【技术】我国GNSS基准站空间分布特征分析研究|gnss|卫星|基准站|站网|胡焕庸|观测站

本文摘录自《测绘科学》2023年7期，有删减和改动

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摘要：针对全国31省（区、市）GNSS基准站建设时间及密度不同，全国GNSS基准站网空间分布不均的问题，本文在系统掌握全国GNSS基准站升级改造的基础上，将全国按照省（区、市）、地理区划、胡焕庸线、东经108°、三大阶梯以及长江流域、黄河流域进行区域划分，并运用Delaunay三角网对区划内的GNSS基准站进行统计分析。研究发现全国2300余座GNSS基准站间距均值为65.19km，处于胡焕庸线东南半壁的华北、华中、华东和华南四地的GNSS基准站平均间距均低于55km，胡焕庸线西北半壁的GNSS基准站平均间距达到了107.42km，全国GNSS基准站分布总体上呈现出东南较西北密集的分布特征，建议未来可根据需要在西部和边境地区新建GNSS基准站。

关键词：GNSS基准站；Delaunay三角网；空间分布；区域划分；胡焕庸线

卫星导航定位基准站，简称GNSS（global navigation satellite system, GNSS）基准站，是指对卫星导航信号进行长期连续观测，并通过通信设施将观测数据实时或定时传送至数据中心的地面固定观测站[1]。卫星导航定位基准站网，简称GNSS基准站网，是指在一定区域范围内（含全球），由大于3座以上的若干座固定的GNSS基准站（包括连续运行和不连续运行），通过现代通信技术、计算机技术和互联网技术组成的GNSS综合网络服务系统，可实时的向不同类型和需求的用户提供自动化且可靠的GNSS数据[2-4] 。

GNSS基准站网是全球高精度时空基准的重要基础设施，具有全天候、全天时、全自动化、高精度、覆盖范围广、一网多用等显著特点和优势，是大地基准网建立、应用和服务的主体，同时也是精密卫星定轨、地质灾害监测、导航与位置服务、精准农业、自动驾驶等工程和科学应用的重要支撑[5-8]。

我国自1992年开始建设GNSS基准站，随后在中国大陆构造环境监测网络和927工程以及国家现代测绘基准体系建设一期工程的建设下，在全国范围内形成了360站GNSS基准站组成的、平均间距约为150km的国家GNSS基准站网，构建了高精度、3维、动态、陆海统一、几何基准与物理基准一体的国家现代测绘基准体系[2-3]。全国31省（区、市）测绘主管部门自2005年陆续建设省级（区域）的GNSS基准站网，截止2019年底，随着西藏自治区GNSS基准站网的建成，标志着覆盖全国31省（区、市）、总规模在2300余座的GNSS基准站网全面形成，全国31省（区、市）GNSS基准站网概略分布及已建成的时间分别见图1和表1。

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗系统进入全球化发展新阶段。依据稳定、连续、可靠、数据质量满足要求的原则，在全国已建成GNSS基准站中选取了2300余座进行北斗三号接收机及附属设备的升级改造工作，完成后将在全国范围内形成全面接收北斗三号卫星信号能力的、平均间距约为130km的600座GNSS基准站构成的框架网和平均间距约为65km的整体GNSS基准站网。

GNSS基准站分布特性分析策略GNSS基准站区域特性分析

基于我国地理区域和地势特征以及两大内陆水域等区域，对全国GNSS基准站进行区域内分布特点统计，分别按照东北、西北、华北、华中、华东、西南、华南等7大区域、沿“胡焕庸线”分为东西两个地区、对108°E东西两侧、三大阶梯以及长江黄河流域的GNSS基准站分布情况进行了分析。

（1）中国7大区域特征分析。中国地理区域划分首先是把全国国土作为一个整体，按照其特点划分成几个大块，以便进行地理、气候、经济和行政管理等方面的研究和管理。结合地带性与非地带性相结合原则、主要因素和综合分析原则、相对一致性原则以及地域共轭原则等[9]。

