第一讲-全球导航卫星系统概述讲解
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1969年，美国国防部长办公室（OSD）建立了国防导航卫星系统计划，拟将各军种的研制工作统一起 来，形成了NAVSTAR GPS的概念，也就是著名的GPS。
20
5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
• 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及 建立地面跟踪网。
导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。
8
5、卫星导航发展史
司南(指南针)
史上最早的导航工具
9
5、卫星导航发展史
经度测量
纬度测量
10
5、卫星导航发展史
Longitude and Time
Pole
地球自转：24小时 旋转角度： 360o
MReerfiedriaennce
P
l
1小时 15o
确定经度的方法： 1、在A地对好时钟（太阳在头顶时，时钟指向12点） 2、航行到B地后，于本地时12时读时钟显示数 3、将时差换算为经度
11
5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
第一次世界大战期间
海上首次使用了无线电通信 海岸线安装无线电信标台，发射375kHz连续无线电波 船上装有定向机接收无线电波
再接收另外两个电台信号， 得到另一条双曲线；两条曲 线交点即为船只位置。
能连续给出船位，使用更方 便，且定位精度更高一些。
13
5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
第二次世界大战后
台卡（Decca）
双曲线系统
广泛应用于英国和北欧区域
罗兰-C（Loran-C）系统
20世纪50年代末期研制成功
12
5、卫星导航发展 史
陆基无线电导航系统
第二次世界大战期间
罗兰-A系统（Loran-A）
脉冲信号，载频 1.6MHz~1.95MHz，作用范 围400n mile
船载接收机：接收来自两个 电台的信号，计算到达时间 差，可知船只处于某一条以 两个发射电台为焦点的地球 表面的一条双曲线上；
卫星导航系统概述 第一讲
黄恒一
1
目录
1.身边的导航 2.导航的定义
3.参考书目 4.导航的意义 5.导航卫星的发展史 6.卫星导航的简介 7.四大卫星导航的简介 8.导航未来的发展方向
1.身边的卫星导航系统
车载导航仪
3
身边的卫星导航系统
手持导航仪
4
身边的卫星导航系统
功能 位置 速度 时间 手机基站 作战指挥 线路规划 。。。
之后根据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行能力（Full
Operational Capability）。
23
5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段
1995年，美国国防部公布系统具有军用完全工作能力；
此后几年GPS的定位技术运用在民用方面有巨大的突破，已 经渗透到生活的诸多的方面。
19
5、卫星导航发展史 ——GPS系统
空军 在此期间也进行了记做为621B系统的卫星定位概念研究 军方设想在三个轨道部署15-20颗卫星，使用数字信号的伪随机噪声（PRN）调制来进行测距。
美国陆军 探讨了诸多可选技术，如测距、测角、和多普勒测量。 但最后也推荐利用PRN调制来测距。
各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计 标准。
22
5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段
第四阶段为实用组网阶段。
1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统 进入工程建设阶段。
1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，
Z
2 s
dT 2
X
3 s
Ys3
Z
3 s
dT 3
X
4 s
Ys4
Z
4 s
dT 4
S1 S2
S3 S4
(X,Y,Z)
P1
(
X
1 s
X
)2
(Ys1
Y )2
(
Z
1 s
Z )2
dt
dT 1
P2
(
X
2 s
X )2
(Ys2
20世纪60年代： 美国国防部(DOD)、国家航空航天局(NASA)、交通部(DOT) 等政府机 构对发展用于三维定位的卫星系统产生了兴趣。 他们认为，最佳系统应具有如下特性：全球覆盖、连续/全天候工作、 能为高动态平台提供服务，以及高精度。
1964年投入使用的子午仪系统 受到广泛的接受，但由于其存在定位时间长等一些缺陷，美国海军希 望对此进行改进，这就促成是Timation卫星计划。
可靠性高，经济效益好 作用范围大
15
5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统
1964年在军事上正式投入使用，为北极星导弹潜艇在远海中 导航定位而研制的。 1967年开始提供民用，目前已停止使 用。
子午仪系统由三部分组成，空间、地面监控、用户 空间
6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角90度、周期108min、载 波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
