徐鑫宇, 萬路軍,, 陳 平, 戴江斌, 蔡 明

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安，710051； 2.空中交通管理系統(tǒng)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210007)

信息化聯(lián)合作戰(zhàn)，大量有人、無人航空器及導(dǎo)彈、智能彈藥等武器系統(tǒng)充斥天空，戰(zhàn)場空域變得越來越擁擠，需要?jiǎng)?chuàng)新空域表征方法以實(shí)現(xiàn)高效的戰(zhàn)場空域管控[1-2]。目前，我們習(xí)慣用經(jīng)緯度坐標(biāo)表征空域，這使得面對高烈度的現(xiàn)代戰(zhàn)爭時(shí)存在以下缺點(diǎn)：①經(jīng)緯度的度-分-秒形式描述復(fù)雜，不利于戰(zhàn)場空域的位置通報(bào)；②經(jīng)緯度表征的是一個(gè)點(diǎn)，要想表征一個(gè)面狀空域需要確定該空域的幾個(gè)角點(diǎn)和空域中心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，繁瑣復(fù)雜；③在聯(lián)合作戰(zhàn)協(xié)同過程中需要大量的精力去核對經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致效率極低。而美軍在不斷的戰(zhàn)爭實(shí)踐中，用一系列全球離散網(wǎng)格系統(tǒng)(discrete global grid system，DGGS)[3-4]來表征空域，比傳統(tǒng)的基于經(jīng)緯度坐標(biāo)表征空域的方法更有效地利用信息資源[5-6]。

國內(nèi)外學(xué)者提出了多種DGGS，主要有經(jīng)緯度剖分網(wǎng)格系統(tǒng)、自適應(yīng)剖分網(wǎng)格系統(tǒng)以及正多面體剖分網(wǎng)格系統(tǒng)[7-8]。自適應(yīng)網(wǎng)格比規(guī)則網(wǎng)格有更大的靈活性，但自適應(yīng)網(wǎng)格的遞歸剖分十分困難，這對于空間對象的多尺度表征非常不利；正多面體網(wǎng)格系統(tǒng)以5種“理想多面體”為剖分網(wǎng)格單元，導(dǎo)致剖分網(wǎng)格種類繁多，并且每一種形狀的網(wǎng)格針對不同的應(yīng)用場景[9]。經(jīng)緯度剖分網(wǎng)格系統(tǒng)是建立最早也是目前應(yīng)用最廣泛的一類網(wǎng)格系統(tǒng)，符合軍事人員的使用習(xí)慣。美軍目前作戰(zhàn)使用的網(wǎng)格系統(tǒng)都是經(jīng)緯度網(wǎng)格系統(tǒng)[10-11]，例如軍事網(wǎng)格參考系統(tǒng)(military grid reference system，MGRS)、通用地理參考系統(tǒng)(common geographic reference system，CGRS)以及全球區(qū)域參考系統(tǒng)(global area reference system，GARS)。

借鑒美軍的成熟經(jīng)驗(yàn)以及作戰(zhàn)實(shí)踐，要進(jìn)行高效的戰(zhàn)場空域管控，必須要解決戰(zhàn)場空域柵格化表征問題?？沼虻臇鸥窕碚魇呛罄m(xù)的戰(zhàn)場空域沖突快速檢測與消解的前提，也為高效及時(shí)地進(jìn)行戰(zhàn)場空域管控奠定基礎(chǔ)。本文以列入我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[12]、由北京大學(xué)程承旗教授團(tuán)隊(duì)提出的2n一維整型數(shù)組全球經(jīng)緯剖分網(wǎng)格(geographic coordinate subdividing grid with one dimension integral coding on 2n-tree，GeoSOT)[13-16]為基礎(chǔ)，結(jié)合戰(zhàn)場空域管控實(shí)際，抽取GeoSOT部分層級(jí)網(wǎng)格，并重新設(shè)計(jì)編碼結(jié)構(gòu)，對戰(zhàn)場空域進(jìn)行柵格化表征。