（2）“胡焕庸线”两侧特征分析。胡焕庸于1935年提出了一条中国人口地域分布线（瑷珲-腾冲人口分界线，即“胡焕庸线”），该线东北起于黑龙江省的瑷珲，即现在的黑河市，一直向西南止于云南腾冲[10]。该线东南西北两侧在人口分布上存在巨大差异，根据当时的数据，该线东南半壁面积约占全国面积的36%，而人口却占全国总人口数的96%，西北半壁面积约占全国面积的64%，人口占比仅为4%。根据第七次全国人口普查，“胡焕庸线”依然稳定，2020年东南半壁与西北半壁的人口比为93.5:6.5[11-12]，该线对我国的人文、地理、历史以及推动全国各区域协调发展具有重要的战略意义。我国最东端位于黑龙江与乌苏里江交汇处的黑瞎子岛，最西端位于新疆维吾尔自治区的乌恰县乌兹别里山口，东西两端最大距离约5200千米，东西跨越的经度约为62度，108°E大致可以将我国平均分为东西两部分。

（3）三级阶梯特征分析。我国陆地总体上西部海拔高，东部海拔低，地势呈三级阶梯状逐级下降，可划分为第一级阶梯、第二级阶梯与第三级阶梯共三级阶梯[13]。第一阶梯与第二阶梯以昆仑山脉—阿尔金山脉—祁连山脉—横断山脉一线为界，位于昆仑山、祁连山之南，横断山脉以西，喜马拉雅山以北，平均海拔4000米以上；第二阶梯与第三阶梯以大兴安岭-太行山脉-巫山-雪峰山一线为界，主要分布在我国主要高原，如内蒙古高原，黄土高原，云贵高原，海拔1000-2000米；第三阶梯主要分布在我国主要平原，海拔500米以下。

（4）长江黄河流域特征分析。长江是世界第三、我国第一大河，发源于青藏高原的唐古拉山主峰各拉丹冬雪山西南侧，干流全长约6300km，自西而东流经青海、四川、西藏、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海等11个省（区、市）注入东海，支流展延至贵州、甘肃、陕西、河南、浙江、广西、广东、福建等8个省（区）。流域面积约180万km2，约占国土面积的18.8%。黄河是我国的第二大河，自西向东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原等四个地貌单元，干流河道全长约5464km，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等9省（区），在山东省垦利县注入渤海，流域面积79.5万km2（包括内流区4.2万km2），约占国土面积的8.3%。

GNSS基准站平均间距算法

将GNSS基准站按照隶属省（区、市）统计分析了全国31省（区、市）的平均间距。采用Delaunay三角网将全国GNSS基准站进行组网统计分析，在西藏北部、青海西部及新疆南部地区存在GNSS基准站空白区，如果将以上三个地区的GNSS基准站进行Delaunay三角网连接统计分析无参考意义，故未开展该区域内统计工作。

Delaunay三角网可定义为一系列相邻的但不重合的三角网的集合，其具有空外接圆特性和最大最小角特性，即Delaunay三角网中的三角形不包含其他任何点和Delaunay三角网中的三角形的最小角度是最大的，正因Delaunay三角网的这两个特性使其在地学研究领域被广泛使用，它也是二维平面三角网中唯一的、最好的[14-15]。因此本文在对GNSS基准站进行划区域分析过程中采用了将GNSS基准站进行构建Delaunay三角网的方法进行，GNSS基准站所构成的Delaunay三角网平均边长即为区域内所有三角形边长的均值。

GNSS基准网空间分布特征分析全国及31省（区、市）GNSS基准站分布特征

根据GNSS基准站概略坐标进行了Delaunay三角网连接，需要说明的是我国西藏藏北地区、新疆南部和青海西部等地区基准站存在较大空白区，为确保统计数据的合理性未进行Delaunay三角网连接分析。从图1可以看出全国GNSS基准站总体上呈现出东部地区密集，西部地区稀疏的情况。统计了全国各省（区、市）的GNSS基准站平均间距，上海市仅1站，平均间距做0km处理。全国2300余座GNSS基准站平均间距为65.19km，各省平均间距最大值为西藏的200.25km，最小值为北京的37.59km，其中低于全国平均间距的有20个省（区、市），占全国省（区、市）数量的64.5%，主要集中在我国东部、中部和南部地区。我国GNSS基准站总体呈现出西部省份平均间距大于全国均值，中东部省份较西部省份间距小的特征。