5
2、参考书目
GPS原理与应用
E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社
导航与定位（信息化战争的北斗星）
李跃，邱致和等著，国防工业出版社
GPS原理与接收机设计
谢钢著，电子工业出版社
GPS基本原理及其Matlab仿真
李天文编著，西安电子科大出版社
。。。
6
3、导航的定义与作用
古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队，古希腊人与罗马人在地中海区域的海上商业活动与战争，中国明代的郑和下西洋，在 没有地物作参考的情况下，没有导航是不可能的。
1990年8月—1991年3月的海湾战争中，在阿拉伯半岛没有任何地形可资参考的茫茫沙海上，从沙漠盾牌到沙漠风暴直至 战后扫雷与救援，多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导，从而对只有少量卫星导航设备的伊拉克 军队形成了明显的军事优势。
14
5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
系统复杂性集中于导航台，船载设备简单，可靠，易于推广； 作战角度看，依赖导航台及电波空间传播，系统生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力等不利 作用范围有限
天基无线电导航系统
受外界条件的限制较小 导航定位精度高
子午仪系统40～500m，GPS系统5～100m
dt：接收机钟差 dT：卫星钟差
已知： 伪距观测值P， 卫星坐标( X S ,YS , ZS )，
卫星钟差(dT )
求： 测站坐标( X ,Y , Z )，
接收机钟差(dt)
P1
P2
P3
P4
X
1 s
Ys1
Z
1 s
dT 1
X
2 s
Ys2
17
5、卫星导航发展史 ——苏联的奇卡达(Tsikada)卫星导航系统
年代同子午仪系统； 也由三部分组成，空间、地面监控、用户 空间
6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角83度、 周期105min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
18
5、卫星导航发展史 ——GPS系统
脉冲双曲线系统，脉冲载频100kHz
作用距离更远；不仅利用脉冲包络，且利用载波相位，定位精度大大提高
奥米伽（Omega）系统
20世纪50年代中期开始
解决其它无线电导航系统无法全球覆盖
工作频率10kHz~14kHz，连续波；
电波传播受各种因素（太阳活动、地磁反常）的影响，定位精度只有2n mile~4n mile。
Y )2
(Zs2
Z)2
dt
dT 2
P3
(
X
3 s
X )2
(Ys3
Y )2
1973年12月，国防部批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地
面接收机及建立地面跟踪网。
21
5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段 第二阶段为1979-1983年全面研制和试验阶段。 第三阶段：1983-1987系统应用研究（设备定型投产）。 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了
站星距离 = 信号传播时间 x 光速
Xll
GPS接收机于 “T + Δt”收到信号
Vl
6、卫星导航
6.5 数学模型
P R dt dT
P (X s X )2 (Ys Y )2 (Zs Z)2 dt dT
P：伪距观测值 R：站星真实几何距离 （X s ,Ys , Zs )：卫星坐标 （X ,Y , Z )：测站坐标
6、卫星导航
6.3 卫星导航系统组成 地面控制部分
主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的 工作）、 地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、 监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传 输）组成
空间部分
卫星组
用户部分
接收机和信号接收天线
6、卫星导航
观测值
计算导航电文
GNSS： Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统 导航，通过特定的办法获得目标（本体）所在的空间物理位置以及自身速度信息；是一种 为运载体航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。 卫星导航系统是一种天基的无线电导航定位和时间传递系统，能够为地球表面和近地空间 的各类用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等信息服务。完整的卫星导 航系统是一个全球性的蓬勃发展的高技术产业。 基本作用：引导飞机、船舰、车辆（总的称作运载体），还有个人，安全准确地沿着所选 定的路线，准时地到达目的地。
三个站星距离
• 作三个球面 • 三个球面两两相交于两点 • 测站位于其中一点
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会