1 美軍典型網(wǎng)格系統(tǒng)剖析

戰(zhàn)場空域柵格化表征是指基于網(wǎng)格參考系統(tǒng)，把戰(zhàn)場空域地址范圍分割為多層級(jí)、多尺度的無縫隙、無重疊的網(wǎng)格集合，并通過有序的網(wǎng)格編碼組成地址碼，加上空域的高度范圍、使用時(shí)間以及類型等屬性碼建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對戰(zhàn)場空域進(jìn)行記錄和組織的方法。美軍對戰(zhàn)場空域的深刻認(rèn)識(shí)以及對戰(zhàn)場空域進(jìn)行柵格化表征的成功實(shí)踐值得我們參考。本節(jié)通過對美軍典型經(jīng)緯度剖分網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行梳理、分析，為設(shè)計(jì)適應(yīng)我國戰(zhàn)場空域管控特點(diǎn)的網(wǎng)格參考系統(tǒng)提供借鑒。

1.1 CGRS

CGRS用于對作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行劃分，剖分原點(diǎn)根據(jù)作戰(zhàn)區(qū)域靈活確定，因此不同戰(zhàn)區(qū)使用的剖分原點(diǎn)可以不同。原點(diǎn)確定后，將作戰(zhàn)區(qū)域劃分為30′×30′的單元(Cell)，經(jīng)度方向由西向東依次用字母A～Z編碼，緯度方向由南向北依次用數(shù)字編碼；每個(gè)單元均勻劃分為9個(gè)鍵(Keypad)，每個(gè)鍵代表10′×10′的區(qū)域，從上到下用1～9編碼；每個(gè)鍵均勻劃分為4個(gè)象限(Quadrant)，每個(gè)象限代表5′×5′的區(qū)域，分別用NW、NE、SW、SE編碼，代表西北、東北、西南、東南。CGRS通過單元-鍵-象限三級(jí)完成對戰(zhàn)場區(qū)域的劃分。CGRS缺點(diǎn)是未覆蓋全球，只在戰(zhàn)場局部建立；且剖分原點(diǎn)不固定，容易造成不同作戰(zhàn)區(qū)域之間的重疊和同一片區(qū)域編碼不唯一等問題。

1.2 GARS

GARS是為克服上述缺點(diǎn)而在CGRS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者都屬于面參考系統(tǒng)。GARS對地球表面進(jìn)行剖分，每一個(gè)網(wǎng)格代表的地理空間都有唯一的編碼。GARS原點(diǎn)為180°經(jīng)線(180°E/S)與南極點(diǎn)(90°S)的交點(diǎn)，首先將全球范圍劃分為30′×30′的單元，經(jīng)度方向由西向東用001～720編碼，緯度方向由南向北用AA～QZ(跳過I和O)編碼，每一個(gè)單元都可用3位數(shù)字加2位字母編碼。其次每個(gè)單元均勻劃分為4個(gè)15′×15′的象限，從上到下用1～4編碼。每個(gè)象限均勻劃分為9個(gè)5′×5′的鍵，從上到下按Z序用1～9編碼。GARS的優(yōu)點(diǎn)是全球覆蓋，每個(gè)區(qū)域有唯一的編碼，且簡明易用，編碼數(shù)字與字母交替，易于協(xié)調(diào)通報(bào)；缺點(diǎn)是最小網(wǎng)格表征的區(qū)域是5 nmile，無法滿足高精度協(xié)同作戰(zhàn)需要。

1.3 MGRS

美軍戰(zhàn)場空域管控部門使用MGRS作為點(diǎn)參考系統(tǒng)。MGRS用一個(gè)字母和數(shù)字組成的字符串表示地球上的地理位置，字符串的長度越長代表定位精度越高，最高可達(dá)1 m。該系統(tǒng)將地球建模為一個(gè)橢球體，目前使用的是WGS84橢球。MGRS在南緯80°至北緯84°之間采用通用橫軸墨卡托投影(universal transverse mercator projection，UTM)，能夠覆蓋地球上大部分陸地。地理位置的編碼分為3個(gè)部分：①區(qū)域網(wǎng)格索引編碼；②百公里網(wǎng)格索引編碼；③數(shù)字定位索引編碼。MGRS的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度協(xié)同，彌補(bǔ)CGRS和GARS不能適用于近距空中支援等高精度要求的作戰(zhàn)場景的不足；缺點(diǎn)是編碼位長，對裝備性能要求高。

