華亮春，宣 勇，尹昊華，敖敏思，陳春花

(湖南省測(cè)繪科技研究所，長(zhǎng)沙 410007)

兼容BDS的HNCORS升級(jí)測(cè)試分析

華亮春，宣 勇，尹昊華，敖敏思，陳春花

(湖南省測(cè)繪科技研究所，長(zhǎng)沙 410007)

為了全面、有效地評(píng)估湖南省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)兼容BDS升級(jí)后的性能，提出軟硬件相結(jié)合、內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的方法，利用對(duì)比分析和時(shí)空分析等手段，從兼容性、穩(wěn)定性、用戶固定比例、定位精度、時(shí)空可用性等方面進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明：升級(jí)后的系統(tǒng)兼容各類主流設(shè)備，監(jiān)控功能更加完善，觀測(cè)數(shù)據(jù)更加豐富，用戶體驗(yàn)有所提升；RTK平面和高程定位精度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；初始化時(shí)間有顯著提升，在覆蓋湖南省的基礎(chǔ)上能一定程度地覆蓋臨近省份；此外，BDS的引入能解決某些特殊環(huán)境下的定位問題。

湖南省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；測(cè)試分析；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位

0 引言

測(cè)試分析是連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(continuously operating reference stations，CORS)建設(shè)工作的重要組成部分[1]。湖南省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)(Hunan CORS，HNCORS)[2-3]于2014年啟動(dòng)二期工程及兼容北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)升級(jí)建設(shè)。不同于湖北、四川建設(shè)BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)[4-5]，HNCORS引入Trimble方案替換了原有部分設(shè)備，同時(shí)新建17個(gè)基準(zhǔn)站。升級(jí)后HNCORS擁有122個(gè)基準(zhǔn)站(85個(gè)兼容BDS)，實(shí)現(xiàn)Spider(v5.2.1)、Pivot(v3.5.8)2套系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為升級(jí)前、后系統(tǒng))并行服務(wù)，在國(guó)內(nèi)率先使用Pivot系統(tǒng)向用戶提供兼容BDS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(real-time kinematic，RTK)差分改正信息。對(duì)升級(jí)后的HNCORS進(jìn)行系統(tǒng)、全面的測(cè)試分析已成為用戶和學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，具有重要的研究和實(shí)踐意義。

江蘇、江西等省級(jí)CORS或?qū)嶒?yàn)室結(jié)合自身特點(diǎn)組織了測(cè)試分析[6-8]，尤其是定位精度測(cè)試。顧及HNCORS兼容BDS、雙系統(tǒng)并行、下午易受電離層擾動(dòng)影響等特點(diǎn)，依據(jù)“軟硬件相結(jié)合、內(nèi)外業(yè)相結(jié)合、對(duì)比分析相結(jié)合、時(shí)空分析相結(jié)合”的原則設(shè)計(jì)了測(cè)試方案。測(cè)試過程中，升級(jí)前、后系統(tǒng)對(duì)比，雙星(包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)衛(wèi)星、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)衛(wèi)星)與三星(包括GPS衛(wèi)星、GLONASS衛(wèi)星及BDS衛(wèi)星)定位對(duì)比以及時(shí)空對(duì)比分析是本測(cè)試的特點(diǎn)。

1 測(cè)試方案

測(cè)試分內(nèi)業(yè)系統(tǒng)和外業(yè)流動(dòng)站測(cè)試，如圖1所示。

圖1中：內(nèi)業(yè)系統(tǒng)測(cè)試分基準(zhǔn)站兼容性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)監(jiān)控功能、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和用戶固定比例5方面；外業(yè)流動(dòng)站測(cè)試包括定位精度、流動(dòng)站兼容性、時(shí)間可用性、初始化時(shí)間以及空間可用性5方面。

1.1 內(nèi)業(yè)系統(tǒng)測(cè)試

內(nèi)業(yè)系統(tǒng)測(cè)試包括：

1)基準(zhǔn)站兼容性測(cè)試是測(cè)試系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)及數(shù)據(jù)格式的兼容性，分別將HNCORS使用的Leica和Trimble各7個(gè)站接收機(jī)、6種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流格式接入升級(jí)前、后2個(gè)系統(tǒng)測(cè)試。

2)穩(wěn)定性測(cè)試目的是檢測(cè)系統(tǒng)在一段時(shí)期內(nèi)是否出現(xiàn)非人為因素故障：在2個(gè)服務(wù)器上部署升級(jí)前后的系統(tǒng)，接入基準(zhǔn)站后向用戶提供服務(wù)，記錄測(cè)試期運(yùn)行情況。

