全球空間網格參考系統框架及其在空域管控上的應用設想

萬路軍，戴江斌，周　磊，沈　堤

（空軍工程大學空管領航學院，西安　710051）

基金項目：國家自然科學基金（61703425）。

作者簡介：萬路軍（1986—），男，江蘇連云港人，副教授，博士，主要研究領域為空域管控、多機集群指揮控制。E-mail：pandawlj@126.com

摘　要：信息化聯合作戰面臨空域劃設統籌難、空域態勢描述難、空域快速生成難、空域沖突檢測消解難等問題，制約了空域管控的效能發揮。借鑒美軍將區域地理參考系統應用于空域管控的思路，按照空域管控應用需求，遵循全球空間網格參考系統（GSGRS）的優良特性及技術組織體系，提出全球空間網格參考系統框架。而后對全球空間網格參考系統框架的多種應用特性進行分析，并就其在空域分類、空域態勢、空域生成和沖突檢測消解等方面應用給出設想，為空域管控提供了一種新的技術手段與實踐思路。

關鍵詞：空間信息剖分；全球空間網格參考系統；空域態勢；空域生成；沖突檢測消解

中圖分類號：V355　文獻標識碼：A

Global Spatial Grid Reference System Frame and It’s Application Assumptions of Airspace Control

Wan Lujun，Dai Jiangbin，Zhou Lei，Shen Di

（Air Traffic Control and Navigation College，Air Force Engineering University，Xi’an，710051 China）

Abstract：In informationization joint operational，it is very difficult to unify airspace delimit，describe airspace situation，fast generate airspace，detect and deconflict the airspaces’conflict.The problem above all restrict the joint operational effectiveness.Draw on the thinking of the Area Reference System apply in US military airspace control，according to airspace control requirement，the Global Spatial Grid Reference System（GSGRS）Frame was advanced，which following the GSGRS’s excellent characteristic and technique organization system of system.Furthermore，the various application characteristic of GSGRS frame was analyzed，and the application assumptions of airspace classify，airspace situation，airspace generation，conflict detection and deconfliction was given，which provide a new techno-measure and practice thinking for airspace control.

Key words：Geospatial information subdivision；Global spatial grid reference system；Airspace situation；Airspace generation；Conflict detection and deconfliction

0　引言

信息化聯合空中作戰，空域用戶和空中作戰樣式日益增多，戰場范圍愈發廣闊，參戰力量更加多元，攻防行動交織，空域需求多樣，戰場空域結構復雜，空域使用矛盾增多，直接影響到空中作戰行動的順利進行。未來空戰場環境及空中作戰任務的復雜性和動態性將前所未有，空中行動的不確定性增加，這對戰場空域管控活動的時效性提出了很高要求。單純依靠傳統的空域管控措施不能滿足聯合作戰對空域管控的需求，有必要創新戰場空域管控方法和技術手段，解決現有的空域態勢描述描述不統一、態勢理解易混淆，空域生成時效性差等問題。充分借鑒美軍全球區域參考系統（Global Area Reference System，GARS）和軍事網格參考系統（Military Grid Reference System，MGRS）[1]在戰場空域管控方面的成功經驗與成熟做法，以北大程承旗教授提出的全球空間網格參考系統（Global Spatial Grid Reference System，GSGRS）[2，3]為主要研究對象，鑒于該網格系統可標識、可定位、可索引、可計算、多尺度等優異特性，探討基于該參考系統的空域管控機制和方法，為提高戰場空域利用率，確保用空單元安全、精準地管控空域提供有益的參考。

本文在對地球空間信息剖分組的基礎上，依據空間信息剖分組織基本思路和原則，借鑒空間信息剖分的優良特性及技術組織體系，按照一定的規則對地球空間進行剖分，并對剖分面片進行編碼，形成全球空間網格參考系統框架。通過對全球空間網格參考系統框架的多種應用特性進行分析，分別從空域分類、空域態勢、空域生成和沖突檢測消解等四個方面提出系統框架在空域管控上應用的設想。

1　GeoSOT網格

基于一維整型數組全球等經緯度剖分網格（geographical coordinate global subdivision based on one dimension integer coding on 2n-tree，GeoSOT）[1]，以CGCS2000國家大地經緯坐標體系為基礎，通過將地球進行3次擴展（將整個地球擴展為512°×512°，將1°擴展為64′，將1′擴為64″），在此基礎上不斷地進行4分，實現整度、整分、整秒的四叉樹剖分，形成一個上至地球（0級）、下至厘米級面元（32級）的多尺度四叉樹網格，GeoSOT網格擴展劃分示意如圖1所示。