2 面向空域表征的網(wǎng)格參考系統(tǒng)設(shè)計(jì)

美軍網(wǎng)格系統(tǒng)以1984世界大地測量系統(tǒng)(world geodetic system 1984，WGS-84)為基準(zhǔn)，而我國現(xiàn)階段使用的位置參考基準(zhǔn)是CGCS-2000國家大地坐標(biāo)系，WGS-84與CGCS-2000是有區(qū)別的[17]；其次美軍使用MGRS作為點(diǎn)參考系統(tǒng)，使用CGRS和GARS作為面參考系統(tǒng)，對于點(diǎn)和面狀空域的描述需要使用不同的參考系統(tǒng)，并且兩種面參考系統(tǒng)剖分方法相似，但同一個(gè)術(shù)語表示的空間范圍卻不同，在使用上容易造成混亂。因此，需要探索適合我國戰(zhàn)場空域表征實(shí)際的網(wǎng)格系統(tǒng)。

2.1 剖分方案

GeoSOT網(wǎng)格具有我國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用經(jīng)緯度剖分，具有邊界不重疊、網(wǎng)格正交、經(jīng)緯一致、與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)格兼容性好等特點(diǎn)，且能夠進(jìn)行點(diǎn)面一體化表征。GeoSOT將地球表面空間進(jìn)行3次拓展，即將緯度(-90°～90°)和經(jīng)度(-180°～180°)都拓展為(-256°～256°)，將1°拓展為64′，將1′拓展為64″，實(shí)現(xiàn)等度、等分、等秒剖分。圖1為拓展示意圖。

圖1 GeoSOT拓展示意圖

GeoSOT屬于等經(jīng)緯度四叉樹剖分網(wǎng)格體系，剖分層級(jí)共32級(jí)，各級(jí)網(wǎng)格對應(yīng)的尺度如表1所示，其編碼方式可采用一維四進(jìn)制編碼、一維二進(jìn)制編碼或者二維二進(jìn)制編碼，3種編碼方式可方便地轉(zhuǎn)換[18]。由于GeoSOT剖分層級(jí)較多、編碼較長，這對于描述空域以及任務(wù)部隊(duì)之間的協(xié)調(diào)通報(bào)是不利的，并且部分層級(jí)的GeoSOT網(wǎng)格大小對于戰(zhàn)場空域管控來說意義不大。因此需要綜合考慮作戰(zhàn)需求、戰(zhàn)場空域高效表征、便于后期空域沖突檢測與消解等因素，抽取GeoSOT中部分層級(jí)網(wǎng)格，設(shè)計(jì)面向空域表征的改進(jìn)型GeoSOT剖分方案和編碼結(jié)構(gòu)。

表1 GeoSOT各層級(jí)與尺度對應(yīng)關(guān)系

依據(jù)《中華人民共和國飛行基本規(guī)則》[19]以及《中華人民共和國飛行間隔規(guī)定》[20]，空域之間的水平間隔多為10 km和20 km。因此，改進(jìn)型GeoSOT剖分方案應(yīng)當(dāng)包含原方案中8 km×8 km、2 km×2 km這兩級(jí)網(wǎng)格。故選定512 km×512 km網(wǎng)格作為第1層級(jí)，表示作戰(zhàn)責(zé)任區(qū)；將第1層級(jí)網(wǎng)格平均分為16份，得到第2級(jí)層級(jí)128 km×128 km網(wǎng)格，表示作戰(zhàn)基本區(qū)；依次進(jìn)行16分，得到32 km×32 km、8 km×8 km、2 km×2 km、512 m×512 m、128 m×128 m網(wǎng)格。改進(jìn)型GeoSOT各層級(jí)網(wǎng)格大小、尺度、級(jí)別如表2所示。

