水下高精度立体定位导航系统

2005年第 2 期 声学与电子工程 总第 78 期

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水下高精度立体定位导航系统

王泽民 罗建国 陈琴仙 田力 (第七一五研究所 杭州 310012)

摘要 水下GPS 定位是国际上近几年发展起来的水下定位高新技术。我国自主研制开发的水下高精度立体定位导航系统将打破发达国家在这一技术上的垄断，填补我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。本文介绍了该系统的构成及其主要设备，对其主要功能及应用前景进行了阐述。

关键词 水下定位 GPS 浮标 水下收发机 导航

1引言

随着世界经济和军事发展的需求，海洋资源开发、海洋能源利用等现代海洋高新技术的研究已成为世界新科技革命的主要领域之一。海洋定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基础，在探测海底地形地貌、建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学以及维护国家海洋权益等诸多方面发挥极其重要的作用。

在水下定位技术方面，虽然已发展了长基线、短基线和超短基线等水下声定位系统，且均已在实际中得以应用。但由于这些系统在布设、校准和维护等方面都比较困难，费时耗资，灵活性差，不能机动，作用范围有限，无法满足象水下管线铺设放样与检测定位、水下运输导航、以及高精度水下绝对定位的要求。

水下GPS 定位是国际上近几年发展起来的水下定位高新技术。美国海军于2001年委托法国ASCA 公司开发了全球第一套水下GPS 目标跟踪系统（专利属于美国国防部），用于水雷对抗、水下搜救和水下哑弹爆破，近期又利用该项技术进行海洋水下导弹试验和水下军事平台建设。德国Arstech 雷达和声呐应用技术公司2002年也利用该项技术开发了功能类似的GPS 浮标阵水下定位系统。这两套系统仅能从水上对水下目标进行跟踪和定位，不具备水下导航、授时和工程放样能力。

在国家863计划的资助下，水下高精度立体定位导航系统被列入我国“十五”期间海洋监测技术主题的发展项目之一，并进行了产品的研制开发，以适应大陆架区水下载体和拖体、特殊水下工程高精度定位的需求。它集成GPS 定位技术、声呐浮标技术、高精度时钟和水下通讯技术，可基本满足今后长时间内海洋开发、海洋高技术发展对水下高精度定位导航的需要。

这是继美国和法国之后，我国自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS 定位系统。该系统不但可用于从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还率先利用GPS 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。该系统的成功研制，将打破个别发达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

2 总体构成

系统主要由GPS 卫星星座、差分GPS 基准站（可选）、GPS 浮标、安装于水下载体的水下收发机、陆基或船基数据处理与监控中心（简称数据控制中心）、水上无线电通讯链路、水下水声通讯链路组成，见图1。

图1系统构成示意图

其中，GPS 浮标同GPS 卫星星座和差分基准站组成海面大地测量基准，同时作为水下定位的水面测量基线，实现对水下收发机的精

确位置标定。数据控制中心和水下收发机之间的水声通讯链路可进行定位数据的相互传送，实现对水下载体的导航功能。水下收发机提供用户数据接口，可同水下载体进行数据交换。

系统的工作模式有两种：跟踪模式和导航模式。在跟踪模式下，数据控制中心向水下收发机（安装于水下载体）发送定位请求信号，激活水下收发机向GPS浮标发射定位信号。GPS浮标接收到定位信号后，对其进行精确时延估计，并将结果数据连同浮标姿态校准数据、GPS定位数据等信息进行调制后发回数据控制中心。数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息进行融合处理后计算出水下载体位置，并动态显示水下载体在大地测量坐标系中的位置。在导航模式下，由水下载体发出导航请求，通过用户数据接口激活水下收发机向GPS浮标发射定位信号，同时向数据控制中心发射导航请求信号。GPS浮标接收到定位信号后，对其进行精确时延估计，并将结果数据连同浮标姿态校准数据、GPS定位数据等信息进行调制后发回数据控制中心。数据控制中心将GPS基准站差分信号与以上信息进行融合处理后计算出水下载体位置，然后通过水声通讯链路发射到水下收发机；水下载体通过用户数据接口从水下收发机取回数据后就能计算出导航参数。

3 组成设备

3.1 GPS浮标

GPS浮标用于建立水下定位的海面测量基准，其自身的位置通过GPS定位技术进行实时高精度标定。

GPS浮标结构为自浮式锚泊结构，主要由GPS接收机、三维数字罗盘、数传电台、水听器位置校正装置、多路信号处理电路及换能器等构成，完成GPS浮标的实时定位、定位信号的精确时延估计、浮标姿态校正、水听器位置校正、时钟同步解算、数据的综合编码控制与无线传输等功能。

