CN100588987C - 位置估算方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种位置估算方法与系统。移动台由多个卫星与多个基地台接收信号。依据来自多个卫星的信号进行TOA(抵达时间)测量；依据所述的抵达时间测量使用一展开方法来估算一第一位置；依据来自多个基地台的信号进行TDOA(抵达时间差)测量；依据所述的抵达时间差测量使用该展开方法来估算一第二位置；以及结合该第一位置与该第二位置来估算该移动装置的位置。

Description

位置估算方法与系统

技术领域

本发明是有关于位置估算方法与系统，且特别有关于一种可根据一以网络为基础(Network-Based)的方式与一以卫星为基础(Satellite-Based)的方式的信号来估算移动台的位置的方法与系统。

背景技术

近年来，无线定位技术的发展已经形成相关领域的关注与重视。目前已经提出不同类型的以位置为基础的服务(Location-Based Service，LBS)，包括紧急911(E-911)订户安全服务、位置为基础的帐单服务、导航系统、与智能运输系统(ITS)的应用等。然而，为了满足所有应用的需求，必须在不同的环境之下提供移动装置，如移动电话、智能电话与个人数字助理等，更准确的位置估算。

目前相关领域中已经提出多样的无线定位技术。这些技术可以分类为以网络为基础或是以卫星为基础的定位机制。在以网络为基础的定位技术中，代表性的算法是TDOA(抵达时间差)与AOA(抵达角度)机制。图1显示以网络为基础的架构。在TDOA的机制中，移动台(MS)110接收来自不同无线基地台121、122与123的信号，并且测量这些信号的时间差。在AOA机制中，移动台110的本籍(Home)基地台则观察来自移动台110的信号的抵达角度。另一方面，以卫星为基础的定位方法中，一般采用的技术是GPS(全球定位系统)。图2显示以卫星为基础的架构。移动台110接收来自多个卫星(131与132)的信号，并且测量这些信号的TOA(抵达时间)。

这些定位技术的效能在不同环境中将会有所变化。举例来说，在以网络为基础的系统中农村(Rural)区域里架设的基地台数量比较少，从而导致较弱的来电信号或是信号来源的不足。因此，在农村区域，以网络为基础的方法(如TDOA与AOA)将会降低移动装置的位置判断的准确度与效能。另一方面，以卫星为基础的方法(如GPS)的主要问题是当卫星信号在城市低凹(Urban Valley)区域被严重地阻挡时，将会使得其效能大幅降低。

发明内容

有鉴于此，在本发明提供一种可以在各类型环境中使用的且更佳的位置估算方法与系统。在本发明中提出用于移动装置的混合型位置估算方法与系统。

本发明实施例的位置估算方法。移动台由多个卫星接收信号，且依据来自卫星的信号进行TOA测量。接着，依据TOA测量使用一展开方法来估算移动台的一第一位置。移动台由多个基地台接收信号，且依据来自基地台的信号进行TDOA测量。接着，依据TDOA的测量使用展开方法估算移动台的一第二位置。最后，第一位置与第二位置被结合来估算移动台的位置。

本发明实施例的位置估算方法。移动台由多个卫星与多个基地台接收信号。依据这些信号估算移动台的位置。

本发明实施例的位置估算系统，包括多个卫星、多个基地台、与一移动台。移动台由卫星接收信号，依据来自卫星的信号进行TOA测量，且依据TOA测量使用一展开方法估算移动台的一第一位置。移动台更由基地台接收信号，依据来自基地台的信号进行TDOA测量，且依据TDOA测量使用展开方法估算移动台的一第二位置。最后，移动台结合第一位置与第二位置来估算其本身的位置。

本发明实施例的位置估算系统，包括多个卫星、多个基地台、与一移动台。移动台由卫星接收信号，依据来自卫星的信号进行TOA测量，且依据TOA测量使用一展开方法估算移动台的一第一位置。移动台更由基地台接收信号，依据来自基地台的信号进行TDOA测量，且将移动台的第一位置与TDOA测量至一特定基地台。特定基地台依据TDOA测量使用展开方法估算移动台的一第二位置，且结合第一位置与第二位置来估算移动台的位置。