表2 改進(jìn)型GeoSOT各層級(jí)網(wǎng)格

2.2 地址編碼

改進(jìn)型GeoSOT剖分方案用4°×4°的網(wǎng)格將地球表面(180°×360°)分為46×90份。緯度方向用A～Y和a～y(跳過I，O和i，o)共46個(gè)字母，從赤道按照緯度由低到高編碼，北緯大寫，南緯小寫。經(jīng)度方向從本初子午線開始由西向東用00～89共90個(gè)數(shù)字編碼。每個(gè)4°×4°網(wǎng)格平均剖分為16個(gè)1°×1°網(wǎng)格，按照Z序空間填充曲線進(jìn)行16進(jìn)制編碼，如圖2所示。依此遞推，得到第3～7層級(jí)網(wǎng)格的編碼。

圖2 改進(jìn)型GeoSOT網(wǎng)格

以西安鐘樓中心經(jīng)緯度坐標(biāo)(34°15′39″N，108°56′32″E)為例說明GeoSOT與改進(jìn)型GeoSOT編碼的區(qū)別。西安鐘樓中心所在的GeoSOT第15層級(jí)網(wǎng)格(1′×1′)的一維二進(jìn)制編碼為000001110001011000010111101010，轉(zhuǎn)化為一維四進(jìn)制編碼為001301120113222。計(jì)算改進(jìn)型GeoSOT編碼方式為：34°15′/4°=8余2°15′，108°56′/4°=27余56′，位于改進(jìn)型GeoSOT北緯向第9個(gè)、經(jīng)向第28個(gè)4°×4°網(wǎng)格，所以第1層級(jí)編碼為J27。2°15′/1°=2余15′，56′/1°=0余56′，位于緯向第3個(gè)、經(jīng)向第1個(gè)1°×1°網(wǎng)格，所以第2層級(jí)編碼為8。15′/16′=0余15′，56′/16′=3余8′，位于緯向第1個(gè)、經(jīng)向第4個(gè)16′×16′網(wǎng)格，所以第3層級(jí)編碼為5。依此類推，得到第4層級(jí)編碼為E，第5層級(jí)編碼為A。故西安鐘樓中心位于第5層級(jí)(1′×1′)網(wǎng)格的改進(jìn)型GeoSOT編碼為J2785EA。由于改進(jìn)型GeoSOT的第1層級(jí)對應(yīng)原GeoSOT第7層級(jí)，將J(對應(yīng)北緯向第9)和27分別轉(zhuǎn)化為7位二進(jìn)制，得到0001001和0011011，交叉得到00000111001011，后面跟上由8、5、E、A 4個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字分別轉(zhuǎn)化成的4位二進(jìn)制數(shù)字1000、0101、1110、1010，得到二進(jìn)制編碼為000001110010111000010111101010，四進(jìn)制編碼為001301120113222，與前面計(jì)算得到的GeoSOT編碼一致?？梢姡瑑深惥幋a可以方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但改進(jìn)型GeoSOT編碼位數(shù)更短，用于戰(zhàn)場空域表征時(shí)更加簡潔高效，并且便于戰(zhàn)場空域位置通報(bào)。

2.3 屬性編碼

戰(zhàn)場空域是有一定高度或高度范圍的，除此之外還有空域的使用時(shí)間以及類型，因此改進(jìn)型GeoSOT屬性編碼應(yīng)當(dāng)包括高度編碼、時(shí)間編碼和類型編碼。

1)高度編碼。高度編碼用大寫英文字母H加上3位數(shù)字表示，數(shù)字的單位為百米。為了保持高度編碼長度一致，如果空域高度固定，則重復(fù)編碼。默認(rèn)高度為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓高度，如表示真高則用H加下標(biāo)表示。例如H008H008代表標(biāo)壓高800 m，H080H110代表標(biāo)壓高8 000 m到11 000 m，H真010H真020代表真高1 000 m到2 000 m。

2)時(shí)間編碼。由于作戰(zhàn)行動(dòng)的快速變化，空域的時(shí)間編碼默認(rèn)省略年份(年份為當(dāng)年)，如果跨年則加上年份。時(shí)間編碼為一串16位的數(shù)字。如06100800-06111400代表該空域的使用期限為2020年6月10日8∶00 am到2020年6月11日2∶00 pm。