3)監(jiān)控功能測(cè)試是對(duì)比2套系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控功能，含概況、網(wǎng)絡(luò)性能、站點(diǎn)性能、用戶狀態(tài)及其他5方面，通過設(shè)計(jì)子功能和指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

4)衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及質(zhì)量進(jìn)行分析，分別將5個(gè)Leica和Trimble基準(zhǔn)站接入升級(jí)前、后系統(tǒng)，從有效率、可見衛(wèi)星、解算衛(wèi)星、信噪比等方面進(jìn)行對(duì)比。

5)用戶固定比例測(cè)試是通過分析系統(tǒng)固定用戶占總用戶之比，評(píng)估系統(tǒng)RTK服務(wù)能力，通過分別部署2套系統(tǒng)，引導(dǎo)用戶使用其雙星和三星源節(jié)點(diǎn)，記錄1周內(nèi)固定用戶數(shù)量并統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 外業(yè)流動(dòng)站測(cè)試

外業(yè)流動(dòng)站測(cè)試包括：

1)定位精度測(cè)試包括內(nèi)、外符合精度測(cè)試。內(nèi)符合精度是測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)，定位結(jié)果的離散程度。一般內(nèi)符合精度越高，定位結(jié)果就越可靠和穩(wěn)定。外符合精度測(cè)試RTK定位坐標(biāo)與控制點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)間的差異。一般外符合精度越高，定位結(jié)果與實(shí)際坐標(biāo)就越一致。

2)流動(dòng)站兼容性測(cè)試檢測(cè)主流RTK設(shè)備接入HNCORS的兼容性。

3)時(shí)間可用性測(cè)試包括：固定位置可用性和下午時(shí)段測(cè)試。前者通過長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)RTK差分改正數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。后者檢測(cè)下午時(shí)段，升級(jí)后系統(tǒng)受電離層擾動(dòng)影響的現(xiàn)象是否有所改善。

4)初始化時(shí)間測(cè)試通過記錄流動(dòng)站接入HNCORS系統(tǒng)到獲得固定解的時(shí)間，測(cè)試流動(dòng)站RTK定位效率。

5)空間可用性測(cè)試包括空間分布綜合測(cè)試和特殊觀測(cè)環(huán)境測(cè)試。前者測(cè)試系統(tǒng)是否在全省范圍內(nèi)都可用；后者測(cè)試在遮擋和有干擾等特殊觀測(cè)條件下，升級(jí)前、后RTK的定位效果。

前4項(xiàng)測(cè)試整合進(jìn)行綜合外業(yè)數(shù)據(jù)采集，空間可用性測(cè)試單獨(dú)采集數(shù)據(jù)。綜合外業(yè)數(shù)據(jù)采集根據(jù)緯度劃分在3個(gè)典型測(cè)試區(qū)域，共選擇28個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)作測(cè)試點(diǎn)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)分為上、下午時(shí)段，分別利用3臺(tái)設(shè)備連接升級(jí)前雙星、升級(jí)后雙星和三星源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3次RTK測(cè)量，記錄坐標(biāo)、初始化時(shí)間等信息。最終，每個(gè)測(cè)點(diǎn)獲得分時(shí)段、儀器、源節(jié)點(diǎn)的162個(gè)坐標(biāo)值和54個(gè)初始化時(shí)間數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析。空間可用性測(cè)試中，空間分布綜合測(cè)試直接利用系統(tǒng)模塊對(duì)某時(shí)段內(nèi)全省范圍用戶分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；特殊環(huán)境測(cè)試通過在長(zhǎng)沙市選擇具有典型意義的特殊觀測(cè)環(huán)境(如房角、樹下等)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 內(nèi)業(yè)測(cè)試2.1.1 基準(zhǔn)站兼容性測(cè)試

接收機(jī)接入測(cè)試分別接入了CSKC、XTYL等14個(gè)基準(zhǔn)站，包含HNCORS的2款接收機(jī)(Leica GR10和Trimble NETR9)、3類基準(zhǔn)站(國(guó)家站、省級(jí)站和共享的長(zhǎng)株潭CORS站)、2類網(wǎng)絡(luò)(氣象、電信專線)。測(cè)試結(jié)果表明，14個(gè)基準(zhǔn)站均能完好地接入升級(jí)前系統(tǒng)；由于受第三方接入許可限制，其中 2個(gè)Leica基準(zhǔn)站暫無(wú)法接入升級(jí)后系統(tǒng)。