GeoSOT網格是對經緯度坐標體系的有益補充和擴展，是在國家經緯度比例尺分幅網格、國家地理格網等網格的基礎上進行的繼承和發展，并與之有著較好的聚合與關聯關系。在操作上，Geo-SOT剖分網格系統支持四項基本操作：一是利用GeoSOT基礎剖分面片生成各類應用剖分網格的“聚合操作”；二是由剖分面片編碼查找含有GeoSOT面片集合的“檢索操作”；三是不同剖分體系之間通過GeoSOT基礎面片實現的“空間索引操作”；四是不同剖分體系之間通過GeoSOT基礎面片實現的“面片映射操作”。在組成上，GeoSOT網格屬于等經緯度四叉樹剖分網格體系，共有32級，均勻地將地球表面空間劃分為多尺度的網格，其中0～9級為“度”級網格；10～15級網格為分級網格；16～21級為秒級網格；22～32級為秒級以下網格，最小的32級網格的大小為（1/2048）″；形成一個覆蓋全球的網格體系。GeoSOT網格編碼模型采用Z序編碼的編碼方式，并具有二進制、四進制、八進制、十進制、十六進制等多種編碼形式[4]，如圖2所示。

編碼起點為（0，0），四個半球采用不同的Z序方向。從0級網格依次往下四分編碼，下一級網格在上一級網格的基礎上Z序編碼；每一級網格按Z序按四進制被分別賦值0，1，2，3，也可轉換為二進制碼為00，01，10，11。剖分編碼可以基于剖分架構進行設計得到，也可通過與經緯度直接轉換計算獲得。0級網格是以赤道與本初子午線交點為中心點的512°×512°方格，包含了整個地球，0級網格編碼為G，含義為全球（Globe）。GeoSOT網格在0級網格的基礎上平均分為4份為1級網格，每個1級網格大小為256°。網格編碼為Gd。其中，d為0、1、2或3，見圖3。

在此基礎上繼續進行四叉樹劃分，可以得到2～9級網格，每個9級網格的大小為1°×1°，10～15級網格為“分”級網格。將9級的1°（60′）網格虛擬擴展至64′，每個10級剖分網格以64′×64′大小平均分為4份，每個10級網格大小為32′×32′。網格編碼為Gddddddddd-m，其中d、m取值0、1、2和3的四進制數，GeoSOT網格的二進制一維編碼格式如圖4所示。在此基礎上繼續四分，得到11～15級網格，每個15級網格大小為1′×1′。剖分大小和編碼形式按上述規則遞歸。16～21級為“秒”級網格，擴展方法參照分級網格，即15級1′（60″）面片值域范圍外延為64″×64″，之后進行四叉樹劃分，得到16級網格，每個16級網格大小為32″×32″。網格編碼為Gdddddddddmmmmmmmmmm-s，繼續四分，得到17～21級網格，每個21級網格大小為1″×1″。繼續四叉樹剖分，得到秒以下的22～32級網格，32級網格的大小1/2048″×1/2048″。網格編碼為Gdddddddddmmmmmmmmmm-ssssss-uuuuu uuuuuu。其中，d、m、s和u分別取0、1、2、3的四進制數。在具體應用中，網格編碼可以通過經緯度直接轉換計算獲得，用于以經緯度坐標方式記錄地理位置的數據處理和分析。例如，西安市鐘樓中心大致16m見方區域，經緯度坐標為（34°15′39″N，108°56′33″E），在21級網格（1″網格）的網格編碼為G001211002-201230-321031。

2　一級全球空間網格參考系統框架

綜合考慮作戰方向、協同要求、裝備性能、作戰對象等因素，抽取GeoSOT網格中的部分網格，形成具有特定含義的基礎網格集-地球空間網格參考系統，并生成簡明且易識別的網格編碼，便于在運用中表達和記憶。地球空間網格編碼可直接轉換為GeoSOT網格編碼，利用GeoSOT網格的完美四叉樹體系，使得二進制形式網格編碼的每一位二進制碼都具有意義。根據不同作戰力量作戰空域及與其他力量作戰空域協同的需求。結合GeoSOT網格的多尺度剖分特性[5]，抽取其中的7～27級網格（網格大小為4°～1/64″網格），分別代表512km至1m級地理距離尺度。作為實際運用的基礎網格，用戶可以根據實際需求利用地球剖分網格優異的多尺度性選取所要的網格。各級剖分面片對應關系如表1所示。

