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GPS工程测量及数据处理研究文献综述整理
本科毕业论文文献综述
题目：
GPS在工程测量中的应用及数据处理
姓名：
赵建平
学号
2009303200901
专业：
地理信息系统
指导教师：
苗洁
职称
讲师
中国·武汉
二○一三年一月
分类号密级
华中农业大学本科毕业论文
文献综述
GPS在工程测量中的应用及数据处理
GPSinEngineeringMeasurement
andDataProcessing
学生姓名：
赵建平
学生学号：
2009303200901
学生专业：
地理信息系统
指导教师：
苗洁讲师
华中农业大学资源与环境学院
二○一三年一月
Ⅰ目录
GPS工程测量及数据处理研究
Ⅱ摘要：
GPS测量技术具有测量时间短、技术含量高、精确度高等优点，在工程测量实践中发挥着越来越重要的作用.本文主要通过介绍GPS的系统组成、工作原理、技术特点等基本情况，系统总结了GPS技术在工程测量中的应用情况，及其在工程测量后的数据处理方法.
Ⅲ关键词：
全球定位系统；GPS测量技术；工程测量；应用。
静态测量；动态测量；数据处理
1.GPS和工程测量等相关概念
1．1GPS相关概念
1.1.1GPS概念
GPS是英文NavigationSatelliteTimingAndRanging／GlobalPositioningSystem卫星测时测距导航／全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”.GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统.其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成.经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座己布设完成.
1.1.2GPS技术
GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，也引起了广大测量工作者的极大兴趣.当时GPS定位基本上只有一个作业模式——静态相对定位，两台或若干台GPS接收机安置在待定点上，连续同步观测同一组卫星1-2h或更长一些时间，通过观测数据的后处理，给出各待定点间的基线向量，在采用广播星历的条件下，静态定位可取得5mm＋1×10－6D（双频）或10mm＋2×10－6D（单频）基线解精度.随着技术的发展，快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路，大大提高了GPS测量的劳动生产率.一对GPS测量系统（双频）在10km以内的短边上，正常接收4-5颗卫星5min左右，即可获取5-10mm＋1×10－6D的基线精度，与1-2h甚至更长时间静态定位的结果不相上下.各个GPS测量厂商看好这个大趋势，纷纷推出各自的GPS测量新产品.有的把这种新型产品称之为GPS全站仪，有的称之为RTK（实时动态测量），有的称之为RTKGPS.总之，GPS测量理论与设备的不断发展，使得GPS测量技术日趋成熟，GPS测量功能更加完善，GPS测量应用面更广，并且GPS测量设备价格变得低廉，操作更加简便，使GPS测量更加实用化和自动化.20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法.长期以来用测角、测距、测水准为主体的常规地面定位技术，正在逐步被以一次性确定三维坐标的、高速度、高效率、高精度的GPS技术所代替；定位方法已从静态扩展到动态；定位服务领域已从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域.
1.1.3GPS卫星测量原理
GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定所在位置的坐标的，粗略的来讲，GPS卫星信号包括测距码信号（P码和C／A码信号）、导航电文（D码，即数据码信号）和载波信号.
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统.就是在需要定位的位置p点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了3颗（a、b、c）以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离Sap、Sbp、Scp，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）.从而用距离交会的方法求得p点的三维坐标（Xp，Yp，Zp），其数学式为：
Sap2＝［（Xp－Xa）2＋（Yp－Ya）2＋（Zp＋Za）2］
Sbp2＝［（Xp－Xb）2＋（Yp－Yb）2＋（Zp＋Zb）2］
Scp2＝［（Xp－Xc）2＋（Yp－Yc）2＋（Zp＋Zc）2］
（1）
式
（1）中（Xa，Ya，Za），（Xb，Yb，Zb），（Xc，Yc，Zc）分别为卫星a，b，c在t时刻的空间直角坐标.在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，在公路工程控制测量中常用地固坐标系统.（如：
WGS－84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标.这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用.
1.1.4GPS测量的技术特点
相对于常规的测量方法，GPS测量拥有诸多优势特点.
（1）测站之间无需通视：
这一特点使得选点更加灵活方便，但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰.
（2）定位精度高：
一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×D，而红外仪标称精度为5mm+5×D，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出.
（3）观测时间短：
采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短.
（4）提供三维坐标：
GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程.
（5）操作简便：
GPS测量的自动化程度较高.目前，GPS接收机已趋小型化和操作傻瓜化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标.