一个站星距离 = 球面 两个站星距离 = 圆 三个站星距离 = 两点 三个站星距离 + 地球 = 一点
卫星信号于 “T”时刻发 射
2000年5月1日午夜取消了对GPS的SA技术干扰，使得民用 定位精度得到大幅度提升。
24
6、卫星导航
6.1 卫星导航系统
具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫 星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。
现有全球卫星导航定位系统 GPS GLONASS GALILEO 中国北斗 (BDS)
主控站
监测站
GPS用户 卫星轨道和钟差参数
注入站
6、卫星导航
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
两个站星距离
• 作两个球面 • 两个球面相交为圆 • 测站位于圆圈上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
一个站星距离
• 测站位于以卫星为球心， 站星距离为半径的球面上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
6、卫星导航
6.1 卫星导航系统
q 北斗卫星导航系统
•北斗系统总体计划: 三个建设阶段 •从主动定位到被动定位 •从区域服务到全球服务
Fra Baidu bibliotek
从主动定位 到被动定位
中国 2012
全球覆盖 亚太地区 2020
2015
从区域到全球
6、卫星导航
6.2 卫星导航系统特点
高精度 全天候 高效率 三维定位 多用途 自动化 全球导航
地面
卫星跟踪站、计算中心和注入站；
用户
接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置
16
5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统
子午仪卫星导航系统特点
提供二维导航解； 观测时间8至10min； 精度±40m； 定位间隔1.5小时； 长期观测精度达到±3m至±5m。
7
4、导航的意义
根据传说： 公元前2600，黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中仍能辨别方向，因 此取胜。 在楚汉战争中，项羽垓下大败，溃围南逃，到陵阴迷失了道路，于是向一田夫问路，田夫故意给了他一个错误的 引导信息，叫他往左走，结果陷入大泽，再回头时被汉军追及，致使这位力拔山兮气盖世的西楚霸王自刎乌江。
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5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
• 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及 建立地面跟踪网。
导航是人类从事政治、经济和军事活动所必不可少的信息技术。
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5、卫星导航发展史
司南(指南针)
史上最早的导航工具
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5、卫星导航发展史
经度测量
纬度测量
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5、卫星导航发展史
Longitude and Time
Pole
地球自转：24小时 旋转角度： 360o
MReerfiedriaennce
P
l
1小时 15o
确定经度的方法： 1、在A地对好时钟（太阳在头顶时，时钟指向12点） 2、航行到B地后，于本地时12时读时钟显示数 3、将时差换算为经度
11
5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
第一次世界大战期间
海上首次使用了无线电通信 海岸线安装无线电信标台，发射375kHz连续无线电波 船上装有定向机接收无线电波
再接收另外两个电台信号， 得到另一条双曲线；两条曲 线交点即为船只位置。
能连续给出船位，使用更方 便，且定位精度更高一些。
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5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
第二次世界大战后
台卡（Decca）
双曲线系统
广泛应用于英国和北欧区域
罗兰-C（Loran-C）系统
20世纪50年代末期研制成功
12
5、卫星导航发展 史
陆基无线电导航系统
第二次世界大战期间
罗兰-A系统（Loran-A）
脉冲信号，载频 1.6MHz~1.95MHz，作用范 围400n mile
船载接收机：接收来自两个 电台的信号，计算到达时间 差，可知船只处于某一条以 两个发射电台为焦点的地球 表面的一条双曲线上；
卫星导航系统概述 第一讲
黄恒一
1
目录
1.身边的导航 2.导航的定义
3.参考书目 4.导航的意义 5.导航卫星的发展史 6.卫星导航的简介 7.四大卫星导航的简介 8.导航未来的发展方向
1.身边的卫星导航系统
车载导航仪
3
身边的卫星导航系统
手持导航仪
4
身边的卫星导航系统
功能 位置 速度 时间 手机基站 作战指挥 线路规划 。。。
