楊元喜

西安測繪研究所地理空間工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054

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綜合PNT體系及其關(guān)鍵技術(shù)

楊元喜

西安測繪研究所地理空間工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054

綜合定位、導(dǎo)航與授時(PNT)的核心是不過分依賴GNNS，采用一切可以應(yīng)用的PNT信息源實施全空域目標(biāo)定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)。本文分析了綜合PNT需求，論述了綜合PNT的基本定義和基本概念，分析了綜合PNT所涉及的信息源，論述了綜合PNT關(guān)聯(lián)的核心技術(shù)，包括多源PNT傳感器集成技術(shù)、多源PNT的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。強調(diào)指出，綜合PNT體系的信息源必須是“基于不同物理原理的多源信息”；綜合PNT的運控系統(tǒng)應(yīng)該基于云平臺，實現(xiàn)用戶志愿者共同測控；用戶終端或傳感器必須“深度集成、低功耗”；PNT服務(wù)信息必須是“智能融合或自適應(yīng)融合”。綜合PNT系統(tǒng)應(yīng)該在統(tǒng)一時空基準(zhǔn)下，滿足服務(wù)的可用性、精確性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)健性。

綜合PNT；多源信息；傳感器集成；自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合；穩(wěn)健性

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展徹底改變了人們的生活方式；改變了部隊的作戰(zhàn)樣式，尤其是改變了戰(zhàn)場感知樣式；也改變了政府的多種管理模式，特別是交通管理的樣式。中國建成的區(qū)域北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)也在中國交通管理、應(yīng)急指揮、海洋漁業(yè)及國防建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。但是BDS與美國的GPS、俄國的GLONASS和歐盟Galileo系統(tǒng)一樣都具有天然的脆弱性。即信號弱、穿透能力差、易受干擾。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)一般由3部分組成：空間段、地面段和用戶段。首先，空間段衛(wèi)星的安全穩(wěn)定運行存在隱患，衛(wèi)星本身和衛(wèi)星的重要載荷可能出現(xiàn)故障；其次GNSS衛(wèi)星信號非常微弱，極易受到干擾和欺騙，影響國防、電力、金融等核心用戶群；另外衛(wèi)星的星歷一般靠地面跟蹤站和運控系統(tǒng)提供，地面運控系統(tǒng)一旦崩潰，GNSS的PNT服務(wù)將無法保障；最后GNSS的PNT服務(wù)不能惠及地下、水下和室內(nèi)，在高樓林立的大城市和森林密集的特殊地區(qū)，由于GNSS信息易受遮擋，也無法保證PNT服務(wù)的可用性、連續(xù)性和可靠性。

早在2010年，美國交通部和國防部就開始謀劃美國國家綜合PNT架構(gòu)[1]，擬在2025年前，構(gòu)建國家PNT新體系。該PNT系統(tǒng)能夠提供能力更強、效率更高的PNT服務(wù)。美國把PNT作為美國經(jīng)濟(jì)和國家安全依賴的基礎(chǔ)設(shè)施。美國發(fā)動的海灣戰(zhàn)爭和南聯(lián)盟戰(zhàn)爭，已經(jīng)將GPS PNT的作用發(fā)揮得淋漓盡致。然而，美國的決策者們也已經(jīng)意識到美國的國防行動過分依賴GPS，于是，他們又開始擔(dān)心GPS PNT的脆弱性、安全性和穩(wěn)健性，并策劃構(gòu)建新的PNT替代體系[2]。美國國防部和交通部聯(lián)合40多家科研院校和企業(yè)，開始研發(fā)基于不同物理技術(shù)、不同原理和新計算理論的PNT體系[3]。

Parkinson教授2014年提出PTA概念[4]，即保護(hù)(protect)、堅韌(toughen)和增強(augment)，其核心是保護(hù)GPS的PNT信號不受攻擊，并具有堅韌性。他提出采用星基和地基增強方法提升GNSS的PNT服務(wù)能力，提高可用性和完好性。Parkinson教授2015年進(jìn)一步強調(diào)[5]，在PNT應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施方面，美國要發(fā)展威脅GPS PNT的正規(guī)模型，并分別監(jiān)測GPS和其他GNSS信號的完好性。