2.1.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

2個(gè)月穩(wěn)定性測(cè)試期內(nèi)，升級(jí)前系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行。升級(jí)后系統(tǒng)則在2015-07-01 T 07：59：59世界協(xié)調(diào)時(shí)進(jìn)行閏秒后，因未能及時(shí)下載和更新相關(guān)表文件，導(dǎo)致出現(xiàn)部分用戶無(wú)法固定，隨后通過手動(dòng)更新表文件解決?？傮w而言，2套系統(tǒng)均能有效和穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.3 系統(tǒng)監(jiān)視功能測(cè)試

系統(tǒng)監(jiān)控功能測(cè)試劃分為整體概況、網(wǎng)絡(luò)性能、站點(diǎn)性能、用戶實(shí)時(shí)狀態(tài)以及擴(kuò)展功能等5個(gè)子項(xiàng)目，如圖2所示。

圖2所示的整體概況展示上，升級(jí)前后系統(tǒng)均能展示概況但風(fēng)格不同。升級(jí)后系統(tǒng)在概況中顯示衛(wèi)星解算信息，而升級(jí)前系統(tǒng)不顯示，均支持地圖疊加但功能均不夠完善。網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視上，升級(jí)后系統(tǒng)可顯示基準(zhǔn)站時(shí)延；基準(zhǔn)站性能監(jiān)視上，均能實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)視。升級(jí)后系統(tǒng)支持曲線、柱狀圖等展示方式，其基準(zhǔn)站位移監(jiān)測(cè)功能，可用于評(píng)估基準(zhǔn)站自身的穩(wěn)定性。用戶狀態(tài)監(jiān)視方面，位置監(jiān)控、時(shí)間監(jiān)控和精度監(jiān)控指標(biāo)上升級(jí)前后系統(tǒng)無(wú)顯著差別；軌跡監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)分析方面，升級(jí)前系統(tǒng)均不提供相應(yīng)功能，而在升級(jí)后系統(tǒng)中，采用獨(dú)立的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。在擴(kuò)展監(jiān)控方面，升級(jí)后系統(tǒng)以功能包形式提供電離層、對(duì)流層以及星歷的監(jiān)控功能。

2.1.4 衛(wèi)星數(shù)據(jù)測(cè)試

數(shù)據(jù)有效率上，升級(jí)前系統(tǒng)平均有效率數(shù)值略高于升級(jí)后系統(tǒng)，主因是其對(duì)數(shù)據(jù)有效率定義不同。一方面，前者僅將數(shù)據(jù)是否完整作為有效率的評(píng)估依據(jù)；后者則考慮了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，低質(zhì)量數(shù)據(jù)均未算作有效數(shù)據(jù)；另一方面，由于部分BDS衛(wèi)星觀測(cè)值的質(zhì)量略低，影響了升級(jí)后系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體有效率。可見衛(wèi)星數(shù)量方面，因升級(jí)前系統(tǒng)為固件不兼容BDS，在系統(tǒng)中BDS仍為可見，升級(jí)前后的系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)量完全相同，均包含GPS、GLONASS和BDS；但在參與解算的衛(wèi)星數(shù)量上，升級(jí)后系統(tǒng)參與解算的衛(wèi)星數(shù)量比升級(jí)前雙星系統(tǒng)多出7至8顆BDS衛(wèi)星，較升級(jí)前系統(tǒng)增加46.3 %。共有衛(wèi)星的信噪比等數(shù)據(jù)則2套系統(tǒng)相同。

2.1.5 用戶固定比例測(cè)試

一星期的測(cè)試期內(nèi)通過引導(dǎo)，用戶分別使用升級(jí)前雙星、升級(jí)后雙星和三星源節(jié)點(diǎn)，用戶固定比例如表1所示。

表1中：固定比例上升級(jí)前雙星、升級(jí)后雙星和三星源節(jié)點(diǎn)綜合固定比分別為41.2 %、69.0 %和64.1 %。升級(jí)前、后綜合固定比分別為41.2 %和68.6 %，提升比例達(dá)66.0 %。時(shí)段上，上午固定比分別為48.5 %、76.4 %和61.1 %，升級(jí)后有明顯提升；下午綜合固定比例由30.8 %上升至61.6 %，提升幅度達(dá)106 %，可認(rèn)為下午作業(yè)效果受限的現(xiàn)象得到了改善。整個(gè)測(cè)試過程中，自主選擇升級(jí)前雙星、升級(jí)后雙星和三星源節(jié)點(diǎn)的比例分別為占13.4 %、80.4 %和6.2 %，說明用戶更偏好于升級(jí)后的雙星源節(jié)點(diǎn)。