为使系统适应不同海况环境的使用需求，GPS浮标的定位水听器可下放一定深度，保证定位信号的平稳接收，确保系统的正常运作。

3.2水下收发机

水下收发机安装于水下载体，可实现对水下载体的定位、导航和控制。它可根据数据控制中心下传的定位请求，自动生成并发射高精度的定位信号，同时通过水声数据通讯方式将相关数据发送回数据控制中心。它也可将接收的定位、导航控制数据通过用户数据接口传送至水下载体。

水下收发机主要由信号接收和处理电路、水声发射机、传感器数据采集、用户数据接口及时钟同步接口等构成，完成高精度定位信号的生成与发射、水声通讯信号的生成与发射、水声通讯数据的解调、传感器数据和用户导航数据的综合、系统时间同步控制等功能。

水下收发机采用密封式耐高压的结构设计，使系统具有一定的防水、耐高静水压性能，保证深水环境下的可靠工作。同时，水下收发机配备有电源水密接口，使其能够向水下载体引入电能，以延长水下作业时间。

3.3 数据控制中心

数据控制中心可基于陆地或船舶，是系统的数据处理中心，可给用户提供监控界面和数据接口。

它主要由数据处理工作站、监视系统、浮标接收机和船基（或陆基）水声收发机构成，负责接收来自GPS浮标和差分基准站通过无线通讯链路传送的定位数据，并对GPS浮标动态位置和水下载体位置进行精确解算，实时显示水深数据、系统状态参数及目标位置和运动轨迹等；负责执行水下用户的跟踪请求及水下用户的导航请求等功能；并根据每隔一定时间测得的声速梯度数据，进行声线弯曲补偿和声速改正，以提高系统定位精度。

4 主要功能

4.1对水下目标进行跟踪或动态定位

当系统用于从水上对水下目标进行跟踪监视和动态定位时，用户在数据控制中心。数据控制中心可以在作业船上，也可以在岸边陆地上，特殊情况下也可以安置在飞机上。水下导航收发机安装在被监视的水下目标上。用户通过数据控制中心的监控界面发射跟踪或定位请求信号来启动系统，监控界面将动态显示水下目标的运动轨迹、GPS浮标的运动轨迹以及系统的工作状态。当输入电子海图后，系统的监控界面可在海图上动态显示水下目标、GPS浮

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标以及数据控制中心的位置。

4.2水下目标导航与精密授时

当系统用于水下目标导航和授时时，用户在水下。水下收发机安装在需导航的水下目标上。水下用户通过触发(或自动控制)收发机的用户接口启动系统，此后，水下收发机将以一定的频率发射水声定位信号，接收来自数据控制中心的定位结果和定位信号时刻，并计算出导航参数(用户可通过水下监控界面输入导航目的地，也可事先设置好目的地)和当前时刻，从而实现水下目标导航和精密授时。

4.3 水下目标瞬时水深监测

当系统用于水下目标瞬时水深监测时，用户既可在水上，也可在水下。当用户在水上时，数据控制中心将动态显示水下目标的水深(包括平面位置)，并可与水下目标跟踪或动态定位功能一起使用。当用户在水下时，水下用户接口将动态输出水下目标当前的水深(包括平面位置)，并可与水下目标导航与精密授时功能一起使用。

系统的水下目标水深监测，是利用GPS浮标的瞬时大地高与水下目标的瞬时大地高按一定方法计算的。所监测的水深包含了动力环境引起的水面变化(如海洋潮汐、海流、洋流以及江河的水流落差等)。这对于水下工程、水下军事技术、水下安全、水下探险和娱乐等领域的应用具有特殊的意义。

4.4水下工程测量控制

水下工程测量控制是一种高精度水下精密测量控制，用户在水下。为提高水下控制点的点位精度，采用精密定位和边长测量相结合的方法，并对控制网进行测量平差。水下用户可实时获得控制点的粗略位置，更高精度的控制点点位坐标是在水下作业完成后，经测量平差处理后给出。

为方便水下工程测量控制作业，可利用系统的水下目标导航功能辅助作业。

4.5水下工程结构放样

水下工程结构放样的基本原理与水下目标导航类似。不同的是，水下用户接口除提供导航信息外，还可提供高精度的长度、方位、角度、静态平台姿态、垂线、水平线等工程信息。用户可将事先设计好的工程结构图和放样方案从水下监控界面输入。