3)類型編碼。在空域分類的基礎(chǔ)上，對空域類型編碼。例如01代表聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，08空中走廊、24機(jī)場防空區(qū)、26代表電子戰(zhàn)空域、33代表預(yù)警機(jī)空域、50代表殺傷盒。具體的空域類型編碼可參照有關(guān)分類標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)型GeoSOT編碼=地址碼+屬性碼，包含戰(zhàn)場空域的地址(Where)、高度(Height)、使用時(shí)間(When)以及類型(What)信息，構(gòu)建了“3W+H”戰(zhàn)場空域表征體系，標(biāo)準(zhǔn)化的編碼格式有利于計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確讀取。

2.4 特性分析

1)改進(jìn)型GeoSOT是一套全球剖分的網(wǎng)格參考系統(tǒng)，它是基于經(jīng)緯度坐標(biāo)體系發(fā)展而來的。軍事人員所習(xí)慣使用的經(jīng)緯度坐標(biāo)可快速方便地轉(zhuǎn)化為地址編碼。

2)改進(jìn)型GeoSOT既能像美軍的GARS一樣作為面參考系統(tǒng)，也具有類似MGRS的定位功能。可根據(jù)空域的不同類型以及表征精度的需要，選擇改進(jìn)型GeoSOT不同的層級(jí)網(wǎng)格對空域進(jìn)行表征與描述。

3)改進(jìn)型GeoSOT建立了一套以網(wǎng)格為單元的戰(zhàn)場空域管理與計(jì)算框架。通過對空域進(jìn)行網(wǎng)格化處理，每個(gè)網(wǎng)格對應(yīng)于一個(gè)編碼?？沼蛑g位置關(guān)系轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格之間的拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系，空域之間基于經(jīng)緯度坐標(biāo)的復(fù)雜的距離計(jì)算簡化為網(wǎng)格之間的加減乘除計(jì)算，最終都?xì)w結(jié)為編碼之間運(yùn)算。

4)改進(jìn)型GeoSOT除了可以用于戰(zhàn)場空域的表征外，還可以對地面任何位置進(jìn)行描述，以該網(wǎng)格參考系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)生成地面、空中戰(zhàn)場態(tài)勢“一張圖”，在空地協(xié)同作戰(zhàn)中有廣闊的應(yīng)用前景。

3 戰(zhàn)場空域柵格化表征

從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與索引的角度來看，戰(zhàn)場空域柵格化表征體系的構(gòu)建應(yīng)遵循以下2個(gè)原則：

1)網(wǎng)格最少準(zhǔn)則?？沼虮碚魉璧木W(wǎng)格編碼量，直接決定所需的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量。因此，應(yīng)使用盡可能少的剖分網(wǎng)格來表征空域。因?yàn)榫W(wǎng)格具有繼承性，可以用一組子網(wǎng)格聚合成父網(wǎng)格，用父網(wǎng)格進(jìn)行記錄，在保證不損失任何信息的前提下能有效地減少網(wǎng)格數(shù)量。

2)精度對應(yīng)原則。不同層級(jí)的網(wǎng)格對應(yīng)不同的表征精度，在空域表征中，點(diǎn)狀空域和面狀空域所需的表征精度是不一樣的。超出所需精度的表征會(huì)導(dǎo)致工作量激增且沒有實(shí)際意義，所以需要根據(jù)空域所需精度確定最深的剖分層級(jí)，不再往下細(xì)分，將最深層的剖分層級(jí)作為基礎(chǔ)編碼層級(jí)。

3.1 點(diǎn)狀空域表征

點(diǎn)狀空域主要有以下幾種：

1)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)：在空中作戰(zhàn)行動(dòng)中，任務(wù)飛機(jī)與控制機(jī)構(gòu)在此位置進(jìn)行無線電聯(lián)絡(luò)的點(diǎn)。

2)搜索救援點(diǎn)：用于協(xié)助失聯(lián)人員向救援部隊(duì)提供位置所預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。