考慮到網格不同量級在網格上的應用，全球空間網格具體的設計方法為：我們以4°網格、16′網格、1′網格、4″網格、1/4″網格、1/64″網格作為基礎網格，分別代表大尺度級（500km級）、過渡級（50km級）、中尺度級（1km級）、小尺度級（100m級）、定位級（10m級）、精確級（1m級）基礎網格，如表2所示，構成全球空間基礎網格系統。

其中，在全球范圍內用4°×4°網格將全球（180°×360°）劃分為46×90份，每個單元格用字母和數字命名，緯度方向用字母A～Y和a～y（I，O和i，o除外）共46個字母代替，其中北半球為大寫，南半球為小寫，起算點為0°。從低緯度到高緯度字母依次按A～Y的順序變化；經度方向用數字00～89代替，起算點為0°。例如在圖5中，單元格被命名為“J27”表示北半球的緯度從赤道往北第9個，經度從-180°往東第28個網格。在此基礎上將4°網格（1°按64′計，即256′）劃分為16′網格，形成16×16個網格，東北半球以左下為角點，以0123456789ABCDEF十六進制順序進行編碼。同理，可繼續進行16×16的剖分至1′網格、4″網格、1/4″網格、1/64″網格；也可以根據不同的需求采用2×2、4×4、8×8等多種剖分方式，剖分為不同層級的編碼，并按一定規則賦予其通用的編碼。對于單一面片編碼而言，其編碼不僅反映了當前表達尺度的信息，同時還包含了由此層級往上的各級編碼，即包含了之上的各尺度層信息。例如，西安市鐘樓（34°15′39″N，108°56′33″E），其4°網格位于34°15′/4=8余2°15′，108°56′/4=27余56′，即赤道往北緯度第9個格子，經度由-180°東向第28個格子，因此其編碼為J27，剩余緯度余數除以16′（1°以64′計，（2×64+15）/16=8余15），取8，同理可推至1′，4″，1/4″，1/64″，得到F，D，8，0，即4°以下的緯向編碼為8FD80。同理，經度余數得到3，8，8，4，0，即4°以下的經向編碼為38840。在此基礎上將緯向和經向編碼依次交叉，并加上4°編碼，可以得到地球空間網格編碼J2783F8D88400。在逆向上來看，可將編碼J2783F8D88400拆分為緯向編碼（8）8FD80和經向編碼（27）38840，分位換算為二進制，并將4°網格二進制補至7位，其他補至4位，得到緯向和經向二進制編碼0001000 1000 1111 1101 1000 0000與00110110011 1000 1000 0100 0000，將緯向和經向二進制編碼依次交叉，補齊至64位，00000111000101 10000101 11101010 11100010 10010000 00000000，十進制數為498653938749440，與GeoSOT網格編碼一致。

3　全球空間網格參考系統框架特性分析

全球空間網格參考系統框架構建了等度、分、秒的四叉樹網格體系，發展出一個以剖分網格為單元的編碼、標識、索引、存儲、表達和計算分析框架，具有鮮明的應用特性。

一是對傳統經緯度點參考系的一個有益補充和擴展。全球空間網格參考系統框架是基于經緯度參考系建立起來的，它的出現可以解決許多點參考系難以處理或處理效率低的問題。同時二者都是針對地球表面的位置表達，它們是空間表達客體。已知剖分面片的編碼，就可以計算出相應的經緯度，而給定任意點的經緯度坐標，也可以計算出所在剖分面片的編碼。根據地球剖分規則，將地球表面逐層細分，每個面片代表該層上特定的區域位置，劃分層次越深，面片的區域越少，劃分到一定層次后就可以精確表達空間位置。所以在表達點的位置時，剖分面片編碼與經緯度坐標可以說是等價的。

二是與GARS和MGRS網格相類似，全球空間網格是一個基于經緯度坐標體系標準下設計的等度、等分、等秒剖分的全球區域參考系統。擁有自主設計的特定定位編碼體系，可用于空地空海聯合行動中的位置、時域和空域的協同，且與常見的基于經緯度標準的航圖圖幅、海圖圖幅、氣象圖幅等有著良好的兼容關系。對于以經緯度點參考系采集的地理空間信息，按一定規則通過簡單的編碼轉換就能融入網格系統中，不需要重新進行復雜的數據采集工作，能最大限度地利用現有的地理信息資源。