为提高水下工程结构放样的精度，可利用系统的水下工程测量控制功能。

5 应用前景

陆地大地测量与工程测量的基本任务是陆地测图与工程建设基本控制、目标定位与导航、工程结构安装放样测量等。本系统基本能将这些在陆地与空间上实现的功能扩展到水下，因而能满足在今后相当长一段时期内各种水下海洋活动与海洋高技术对水下大地测量与工程测量的需要，市场前景广阔。系统可以实现水下目标或载体自动化定位与导航，将从根本上改变以往水下定位的被动模式，特别是水下工程结构精密放样技术在国内属首创技术，因而能开拓更广阔的市场。

主要的应用领域包括如下一些方面：

海洋大比例尺水下测图控制、测图设备自动定位导航与自动成图；

海洋资源探测、开发与海底底质填图的水下定位导航；

从海面对多个水下目标同时跟踪与定位；

无人遥控的海底运载工具实时定位与导航；

海底管线辅设测量控制及故障检测定位；

水下工程的精密测量控制与工程结构实地放样；

水下探测设备各种辅线（特别是垂线）实时校准；

陆海空一体化活动的精密导航与测量控制；

沿岸工程（港口、潮汐电站等）建设的水下测量控制；

6 结束语

本系统的关键技术覆盖了不同精度、不同目的的水下大地测量、工程测量和导航的绝大部分要求，通过适当简化其系统硬软件配置，可以构成满足不同海洋活动对水下定位、导航、测量工程控制、工程结构放样需求的水下定位系统，组装满足不同精度或不同应用目的、成本适中的系列产品。它的研制，将为我国的海洋开发活动提供一种更加便捷、灵活的定位导航手段。

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水下导航定位系统在水下作业中的应用

水下导航定位系统在水下作业中的应用 【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。 【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业 1.引言 由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。 2.水下导航定位系统的组成 水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。如图1所示。 图1 水下导航定位系统组成 2.1 超短基线水声定位系统 超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。 图2 法国iXSea公司研制的GAPS 图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。 GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。 图3 Scout+超短基线水声定位系统

我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介

我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介 北极星电力网新闻中心2008-11-12 11:04:48 我要投稿 关键词：GPS 我国首套水下GPS高精度定位导航系统简介 “863”计划“水下GPS高精度定位系统”课题组 摘要由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统已研制成功，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。该系统可从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还利用GPS技术，实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。 关键词水下GPS 定位导航系统用户 由国家"863"计划资助的我国首套水下GPS高精度定位导航系统研制成功，经在浙江省千岛湖进行的试验表明，对于水深45m左右的水域，系统的水下定位精度为5em，测深精度为30cm，水下授时精度为0.2ms，且测量误差不随时间累积。这是继美国和法国之后，我国科学家自主研制开发的精度好、功能强、自动化程度高的水下GPS系统。该系统不但可用于从水上(海面、沿岸陆地或飞机上)对水下目标跟踪监视和动态定位，还率先利用GPS 技术实现了水下设备导航、水下目标瞬时水深监测、水下授时、水下工程测量控制和工程结构放样等功能。该系统的成功研制，将打破个别发 达国家对水下高精度定位技术的垄断，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。 一、系统构成 水下GPS定位导航系统主要由GPS卫星星座、差分GPS基准站(可选)、四个以上GPS 浮标、安装在水下目标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心(简称数据控制中心)、水上无线电通信链路、水下水声通信链路组成，如图1。多个GPS浮标与水下导航收发机构成以浮标为基线的海面长基线水下定位导航系统。 其中，GPS卫星星座、差分基准站和浮标GPS天线用于提供“海面动态大地测量基准”，包括浮标动态长基线水下定位网的起算基准和时间基准；水下导航收发机的发射器、浮标定位水听器组成了水下定位子系统，该子系统采用水下差分方式定位，水下无需高稳定频标；数据控制中心和水下导航收发机的水声通信换能器组组成了水下通信链路；差分基准站到数据控制中心、GPS浮标到数据控制中心的无线电收发装置组成了海面无线电通信链路；水上数据处理中心、系统状态监控、水上用户接口组成了数据监控中心；水下数据处理、用户接口组成了水下用户接口。 二、系统基本工作模式 1．水上跟踪模式——用户在水上 当水上用户需要跟踪水下目标(或动态定位)时，就从数据控制中心的监控界面向水下导航收发机(安装在水下目标上)发送定位请求信号，水下导航收发机激活后向GPS浮标发射定