3)空中控制點(diǎn)：用于飛機(jī)導(dǎo)航、指揮控制和通信的點(diǎn)。

4)波賽點(diǎn)：用以向空中任務(wù)飛機(jī)通報(bào)目標(biāo)方位、距離的參考點(diǎn)。

點(diǎn)狀空域用改進(jìn)型GeoSOT第7層級(jí)定位級(jí)網(wǎng)格表征。某點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)可轉(zhuǎn)換為第7層級(jí)的編碼，并迅速定位到相應(yīng)的網(wǎng)格。點(diǎn)狀空域在網(wǎng)格平臺(tái)的表征如圖3所示。

圖3 點(diǎn)狀空域柵格化表征

3.2 線狀空域表征

線狀空域種類很多，例如用于陸空火力協(xié)同的火力支援協(xié)調(diào)線、戰(zhàn)時(shí)進(jìn)行敵我識(shí)別的敵我識(shí)別開關(guān)線、己方飛機(jī)進(jìn)出戰(zhàn)區(qū)的空中走廊等。線狀空域表征為一串首尾相連的網(wǎng)格的集合，根據(jù)精度對應(yīng)原則，在不同的表征精度下選擇不同的剖分層級(jí)。線狀空域的表征如圖4所示。具體表征步驟如下：

圖4 線狀空域柵格化表征

步驟1選取某線狀空域，假設(shè)它由AB、BC、CD 3段構(gòu)成。

步驟2計(jì)算該線狀空域的最小外包矩形(minimum bounding rectangle，MBR)和最小外包網(wǎng)格(minimum bounding grid， MBG)，以MBG的定位點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。將MBG剖分至指定層級(jí)，向東，向北為正向，依次用01234…等數(shù)字編碼。

步驟3確定線狀空域每個(gè)直線段端點(diǎn)的行列坐標(biāo)，而端點(diǎn)之間網(wǎng)格的行列坐標(biāo)集可由直線插值計(jì)算得到。

步驟4得到線狀空域各直線段的坐標(biāo)集，并進(jìn)行唯一性判斷，去掉中間直線兩端點(diǎn)重復(fù)的坐標(biāo)，得到最終的行列坐標(biāo)集。

步驟5利用行列坐標(biāo)與改進(jìn)型GeoSOT編碼之間的對應(yīng)關(guān)系，得到線狀空域的編碼集。

在作戰(zhàn)行動(dòng)中，為了各方面協(xié)同通報(bào)的方便，可借鑒航線規(guī)劃時(shí)只標(biāo)注起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎點(diǎn)和終止點(diǎn)，然后將點(diǎn)與點(diǎn)之間連線構(gòu)成航線的思路，向飛行員或任務(wù)部隊(duì)只通報(bào)線狀空域的起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎點(diǎn)、終止點(diǎn)所在網(wǎng)格的編碼，大幅減少通報(bào)量。

3.3 區(qū)狀空域表征

區(qū)狀空域的邊界可視為由連續(xù)且封閉的線狀空域首尾連接而成，因此獲取區(qū)狀空域邊界的行列坐標(biāo)集的方法與線狀空域形同，在3.2節(jié)中已有詳細(xì)說明。區(qū)狀空域的具體表征步驟如下：

步驟1計(jì)算區(qū)狀空域MBR和MBG，根據(jù)表征精度需求，將MBC剖分至指定層級(jí)N，并獲取區(qū)狀空域邊界在第N層級(jí)的行列坐標(biāo)集。

步驟2檢查同一行網(wǎng)格的列號(hào)是否連續(xù)，如不連續(xù)，則進(jìn)行填充。逐行進(jìn)行檢查，直到對區(qū)狀空域填充完畢。得到區(qū)狀空域的行列坐標(biāo)集。

步驟3根據(jù)行列坐標(biāo)與改進(jìn)型GeoSOT編碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將行列坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為改進(jìn)型GeoSOT編碼。

步驟4根據(jù)網(wǎng)格最少原則，將屬于同一個(gè)父網(wǎng)格的16個(gè)子網(wǎng)格聚合，用父網(wǎng)格編碼表示，直至不能再聚合為止。然后記錄聚合操作后的網(wǎng)格編碼，得到區(qū)狀空域的編碼集。