将全国GNSS基准站按照东北、西北、华北、华中、华东、华南、西南等7大区域进行分区分别进行统计（图3），华东和华南地区统计时未统计台湾省、香港和澳门特别行政区。统计结果显示华北与华东地区平均间距在50km以内，分别为49.84km和49.74km；华中与华南地区在55km以内，分别为51.54km和54.00km；西南、东北和西北地区平均间距较大，最大的西北地区达到了95.76km。东北、西北和西南地区的平均间距高于全国GNSS基准站平均间距。

“胡焕庸线”东南和西北两侧GNSS基准站分布特征

将全国GNSS基准站沿“胡焕庸线”分为东南和西北两侧，两侧GNSS基准站分布存在明显差异（图1）。胡焕庸线东南半壁国土面积约占全国陆地总面积的36%，GNSS基准站数量占比达到了77.8%，平均间距为54.97km；该线西北半壁国土面积占比64%，GNSS基准站数量仅占比22.2%，平均间距达到了107.42km，约为该线东南半壁基准站平均间距的2倍。

108°E东西两侧GNSS基准站分布特征

以108°E为界将我国分为东西两部分，分别统计GNSS基准站分布情况发现，该线东部GNSS基准站数量占比65.6%，平均间距为56.40km，低于全国均值；该线西部GNSS基准站数量占比34.4%，平均间距为83.05km，高于全国均值。总体上108°E东侧GNSS基准站密度高于西侧。

三大阶梯GNSS基准站分布特征

第一阶梯分布GNSS基准站占全国GNSS基准站数量的6.37%，平均站间距为126.04km；第二阶梯分布GNSS基准站占全国GNSS基准站数量的42.06%（图5），平均站间距为71.19km；第三阶梯分布GNSS基准站占全国GNSS基准站数量的51.57%（图6），平均站间距为54.45km。通过上述统计可知第三阶梯GNSS基准站平均间距最小且低于全国均值，第二阶梯次之，但略高于全国均值，第一阶梯最大，约为全国均值的2倍。

长江、黄河流域GNSS基准站分布特征

通过对长江流域和黄河流域内GNSS基准站分布进行统计分析发现，黄河流域内分布GNSS基准站占全国GNSS基准站数量的10.82%，平均间距为63.49km；长江流域内分布GNSS基准站占全国GNSS基准站数量的25.55%，平均间距为58.97km。长江流域内GNSS基准站平均间距略高于黄河流域，且二者均优于全国均值。

结束语

通过对全国31省（区、市）2300余座GNSS基准站网分区（流）域统计分析发现具有如下特征：

全国GNSS基准站间距均值为65.19km，GNSS基准站平均间距低于全国均值的省（区、市）有20个，占比64.5%；

华北、华东、华中和华南地区的GNSS基准站平均间距均低于55km，远低于西北、东北和西南地区GNSS基准站平均间距；

以胡焕庸线为界，在该线东南半壁的GNSS基准站平均间距为54.97km，低于全国均值，而西北半壁平均间距达到了107.42km，约为该线东侧的2倍；

以东经108度为界，该线东侧GNSS基准站平均间距为56.40km，而西侧的间距均值为83.05km，远高于该线东侧；

第三阶梯GNSS基准站平均间距最小，仅为54.45km，低于全国均值，第二阶梯次之，但略高于全国均值，第一阶梯最大，约为全国均值的2倍。

长江流域GNSS基准站网平均间距略低于黄河流域，主要与黄河流域主要位于第二阶梯有关。

综上，全国GNSS基准站间距均值为65.19km，但呈现出以胡焕庸线为界的东南半壁较西北半壁密集的分布特征，为提升国家卫星导航定位基准维持和动态定位服务能力，建议GNSS基准站建设统筹考虑现状，加大重点区域和我国西部地区GNSS基准站建设和运维力度。

致谢：对全国各省（区、市）GNSS基准站运行管理单位提供勘查协助及数据支撑表示感谢。

作者简介：徐彦田（1983—），男，河北石家庄人，副研究员，主要研究方向为基准站的实时定位、坐标参考框架动态维持。

E-mail：63145790@qq.com