之后根据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行能力（Full
Operational Capability）。
23
5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段
1995年，美国国防部公布系统具有军用完全工作能力；
此后几年GPS的定位技术运用在民用方面有巨大的突破，已 经渗透到生活的诸多的方面。
19
5、卫星导航发展史 ——GPS系统
空军 在此期间也进行了记做为621B系统的卫星定位概念研究 军方设想在三个轨道部署15-20颗卫星，使用数字信号的伪随机噪声（PRN）调制来进行测距。
美国陆军 探讨了诸多可选技术，如测距、测角、和多普勒测量。 但最后也推荐利用PRN调制来测距。
各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计 标准。
22
5、卫星导航发展史 ——GPS系统实施的四个阶段
第四阶段为实用组网阶段。
1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统 进入工程建设阶段。
1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，
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Ys3
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S3 S4
(X,Y,Z)
P1
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X )2
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20世纪60年代： 美国国防部(DOD)、国家航空航天局(NASA)、交通部(DOT) 等政府机 构对发展用于三维定位的卫星系统产生了兴趣。 他们认为，最佳系统应具有如下特性：全球覆盖、连续/全天候工作、 能为高动态平台提供服务，以及高精度。
1964年投入使用的子午仪系统 受到广泛的接受，但由于其存在定位时间长等一些缺陷，美国海军希 望对此进行改进，这就促成是Timation卫星计划。
可靠性高，经济效益好 作用范围大
15
5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统
1964年在军事上正式投入使用，为北极星导弹潜艇在远海中 导航定位而研制的。 1967年开始提供民用，目前已停止使 用。
子午仪系统由三部分组成，空间、地面监控、用户 空间
6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角90度、周期108min、载 波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
5
2、参考书目
GPS原理与应用
E.D.Kaplan著，邱万和等译，电子工业出版社
导航与定位（信息化战争的北斗星）
李跃，邱致和等著，国防工业出版社
GPS原理与接收机设计
谢钢著，电子工业出版社
GPS基本原理及其Matlab仿真
李天文编著，西安电子科大出版社
。。。
6
3、导航的定义与作用
古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队，古希腊人与罗马人在地中海区域的海上商业活动与战争，中国明代的郑和下西洋，在 没有地物作参考的情况下，没有导航是不可能的。
1990年8月—1991年3月的海湾战争中，在阿拉伯半岛没有任何地形可资参考的茫茫沙海上，从沙漠盾牌到沙漠风暴直至 战后扫雷与救援，多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导，从而对只有少量卫星导航设备的伊拉克 军队形成了明显的军事优势。
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5、卫星导航发展史
陆基无线电导航系统
系统复杂性集中于导航台，船载设备简单，可靠，易于推广； 作战角度看，依赖导航台及电波空间传播，系统生存能力、抗干扰、反利用、抗欺骗能力等不利 作用范围有限
天基无线电导航系统
受外界条件的限制较小 导航定位精度高
子午仪系统40～500m，GPS系统5～100m
dt：接收机钟差 dT：卫星钟差
已知： 伪距观测值P， 卫星坐标( X S ,YS , ZS )，
卫星钟差(dT )
求： 测站坐标( X ,Y , Z )，
接收机钟差(dt)
P1
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P3
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X
1 s
Ys1
Z
1 s
dT 1
X
2 s
Ys2
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5、卫星导航发展史 ——苏联的奇卡达(Tsikada)卫星导航系统
年代同子午仪系统； 也由三部分组成，空间、地面监控、用户 空间
6颗卫星，1000km高、6个轨道面、轨道倾角83度、 周期105min、载波频率400MHz(导航电文)和150MHz；
18
5、卫星导航发展史 ——GPS系统