標(biāo)準(zhǔn)的空中加油空域?yàn)橐卉壍佬螀^(qū)狀空域，以空中加油空域?yàn)槔瑓^(qū)狀空域的表征如圖5所示。在圖5(a)左圖中，綠色線為空域邊界，紫色網(wǎng)格為空域邊界的網(wǎng)格集，黃色網(wǎng)格為檢查后得到的內(nèi)部填充網(wǎng)格集，右圖為聚合后的空中加油空域柵格化表征。

圖5 區(qū)狀柵格化空域表征

4 實(shí)例分析

假設(shè)某次空對地打擊敵地面目標(biāo)作戰(zhàn)行動(dòng)中，各類型空域如圖6所示，其中紅色代表區(qū)狀空域，綠色代表線狀空域，黃色代表點(diǎn)狀空域。根據(jù)改進(jìn)型GeoSOT的剖分規(guī)則與編碼規(guī)則，該作戰(zhàn)區(qū)域共分為25個(gè)大小為32 km×32 km的第3層級(jí)網(wǎng)格。以殺傷盒為例，在敵地面目標(biāo)所在的H2348網(wǎng)格區(qū)域建立殺傷盒，用于空中火力對其進(jìn)行打擊，殺傷盒高度從地面到標(biāo)高5 000 m，殺傷盒使用時(shí)間為2020年6月10日6時(shí)20分到6月11日12時(shí)整，殺傷盒的空域類型編碼為50。機(jī)場防空區(qū)所在的網(wǎng)格編碼為H2311，從該機(jī)場起飛的戰(zhàn)機(jī)沿空中走廊到達(dá)殺傷盒執(zhí)行對地打擊任務(wù)。此外，還有執(zhí)行對飛機(jī)進(jìn)行指揮引導(dǎo)和預(yù)警探測任務(wù)的預(yù)警機(jī)空域，執(zhí)行對地電磁干擾任務(wù)的電子戰(zhàn)飛機(jī)集結(jié)空域，以及在空中走廊預(yù)設(shè)的、在此位置與預(yù)警機(jī)聯(lián)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)。

圖6 戰(zhàn)場空域柵格化表征

為提高戰(zhàn)場空域表征的精度，對電子戰(zhàn)飛機(jī)集結(jié)空域所在的H231F和H231D網(wǎng)格以及空中走廊經(jīng)過的H2314、H2315、H2317網(wǎng)格進(jìn)行下一級(jí)剖分，得到8 km×8 km的第4層級(jí)網(wǎng)格。不同層級(jí)網(wǎng)格的編碼具有繼承性，為表示方便只標(biāo)出了第4層級(jí)網(wǎng)格的最后一位編碼。在精度允許的情況下利用網(wǎng)格編碼對戰(zhàn)場空域進(jìn)行表征，結(jié)果見表3。

表3 戰(zhàn)場空域的編碼集合

從表3可以看出，空域的編碼既包含空域的空間信息、時(shí)間信息以及類型信息，還具有全球唯一性。因此，只要該戰(zhàn)場空域在使用期限內(nèi)，不論其它空域的信息如何變化，該戰(zhàn)場空域的編碼始終不變，這有利于計(jì)算機(jī)依照編碼對戰(zhàn)場空域進(jìn)行檢索。通過比對所表征空域的網(wǎng)格編碼集合有無交集，可為后續(xù)的基于網(wǎng)格編碼的戰(zhàn)場空域沖突檢測與消解奠定基礎(chǔ)。

表3中的各類戰(zhàn)場空域的表征結(jié)果可以根據(jù)實(shí)際情況以及需要的表征精度，進(jìn)行粗精不等的編碼。由于改進(jìn)型GeoSOT網(wǎng)格具有多尺度的特性，可以對戰(zhàn)場空域繼續(xù)剖分，因此總可以找到一組層級(jí)不同，尺度不一的網(wǎng)格只包含目標(biāo)空域，對這組網(wǎng)格進(jìn)行編碼，即可得到高精度的戰(zhàn)場空域信息，滿足戰(zhàn)場空域管控的需要。