美國另外的一些學(xué)者則強調(diào)：發(fā)展以GPS為核心的，并包容其他手段的PNT體系。包括微型定位導(dǎo)航與授時技術(shù)(micro PNT)，量子感知PNT技術(shù)以及其他有望提升物理場感知靈敏度和精度的傳感器技術(shù)，高穩(wěn)定和高可靠性原子時鐘技術(shù)等[3]。

本文試圖從綜合PNT的基本概念、基本信息源和核心關(guān)聯(lián)技術(shù)入手，描述未來綜合PNT的發(fā)展，以便為綜合PNT的體系建設(shè)、設(shè)備研制和技術(shù)發(fā)展提供參考。

1　綜合PNT基本概念

所謂“綜合PNT”至今并無統(tǒng)一定義，依作者的觀點，“綜合PNT”首先是多信息源的PNT(multi PNT signal source)，其次是非中心化或云端化運控(云平臺控制體系)的PNT，第三是多傳感器組件深度集成的PNT(integration of multi PNT sensors)，最后是多組件多源信息在不同用戶終端深度融合的PNT(fusion of multi PNT dada)。所以綜合PNT最終體現(xiàn)在用戶PNT服務(wù)性能的提升。換言之，“綜合PNT”必須包含幾個核心性能要素：即必須滿足可用性(availability)、完好性(integrity)、連續(xù)性(continuity)和可靠性(reliability)。此外，還應(yīng)加上穩(wěn)健性(robustness)。如此，可給出如下“綜合PNT”定義。

綜合PNT定義：基于不同原理的多種PNT信息源，經(jīng)過云平臺控制、多傳感器的高度集成和多源數(shù)據(jù)融合，生成時空基準(zhǔn)統(tǒng)一的，且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的PNT服務(wù)信息。綜合PNT概念框圖見圖1。

圖1　綜合PNT信息流程圖Fig.1　Information flow diagram of comprehensive PNT

上述定義實際上也包含通常GNSS PNT服務(wù)的兼容與操作性[6]。

實際上，“綜合PNT”具有“混合”和“自主”的屬性，有人稱為“混合自主PNT”(Hybrid and Autonomous PNT System)，簡稱HAPS[2]?；旌献灾鱌NT也強調(diào)基于不同原理的多類PNT信息源，多種技術(shù)和多種功能的PNT傳感集成，多類信息的融合服務(wù)。混合自主PNT強調(diào)協(xié)同、組合、集成、融合，以致多系統(tǒng)組合提供的PNT服務(wù)比單一系統(tǒng)的PNT服務(wù)更具有可用性、連續(xù)性和可靠性。如多類GNSS融合導(dǎo)航、GNSS/無線電通信組合、GNSS/重力匹配/INS組合等都屬于這類綜合PNT服務(wù)體系。

自主PNT系統(tǒng)(autonomous system)包含兩個含義：一是某單一PNT系統(tǒng)無須其他外部系統(tǒng)支持，可自主完成或維持PNT服務(wù)；如基于星間鏈路的衛(wèi)星自主定軌、測時所維持的GNSS PNT服務(wù)，慣性導(dǎo)航提供的PN(定位與導(dǎo)航)服務(wù)等；二是某一系統(tǒng)與其他功能組件進(jìn)行緊組合實現(xiàn)體系的自主PNT服務(wù)，以補充單一系統(tǒng)PNT服務(wù)的保真性(fidelity)和穩(wěn)健性(robustness)[2]。通常采用的GNSS/INS緊組合導(dǎo)航即屬于這類自主綜合PNT。