三是借鑒Google Earth的四叉樹瓦片數據疊加技術，利用將60″虛擬擴展到64″的方法在兼顧等度分秒進行面片剖分的同時也建立了一套完整的全球四叉樹數據組織體系。網格可以作為一個類似于“抽屜”的裝置用來存儲數據，不同來源不同類型的數據可以依照網格的地理位置賦予編碼，把數據按規則放入到“抽屜”里，將各類信息模塊化編組，利用網格編碼將不同的“功能模塊”有機地關聯在一起，將傳統信息檢索中基于二維經緯度的復雜空間關系計算方法，轉變為一維二進制編碼的簡單匹配。目前，已有領域的研究成果表明，其檢索效率相比傳統的檢索方法，整體提升在10倍以上，為戰場綜合態勢表達、作戰協同、效果評估、模擬推演等方面的地理空間信息快速保障提供了一種新的途徑。

四是建立起以剖分網格為基礎單元的新的全球區域參考系統框架。將傳統意義上被認為分析性不強的地球球面連續空間處理成可計算的離散網格單元，以網格為單元進行區域量化，每單元被賦予不同的元素，將時空屬性信息、高程信息、敵我屬性等信息也加載在網格單元上，通過編碼形式表達出來，可以以方格為功能單元準確描述空域態勢；可以快速生成類似于美軍“殺傷盒”“空域協調區”“高密度控制區”等限制性空域[6，7]。

五是地球空間網格借助四叉樹剖分機制，設計了適合計算機運算的二進制整形網格編碼，發展了二進制網格編碼代數運算方法。其相較于傳統的經緯度坐標算法而言，運算復雜度低，高效快捷。可以應用于空間拓撲關系的判定，空間方位距離的計算，最短路徑分析等。可以根據實際運用需求，將二進制編碼與其他進制的編碼相互轉化，便于識別、計算與表達。

六是可在二維的基礎上加入高度維形成三維地球空間剖分網格框架，構建下至地心、上至5000km高空的立體八叉樹網格，構成空天地一體化的網格框架。將難以計算的三維空間抽象為立體網格集合，把三維計算轉化為一維網格編碼計算，為傳統方法不便于解決的諸多問題（如地磁場的表達、復雜空域的三維表達）提供新的方法。

4　全球空間網格參考系統在戰場空域管控上應用設想

空中作戰的作戰樣式的更新和武器的快速發展，對戰場空域管控的理論和機制提出了更高的要求。因此，加快對戰場空域管控方法手段的創新研究，構建基于全球空間網格參考系統的空域管控應用框架，滿足聯合作戰對空域管控的需求，是最大限度發揮空中作戰效能的關鍵所在。

一是統一設計戰場空域類型。通過研究不同作戰任務對戰場空域使用的需求，有針對性地為各種作戰樣式制定高效的空域劃設和使用規則。聯合作戰離不開對戰場空域類型的預先科學設計，形成統一的空域類型標準。戰場空域類型的劃設可以充分借鑒美軍在相關領域的經驗，結合聯合作戰涉空武器裝備的空域使用需求和空域管控能力，針對不同作戰樣式特點，研究劃設不同戰場空域類型并進行科學分類，規定相應的管控及火力支援協調措施。例如，劃設高密度空域控制區、空域協調區、自由射擊區、聯合殺傷區、空中走廊、火力支援協調線等空域。在此基礎上，對所有類型空域的數據類別、生成機制進行科學設計，實現空域模型化和數字化描述，為空域的快速生成奠定基礎。同時，針對每一種空域類型，設計與之適應的空域動態管控方法，按照區分時間、高度網格、平面網格的思路，采用技術和時間控制手段，實現空域的靈活精準高效使用。

二是進行戰場空域態勢描述。本文提出的全球空間網格參考系統，以4°網格、16′網格、1′網格、4″網格、1/4″網格、1/64″網格作為基礎網格，利用GeoSOT網格的可剖分性加入32′和4′網格，4′在16′網格的基礎上進行兩次四分，在十六進制編碼的基礎上進行四進制編碼，得到完整的編碼。其中，用4°級網格（500km級）來描述作戰責任區，用32′級網格（50km級）來描述作戰基本區，如待戰空域、巡邏空域、末端防御區、目標識別區等；依托4′級網格（10km級）來描述空中通道，如穿越走廊等；1/4″網格連續編碼集合可以用來描述作戰分界線，如戰區前進線、敵我對峙線、敵我識別開關線、穿越航線、無人飛行器航線、直升機航線等。如有需要亦可運用1/64″級網格（1m級）來定義波塞點、搜索救援點[6]。以此為基礎完成戰場基本空域的地理區位描述，在此基礎上，可以拓展到絕大部分空域的地理區位描述，如可以用16′網格來描述“殺傷盒”[8]。

