LEADS — 3-D 地理坐标的要素
LEADS — The Essential Elements of a 3-D Geographic Coordinate  

作者:约翰·W·迪克斯,美国空军退役少校(Maj John W. Dix, USAF, Ret.

 

为建设面向 2020 年的最高效军事力量,我们必须在思想、行动、组织、准则和技术 上全面联合。

                                                    — 2020 年联合构想


精确武器,例如联合直接攻击弹药,依赖精确的三维(3-D)坐标来标定目标。但是,目前没有通用的格式可将 3-D 地理坐标经由网络传输到精确武器系统。本文提议一个简化的方法,可用于描述目标的 3-D 地理位置及目标定位误差(TLE),这个系统称为 LEADS。

在越战期间,飞机为了提供近距离空中支援(CAS),必须接近目标,因而经常暴露在敌方火力中。1 飞行员需要目测目标或偏置参照点,因而地面部队通常能够听到和看到作战飞机。

飞行员利用 CAS 九行简报表(CAS-9)作为模板,对相对于地貌地物、飞机和地面部队位置的目标位置信息进行逻辑整理。简报表是一种填充式模板。它从各种角度确定目标位置,包括磁航向、偏置、离最初标定点的距离、作战点、地理位置、距平均海平面高度和文字描述,还包括己方位置、撤出路线、以及指示目标所用的手段,例如激光或白磷。2 CAS-9 用足够的细节描述目标,做到清楚识别,防止与其它目标混淆。

事实证明,CAS-9 能够根据地貌地物有效地标定目标,但是它无法满足那些运用全球定位系统(GPS)导航的精确武器的信息需求。精确武器需要采用精确地理坐标,此坐标通过对相对于全球大地测量系统(WGS-84)椭圆体的测量获得,该椭圆体是一个看不见的但是精确定位的表面, 以GPS卫星信号作为定位基础。(图 1)


WGS-84 Ellipsoid

图 1:WGS-84 椭圆体
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精确 3-D 地理坐标的重要信息需要科学地整理罗列,但目前没有与 CAS-9 相仿的标准模板可用。本文所述之 LEADS 可作为整理精确 3-D 地理坐标的重要信息的一种模板,从而填补当前空白。LEADS 模板包含五个要素:

1. LEADS 中的字母“L”代表地理坐标的纬度和经度(Latitude and Longitude)。坐标有几种不同的格式,但是 LEADS 采用以度、分、秒和十分之一秒测量的坐标。

2. LEADS 中的字母“E”代表高度(Elevation)。随着 GPS 系统的发展,地理坐标可以用距平均海平面高度(MSL)来测量,也可以用距椭圆体高度(HAE)来测量,后者系指高于或低于 WGS-84 椭圆体的距离。地图、航图和飞机高度表依据 MSL 测量高度。GPS 制导的精确武器则要求用参照 HAE 的高度作为其垂直基准线 (图 2)。

LEADS template
图 2:LEADS 模板
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3. LEADS 中的字母“A”代表精确度(Accuracy)。地理坐标的精确度称为目标定位误差 (TLE),表示一个物体的估计位置与实际地理位置之间的差距。TLE 用水平距离和垂直距离表示,以米或英尺为测量单位。

最常用的地理坐标精确度报告方法是使用水平误差和垂直误差,再加上坐标在离某个地理点一定距离以内的概率。例如,我们设想有一个饮料罐,里面悬挂着一粒弹子。我们无法看到弹子,但是知道它在罐头里面某个部位。如果我们假设弹子悬挂在饮料罐的正中心,那么水平误差将是弹子到罐壁的距离,而垂直误差则是弹子到饮料罐顶部和底部的距离。因此,如果一个地理坐标的报告精确度概率是百分之五十,水平误差是正负 100 英尺,垂直误差是正负 50 英尺,那么坐标位于半径为 100 英尺和高度为 100 英尺的一个圆柱体内的可能性就是百分之五十。