脉冲双曲线系统，脉冲载频100kHz
作用距离更远；不仅利用脉冲包络，且利用载波相位，定位精度大大提高
奥米伽（Omega）系统
20世纪50年代中期开始
解决其它无线电导航系统无法全球覆盖
工作频率10kHz~14kHz，连续波；
电波传播受各种因素（太阳活动、地磁反常）的影响，定位精度只有2n mile~4n mile。
Y )2
(Zs2
Z)2
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dT 2
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X )2
(Ys3
Y )2
1973年12月，国防部批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地
面接收机及建立地面跟踪网。
21
5、卫星导航发展史
——GPS系统实施的四个阶段 第二阶段为1979-1983年全面研制和试验阶段。 第三阶段：1983-1987系统应用研究（设备定型投产）。 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了
站星距离 = 信号传播时间 x 光速
Xll
GPS接收机于 “T + Δt”收到信号
Vl
6、卫星导航
6.5 数学模型
P R dt dT
P (X s X )2 (Ys Y )2 (Zs Z)2 dt dT
P：伪距观测值 R：站星真实几何距离 （X s ,Ys , Zs )：卫星坐标 （X ,Y , Z )：测站坐标
6、卫星导航
6.3 卫星导航系统组成 地面控制部分
主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的 工作）、 地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文）、 监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传 输）组成
空间部分
卫星组
用户部分
接收机和信号接收天线
6、卫星导航
观测值
计算导航电文
GNSS： Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统 导航，通过特定的办法获得目标（本体）所在的空间物理位置以及自身速度信息；是一种 为运载体航行时提供连续、安全和可靠服务的技术。 卫星导航系统是一种天基的无线电导航定位和时间传递系统，能够为地球表面和近地空间 的各类用户提供全天候、全天时、高精度的位置、速度和时间等信息服务。完整的卫星导 航系统是一个全球性的蓬勃发展的高技术产业。 基本作用：引导飞机、船舰、车辆（总的称作运载体），还有个人，安全准确地沿着所选 定的路线，准时地到达目的地。
三个站星距离
• 作三个球面 • 三个球面两两相交于两点 • 测站位于其中一点
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会
一个站星距离 = 球面 两个站星距离 = 圆 三个站星距离 = 两点 三个站星距离 + 地球 = 一点
卫星信号于 “T”时刻发 射
2000年5月1日午夜取消了对GPS的SA技术干扰，使得民用 定位精度得到大幅度提升。
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6、卫星导航
6.1 卫星导航系统
具有全球导航定位能力的卫星导航定位系统称为全球卫 星导航系统，英文全称为Global Navigation Satellite System，简称为GNSS。
现有全球卫星导航定位系统 GPS GLONASS GALILEO 中国北斗 (BDS)
主控站
监测站
GPS用户 卫星轨道和钟差参数
注入站
6、卫星导航
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
两个站星距离
• 作两个球面 • 两个球面相交为圆 • 测站位于圆圈上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
一个站星距离
• 测站位于以卫星为球心， 站星距离为半径的球面上
6、卫星导航
6.4 卫星导航定位的几何原理
6、卫星导航
6.1 卫星导航系统
q 北斗卫星导航系统
•北斗系统总体计划: 三个建设阶段 •从主动定位到被动定位 •从区域服务到全球服务
Fra Baidu bibliotek
从主动定位 到被动定位
中国 2012
全球覆盖 亚太地区 2020
2015
从区域到全球
6、卫星导航
6.2 卫星导航系统特点
高精度 全天候 高效率 三维定位 多用途 自动化 全球导航
地面
卫星跟踪站、计算中心和注入站；
用户
接收卫星信号、测量多普勒频移，计算用户位置
16
5、卫星导航发展史 ——美国子午仪卫星导航系统
子午仪卫星导航系统特点
提供二维导航解； 观测时间8至10min； 精度±40m； 定位间隔1.5小时； 长期观测精度达到±3m至±5m。
7
4、导航的意义
根据传说： 公元前2600，黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中仍能辨别方向，因 此取胜。 在楚汉战争中，项羽垓下大败，溃围南逃，到陵阴迷失了道路，于是向一田夫问路，田夫故意给了他一个错误的 引导信息，叫他往左走，结果陷入大泽，再回头时被汉军追及，致使这位力拔山兮气盖世的西楚霸王自刎乌江。