本发明上述方法可以通过程序代码方式收录于实体媒体中。当程序代码被机器加载且执行时，机器变成用以实行本发明的装置。

附图说明

图1为一示意图是显示网络为基础的架构。

图2为一示意图是显示卫星为基础的架构。

图3为一示意图是显示依据本发明实施例的位置估算系统。

图4为一流程图是显示依据本发明实施例的位置估算方法。

图5为一示意图是显示依据本发明实施例的通过移动台协助的位置估算系统。

图6为一示意图是显示依据本发明实施例的以移动台为基础的位置估算系统。

图7为一示意图是显示移动台与本籍基地台之间的关系。

符号说明：

110、310、MS～移动台；

121、122、123、321、322、323、BS～基地台；

131、132、331、332～卫星；

401、402、...、409～步骤。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图标，详细说明如下。

图3显示依据本发明实施例的位置估算系统。系统结合来自GPS系统与移动电话网络的信号。

位置估算系统包括一移动站(MS)310，如移动电话、智能型手机、与个人数字助理(PDA)等、多个基地台(BS)(321、322、与323)、以及多个卫星(331与332)。移动站310配备一GPS接收器(未显示)。另外，每一基地台具有一个前向连结(Forward-Link)导引(Pilot)频道，其可以持续在移动电话网络中广播其导引信号来提供时序(Timing)与相位(Phase)信息给移动站310。每一基地台具有一个专用的反向连结(Reverse-Link)导引频道，通过此频道可以由移动站310提供初始获得(Initial Acquisition)、时序追踪、与电源控制测量等。每一基地台配备天线数组，以适应性对准操纵(Adaptive BeamSteering)来协助AOA测量。在移动台310上的TDOA测量是借由取得通过来自基地台的前向连结导引频道的信号来实施。此称为以移动(移动台)为基础的模式。值得注意的是，依据移动台的能力，TDOA测量也可以在基地台上实施，而称作为移动(移动台)协助的模式。另一方面，移动站310使用个别的反向连结导引频道将AOA信号传送给基地台。在个别基地台上可以使用其天线数组来进行二维适应性对准操纵，以实施AOA测量。在一些实施例中，为了避免导因于近远效应(Near-Far Effect)所造成的信号衰减，移动台310的本籍基地台可以提供AOA测量的能力，但其实本发明并不限制于此。

图4显示依据本发明实施例的位置估算方法。配备GPS的移动台由卫星接收信号，且进行TOA测量(t_k)(401)。移动台处理TOA测量且使用一展开方法来估算移动台的三维位置(如，X_G＝[x_G y_G z_G]^T)(402)。在此实施例中，可以使用两步骤最小平方(Two-Step Least Square)法，但本发明并不限定于此。熟知此领域者应可了解其它的方法，如泰勒展开(Taylor Expansion)、范围-规模算法(Range-Scale Algorithm)、可信因子算法(Believable FactorAlgorithm)、与LLOP等方法都可以用来进行估算。另外，在移动台上的TDOA测量(t_i，j)可以借由通过前向连结导引频道由其本籍基地台与邻近基地台取得信号来进行(403)。在基地台上的AOA测量(θ)可以借由通过反向连结导引频道由移动台接收信号来进行(404)。使用两步骤最小平方法，将TDOA与AOA测量合并来估算移动台的三维位置(X_C)(405)。在个别估算的位置(X_G与X_C)上执行一过滤技术，以由TOA与TDOA/AOA频道去除测量噪声与追踪位置数据(406与407)。在此实施例中采用的过滤技术是高曼(Kalman)过滤技术，但本发明并不限定于此。之后，根据其信号变化实施资料融合(Data Fusion)来混合来自TOA与TDOA/AOA测量的过滤后估算

的平均值

与(408)。之后，可以得到移动台的融合过后的位置估算

(409)。

移动台的位置估算可以是以移动台协助或是以移动台为基础的模式来进行。这两种模式的系统是依据通讯频宽的需求与移动台的计算能力来决定。本发明的位置估算可以实施于以移动台协助或是以移动台为基础的系统。