三是部分戰場空域的快速生成。空域的形狀多種多樣，有規則的，也有不規則的，且由于任務的不同，不同軍兵種所需的空域大小也不同，需要在多個尺度上進行標識，對于面積較大的空域需要在較大的剖分尺度上進行標識；有些空域面積較小或者不規則，則需要在較小的剖分尺度上進行獨立或組合標識。因此，首先需要根據空域的實際確定一個合適的剖分標識層級。綜合分析聯合作戰中各種涉空力量的用空實際需求，結合GeoSOT網格的多尺度剖分特性，將地球球面用不同尺度的編碼為每一片不同大小的區域進行了明確的定位編碼。在理論上提供一種新的普遍性的位置描述方法，特別是在表示不同尺度的區域位置上具有簡明、快捷、易計算、易表達的優異特性，每個網格不僅包括了這個網格的位置信息，也可以作為一個類似于抽屜的屬性涵蓋相應區域上的地形地貌高層信息，任務類型、空域屬性等信息，也可以通過網格的組合及屬性標注，將戰場劃分為不同的屬性區域，進而為戰場空域的快速生成提供統一的地理坐標描述機制。

四是戰場空域的沖突檢測與消解。諸軍兵種聯合作戰，參戰部隊多、武器種類雜，且大部分作戰力量均需使用戰場空域，對空域的需求量大，對在較短時間內高效利用有限的空域資源提出了新的要求。不同涉空單元的用空目的不同、需求不同、方式不同，必然造成空域申請與使用上的沖突，不利于數量龐大的作戰單元協同使用。如不能高效檢測到戰場空域間的時域、空域和頻域沖突并對其進行消解，必定會打亂仗、自亂陣腳、各自為戰甚至出現誤擊誤傷的情況。由于在傳統的經緯度點坐標系中，度量兩點之間的距離以兩點間經緯度坐標歐式距離作為精確計算結果。在地球剖分框架中，沒有傳統空間意義上的點和線，其組成的基本單元是全球無縫無疊和多尺度遞歸的剖分面片。全球空間網格參考系統是以等經緯度網格為基礎構成的，其剖分面片為尺度不一的四邊形，考慮到空域的區域性，進行空域標準化設計后，每類空域都有標準的形狀。這樣，基于地球剖分空間拓撲關系模型，以剖分面片間的覆蓋、包含、相交、相遇與相離等空間關系為基礎，對戰場上的空域的沖突進行檢測并進行相應消解處理。

5　結束語

戰場空域管控的核心是實現戰場空域資源的高效優化配置，前提在于對空域態勢的一致認知，基礎在于對空域的科學合理分類，關鍵在于消除空域使用的矛盾沖突。從全球空間網格視角看戰場空域管控，空間網格這一看似基礎性的標準工具在空域管控上的應用前景將十分廣闊，優勢與好處如下：

一是立足于全球空間網格的應用，實現跨軍種、跨系統、跨部門間空域態勢信息一致認知，類似美軍建立全球區域參考系統，能最大限度提供統一的共享空域態勢信息平臺，從而為融合式聯合作戰中空域的集中管控和分散實施提供了一種新平臺。

二是基于全球空間網格簡明、快捷、易計算、易表達的多尺度特性，在理論上為空域劃設生成提供了一種新的普遍性的位置描述方法，每個網格不僅具有位置信息，也可以作為“信息抽屜”承載區域內地理、氣象、目標、任務等信息，通過數據信息挖掘和空間多尺度網格快速組合，為戰場空域的快速生成提供了一種新途徑。

三是通過全球空間網格空間拓撲關系界定空域間的區位關系，克服了傳統點參考系統中點、線、面重疊比對計算復雜的不足，利用空域區位間的包含、相鄰、相交、相離等關系，基于網格的天然地域分割特性和利于計算機解算的多尺度二進制編碼，且為空域沖突的智能化檢測消解提供了一種新思路。

參考文獻

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