（6）全天候作业：
GPS观测可在任何地点、时间连续地进行，一般不受天气状况的影响.在中国GPS定位技术的应用已深入各个领域，国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术.在石油勘探、高速公路、通信线路、地铁、隧道贯通、建筑变形等也已广泛的使用GPS技术.
GPS技术不是万能的,系统本身的特点决定了其在工程测量应用的局限性.应用的场合不同，局限性的表现形式也不同.
（1）一些带有隐蔽性和遮挡性地区无法使用GPS技术
在进行地下工程、隧道控制测量中，地面首级网可以采用GPS技术，然而在地下施工控制方案中却无法采用，因为地下没有GPS信号.在大森林中布设控制网，如果道路较窄而道两旁的树木茂盛，GPS信号就会被树木遮挡而呈现断断续续，很难解算出符合精度要求的基线向量.建立工业区十字控制网，采用GPS技术远没有应用全站仪方便.
（2）碎部测量与放样不适合使用GPS技术
目前，大面积地形测量多采用摄影测量方案.小区域1：
500地形图、补图采用解读法测图，这些测图区域，多数为城建区，不是建筑物高大、就是民房密集.高大的建筑物会遮挡GPS信号，使得观测值产生周跳，破坏了整周计数的连续性，需要重新确定初始周未知数.这样,不但影响观测工作的效率，也影响了工作人员的情绪.如果这种现象频繁出现，将造成记录的支离破碎,影响成图精度，甚至会发生错误.
（3）应用GPS定位技术不能直接得到地面点的正常高
应用GPS定位技术不能直接得到地面点的正常高，而只能得到大地高.采用GPS定位技术确定地面点的正常高，必须要知道地面点的高程异常，这就限制了GPS技术在高程测量方面的作为.对于一个区域而言，GPS高程的常用方案是，用水准测量的方法联测部分GPS点，建立高程异常模型.当知道任一点大地高时，由地面高程模型即可推算出该点的正常高.
（4）GPS定位技术不适用于变形监测
对于常规工程的变形监测，水准测量容易达到毫M级精度，而且工作组织简单、操作方便.特别是数字水准仪的使用,更减轻了记录的工作量，使得水准测量工作速度快、精度高.应用GPS技术，如果不采用特殊的观测和数据处理方法,高程精度不像水准测量那样容易达到监测精度要求，而且组织复杂.
1.2工程测量介绍
工程测量的主要工作为小区域大比例尺地形图测绘，施工测量，变形监测等.其特点是工作场所多变、环境复杂、干扰因素多.随着社会的发展和科学技术的进步，工程测量的对象进一步向宏观和微观发展，精度要求也愈来愈高，所使用的仪器也趋于电子化、数字化、自动化.
工程测量通常使用的仪器有：
经纬仪，水准仪，测距仪，全站仪，数字水准仪，GPS接收机.目前，经纬仪正在被逐步淘汰，单一功能的测距仪愈来愈少；常规水准仪商品价格低、精度可靠，因而常规水准仪将在一个较长的时间内采用；全站仪的自动化、数字化程度高，可以同时完成经纬仪、测距仪的工作，也可以完成水准仪的部分工作，但是，全站仪仍然摆脱不了对于工程控制的依赖，在未来的“数字城市”环境下，难于直接融入社会的技术环境.应用GPS卫星定位技术进行定位和导航，具有自动化程度高、定位精度高以及全天候观测等优点，因而已广泛应用于大地测量、海陆空导航、气象预报、自动控制等国民经济的各个方面.对于测绘行业而言，GPS定位技术已普遍应用于：
大地测量、地壳板块运动监测、建立各种工程控制网、监测网和进行各种工程测量等.特别是在“数字城市”的环境下，城市具有区域差分网，在差分基站的支持下，单台GPS接收机可以方便地进行碎部测量和放样，因而鼓舞了GPS应用领域的扩展.
GPS的广泛应用，出现了各种测绘工作都试图采用这一技术的趋势，很少有人关注GPS技术的局限性.显然，GPS对于测绘工作不是万能的，具有一定的局限性.只有正确地认识这一点，客观地对待这一技术，才能有效发挥这一技术的优势，避免GPS技术应用的盲目性.
测绘的大量工作是工程测量，将GPS应用于工程测量不像人们想象得那样简单，最明显的例子是：
它对于隧道、矿山等地下工程测量是无能为力的.工程测量的外业工作，大部分是碎部测量和施工放样.保证外业工作效率高的关键是，使用仪器设备少，依赖的基础控制少，工作连续.