表1 用戶固定比例測(cè)試結(jié)果

2.2 外業(yè)測(cè)試

2.2.1 定位精度測(cè)試

28個(gè)測(cè)試點(diǎn)的外業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)中各點(diǎn)的內(nèi)、外符合誤差如圖3所示。

圖3(a)和圖3(b)分別為內(nèi)符合和外符合誤差曲線。其中，平面內(nèi)符合誤差中3個(gè)源節(jié)點(diǎn)x、y和z方向平均值分別為1.16、1.29和2.21 cm，1.03、1.19和2.42 cm，1.16、1.60和2.89 cm。外符合誤差中3個(gè)源節(jié)點(diǎn)平均值分別為1.45、1.74和3.82 cm，1.40、1.94和3.72 cm，1.42、2.12和4.70 cm。從整體上看，平面xy方向上精度基本一致，垂直方向較水平方向略低，符合衛(wèi)星定位的特征。3個(gè)源節(jié)點(diǎn)的情況如圖4所示。

圖4中，升級(jí)后系統(tǒng)較原系統(tǒng)有一定的提升，但并不顯著，可以認(rèn)為處于同一水平。這種提升可能緣于后者對(duì)VRS算法的改進(jìn)。而升級(jí)后系統(tǒng)的三星和雙星源節(jié)點(diǎn)之間精度水平基本一致。在高程內(nèi)符合和平面外符合測(cè)試中，三星源節(jié)點(diǎn)精度略低于雙星，可能緣于升級(jí)后系統(tǒng)選星算法設(shè)計(jì)仍以GPS和GLONASS衛(wèi)星為主。

2.2.2 流動(dòng)站兼容性測(cè)試

流動(dòng)站兼容性測(cè)試涉及Trimble R10、Leica GNSS15、中海達(dá)iRTK、南方S86、華測(cè)i60、中海達(dá)V90、司南T300共7款RTK設(shè)備，均能在接入升級(jí)前后的系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)快速定位。

2.2.3 時(shí)間可用性測(cè)試

固定位置上的時(shí)間可用性測(cè)試表明，升級(jí)后系統(tǒng)在常規(guī)作業(yè)時(shí)間都能獲得固定解。為進(jìn)一步了解升級(jí)后系統(tǒng)在下午作業(yè)的效果，結(jié)合外業(yè)綜合測(cè)試的數(shù)據(jù)，對(duì)下午時(shí)段的固定時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 下午時(shí)段RTK定位固定時(shí)間測(cè)試統(tǒng)計(jì)

表2中：升級(jí)后雙星與三星源節(jié)點(diǎn)固定時(shí)間相差較小，90 %以上在0～20 s內(nèi)固定；三星比雙星源節(jié)點(diǎn)略長(zhǎng)，可能源于搜星時(shí)間更長(zhǎng)。升級(jí)前雙星系統(tǒng)固定時(shí)間主要分布在20～60 s間，比其他源節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)，其原因可能是主輔站技術(shù)[9-11]在組網(wǎng)上或?qū)κ諗砍潭鹊囊蟾?，使迭代時(shí)間更長(zhǎng)；而VRS算法在組網(wǎng)和模型構(gòu)建方面更適應(yīng)湖南地區(qū)電離層和對(duì)流層的變化。

2.2.4 初始化時(shí)間測(cè)試

3個(gè)源節(jié)點(diǎn)上各測(cè)試點(diǎn)的平均初始化時(shí)間如圖5所示。

圖5中，初始化時(shí)間大于60 s的統(tǒng)計(jì)值被認(rèn)為無(wú)法固定已予以剔除。其中，接入升級(jí)后雙星、

三星和升級(jí)前雙星源節(jié)點(diǎn)的平均固定時(shí)間分別為7.4、8.7和20.5 s。因此，升級(jí)后的系統(tǒng)在固定時(shí)間上優(yōu)于升級(jí)前系統(tǒng)，其原因可能是升級(jí)后的VRS算法在網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)選擇以及收斂評(píng)價(jià)的策略上更加符合湖南地區(qū)的實(shí)際情況。

