深Wtc為:
圖2 預(yù)警機(jī)陣位示意圖
式中,lkt是進(jìn)攻方空襲戰(zhàn)斗機(jī)橫向所需空中機(jī)動寬度;wkt是進(jìn)攻方空襲戰(zhàn)斗機(jī)縱向所需空中機(jī)動寬度;Dfd是守方導(dǎo)彈攔截線半徑;Dfjq是守方地(艦)空導(dǎo)彈陣位線半徑;dfjk是守方地(艦)空導(dǎo)彈最大射程。
定義4:為了最大化利用實(shí)時探測區(qū)以覆蓋責(zé)任區(qū),預(yù)警機(jī)采用雙平行線航線飛行,其直飛航線垂直于進(jìn)攻軸(可得到更大的實(shí)時區(qū)探測縱深[6]),航線中心點(diǎn)處于進(jìn)攻軸E點(diǎn)處,且|AB|=|CD|=L、|AC|=|BD|=W,W是2倍的轉(zhuǎn)彎半徑。
定義5:責(zé)任區(qū)近界既是攻方戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)施空襲行動的起點(diǎn),又是預(yù)警機(jī)護(hù)航飛機(jī)的一次攔截近界。攻方戰(zhàn)斗機(jī)為了增加責(zé)任區(qū)內(nèi)作戰(zhàn)時間在進(jìn)入責(zé)任區(qū)近界前和守方戰(zhàn)斗機(jī)為了盡早擊落預(yù)警機(jī)在出責(zé)任區(qū)近界后,均以直線飛行。
確保自身安全且充分發(fā)揮固有探測威力,是預(yù)警機(jī)陣位選擇應(yīng)遵循的基本原則。因此,預(yù)警機(jī)必須在位于守方戰(zhàn)斗機(jī)空空導(dǎo)彈最大射程之外區(qū)域飛行,且陣位應(yīng)盡量靠近責(zé)任區(qū)近界。令攻方機(jī)場到責(zé)任區(qū)近界的垂直距離為Dgz,攻方構(gòu)筑的導(dǎo)彈攔截線半徑為Dgd,守方戰(zhàn)斗機(jī)空空導(dǎo)彈最大射程為dfkk,預(yù)警機(jī)從巡航陣位回撤到Dgd-dfkk的距離為dhc,則預(yù)警機(jī)陣位Dzy可由下式確定:
式中,令攻方地(艦)空導(dǎo)彈陣位線半徑為Dgjq,攻方地(艦)空導(dǎo)彈最大射程為dgjk,則攻方導(dǎo)彈攔截線半徑Dgd的估算公式為:
顯然,回撤距離dhc應(yīng)以最壞情況進(jìn)行考慮,即當(dāng)預(yù)警機(jī)飛至靠近責(zé)任區(qū)近界一側(cè)直飛航線與進(jìn)攻軸交點(diǎn)處時,守方戰(zhàn)斗機(jī)于責(zé)任區(qū)近界Z1點(diǎn)處突破一次攔截近界,此時dhc的估算公式為:
式中,轉(zhuǎn)彎直徑W估算公式為:
式中,g是重力加速度,β是最大轉(zhuǎn)彎坡度角。
將式(3)~式(5)代入式(2)可得:
式中,攻方機(jī)場位置應(yīng)遵循起飛戰(zhàn)機(jī)安全和保證進(jìn)攻戰(zhàn)斗機(jī)在責(zé)任區(qū)內(nèi)作戰(zhàn)時間的原則選取,因此,其位于守方導(dǎo)彈攔截線半徑內(nèi)是不合理的,則Dgz的估算公式為:式中,dxj是攻方機(jī)場到Z2或Z3點(diǎn)距離,txh是攻方戰(zhàn)斗機(jī)續(xù)航時間,tcb是攻方戰(zhàn)斗機(jī)儲備時間,tzh是攻方戰(zhàn)斗機(jī)計劃在責(zé)任區(qū)內(nèi)作戰(zhàn)所需時間。
當(dāng)Va速度足夠大時,預(yù)警機(jī)陣位可進(jìn)入一次攔截線外守方戰(zhàn)斗機(jī)空空導(dǎo)彈的射程之內(nèi),這顯然不合理。另外當(dāng)攻方機(jī)場遠(yuǎn)離責(zé)任區(qū)近界時,隨VT速度不斷增大,預(yù)警機(jī)陣位可以一直遠(yuǎn)離責(zé)任區(qū)近界,但實(shí)際只需移至Dgd-dfkk處即可,此時預(yù)警機(jī)已位于安全空域。因此,可得出預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位D′zy為:
如下頁圖3所示,陰影部分是預(yù)警機(jī)最大探測距離為R時的實(shí)時探測區(qū)[6]。令攻方內(nèi)層防空預(yù)警線半徑為Dnc,預(yù)警機(jī)與攻方內(nèi)層防空遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)之間目標(biāo)交接時間所需時間為tqj,則預(yù)警機(jī)情報交接線J1J2距攻方機(jī)場的距離為Dnc-vxjtqj。預(yù)警機(jī)實(shí)時探測區(qū)可有效覆蓋責(zé)任區(qū)和攻方內(nèi)層防空預(yù)警線至預(yù)警機(jī)情報交接線的中間區(qū)域,且直飛航線L最大,是預(yù)警機(jī)航線規(guī)劃所遵循的3個基本原則。L選大的兩個理由分別是減少單位時間內(nèi)頻繁轉(zhuǎn)彎操作導(dǎo)致飛行員疲勞和縮短轉(zhuǎn)彎盲區(qū)留存時間。不失一般性,設(shè)預(yù)警機(jī)巡航陣位已確定,滿足覆蓋責(zé)任區(qū)時的直飛航線最長距離為L1,滿足覆蓋J1J2時的直飛航線最長距離為L2,且其均應(yīng)不小于轉(zhuǎn)彎直徑W,則實(shí)際直飛航線L由下式確定:
式中
圖3 預(yù)警機(jī)航線規(guī)劃示意圖
式中,R的具體取值決定于預(yù)警機(jī)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)工作模式。通常對空探測時,機(jī)載預(yù)警雷達(dá)可視情選用正常、增程、正常加增程等模式遂行相應(yīng)的探測任務(wù)。從數(shù)據(jù)率角度考慮,工作模式的優(yōu)先使用順序?yàn)檎!⒄<釉龀?、增程。正常模式、增程模式的最大探測距離分別為R1和R2,且R2>R1。當(dāng)R=R1,且L1<W或L2<W時,預(yù)警機(jī)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)工作模式應(yīng)改用增程模式。
4.1 參數(shù)設(shè)置
攻防雙方參戰(zhàn)飛機(jī)及其配屬裝備、導(dǎo)彈性能參數(shù)、地(艦)空導(dǎo)彈陣位線半徑和各作戰(zhàn)流程消耗時間等如表1所示。
表1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置
4.2 D′zy和L與VT的關(guān)系
根據(jù)典型預(yù)警直升機(jī)和固定翼預(yù)警機(jī)的相關(guān)技術(shù)資料,令lkt=20 km、Va={230 km,600 km,850 km},且設(shè)守方戰(zhàn)斗機(jī)飛行速度VT∈[1 km/h,1 200 km/h],則可得圖4所示的D′zy與VT之間的關(guān)系曲線。由圖可得以下結(jié)論:
①D′zy≡110km時,VT≤{332.5km/h,825.9km/h,1 133 km/h},即此時預(yù)警機(jī)陣位處于責(zé)任區(qū)近界外dfkk+W/2處,且Va越大預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位開始遠(yuǎn)離最近陣位點(diǎn)時的VT越大。
圖4 D′zy與VT的關(guān)系曲線
②110 km<D′zy<333.3 km時,當(dāng)Va不變,VT越大D′zy越大,即預(yù)警機(jī)平飛速度恒定時,守方戰(zhàn)斗機(jī)飛行速度越大,預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位距離責(zé)任區(qū)近界越遠(yuǎn);當(dāng)VT不變,Va越大D′zy越小,即守方戰(zhàn)斗機(jī)飛行速度恒定時,預(yù)警機(jī)平飛速度越大,其實(shí)際陣位離責(zé)任區(qū)近界越近。
③D′zy≡333.3km時,從VT前面的變化曲線可知,Va越大,D′zy=333.3km時的VT越大,即此時預(yù)警機(jī)陣位已處于Dgd-dfkk之內(nèi),為了充分發(fā)揮實(shí)時探測區(qū)的效能,預(yù)警機(jī)可停留在Dgd-dfkk處,從而Dzy達(dá)到最大值。
當(dāng)預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位確定后,設(shè)守方戰(zhàn)斗機(jī)飛行速度VT∈[1 km/h,3 000 km/h],它參數(shù)不變時,則可得圖5所示的D′zy與VT之間的關(guān)系曲線。由圖可得以下結(jié)論:
①L≡287.3 km,VT≤{332.5 km/h,825.9 km/h,1 133 km/h},即此時預(yù)警機(jī)陣位處于責(zé)任區(qū)近界外dfkk+W/2處,且Va越大預(yù)警機(jī)直飛航線長度開始變短時對應(yīng)的VT越大。
圖5 L與VT的關(guān)系曲線
②20.01 km<L≤287.3 km且VT=({332.5 km/h,508.8 km/h],(825.9 km/h,1 233 km/h],(1 133 km/h,1 666 km/h]}時,L隨VT增大而減小,此時預(yù)警機(jī)處于正常工作模式,說明預(yù)警機(jī)為了實(shí)時覆蓋責(zé)任區(qū),在VT增大時需要縮短直飛航線L的長度。
③20.01 km<L≤287.3 km且VT=({508.8 km/h,783.5 km/h],(1 233 km/h,1 826 km/h],(1 666 km/h,2 414 km/h]}時,L的變化規(guī)律是先突增,然后遞減至W。此現(xiàn)象表明當(dāng)L突增時預(yù)警機(jī)若采用正常工作模式不能滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求(不能實(shí)時覆蓋責(zé)任區(qū)),需要及時切換為增程工作模式。
④L≡20.01 km,VT>{783.5 km/h,1 826 km/h,2 414 km/h}時,表明此時預(yù)警機(jī)即使采用增程工作模式也無法有效遂行作戰(zhàn)任務(wù)。
4.3 D′zy和L與Ltc的關(guān)系
圖6 D′zy與Ltc的關(guān)系曲線
令VT=1 200 km/h、Va={230 km,600 km,850 km},且Ltc∈[209.04 km,800 km](即lkt∈[0 km,295.48 km]),可得圖6所示的D′zy與Ltc之間的關(guān)系曲線。由圖可得以下結(jié)論:
①當(dāng)D′zy>110 km且209.04 km<Ltc<{670.1 km,615.4 km,426 km}時,D′zy隨Ltc的增大而減小,且相同責(zé)任區(qū)長度時,Va越大預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位離責(zé)任區(qū)近界越近。說明隨著責(zé)任區(qū)的長度增加(空情復(fù)雜造成的橫向機(jī)動寬度增加),攻方機(jī)場需要離責(zé)任區(qū)近界越近,從而造成預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位的不斷前移。
②當(dāng)D′zy≡110 km且Ltc≥{670.1 km,615.4 km,426 km}時,說明預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位已經(jīng)處于責(zé)任區(qū)近界外dfkk+W/2處,為了預(yù)警機(jī)的安全,不能再靠近責(zé)任區(qū)。
圖7 L與Ltc的關(guān)系曲線
預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位確定后,L與Ltc之間的關(guān)系如圖7所示。由此可得出以下結(jié)論:
①當(dāng)Va=230 km/h時,其預(yù)警機(jī)直飛航線長度始終為轉(zhuǎn)彎直徑W,說明預(yù)警機(jī)以此種平飛速度,即使工作在增程工作模式下,也無法完成作戰(zhàn)任務(wù)。
②Va={600 km/h,850 km/h},L>20.01 km,且Ltc= {[209.04 km,295.9 km],[209.04 km,516.3 km]}時,L隨Ltc增大而減小,此時預(yù)警機(jī)處于正常工作模式,說明預(yù)警機(jī)為了實(shí)時覆蓋責(zé)任區(qū),在Ltc增大時需要縮短直飛航線L的長度。
③Va={600 km/h,850 km/h},L>20.01 km,且Ltc= {(295.9 km,656.5 km],[516.3 km,656.5 km]}時,L的變化規(guī)律是先突增,然后遞減至W。此現(xiàn)象表明當(dāng)L突增時預(yù)警機(jī)若采用正常工作模式不能滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求(不能實(shí)時覆蓋責(zé)任區(qū)),需要及時切換為增程工作模式。