2GPS在现代工程测量中的具体应用分析
2.1实时动态（RTK）定位技术简介
实时动态（RTK,RealTimeKinematics）定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破，在公路工程中有广阔的应用前景.众所周知,无论静态定位，还是准动态定位等定位模式，由于数据处理滞后,所以无法实时解算出定位结果，而且也无法对观测数据进行检核，这就难以保证观测数据的质量，在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果.解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性，这样一来就降低了GPS测量的工作效率.实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度.这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率.
实时动态（RTK）定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS（地理信息系统）前端数据采集.
RTK技术主要具有以下优点:
1）实时动态显示经可靠性检验的厘M级精度的测量成果（包括高程）；
2）彻底摆脱了由于粗差造成的返工,提高了GPS作业效率；
3）作业效率高,每个放样点只需要停留2-4s,其精度和效率是常规测量所无法比拟的；
4）应用范围广,可以涵盖公路测量（包括平、纵、横）,施工放样,监理,竣工测量,养护测量,GIS前端数据采集诸多方面；
5）如辅助相应的软件,RTK可与全站仪联合作业,充分发挥RTK与全站仪各自的优势.
2.2静态GPS在工程测量中的应用
所谓静态相对定位，指的是需要两台或以上的接收机，同时对卫星信号进行接收，然后处理相关数据，精确计算控制点三位坐标，并根据其中某点的坐标位置，精确求出另外一点的坐标位置，静态相对定位具有很强的精度，在我国野外工程测量中，用的最为频繁.诸如位移监测、地球定位测量、大型工程野外涵洞隧道精确定位.
在我国公路的工程测量中，特别是高速公路，其线路的勘测定位有着十分高的精度.高速公路通畅延绵千里，已知的控制点少之又少，野外需要确定的控制点多不胜数，若是用常规工程测量手段，给工程带来十分繁琐的同时，还满足不了工程的精度要求.GPS测量技术刚好能弥补这一缺陷.随着我国GPS在公路工程的应用，国内已经利用GPS技术布控首级高精度的控制网，比如在杭金衡、沪杭、沪宁、石太等高速公路中都采用了GPS测量技术.在野外，用GPS技术定位公路的控制点，几十公里出现的误差在2cm范围内，这是常规测量手段无法比拟的.在一般的工程测量中，控制网的布置、检测以及桩位的放样都是测量在主要任务，在传统的测量工程，一般采用的是将控制网设置成线形网或者是环状网，经常利用经纬仪以及测距仪，更有甚者单面利用全站仪进行数据的测量工作，其实这样的配合测量工作所需要的时间相当长，花费的财力也十分巨大，因此，GPS静态定位呼之欲出.前面分析的GPS定位法，其进行的静态定位，几乎不受到天气环境等相关因素的困扰，使用十分方便，在监测的同时，精确度相当高，大力缩短了测量时间，提高了测量效率.
GPS工程测量技术除了在公路测量中应用之外，在我国大型桥梁以及隧道工程测量中也不可或缺，GPS技术不需要全线通视，能形成画面清晰的图像，这点在无检核的支点的量测应用十分重要和方便.江阴长江大桥，在其常规精密边角网进行检测时便应用了此技术.实现运用普通测量方式，建立精度达到要求的边角网，在此基础上，使用GPS检测边角网，因为GPS有着毫M计精度的优势，在测量边角网时，能符合其精度.
在我国工程测量领域，航测是最需要技术以及最严精度要求的，GPS技术完全能满足相关技术要求，因而在航测领域也有GPS的一席之地.尤其在铁路建设过程中，航测技术十分重要.当前的航测成图过程中，几乎任何一对图像都必须拥有满足技术要求数量的共同控制点，只有如此，图片之间才能产生自动纠正，我们所知道的传统测量方法，必须占据很多平面以及高程二维坐标，在占据坐标位置的同时，必然浪费大量时间，由于人为因素，往往使测量精度远远不能达到技术要求.比如在深圳地铁工程中，其工程测量就采用了GPS航测技术，所成的图像沿一字排开，便于人工处理.
