全球空间网格参考系统框架及其在空域管控上的应用设想

万路军，戴江斌，周　磊，沈　堤

（空军工程大学空管领航学院，西安　710051）

基金项目：国家自然科学基金（61703425）。

作者简介：万路军（1986—），男，江苏连云港人，副教授，博士，主要研究领域为空域管控、多机集群指挥控制。E-mail：pandawlj@126.com

摘　要：信息化联合作战面临空域划设统筹难、空域态势描述难、空域快速生成难、空域冲突检测消解难等问题，制约了空域管控的效能发挥。借鉴美军将区域地理参考系统应用于空域管控的思路，按照空域管控应用需求，遵循全球空间网格参考系统（GSGRS）的优良特性及技术组织体系，提出全球空间网格参考系统框架。而后对全球空间网格参考系统框架的多种应用特性进行分析，并就其在空域分类、空域态势、空域生成和冲突检测消解等方面应用给出设想，为空域管控提供了一种新的技术手段与实践思路。

关键词：空间信息剖分；全球空间网格参考系统；空域态势；空域生成；冲突检测消解

中图分类号：V355　文献标识码：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

信息化联合空中作战，空域用户和空中作战样式日益增多，战场范围愈发广阔，参战力量更加多元，攻防行动交织，空域需求多样，战场空域结构复杂，空域使用矛盾增多，直接影响到空中作战行动的顺利进行。未来空战场环境及空中作战任务的复杂性和动态性将前所未有，空中行动的不确定性增加，这对战场空域管控活动的时效性提出了很高要求。单纯依靠传统的空域管控措施不能满足联合作战对空域管控的需求，有必要创新战场空域管控方法和技术手段，解决现有的空域态势描述描述不统一、态势理解易混淆，空域生成时效性差等问题。充分借鉴美军全球区域参考系统（Global Area Reference System，GARS）和军事网格参考系统（Military Grid Reference System，MGRS）[1]在战场空域管控方面的成功经验与成熟做法，以北大程承旗教授提出的全球空间网格参考系统（Global Spatial Grid Reference System，GSGRS）[2，3]为主要研究对象，鉴于该网格系统可标识、可定位、可索引、可计算、多尺度等优异特性，探讨基于该参考系统的空域管控机制和方法，为提高战场空域利用率，确保用空单元安全、精准地管控空域提供有益的参考。

本文在对地球空间信息剖分组的基础上，依据空间信息剖分组织基本思路和原则，借鉴空间信息剖分的优良特性及技术组织体系，按照一定的规则对地球空间进行剖分，并对剖分面片进行编码，形成全球空间网格参考系统框架。通过对全球空间网格参考系统框架的多种应用特性进行分析，分别从空域分类、空域态势、空域生成和冲突检测消解等四个方面提出系统框架在空域管控上应用的设想。

1　GeoSOT网格

基于一维整型数组全球等经纬度剖分网格（geographical coordinate global subdivision based on one dimension integer coding on 2n-tree，GeoSOT）[1]，以CGCS2000国家大地经纬坐标体系为基础，通过将地球进行3次扩展（将整个地球扩展为512°×512°，将1°扩展为64′，将1′扩为64″），在此基础上不断地进行4分，实现整度、整分、整秒的四叉树剖分，形成一个上至地球（0级）、下至厘米级面元（32级）的多尺度四叉树网格，GeoSOT网格扩展划分示意如图1所示。

GeoSOT网格是对经纬度坐标体系的有益补充和扩展，是在国家经纬度比例尺分幅网格、国家地理格网等网格的基础上进行的继承和发展，并与之有着较好的聚合与关联关系。在操作上，Geo-SOT剖分网格系统支持四项基本操作：一是利用GeoSOT基础剖分面片生成各类应用剖分网格的“聚合操作”；二是由剖分面片编码查找含有GeoSOT面片集合的“检索操作”；三是不同剖分体系之间通过GeoSOT基础面片实现的“空间索引操作”；四是不同剖分体系之间通过GeoSOT基础面片实现的“面片映射操作”。在组成上，GeoSOT网格属于等经纬度四叉树剖分网格体系，共有32级，均匀地将地球表面空间划分为多尺度的网格，其中0～9级为“度”级网格；10～15级网格为分级网格；16～21级为秒级网格；22～32级为秒级以下网格，最小的32级网格的大小为（1/2048）″；形成一个覆盖全球的网格体系。GeoSOT网格编码模型采用Z序编码的编码方式，并具有二进制、四进制、八进制、十进制、十六进制等多种编码形式[4]，如图2所示。