定義“綜合PNT”不難，而搭建國家綜合PNT系統(tǒng)、提供綜合PNT服務(wù)則相對困難。首先，PNT的服務(wù)用戶需求各不相同，如高安全用戶需求抗干擾、防欺騙，并要求具有水下、地下PNT服務(wù)功能；普通用戶要求具有室內(nèi)外一體化PNT服務(wù)能力；交通運輸用戶要求具有高動態(tài)、連續(xù)且不受障礙遮擋影響的PNT服務(wù)；特殊群體還需要PNT服務(wù)可穿戴、小型化、低功耗、智能化等。

顯然，綜合PNT體系構(gòu)建必然涉及服務(wù)終端的高度集成化、小型化甚至微型化(如芯片集成)，而且綜合PNT體系還涉及智能化的信息融合。

2　綜合的PNT信息源

為了滿足穩(wěn)健可用性、穩(wěn)健連續(xù)性和高可靠性，綜合PNT必須具有基于不同原理的冗余信息源。之所以強調(diào)“不同原理”，是因為基于相同原理的信息一旦受干擾、遮蔽，再多的信息源也無濟(jì)于事。

(1) 天基無線電PNT信息。天基無線電PNT信息仍然是未來綜合PNT的主要信息源。中國的綜合PNT系統(tǒng)必須以中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)為核心，兼容美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟Galileo和其他區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這種綜合系統(tǒng)有人稱之為GPSS(global PNT system of system)[2]。這些高軌GNSS信號必須滿足兼容與互操作[7]，否則綜合PNT服務(wù)將會產(chǎn)生混亂。

為了提升GNSS的服務(wù)能力，尤其是提升飛機安全飛行與降落安全性，多個發(fā)達(dá)國家分別建立了星基增強系統(tǒng)(SBAS)，美國稱之為廣域增強系統(tǒng)(WAAS)，歐盟稱之為EGNOS，俄羅斯稱為SDCM，日本稱為MSAS，印度稱為GAGAN等；為了精密測量和局部增強，多國建立了地基增強系統(tǒng)(GBAS)。

此外，為了增強天基PNT，也有人提出利用低成本低軌衛(wèi)星和通信衛(wèi)星作為天基GNSS信號的補充和增強。首先低軌衛(wèi)星和各類通信衛(wèi)星軌道較低，信號功率相對較強，一般不易受到干擾(刻意干擾除外)，而且低軌衛(wèi)星和通信衛(wèi)星參與PNT服務(wù)可極大增加用戶可視衛(wèi)星個數(shù)，增強用戶衛(wèi)星觀測的幾何結(jié)構(gòu)，而且信號強度也得到提升，于是有利于提升天基PNT服務(wù)性能。高低軌衛(wèi)星集成PNT示意圖見圖2。

圖2　高軌與低軌衛(wèi)星集成PNT示意圖Fig.2　Sketch mapon synthetic PNT with high and low orbit satellites

但必須注意：即使天空布滿各類PNT衛(wèi)星，但當(dāng)信號被遮擋(如地下、水下、室內(nèi))時，這類天基PNT服務(wù)必將中斷。且天基PNT服務(wù)易受故意干擾或者欺騙，不能確保PNT服務(wù)的安全性。此外，這類天基PNT服務(wù)需要地面運控系統(tǒng)的支持，一旦地面運控系統(tǒng)受損，天基PNT服務(wù)即可能受到嚴(yán)重影響。

(2) 地基無線電PNT信息源。地基PNT包括地基增強GNSS，偽衛(wèi)星系統(tǒng)，以及其他多種地基無線電PNT服務(wù)體系。實際上，在GPS之前各國就發(fā)展了多種地基無線電導(dǎo)航定位技術(shù)，如多普勒導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)(Doppler navigation radar)、羅蘭系統(tǒng)(ROLAN)、塔康系統(tǒng)(TACAN)、奧米伽(Omega)甚低頻無線電系統(tǒng)、伏爾(VOR)甚高頻系統(tǒng)、阿爾法(Alpha)系統(tǒng)等[8]。這些地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)作用范圍小，不易實現(xiàn)全球無縫PNT服務(wù)。但可以作為區(qū)域PNT服務(wù)的補充。近年來快速發(fā)展的移動通信和無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以作為新型地基PNT的重要信息源。此外，可以基于地基無線電網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建PNT云(PNT Cloud)服務(wù)系統(tǒng)，類似于云計算。所有志愿者都可以在定位、導(dǎo)航和時間服務(wù)平臺上提供各端點信息，通過云平臺計算使端點用戶獲得網(wǎng)絡(luò)PNT信息服務(wù)。