2.3动态GPS在工程测量中的应用
GPS动态测量就是用GPS信号实时地测得运动目标相对于某一参考系的位置、时间、姿态、速度和加速度等状态参数.利用安设在运动载体上的GPS接收机实时测得GPS信号接收机天线所在的位置，称为GPS实时动态定位.相对静态GPS相对定位而言，动态GPS相对定位指的是固定一台接收机，以此当基准站，同时，另外的接收机在不断处于运动状态，以此当流动站.动态GPS相对定位技术，利用比较两站之间相互信号的差别，通过计算，得出各个流动站在任意时刻的位移以及位置坐标.GPS动态测量的差分数据一般有两种处理方式，一种是即时处理，一种是滞后处理.所谓即时处理，指的是及时将基准站的测量信息传输到流动站，进行对比加工，其重要的步骤是及时形成数据链，用于实时传送信息数据；所谓滞后处理，就是不需要及时将基准站的测量信息传输到流动站，只在后期进行处理相关数据.
动态GPS相对定位一般用于道路勘测，这种技术在我国的应用还在初级阶段，还并不成熟，相反，动态GPS相对定位技术在国外已经取得相当大的成果.在加拿大，一所大学里有一种全新的动态定位系统，整个系统由一台捷联式惯性系该、两台GPS接收机和一台微机组成，其主要作用是为道路勘测作出直线以及曲线的定位，在养路方面有着十分重要的作用.
3.工程测量及数据处理
3.1工程控制网数据处理方法
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础，其网型和精度要求与工程工程的性质、规模密切相关.常规的方法多采用边角网.GPS具有信号全球地面连续覆盖、观测站之间不需要通视、操作简便、定位精度高等特点，因此，GPS测量工程控制网已经得到广泛利用.对于电厂工程控制测量，不仅要满足测绘大比例尺地形图的需要，同时也要满足电厂设计、施工建设和放样工作的要求.那么，在GPS数据处理过程中，如何减少投影变形以满足日后施工放样和工程维护的需要成为当前工作中的一个重要问题，也被众多学者和工程技术人员所关注，为了减小这种投影变形，经常采用换带法和重新选择中央子午线的方法，这两种方法都有各自的优点，但是这种处理方法得到的成果不能满足电厂设计时各个专业之间的资料衔接,在工程中操作起来也不方便，为此，介绍一种在普通工程测量中处理投影变形的可行方法.
高程对基线长度归算公式及其高斯投影距离改化公式如下：
S0=D（1-Hm/R+Hm/R2）
（1）
S=S0（1+ym2/2R2+△y2/24R2）
（2）
式中ym—基线投影到椭球面上的长度；
Hm—地面实测基线边长；
R—两端点至投影椭球面的平均高度；
D—椭球曲率半径；
S0—基线两端点横坐标的平均值；
S—基线归算到高斯平面的投影长度.
从公式可以看出投影变形与测区所在的位置和测区的海拔高度有直接关系.其具体数据处理方法为：
首先根据测区情况布置好控制网，校核已知控制点的可靠性，然后把已知点和控制网进行联测，利用GPS厂家的随机软件解算出整个控制网的基线，再利用这个可靠的已知点把整个控制网进行约束平差，就得到一套和已知点系统一致的坐标值.这个坐标往往不能满足工程控制网的要求，为此必须减小投影变形的影响，需要把在高斯投影面上的观测值投影到测区平均高程面上.根据已知控制点和所求的控制网中的控制点坐标很容易求出高斯面上已知点到各个控制点的距离（S）和这条基线的方位角（α），可以根据各个点的横坐标值利用公式
（2）便可求出基线在椭球面上的距离（S0），根据
（1）式可以求出基线在测区高程面的长度（D）；最后根据已知点的坐标和距离（D）以及这条基线的方位角（α）便可以求出各个控制点的最终坐标，经过多个工程的实验表明,这种做法能够满足工程测量的要求.
3.2GPS基线处理与质量控制
目前，GPS定位技术已经广泛应用在大地测量工程测量地壳形变等领域.一般说来，GPS的野外测量是比较简单的，而测量方案的制定和测量数据的处理则较为复杂.通常，测量方案需要结合任务的具体情况来制定，而数据的处理则主要根据经验，尤其对超限的测量成果更是如此.一般说来,GPS测量的数据处理可按下面3个步骤进行：
（l）GPS基线边的解算；
（2）成果的各种检核计算；（3）GPS网的平差计算和成果的分析.
3.2.1GPS基线边的解算
在GPS测量数据处理时，基线边的解算是数据处理的基础，基线边解算的好坏，直接关系到各种检核的是否合限和平差结果的好坏.因此，在进行GPS数据处理时，必须认真注意基线边的解算.通常，有下面几个因素影响基线边的解算结果：
电离层延迟、卫星截止高度角、单双频解算方法.