编码起点为（0，0），四个半球采用不同的Z序方向。从0级网格依次往下四分编码，下一级网格在上一级网格的基础上Z序编码；每一级网格按Z序按四进制被分别赋值0，1，2，3，也可转换为二进制码为00，01，10，11。剖分编码可以基于剖分架构进行设计得到，也可通过与经纬度直接转换计算获得。0级网格是以赤道与本初子午线交点为中心点的512°×512°方格，包含了整个地球，0级网格编码为G，含义为全球（Globe）。GeoSOT网格在0级网格的基础上平均分为4份为1级网格，每个1级网格大小为256°。网格编码为Gd。其中，d为0、1、2或3，见图3。

在此基础上继续进行四叉树划分，可以得到2～9级网格，每个9级网格的大小为1°×1°，10～15级网格为“分”级网格。将9级的1°（60′）网格虚拟扩展至64′，每个10级剖分网格以64′×64′大小平均分为4份，每个10级网格大小为32′×32′。网格编码为Gddddddddd-m，其中d、m取值0、1、2和3的四进制数，GeoSOT网格的二进制一维编码格式如图4所示。在此基础上继续四分，得到11～15级网格，每个15级网格大小为1′×1′。剖分大小和编码形式按上述规则递归。16～21级为“秒”级网格，扩展方法参照分级网格，即15级1′（60″）面片值域范围外延为64″×64″，之后进行四叉树划分，得到16级网格，每个16级网格大小为32″×32″。网格编码为Gdddddddddmmmmmmmmmm-s，继续四分，得到17～21级网格，每个21级网格大小为1″×1″。继续四叉树剖分，得到秒以下的22～32级网格，32级网格的大小1/2048″×1/2048″。网格编码为Gdddddddddmmmmmmmmmm-ssssss-uuuuu uuuuuu。其中，d、m、s和u分别取0、1、2、3的四进制数。在具体应用中，网格编码可以通过经纬度直接转换计算获得，用于以经纬度坐标方式记录地理位置的数据处理和分析。例如，西安市钟楼中心大致16m见方区域，经纬度坐标为（34°15′39″N，108°56′33″E），在21级网格（1″网格）的网格编码为G001211002-201230-321031。

2　一级全球空间网格参考系统框架

综合考虑作战方向、协同要求、装备性能、作战对象等因素，抽取GeoSOT网格中的部分网格，形成具有特定含义的基础网格集-地球空间网格参考系统，并生成简明且易识别的网格编码，便于在运用中表达和记忆。地球空间网格编码可直接转换为GeoSOT网格编码，利用GeoSOT网格的完美四叉树体系，使得二进制形式网格编码的每一位二进制码都具有意义。根据不同作战力量作战空域及与其他力量作战空域协同的需求。结合GeoSOT网格的多尺度剖分特性[5]，抽取其中的7～27级网格（网格大小为4°～1/64″网格），分别代表512km至1m级地理距离尺度。作为实际运用的基础网格，用户可以根据实际需求利用地球剖分网格优异的多尺度性选取所要的网格。各级剖分面片对应关系如表1所示。

考虑到网格不同量级在网格上的应用，全球空间网格具体的设计方法为：我们以4°网格、16′网格、1′网格、4″网格、1/4″网格、1/64″网格作为基础网格，分别代表大尺度级（500km级）、过渡级（50km级）、中尺度级（1km级）、小尺度级（100m级）、定位级（10m级）、精确级（1m级）基础网格，如表2所示，构成全球空间基础网格系统。