(3) 慣性導(dǎo)航信息源。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)是機電光學(xué)和力學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)。INS具有自主性強的優(yōu)點，與外界無須光電交換即可依賴自主設(shè)備完成航位推算。INS的微機電系統(tǒng)MEMS具有成本低、易集成的特點。INS系統(tǒng)可以提供載體的位置、速度和加速度信息，適于水下、地下、深空等無線電信號不易到達(dá)區(qū)域的導(dǎo)航定位。

但是，INS一般不能提供高精度時間信息，誤差積累較為明顯。而高精度INS價格昂貴。所以INS一般需要與其他PNT信息源進(jìn)行集成和融合，首先需要集成高精度時間信息源，其次需要高精度外部位置信息進(jìn)行累積誤差糾正。

(4) 匹配導(dǎo)航信息源。匹配導(dǎo)航信息源一般先將具有統(tǒng)一地理坐標(biāo)特征的信息進(jìn)行存儲，然后通過各類傳感器獲取相應(yīng)特征信息，再與預(yù)先測量并儲存的信息進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲得位置信息。這類匹配PNT信息源主要有影像匹配、重力場匹配、地磁場匹配。這類匹配導(dǎo)航信息適于水下、井下和室內(nèi)導(dǎo)航定位。導(dǎo)航定位精度取決于預(yù)先測量信息的空間分辨率和絕對位置精度，也取決于載體傳感器的實時感知精度，其中地磁場信息過于敏感，任何物理環(huán)境的擾動都會引起地磁場信息的較大變化。此外，匹配導(dǎo)航一般不提供時間服務(wù)，于是也需要與時間信息源集成，并與其他PNT信息源進(jìn)行融合。

(5) 其他PNT信息源。光電天文觀測信息、銀河系外的脈沖星信號、激光導(dǎo)航信息、水下聲吶信標(biāo)等都可以作為綜合PNT信息源。

3　綜合PNT體系實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1綜合PNT服務(wù)終端技術(shù)

隨著PNT信息源的增加，必然給用戶PNT服務(wù)終端研發(fā)帶來挑戰(zhàn)。未來的綜合PNT服務(wù)終端應(yīng)實現(xiàn)芯片化集成，才能實現(xiàn)小型化和低功耗；應(yīng)包含無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組件和微型原子鐘組件等微型裝置，且無系統(tǒng)間偏差，滿足互操作等特性。

目前，最易實現(xiàn)的是將芯片級原子鐘、微電子機械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical systems，MEMS)的慣性測量單元IMU(inertial measurement unit)和GNSS集成，或?qū)MU和芯片級原子鐘嵌入到GNSS接收機，這方面研究很充分，并且有相應(yīng)的產(chǎn)品，而且INS與GNSS的互補性強，是比較理想而且相對簡單的綜合PNT集成系統(tǒng)[2,9]。但是由于慣性導(dǎo)航的誤差積累顯著，在缺失GNSS信號的情況下，這類綜合PNT的長期穩(wěn)健服務(wù)仍然存在問題。

另一種PNT終端集成是各類匹配導(dǎo)航傳感器、芯片化的原子鐘與計算單元及MEMS IMU集成。注意到盡管影像、重力、磁力值所對應(yīng)的位置信息本身精度不高，但它們沒有明顯的系統(tǒng)誤差累積，而且這幾類PNT信息一般不受外界無線電干擾，于是可以用于長距離航行的慣性導(dǎo)航誤差糾正。此外，超穩(wěn)微型原子鐘單元可以為各類匹配導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航提供同步時間信息。