空域的使用很大程度上依賴空域控制指令(airspace control order，ACO)的發(fā)布。首先，ACO有一定的生成周期，由于ACO為部分任務(wù)(如空中加油、空投著陸和戰(zhàn)斗空中巡邏等)通常都指定了一大塊空域供其使用，一旦空域分配后，空域會(huì)一致保持直到任務(wù)結(jié)束，而有些空域(如空中走廊、航路航線等)只需要短期使用，因此此類空域在利用后無法及時(shí)釋放、利用率低；其次，由于戰(zhàn)場空域柵格化表征具有任務(wù)和時(shí)間屬性，在實(shí)際戰(zhàn)場運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)任務(wù)調(diào)整和協(xié)同關(guān)系改變，空域管理人員需要快速進(jìn)行空域調(diào)整來滿足新的空域請求，可能導(dǎo)致與ACO中發(fā)布的空域產(chǎn)生沖突。

為了解決空域的低效利用以及任務(wù)臨時(shí)變化帶來的空域沖突這兩個(gè)問題，提出空域復(fù)用的概念。所謂空域復(fù)用是指空域柵格化為網(wǎng)格集合之后，將網(wǎng)格類型細(xì)分為已使用、已占用和未使用網(wǎng)格3種，提高空域使用的精度和利用率，在面對臨時(shí)任務(wù)調(diào)整時(shí)進(jìn)行輔助決策和沖突消解。

空域復(fù)用主要關(guān)注新的任務(wù)請求所需要的響應(yīng)時(shí)間。任務(wù)臨時(shí)變化導(dǎo)致的空域請求若與其他空域產(chǎn)生沖突，此時(shí)如果對所有沖突空域都進(jìn)行調(diào)整，會(huì)使得空域調(diào)整量過大，且調(diào)整之后會(huì)影響其他任務(wù)的執(zhí)行，造成“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的影響。故臨時(shí)的空域調(diào)整需要空域管控人員臨時(shí)實(shí)施，而不能像空域規(guī)劃階段有足夠的時(shí)間來對所有的空域請求進(jìn)行沖突檢測與消解。

空域復(fù)用如圖7所示，對于因任務(wù)臨時(shí)變更所提出的空域請求需要一個(gè)更快速、更緊密的處理環(huán)節(jié)，因?yàn)樾抡埱笫怯袝r(shí)間限制的。空域柵格化后，空域內(nèi)的飛機(jī)當(dāng)前所在位置對應(yīng)的網(wǎng)格標(biāo)記為“已占用”，已飛過的網(wǎng)格標(biāo)記為“已使用”，在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)被使用的網(wǎng)格標(biāo)記為“未使用”。在任務(wù)調(diào)整和協(xié)同關(guān)系改變后，未使用網(wǎng)格所在的空域交給空域管理部門，空域管控人員對當(dāng)前沒有利用的并且可以臨時(shí)為其他任務(wù)開放的空域進(jìn)行調(diào)配。在圖7中，空域管控人員指揮空域外的飛機(jī)直接穿過該空域而不是繞過空域，以實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)的沖突消解，避免調(diào)整過多的空域而造成管理上的混亂和影響其他任務(wù)的完成，同時(shí)能夠?qū)τ邢薜目沼蛸Y源進(jìn)行更加高效地利用。

圖7 空域復(fù)用

5 結(jié)語

本文在GeoSOT網(wǎng)格基礎(chǔ)上，結(jié)合戰(zhàn)場空域表征實(shí)際，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型GeoSOT的剖分方案與編碼結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少剖分層級(jí)以及編碼長度的目的。并詳細(xì)給出了點(diǎn)狀、線狀、區(qū)狀空域的柵格化表征流程，該表征體系將有利于戰(zhàn)場空域信息的有序管理。由于每個(gè)網(wǎng)格對應(yīng)唯一的編碼，空域之間的位置關(guān)系、距離關(guān)系就變成了網(wǎng)格之間拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系、以及距離關(guān)系的計(jì)算，最終歸結(jié)為編碼之間的運(yùn)算，這為應(yīng)對大規(guī)?？沼驔_突檢測與消解，提供了一種新的技術(shù)手段和實(shí)踐思路。因此，如何在戰(zhàn)場空域柵格化表征的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空域沖突的快速檢測與消解，是下一步工作的重點(diǎn)。