假设一个图像或地图的精确度是正负 100 英尺,利用该图像或地图测量的坐标不可能比正负 100 英尺更精确,换言之,其误差大约是纬度和经度的一秒。因此,如果一个地理信息系统(GIS)使用根据精确度为正负 100 英尺的坐标源确定的地理坐标,并注明所有的坐标精确度都是正负千分之一 (0.001)秒纬度和经度,那么虽然其表面含义是说精确度在二英寸以内,实际精确度应在 100 英尺以内。

没有完全精确的地理坐标。GIS 系统可以添加坐标的小数点位数,但如果坐标来自不精确的坐标源,则小数添加再多也不能改善坐标的精确度,反而有误导和风险之虞,因为它声称的精确度不符合实际情况。如果有人无意中将这些夸大精确度的地理坐标用于真正需要精确坐标的场合,则可导致严重后果。

4. LEADS 中的字母“D”代表基准(Datum)。基准是指地图、航图、图像或 GPS 接收机用于测定纬度、经度和高度的一个共用基准面。水平基准界定纬度和经度,垂直基准界定高度。目前有几十个国际基准,利用当地测定的 MSL 来测定高度。3 WGS-84 椭圆体是一个全球基准,不利用 MSL,而是利用 HAE 界定高度。MSL 和 WGS-84 椭圆体不是同一个大地测量面。参照 MSL 测定的高度和参照 HAE 测定的高度之间的垂直差距可能高达 30 米。


知道坐标是 MSL 高度还是 HAE 高度很重要,因为这两个数值的差异会显著影响武器的弹着点。在平坦地形上,一个 GPS 制导武器,如果投射角度为 45 度,采用参照 MSL(而非 HAE)的地理坐标,其目标命中误差将是 30 米。如果武器弹道角度降低,水平诱导误差将会更大。

5. LEADS 中的字母“S”代表源(Source)。所有的地理坐标都来自某个原始源,例如纸面地图或航图、图像、任务计划系统、精确定点系统或 GPS 接收机。地理坐标源决定坐标的精确度和可靠性。如果一个地理坐标的源是未知,则其基准是未知,其精确度和可靠性也是未知。来自未知源的地理坐标不一定可靠,亦不可相信。

LEADS 的价值在于其能快速有效地整理各种必需的重要信息,以便比较不同来源的地理坐标,这些来源可能参照不同的基准和具有不同的定位精确度。今后,LEADS 可作为标准模板,用于网络中心作战行动,整合多种来源的地理坐标计算机联网传输,包括来自目标定位系统、任务计划系统、GPS 接收机以及纸面地图和航图的坐标信息。

在使用地理坐标时,LEADS 可用作衡量最重要考量因素的指导准则。在执行近距离空中支援任务时,有些场合不一定需要 LEADS 的每一个要素,但是,如果必须充分理解和相信所使用的地理坐标以确保获得理想结果,则应考虑 LEADS 五大要素中的每一项。


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注释:
  1. Gen Robert H. Foglesong, USAF, “Keynote Address” [基调演说], (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance Integration Conference, Arlington, VA, 16 November 2004).
  2. Joint Publication 3-09.1 Joint Tactics, Techniques, and Procedures for Laser Designation Operations [激光指示作战的联合战术、技术与程序], 28 May 1999.
  3. Defense Mapping Agency Technical Manual 8358.1, Datums, Ellipsoids, Grids, and Grid Reference Systems [基准、椭圆体、栅格和栅格基准系统], 20 September 1990. 


作者简介

 
John W. Dix 约翰·W·迪克斯(Maj John W. Dix, USAF, Ret.),美国空军退役少校,现为美国弗吉尼亚州雷斯顿市的国家地理空间情报局未来战争系统部的一名参谋,参与多个未来战争系统的研发项目,作为集成产品总控组(OIPT)成员对国防部采办程序提供咨询及文件审阅。目前主要职责是支持国防部启动的联合地理空间情报(GEOINT)活动,以加速 GEOINT 前沿部署,支持部队的战术行动。在二十多年军旅生涯中,迪克斯少校担任过南达科达州埃尔斯沃思空军基地导弹作战组副指挥官,并在国防测绘局、国家图像及测绘局以及美国南方司令部巴拿马 Quarry Heights 基地,担任地图测绘及大地测量军官。

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