綜合PNT未來終端還可能包括脈沖星信息感知傳感器、光學(xué)雷達(dá)傳感器等。多源信息感知的敏感性、抗干擾性、穩(wěn)定性是集成PNT傳感器的關(guān)鍵。應(yīng)該強調(diào)，未來綜合PNT體系發(fā)展，首先必須解決小型或微型超穩(wěn)時鐘研制難題，為機動載體提供穩(wěn)定可靠的時間服務(wù)；其次是發(fā)展超穩(wěn)定、且累積誤差小的慣性導(dǎo)航組件(如量子慣性導(dǎo)航器件)等，為長航時載體提供無須外部信息支持的定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)；必須發(fā)展芯片化傳感器的深度集成技術(shù)，而不是各類傳感器的簡單捆綁，如此才能滿足小型化、便攜式、低功耗、長航時PNT服務(wù)的需要。

3.2多源信息融合技術(shù)

“綜合PNT”不是單一PNT信息的集成或者綜合，而是多類信息的融合。多類信息由于空間基準(zhǔn)不同，必須進(jìn)行空間基準(zhǔn)的歸一化，中國綜合PNT體系應(yīng)該采用中國2000坐標(biāo)基準(zhǔn)[10-11]；多信息融合必須基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，尤其是對于高速運動的載體的PNT服務(wù)，統(tǒng)一時間基準(zhǔn)尤為重要。中國的PNT必須以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)為核心，于是應(yīng)該采用中國北斗時間(BDT)作為時標(biāo)[12]，對其他信息源進(jìn)行時間歸算、時間同步和時間修正等，使用戶的綜合PNT對應(yīng)同一時標(biāo)。

多源PNT信息融合必須統(tǒng)一觀測信息的函數(shù)模型。實際上基于不同背景、不同原理構(gòu)建的PNT服務(wù)系統(tǒng)或PNT服務(wù)組件，其函數(shù)模型是不同的。各類觀測信息中可能還含有各自對應(yīng)的重要物理參數(shù)、幾何參數(shù)和時變參數(shù)等信息。為了實現(xiàn)綜合PNT服務(wù)，各類PNT觀測信息的函數(shù)模型必須表示成相同的位置、速度和時間參數(shù)(即用戶關(guān)注的PNT參數(shù))。

函數(shù)模型的統(tǒng)一表達(dá)是深度PNT信息融合的基礎(chǔ)。共同的函數(shù)模型還應(yīng)包括各類PNT傳感器或各類PNT信息源的系統(tǒng)偏差參數(shù)(或互操作參數(shù))[13]，如多個GNSS信息融合的頻間偏差[14]，慣導(dǎo)與GNSS組合的慣導(dǎo)累積誤差等[15]。

多源PNT信息融合必須有合理優(yōu)化的隨機模型。不同類型的PNT觀測信息具有不同的不確定度以及不同的誤差分布。在多類PNT信息融合時，應(yīng)實時或近實時地確定各類觀測信息的方差或權(quán)重，可以采用方差分量估計或基于實際偏差量確定的隨機模型[16-18]。

綜合PNT信息處理必須采用合理高效的計算方法。多源信息并行計算是實現(xiàn)高效PNT信息融合的重要手段；如聯(lián)邦濾波[19-21]。為了避免重復(fù)使用動力學(xué)模型信息，可采用動靜濾波技術(shù)[22]。為了控制各觀測異常對PNT參數(shù)的影響，可以采用抗差信息融合[23-24]。為了控制動力學(xué)模型異常對綜合PNT參數(shù)估計影響，可以采用自適應(yīng)Kalman濾波進(jìn)行PNT信息融合[25-26]。多源PNT信息融合框圖見圖3。