其中，在全球范围内用4°×4°网格将全球（180°×360°）划分为46×90份，每个单元格用字母和数字命名，纬度方向用字母A～Y和a～y（I，O和i，o除外）共46个字母代替，其中北半球为大写，南半球为小写，起算点为0°。从低纬度到高纬度字母依次按A～Y的顺序变化；经度方向用数字00～89代替，起算点为0°。例如在图5中，单元格被命名为“J27”表示北半球的纬度从赤道往北第9个，经度从-180°往东第28个网格。在此基础上将4°网格（1°按64′计，即256′）划分为16′网格，形成16×16个网格，东北半球以左下为角点，以0123456789ABCDEF十六进制顺序进行编码。同理，可继续进行16×16的剖分至1′网格、4″网格、1/4″网格、1/64″网格；也可以根据不同的需求采用2×2、4×4、8×8等多种剖分方式，剖分为不同层级的编码，并按一定规则赋予其通用的编码。对于单一面片编码而言，其编码不仅反映了当前表达尺度的信息，同时还包含了由此层级往上的各级编码，即包含了之上的各尺度层信息。例如，西安市钟楼（34°15′39″N，108°56′33″E），其4°网格位于34°15′/4=8余2°15′，108°56′/4=27余56′，即赤道往北纬度第9个格子，经度由-180°东向第28个格子，因此其编码为J27，剩余纬度余数除以16′（1°以64′计，（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°以下的纬向编码为8FD80。同理，经度余数得到3，8，8，4，0，即4°以下的经向编码为38840。在此基础上将纬向和经向编码依次交叉，并加上4°编码，可以得到地球空间网格编码J2783F8D88400。在逆向上来看，可将编码J2783F8D88400拆分为纬向编码（8）8FD80和经向编码（27）38840，分位换算为二进制，并将4°网格二进制补至7位，其他补至4位，得到纬向和经向二进制编码0001000 1000 1111 1101 1000 0000与00110110011 1000 1000 0100 0000，将纬向和经向二进制编码依次交叉，补齐至64位，00000111000101 10000101 11101010 11100010 10010000 00000000，十进制数为498653938749440，与GeoSOT网格编码一致。

3　全球空间网格参考系统框架特性分析

全球空间网格参考系统框架构建了等度、分、秒的四叉树网格体系，发展出一个以剖分网格为单元的编码、标识、索引、存储、表达和计算分析框架，具有鲜明的应用特性。

一是对传统经纬度点参考系的一个有益补充和扩展。全球空间网格参考系统框架是基于经纬度参考系建立起来的，它的出现可以解决许多点参考系难以处理或处理效率低的问题。同时二者都是针对地球表面的位置表达，它们是空间表达客体。已知剖分面片的编码，就可以计算出相应的经纬度，而给定任意点的经纬度坐标，也可以计算出所在剖分面片的编码。根据地球剖分规则，将地球表面逐层细分，每个面片代表该层上特定的区域位置，划分层次越深，面片的区域越少，划分到一定层次后就可以精确表达空间位置。所以在表达点的位置时，剖分面片编码与经纬度坐标可以说是等价的。

二是与GARS和MGRS网格相类似，全球空间网格是一个基于经纬度坐标体系标准下设计的等度、等分、等秒剖分的全球区域参考系统。拥有自主设计的特定定位编码体系，可用于空地空海联合行动中的位置、时域和空域的协同，且与常见的基于经纬度标准的航图图幅、海图图幅、气象图幅等有着良好的兼容关系。对于以经纬度点参考系采集的地理空间信息，按一定规则通过简单的编码转换就能融入网格系统中，不需要重新进行复杂的数据采集工作，能最大限度地利用现有的地理信息资源。

三是借鉴Google Earth的四叉树瓦片数据叠加技术，利用将60″虚拟扩展到64″的方法在兼顾等度分秒进行面片剖分的同时也建立了一套完整的全球四叉树数据组织体系。网格可以作为一个类似于“抽屉”的装置用来存储数据，不同来源不同类型的数据可以依照网格的地理位置赋予编码，把数据按规则放入到“抽屉”里，将各类信息模块化编组，利用网格编码将不同的“功能模块”有机地关联在一起，将传统信息检索中基于二维经纬度的复杂空间关系计算方法，转变为一维二进制编码的简单匹配。目前，已有领域的研究成果表明，其检索效率相比传统的检索方法，整体提升在10倍以上，为战场综合态势表达、作战协同、效果评估、模拟推演等方面的地理空间信息快速保障提供了一种新的途径。