图5显示依据本发明实施例的通过移动台协助的位置估算系统。此类型的架构适合于具有不充足计算能力的移动台。配备GPS的移动台由卫星接收信号，且进行TOA测量(t_k)。移动台处理TOA测量且使用两步骤最小平方法估算移动台的三维位置(X_G)。另外，在移动台上的TDOA测量(t_i，j)可以借由通过前向连结导引频道由其本籍基地台与邻近基地台取得信号来计算。两组的信息，由GPS系统的位置估算(X_G)与由移动电话网络的TDOA测量(t_i，j)将通过反向连结导引频道传送回本籍基地台。在本籍基地台上的AOA测量(θ)可以借由通过反向连结导引频道由移动台接收信号来进行。在本籍基地台上的位置服务器(未显示)合并TDOA与AOA测量来执行位置估算。两步骤最小平方法可以用来估算移动台的三维位置(X_C)。位置服务器执行高曼过滤技术，以由TOA与TDOA/AOA频道去除测量噪声与追踪位置资料，且根据其信号变化执行资料融合来混合来自TOA与TDOA/AOA测量的过滤后估算

的平均值

之后，可以得到移动台的融合过后的位置估算

图6显示依据本发明实施例的以移动台为基础的位置估算系统。此类型的架构适合于具有充足的计算能力的移动台。在本籍基地台上取得AOA测量(θ)，且将AOA测量(θ)通过前向连结导引频道传送至移动台。移动台依据通过前向连结导引频道由其本籍基地台与邻近基地台取得的信号来计算TDOA测量(t_i，j)。移动台借由使用两步骤最小平方法来合并TDOA与AOA测量来进行位置估算(X_C)。配备GPS的移动台由卫星接收信号，且依据TOA测量(t_k)提供位置估算(X_G)。移动台执行高曼过滤技术于TOA与TDOA/AOA频道，以得到位置估算，

将位置估算，融合之后，可以得到移动台最终的位置估算

TOA、TDOA与AOA测量、使用两步骤最小平方法的位置估算、高曼过滤、与资料融合的细节将于后进行讨论。

TOA、TDOA与AOA测量

TOA、TDOA与AOA测量的数学模型将进行说明。移动台的三维坐标将于提出的混合型位置估算算法中使用。

由GPS系统的三维TOA测量t_k可以借由下列方程式得到，

$t_k=\frac{1}{c}{r}_{k,o}+n_k,k=\mathrm{1,2},...,N---\left(1\right),$

其中，c是光速，下标k表示第k个卫星的测量，下标o表示原始实际相对距离，且n_k系关于TOA测量t_k的测量噪声。在移动台与第k个卫星的相对距离(r_k，o)可以得到为

$r_{k,o}=\sqrt{{(x-x_k)}^2+{(y-y_k)}^2+{(z-z_k)}^2}---\left(2\right),$

其中，(x，y，z)表示移动台位置，且(x_k，y_k，z_k)为第k个卫星的位置。

三维移动电话基础的TODA测量t_i，j可以借由计算移动台跟第i个与第j个基地台之间的时间差来得到：

$t_{i,j}=\frac{1}{c}(r_{i,o}-r_{j,o})+n_{i,j}---\left(3\right),$

其中，i与j表示第i个与第j个基地台，且n_i，j为t_i，j的测量噪声。

在一些实施例中，本籍基地台的天线数组可以测量x与y方向，移动电话系统的AOA测量(θ)表示为

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{y-y_1}{x-x_1}\right)+n_{\mathrm{\θ}}---\left(4\right),$

其中，θ为移动台与其本籍基地台之间的水平角度，(x₁，y₁)为本籍基地台的水平坐标，且n_θ为θ的测量噪声。

使用两步骤最小平方法的位置估算

三维TOA位置估算

在一些实施例中，至少需要从四个卫星(N≥4)取得信号，以由TOA测量解决两步骤最小平方问题。(1)中的三维TOA测量可以重写为

Hx＝J    (5)，

其中

$H=\left[\begin{array}{cccc}-{2x}_1& -{2y}_1& -{2z}_1& 1\\ -{2x}_2& -{2y}_2& -{2z}_2& 1\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ -{2x}_N& {-2y}_N& -{2z}_N& 1\end{array}\right],$ x＝[x y z R]^T， $J=\left[\begin{array}{c}{L}_1^2-L_1\\ r_2^2-L_2\\ .\\ .\\ .\\ r_N^2-L_N\end{array}\right],$ R＝x²+y²+z²，