圖3　多源PNT信息融合Fig.3　Information fusion of multiple PNT signal sources

多源PNT信息融合必須建立在信息兼容與互操作基礎(chǔ)上，如此才能確保PNT結(jié)果的可互換(interchangeable)。融合后的PNT，不僅可用性和連續(xù)性得到提升，實際上，穩(wěn)健性和可靠性也會得到顯著增強。

這里需要強調(diào)指出：中國的綜合PNT數(shù)據(jù)融合，應(yīng)盡可能以BDS信息為核心，以BDS對應(yīng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)為基礎(chǔ)。此外，在綜合PNT體系下，單一系統(tǒng)的完好性的重要性將顯著減弱。因為綜合PNT的信息源更豐富，多源信息的容錯能力、誤差補償能力將得到增強[25]，尤其是基于抗差估計原理的多源信息融合，將會提高綜合PNT的抗差性(穩(wěn)健性)。

4　結(jié)束語

綜合PNT是未來定位導(dǎo)航和授時的發(fā)展方向。綜合PNT首先是PNT信息的“多源化”，傳感器的高度“集成化”和小型化，綜合PNT時空基準(zhǔn)“歸一化”，運控手段的“云端化”，多源信息融合的“自適應(yīng)化”，PNT融合數(shù)據(jù)的“穩(wěn)健化”，最終實現(xiàn)PNT服務(wù)模式的“智能化”。由于綜合PNT強調(diào)PNT原理的多樣性與信息的冗余性，于是綜合PNT的容錯能力、系統(tǒng)誤差的補償能力、異常誤差影響的控制能力、及抗差性(或穩(wěn)健性)都會得到顯著增強，進(jìn)而可用性、完好性和可靠性都會得到提升，于是，一般意義上的單系統(tǒng)用戶完好性要求將顯著削弱。

綜合PNT發(fā)展的核心技術(shù)包括：微型超穩(wěn)時鐘(芯片化原子鐘)、超穩(wěn)慣導(dǎo)器件或自主導(dǎo)航傳感器、多源傳感器的芯片化集成、多源PNT信息的自適應(yīng)融合理論模型與快速計算方法等。

中國的綜合PNT體系一定是以BDS PNT為核心的多源信息融合的PNT。

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(責(zé)任編輯：張燕燕)

Concepts of Comprehensive PNT and Related Key Technologies

YANG Yuanxi

National Key Laboratory of Geo-Information Engineering, Xian Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China

The core idea of comprehensive positioning, navigation and time (PNT) is the technique that uses all the available resources to provide PNT services in the whole area, including inside and outside door, air, space, under water and underground, which does not solely rely on the GNSS. The definition and basic concepts of the comprehensive PNT are presented. The possible signal sources are listed. The core technologies related to the comprehensive PNT are analyzed, including the integration of the multiple sensors and adaptive data fusion for multiple PNT signals. It is emphasized that the information of the comprehensive PNT should be from “multiple sources based on different physical principles”, the control system should be operated by voluntary users based on cloud platform, the user terminals or sensors should be “deeply integrated” and the PNT information should be “adaptively fused” and serve mode might be based on cloud platform. The comprehensive PNT system should meet the robust availability, continuity, high accuracy and reliability with unified geodetic datum and time datum.

comprehensive PNT； multiple signal source； integration of sensors； adaptive data fusion； robustness

2016-03-20

2016-03-26

楊元喜(1956—)，男，博士，研究員，中國科學(xué)院院士，主要從事動態(tài)大地測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理研究。

Author： YANG Yuanxi(1956—),male, PhD, professor, academician of Chinese Academy of Sciences, majors on dynamic geodetic data and satellite navigation data processing.

10.11947/j.AGCS.2016.20160127.

YANG Yuanxi.Concepts of Comprehensive PNT and Related Key Technologies[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(5):505-510. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160127.

P228

A

1001-1595(2016)05-0505-06

引文格式：楊元喜.綜合PNT體系及其關(guān)鍵技術(shù)[J].測繪學(xué)報，2016,45(5)：505-510.