水下导航定位技术的探究

水下导航定位技术的探究 ◎ 张文秀 忻州师院五寨分院 摘 要：随着水下导航器技术的不断发展，导航系统成为水下航行器研究的主要技术核心，实现水下精确定位成为目前水下航行器定位导航系统研究的一个重要分支。本文对几种常用自主导航方式的优缺点进行了对比，提出采用组合导航方式可以提高导航的可靠性和准确度。 关键词：水下航行器 组合导航 精确定位 迄今为止，应用于水下航行器的导航方式一类是凭借于外部信号的非自主导航，另外一类则是凭借传感器得到信号的自主导航方式。前者的导航基础是运载体可以接受到来自于外部信号的条件下才能完成导航，如罗兰、欧米加及其GPS等，三者中GPS凭借其广泛的信号面积导航能力更佳且更为准确。然而，该导航方式存在着自身的不足，由于其信号来自于外部，主要的方式是无线电导航，信号衰减非常严重，非自主导航局限于水上之上的定位，在水下航行器中的应用十分有限。对于后者，导航主要依靠自身配备装置的传感。基于不同的传感装置，将自主导航方式分为很多类，如携带惯性测量装置的惯性导航系统、配备水声换能器的声学导航、装有地形匹配或者地磁传感器的地球物理导航等导航系统。 1.水下航行器常用导航方法1.1航位推算和惯性导航系统 航位推算法主要是对航行器的速度进行时间的积分求积分来确定其所在的位置，应用比较早且范围较广。为了得到航行器的航行速度，需要确定航行器的速度和航向，因此需要流速传感器或者是航向传感器来确定航行器的速度和航向。采用流速传感器测量航行速度的过程中，海流会影响航行器的速度，且对流速的影响是流速传感器不能测到的，海流对流速的影响进而会 产生导航误差，速度较慢航行较长的情 况下，误差会很大。 惯性导航系统利用测量得到的航 行器的加速度，经过一次积分运算计算 出速度，两次积分运算得到航行器的位 置，具有自主性、无需外界信息源以及 隐蔽性的优点。可以将其分为平台式和 捷联式两种形式。空间大小、功率以及 价格的限制，普通的航行器均采用捷联 式，该方式的导航系统（SINS）容易实 现导航与控制的一体化。 但INs在水下航行器上应用存在以 下的缺点： （1）该导航系统（INS）位置信号 漂移严重，对于长时间工作的航行器， 导航信号失真严重，不足以应用于航行 器的精确定位。 （2）成本较高。 1.2声学导航 与无线电信号相比，声信号在受 水介质的影响较小，水下传播的距离比 较远，故可以利用声发射机来指引航 行器的航行方向。迄今应用于运载体 的声学导航系统包括有长基线（LBL） 导航、短基线（SBL）导航和超短基线 （USBL）导航三种形式。 1.3地球物理导航 若航行器所处位置环境的测绘图 是已知的，根据对包括深度、重力、磁 场等这些地球物理参数的测量，将所得 参数与已知的测绘图进行配对，可以确 定航行器所处的位置。该方法的科学 基础是测量的地球物理参数随环境空 间分布的变化而变化，将其与环境测绘 图配对，可到航行器所处的准确位置。 2.组合导航系统 组合导航方式是将多种导航方法 互配，不仅提高了导航可靠性及准确 度，且单一导航方式的准确度可以适度 下降，进而降低整体导航的技术难度 及整体耗资。 为了避免长距离的导航定位存在 覆盖面积小、电波受干扰大、可靠性及 精确度低等不足，多个国家投入人力物 力致力于卫星定位导航系统（具有覆盖 范围大、可靠性好、可以实时全球范围 精确定位等优点）的研究。 2.1GPS导航 GPS导航系统（Global Position system）通过导航卫星测量距离和时 间，进而对航行器进行全球定位，称为 全球定位导航系统。该系统由GPS卫星 星座，地面监控部分以及GPS信号接收 机三部分组成。前者是空间部分亦是核 心部分，后者是系统的控制部分。21颗 轨道高度为20200Km的工作卫星外加3 颗在轨备用卫星组成了GPS卫星星座。 工作卫星等间隔的分布在55°轨道倾角 为的近圆轨道上，运行的周期是11小时 58分钟，且每4个工作卫星占据一条轨 81 https://www.wendangku.net/doc/9717129893.html, /