四是建立起以剖分网格为基础单元的新的全球区域参考系统框架。将传统意义上被认为分析性不强的地球球面连续空间处理成可计算的离散网格单元，以网格为单元进行区域量化，每单元被赋予不同的元素，将时空属性信息、高程信息、敌我属性等信息也加载在网格单元上，通过编码形式表达出来，可以以方格为功能单元准确描述空域态势；可以快速生成类似于美军“杀伤盒”“空域协调区”“高密度控制区”等限制性空域[6，7]。

五是地球空间网格借助四叉树剖分机制，设计了适合计算机运算的二进制整形网格编码，发展了二进制网格编码代数运算方法。其相较于传统的经纬度坐标算法而言，运算复杂度低，高效快捷。可以应用于空间拓扑关系的判定，空间方位距离的计算，最短路径分析等。可以根据实际运用需求，将二进制编码与其他进制的编码相互转化，便于识别、计算与表达。

六是可在二维的基础上加入高度维形成三维地球空间剖分网格框架，构建下至地心、上至5000km高空的立体八叉树网格，构成空天地一体化的网格框架。将难以计算的三维空间抽象为立体网格集合，把三维计算转化为一维网格编码计算，为传统方法不便于解决的诸多问题（如地磁场的表达、复杂空域的三维表达）提供新的方法。

4　全球空间网格参考系统在战场空域管控上应用设想

空中作战的作战样式的更新和武器的快速发展，对战场空域管控的理论和机制提出了更高的要求。因此，加快对战场空域管控方法手段的创新研究，构建基于全球空间网格参考系统的空域管控应用框架，满足联合作战对空域管控的需求，是最大限度发挥空中作战效能的关键所在。

一是统一设计战场空域类型。通过研究不同作战任务对战场空域使用的需求，有针对性地为各种作战样式制定高效的空域划设和使用规则。联合作战离不开对战场空域类型的预先科学设计，形成统一的空域类型标准。战场空域类型的划设可以充分借鉴美军在相关领域的经验，结合联合作战涉空武器装备的空域使用需求和空域管控能力，针对不同作战样式特点，研究划设不同战场空域类型并进行科学分类，规定相应的管控及火力支援协调措施。例如，划设高密度空域控制区、空域协调区、自由射击区、联合杀伤区、空中走廊、火力支援协调线等空域。在此基础上，对所有类型空域的数据类别、生成机制进行科学设计，实现空域模型化和数字化描述，为空域的快速生成奠定基础。同时，针对每一种空域类型，设计与之适应的空域动态管控方法，按照区分时间、高度网格、平面网格的思路，采用技术和时间控制手段，实现空域的灵活精准高效使用。

二是进行战场空域态势描述。本文提出的全球空间网格参考系统，以4°网格、16′网格、1′网格、4″网格、1/4″网格、1/64″网格作为基础网格，利用GeoSOT网格的可剖分性加入32′和4′网格，4′在16′网格的基础上进行两次四分，在十六进制编码的基础上进行四进制编码，得到完整的编码。其中，用4°级网格（500km级）来描述作战责任区，用32′级网格（50km级）来描述作战基本区，如待战空域、巡逻空域、末端防御区、目标识别区等；依托4′级网格（10km级）来描述空中通道，如穿越走廊等；1/4″网格连续编码集合可以用来描述作战分界线，如战区前进线、敌我对峙线、敌我识别开关线、穿越航线、无人飞行器航线、直升机航线等。如有需要亦可运用1/64″级网格（1m级）来定义波塞点、搜索救援点[6]。以此为基础完成战场基本空域的地理区位描述，在此基础上，可以拓展到绝大部分空域的地理区位描述，如可以用16′网格来描述“杀伤盒”[8]。