2.2.5 空間可用性測(cè)試

綜合空間測(cè)試結(jié)果中，選取2016-02-29—2016-03-02的9：00—10：00之間升級(jí)后的系統(tǒng)在線用戶情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。上述時(shí)段內(nèi)，平均在線用戶超過每天200人，固定比例持續(xù)在72 %～75 %之間，在湖南省122個(gè)縣、區(qū)中均有正常用戶作業(yè)，比例達(dá)100 %。值得注意的是，有用戶出現(xiàn)在了江西省宜春市和貴州省銅仁市，說明HNCORS的信號(hào)甚至覆蓋湖南省周邊省市。

在特殊環(huán)境測(cè)試中，分別選擇了樹木遮擋、房屋遮擋、江邊以及高壓線下4種特殊環(huán)境。首先將RTK天線由遠(yuǎn)至近逐漸靠近遮擋源，分別連接3個(gè)源節(jié)點(diǎn)。若某個(gè)源節(jié)點(diǎn)在3 min內(nèi)未固定則認(rèn)定為無(wú)法固定。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)固定情況不一致時(shí)，引入全站儀對(duì)固定的位置進(jìn)行驗(yàn)證。絕大部分情況下(墻角、河邊和高壓線下)，3個(gè)源節(jié)點(diǎn)均可取得固定解，且坐標(biāo)差異為mm級(jí)。存在差異的情況為樹下，在南方向，升級(jí)前源節(jié)點(diǎn)在3 min內(nèi)未固定，而升級(jí)后三星源節(jié)點(diǎn)則實(shí)現(xiàn)固定，說明三星源節(jié)點(diǎn)在極端觀測(cè)環(huán)境條件下，存在獲得固定解的可能。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)HNCORS兼容BDS升級(jí)建設(shè)的需求和目標(biāo)，本研究設(shè)計(jì)了“硬件軟件相結(jié)合、內(nèi)業(yè)外業(yè)相結(jié)合、對(duì)比分析相結(jié)合、時(shí)空分析相結(jié)合”的測(cè)試分析方案。測(cè)試結(jié)果表明，升級(jí)后的系統(tǒng)具備兼容各類主流設(shè)備的能力，監(jiān)控功能更加完善，觀測(cè)數(shù)據(jù)更加豐富，用戶體驗(yàn)有所提升。同時(shí)，RTK平面和高程定位精度分別為2.6和4.7 cm，較理想地滿足了設(shè)計(jì)要求；初始化時(shí)間有顯著提升，在覆蓋湖南省的基礎(chǔ)上能一定程度地覆蓋臨近省份。此外，BDS的引入能解決某些特殊環(huán)境下的定位問題。

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Tests and analysis on upgraded BDS-compatible HNCORS network

HUALiangchun，XUANYong，YINHaohua，AOMinsi，CHENChunhua

(Hunan Institute of Geomatics Sciences and Technology，Changsha 410007，China)

In order to evaluate the performance of upgraded BDS-compatible HNCORS network，the paper proposed a schedule which combines software with hardware，indoor with field work，uses the approaches of comparative analysis and spatial-temporal analysis，and tests from the aspects of site compatibility，system reliability，monitoring function，satellite observations，fixed user ratio，positioning precision，rover compatibility，initialization time，time-spatial availability and so on.Result showed that the upgraded system could update user experience by compatible to the most popular terminal equipments，comprehensive monitoring functions and rich satellite observations；the positioning precision of RTK on horizontal and vertical directions could meet the design requirements well；the initialization time could be improved largely，thus it could not only cover Hunan province but also the nearby districts to some extent；moreover，the introduction of BDS could help the positioning performance under some special environments.

HNCORS；BeiDou satellite system；tests and analysis；real-time kinematic

2016-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371335)；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目；湖南省國(guó)土資源廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(201511)。

華亮春(1977—)，男，湖南衡南人，碩士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)?S集成及其應(yīng)用。

敖敏思(1985—)，男，湖南湘潭人，博士后，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)镚NSS技術(shù)及其應(yīng)用。

華亮春，宣勇，尹昊華，等.兼容BDS的HNCORS升級(jí)測(cè)試分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(3)：62-66,71.(HUA Liangchun，XUAN Yong，YIN Haohua，et al.Tests and analysis on upgraded BDS-compatible HNCORS network[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：62-66,71.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170313.

P228

A

2095-4999(2017)03-0062-06