高精度超短基线在水下定位中的应用

高精度超短基线定位系统在水下定位中的应用 张粤宁1 刘鹏2 （1.武汉长江航道救助打捞局，武汉430014；2.上海地海仪器有限公司，上海 200233） 摘要：声学定位系统（Acoustic Positioning System）的技术研究和应用开发在现代海洋科学调查和水下施工中起着重要作用。本文以某品牌超短基线定位系统为例，就超短基线（Ultra Short BaseLine）声学定位系统的原理、应用范围等几个方面展开讨论，同时介绍了高精度超短基线工程中的实际应用，对使用过程中影响定位性能的主要因素进行了简单分析。 关键词：超短基线水下定位 1概述 20世纪90年代以来，世界先进国家的海洋调查技术手段逐步成熟与完善，其中超短基线（简称USBL）水下设备大地定位技术也获得了长足的发展。高精度水下定位系统具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、水下建筑物施工、潜水员水下作业、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料，因此高精度水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。 1．1关于水下声学定位系统 20世纪50～60 年代，在国际上，随着光、声、磁等技术的不断发展，在大力开发海洋自然资源和海洋工程的进程中，水下探测技术得到了较大发展，相继开发了一系列先进的、高效能的水下探测设备：在各种水下检测的光、声、磁技术中，由于水下光波衰减很快，即使是波长最长、传播最远的红外光波在水中传播到了几米以后也衰减完了，而声波和电磁波在水中有良好的传播性，因而，声呐、磁探和超短基线成为水下检测的有效方法。 声学定位系统最初是在19世纪60年代的时候被开发出来用于支持水下调查研究。从那时起，这类系统便在为拖体，ROV等水下目标的定位中成为了重要角色。声学定位系统能够在有限的区域内提供非常高的位置可重复精度，甚至在远离海岸。对大多数用户来说，可重复性精度要比绝对精度重要。 在声学定位系统中，有3种主要的技术：长基线定位（LBL），短基线定位（SBL），和超短基线定位（SSBL/USBL），有些现代的定位系统能组合使用以上技术。 长基线（LBL）:长基线定位能在宽广的区域内提供高精度的位置，它需要至少3个应答器组成的阵列部署在海底上的已知点上，水面舰只安装一个换能器。换能器测量 出到水底应答器的斜距，从而计算出自身的坐标位置。

海洋定位导航技术及发展

海洋定位导航技术及发展 研10.5 班杨磊2010010533 山东科技大学 关键词：GPS 导航定位海洋 摘要：海洋定位导航含水上、水下2部分。本文介绍其发展，概述其传统和现代方法，探讨其未来的发展趋势。 引言：海洋定位导航关系重大，涉及到我国的海岛主权与海洋经济发展等国家大计。只有海洋导航与定位搞好了，我们的海军才可以精确的执行军事任务，震慑日本、越南与我国有海洋纠纷的国家，我们的海洋经济才能走上科学发展道路。 海洋定位与导航技术在古代就已经出现。随着指南针的发明，星象规律的发现，郑和的率领的舰队七下西洋，在波涛汹涌的大海中没有一次走失，向世界展示了我国的强大航海力量，其功劳在于海洋定位与导航的技术（牵星术）。近代历史上丧国辱权的不平等条约无一不是从海洋战场的失败开始的，八国联军入侵从海上开的火；日本人发动了甲午战争，北洋舰队的全军覆没，丧失黄海海权。中国的国际地位则一落千丈，财富大量流出，国势颓微。海洋是国家的门户，保不住就等于自家大门没有锁，海洋定位导航技术就是这把锁的钥匙之一。 1、水上 水上定位导航技术从几千年前的天文定位技术、罗盘等，到21世纪的GPS空间测量技术，精度得到了极大的提高。 我国古代，很早就将天文定位技术应用在航海中。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进”。宋、元时期，天文定位技术有很大发展，使用量天尺；到了明代，采用观测恒星高度来确定地理纬度的方法，叫做“牵星术”，所用的测量工具，叫做牵星板。根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度，即可换算出北极星高度角，它近似等于该地的地理纬度。 郑和下西洋，在航行中就是采用“往返牵星为记”来导航的。 郑和七下西洋，是世界航海史上的伟大创举。上万人的船队远航，与大海波涛、明岛暗礁及变化万千的恶劣气候搏斗，必须能准确地测定船舶的地理位置、航向和海深等。他们使用“牵星术”做到了。