三是部分战场空域的快速生成。空域的形状多种多样，有规则的，也有不规则的，且由于任务的不同，不同军兵种所需的空域大小也不同，需要在多个尺度上进行标识，对于面积较大的空域需要在较大的剖分尺度上进行标识；有些空域面积较小或者不规则，则需要在较小的剖分尺度上进行独立或组合标识。因此，首先需要根据空域的实际确定一个合适的剖分标识层级。综合分析联合作战中各种涉空力量的用空实际需求，结合GeoSOT网格的多尺度剖分特性，将地球球面用不同尺度的编码为每一片不同大小的区域进行了明确的定位编码。在理论上提供一种新的普遍性的位置描述方法，特别是在表示不同尺度的区域位置上具有简明、快捷、易计算、易表达的优异特性，每个网格不仅包括了这个网格的位置信息，也可以作为一个类似于抽屉的属性涵盖相应区域上的地形地貌高层信息，任务类型、空域属性等信息，也可以通过网格的组合及属性标注，将战场划分为不同的属性区域，进而为战场空域的快速生成提供统一的地理坐标描述机制。

四是战场空域的冲突检测与消解。诸军兵种联合作战，参战部队多、武器种类杂，且大部分作战力量均需使用战场空域，对空域的需求量大，对在较短时间内高效利用有限的空域资源提出了新的要求。不同涉空单元的用空目的不同、需求不同、方式不同，必然造成空域申请与使用上的冲突，不利于数量庞大的作战单元协同使用。如不能高效检测到战场空域间的时域、空域和频域冲突并对其进行消解，必定会打乱仗、自乱阵脚、各自为战甚至出现误击误伤的情况。由于在传统的经纬度点坐标系中，度量两点之间的距离以两点间经纬度坐标欧式距离作为精确计算结果。在地球剖分框架中，没有传统空间意义上的点和线，其组成的基本单元是全球无缝无叠和多尺度递归的剖分面片。全球空间网格参考系统是以等经纬度网格为基础构成的，其剖分面片为尺度不一的四边形，考虑到空域的区域性，进行空域标准化设计后，每类空域都有标准的形状。这样，基于地球剖分空间拓扑关系模型，以剖分面片间的覆盖、包含、相交、相遇与相离等空间关系为基础，对战场上的空域的冲突进行检测并进行相应消解处理。

5　结束语

战场空域管控的核心是实现战场空域资源的高效优化配置，前提在于对空域态势的一致认知，基础在于对空域的科学合理分类，关键在于消除空域使用的矛盾冲突。从全球空间网格视角看战场空域管控，空间网格这一看似基础性的标准工具在空域管控上的应用前景将十分广阔，优势与好处如下：

一是立足于全球空间网格的应用，实现跨军种、跨系统、跨部门间空域态势信息一致认知，类似美军建立全球区域参考系统，能最大限度提供统一的共享空域态势信息平台，从而为融合式联合作战中空域的集中管控和分散实施提供了一种新平台。

二是基于全球空间网格简明、快捷、易计算、易表达的多尺度特性，在理论上为空域划设生成提供了一种新的普遍性的位置描述方法，每个网格不仅具有位置信息，也可以作为“信息抽屉”承载区域内地理、气象、目标、任务等信息，通过数据信息挖掘和空间多尺度网格快速组合，为战场空域的快速生成提供了一种新途径。

三是通过全球空间网格空间拓扑关系界定空域间的区位关系，克服了传统点参考系统中点、线、面重叠比对计算复杂的不足，利用空域区位间的包含、相邻、相交、相离等关系，基于网格的天然地域分割特性和利于计算机解算的多尺度二进制编码，且为空域冲突的智能化检测消解提供了一种新思路。

参考文献

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[2]程承旗，任伏虎，濮国梁，等.空间信息剖分组织导论[M].北京：科学出版社，2012

[3]程承旗，吴飞龙，王嵘.地球空间参考网格系统建设初探[J].北京大学学报（自然科学版），2016，52（6），1041-1049

[4]程承旗，付晨.地球空间参考网格及应用前景[J].地理信息世界，2014，21（3）：1-8

[5]杨宇博，程承旗，董芳，等.基于GeoSOT剖分编码的多尺度空间信息区域包含关系计算方法[J].遥感技术与应用，2013，28（3）：474-479

[6]张宝书.作战地带空域控制联合条令[M].北京：解放军出版社，2007

[7]US DOD.Joint Publication3-09：Joint Fire Support[S].2014，12

[8]US DOD.Joint Publication3-09.3：Close Air Support[S].2009，07