（1）电离层的修正
对观测量的利用可选择使用单频或双频修正电离层延迟，解算长边时要选择双频修正电离层延迟的模式.解算短边时，双频接收机选择L1解算更为有利.因为距离短电离层延迟无需修正，而电离层修正值是靠L1和L2数据组合修正L1观测值的，其误差较L1大，这样修正往往得不偿失.
（2）解算模式的选择
通常，高精度的基线解有两种形式，即固定解和浮点解.对于边长小于20km时，一般采用固定解方式进行解算；当边长大于20km时，宜采用浮点解；对于大于20km的边长有时也能得到固定解，此时可通过闭合环检验来确定应采用固定解还是浮点解.
（3）其他参数的选择
其他参数包括卫星的截止高度角，剔除卫星和历元间隔等.一般情况，高度角选为15°，当解算结果不好时，不妨选20°，甚至25°.剔除卫星主要依据前次解算的结果进行选择，一般可剔除模糊度小数位在0.5附近的卫星，但数据剔除率不宜大于20%，剔除卫星的历元间隔可通过前次解算的残差分布图来进行选择.
3.2.2各种检核计算
各种检核计算包括同步环、重复边和独立环的检核计算.
（1）同步环的检核计算
同步环的计算结果，通常可以反映几个方面的问题：
a.数据观测质量的好坏；
b.计算软件的好坏；
c.运行参数是否合适.
一般说来，同步环的计算结果，不应作为一种反映测量的精度指标，它只能作为一种数据解算是否合适的参考.可以通过改变运行参数、变换计算模式，如变换合适的高度角和卫星的剔除率等参数进行基线解算，以改进同步环的计算结果.另外，也不能因为一个大的同步环超限，而认为整个环观测不行.有时，多个点组成的同步环是由于其中一个点引起的，如果其他几个点组成的同步环不超限，相应的基线解结果应当充分利用.
（2）重复边的检验
重复边的检验不能只限于当天的一个同步环，应当把所有测量结果一起进行计算，以检查成果是否存在分群和超限现象，最好利用程序把所有测量的基线边的结果放在一起解算，以避免人为选边而出现疏忽现象.
（3）独立环的检核计算
独立环的检核计算，首先应当设计好独立闭合环，以确保独立闭合环检核合限后，所选独立边参加平差的平差精度满足要求.独立环的检核计算应当在同步环检核和重复边检核合限的基础上进行，只有这样才能保证独立环检核合限.
3.2.3平差计算和成果分析
（1）平差的选边计算
平差选边的基本原则应当是：
首先是在同步闭合环、重复边和独立闭合环检查合限的基础上进行选边的，另外还应当只选独立的基线边.采用Fillnet软件进行平差处理时，应注意它按基线解的中误差推荐基线是按固定解或是浮点解来进行平差，有时推荐的解并不一定合适，此时应当根据闭合环的检核情况来确定采用固定解还是浮点解，通常应选择闭合差较小的解来参加平差.
（2）平差计算
外业数据处理，最好每天都进行各种检核并进行平差，这样当出现平差结果过大时，可及时发现是因为哪一天的测量成果有问题，并及时进行处理.另外，可利用序贯平差的方法来利用以前平差的结果，以减少最后平差的工作量.
（3）成果分析
GPS网平差结束后应认真对成果进行分析.分析的主要内容有：
a.单位权中误差的大小
通常，利用Fillnet软件进行平差时，它要求平差结束后的单位权中误差σ<1.当σ>1时，应认真检查平差计算时的残差是否大于3倍中误差，对于残差大于3倍中误差的基线边应当改进或予以剔除.一般说来，当残差小于3倍中误差时，其单位权中误差σ<1.
b.基线矢量的分量精度
对于精度较差的基线矢量的分量，可以改进其基线的解算方法或者可剔除该边的某一时段的观测量.另外，也可通过改换选边的情况来改善其平差精度.
利用现有的商用软件来进行GPS数据处理，一般情况下是有现成的模式可以利用的，但对于各种检核超限成果的分析主要还是要依靠经验，只有不断地摸索总结才能有更大的收获.
4.分析与总结
综上所述，虽然GPS测量技术在公路工程测量中的应用使传统的公路工程测量技术有了突飞猛进的发展，但二者相比，常规测量方法还存在以下的缺陷：
1）规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定.由于公路测量的作业面是一狭长带状，这样，导线长度很难达到规范要求，往往会出现超规范作业.
2）搜集到的用于路线测量控制的起算点间
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