④Va={600 km/h,850 km/h},L≡20.01 km,且Ltc>{656.5 km,656.5 km}時。此現(xiàn)象表明此時預(yù)警機(jī)即使采用增程工作模式也無法有效遂行作戰(zhàn)任務(wù)。
⑤Va={600km/h,850km/h},分別出現(xiàn)的拐點(diǎn)A、B是由于預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位已處于責(zé)任區(qū)近界外dfkk+ W/2處造成,在拐點(diǎn)之后由于預(yù)警機(jī)實(shí)際陣位將不再發(fā)生變化,因此,預(yù)警機(jī)直飛航線長度只隨責(zé)任區(qū)長度的變化而改變,所以無論預(yù)警機(jī)平飛速度多大,其最大可覆蓋責(zé)任區(qū)的長度為656.5 km。
根據(jù)攻防雙方主要作戰(zhàn)力量的性能,本文針對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行空襲作戰(zhàn)中預(yù)警機(jī)的陣位設(shè)置與航線規(guī)劃問題,提出了4條合理可行的預(yù)警機(jī)前伸陣位設(shè)置與航線規(guī)劃的原則,構(gòu)建了其實(shí)用的規(guī)劃模型,所建模型考慮了各種主要的內(nèi)、外因素。通過仿真,分析了主要參數(shù)對預(yù)警機(jī)陣位和航線的影響。提出的陣位設(shè)置與航線規(guī)劃原則、定量模型以及仿真結(jié)論,可供實(shí)際預(yù)警機(jī)兵力部署決策時參考使用。本文是基于無加油機(jī)情況下構(gòu)筑的模型,如果加油機(jī)參與空襲作戰(zhàn),文中模型可退化為設(shè)定合理的地(艦)空導(dǎo)彈攔截線位置,為預(yù)警機(jī)回撤構(gòu)筑安全空域,則其他模型依然有效。本文預(yù)警機(jī)陣位設(shè)置尚未考慮與其他電子戰(zhàn)飛機(jī)的協(xié)同問題,航線規(guī)劃也未涉及多架預(yù)警機(jī)協(xié)同問題,這些問題均有待進(jìn)一步研究。
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AEW Location Selection and Course Programming of Air-Raid Operations
QI Wei,LI Xia,CAI Wan-yong,LU Qian-hong
(Air Force Early Warning Academy,Wuhan 430019,China)
Estimation model for AEW location selection is built,with AEW(Aircraft Early Warning)demands while air-raid operation,and with background of air-raid operation scenario. Quantitative formula of AEW course programming are given,based on real-time detection ability,and influence is discussed while operation mode changed.Relations between major parameters and AEW location and the course are analyzed with simulation,of which the results are practically valuable.
air-raid,AEW,location selection,course programming
E925;TJ85
A
1002-0640(2016)12-0064-05
2015-11-08
2015-12-26
湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015CFB607)
祁煒(1981-),男,湖北黃岡人,博士研究生。研究方向:預(yù)警裝備效能評估與驗(yàn)證。