且r_k＝ct_k，其中，k＝1，2，...，N。其中r_k为移动台与第k个卫星之间的测量距离。

两步骤最小平方法的概念是在第一步中取得一中间位置估算，假设x、y、z与R并没有关联。在第二步中，释出假设，以调整此中间结果来取得一改善后的位置估算，X_G＝[x_G y_G z_G]^T。两步骤最小平方法的更多细节将于此省略。

三维TDOA/AOA位置估算

为了评估使用二维AOA测量来对于移动台进行位置判断的可行性，必须研究移动台与本籍基地台之间的几何关系。图7显示移动台与本籍基地台之间的关系。如图7所示，本籍基地台的位置被定义为参考点，且在x-y平面中起因于AOA测量噪声

的几何关是显示为：

$D_1{\sin n}_{{\mathrm{\θ}}_{2D}}=(x-x_1)\sin \mathrm{\θ}-(y-y_1)\cos \mathrm{\θ}---\left(6\right),$

其中，

r_1，o表示移动台与本籍基地台之间的相对距离。当D₁＞＞h，D₁≈r_1，o。因此，近似值为

因此，(6)改变为

$r_{1,o}{\sin n}_{{\mathrm{\θ}}_{2D}}\≈(x-x_1)\sin \mathrm{\θ}-(y-y_1)\cos \mathrm{\θ}---\left(8\right).$

由于当 (8)可以大概以线性形式重写为

$0\≈-(x-x_1)\sin \mathrm{\θ}+(y-y_1)\cos \mathrm{\θ}+r_{1,o}{n}_{{\mathrm{\θ}}_{2D}}---\left(9\right).$

使用本籍基地台的AOA测量的好处在于来降低由一个额外的基地台取得信号的需求。基于由二维天线数组取得AOA测量的限制，在移动台与本籍基地台之间的垂直角度是无法测量的。未定义的垂直角度可能导致几何关系(9)中过多的错误，尤其是当移动台接近本籍基地台的位置的时候。因此，必须考量两种情况。在一些实施例中，AOA测量还包括一距离判断装置(未显示)，其判断是否要实施长距离情况或是短距离情况。

a)本籍基地台与移动台间为长距离

在此实施例中，位置估算至少需要三个来自基地台的TDOA测量与一个来自本籍基地台的AOA测量。由(3)与(4)的三维TDOA与AOA测量可以重新再以公式(5)表示，其中

$H=-\left[\begin{array}{cccc}{x}_2-x_1& y_2-y_1& z_2-z_1& r_{\mathrm{2,1}}\\ x_3-x_1& y_3-y_1& z_3-z_1& r_{\mathrm{3,1}}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x_N-x_1& y_N-y_1& z_N-z_1& r_{N,1}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& 0\end{array}\right],$ x＝[x y z r_1，o]^T， $J=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{2,1}}^2-L_2+L_1\\ r_{\mathrm{3,1}}^2-L_3+L_1\\ .\\ .\\ .\\ r_{N,1}^2-L_N+L_1\\ {2x}_1\sin \mathrm{\θ}-{2y}_1\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],$

且r_i，1＝ct_i，1，其中i＝2，3，...，N。r_1，o′表示(2)中移动台与本籍基地台之间的相对距离。

b)本籍基地台与移动台间为短距离

由于当移动台在本籍基地台附近时利用AOA测量是不可行的，位置估算则需要一个额外的三维TDOA测量。因此，在此实施例中，至少需要四个TDOA测量来进行位置估算。由(2)的三维TDOA测量可以写为(5)，其中

$H=-\left[\begin{array}{cccc}{x}_2-x_1& y_2-y_1& z_2-z_1& r_{\mathrm{2,1}}\\ x_3-x_1& y_3-y_1& z_3-z_1& r_{\mathrm{3,1}}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x_N-x_1& y_N-y_1& z_N-z_1& r_{N,1}\end{array}\right],$ x＝[x y z r_1，o]^T，且 $J=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{2,1}}^2-L_2+L_1\\ r_{\mathrm{3,1}}^2-L_3+L_1\\ .\\ .\\ .\\ r_{N,1}^2-L_N+L_1\end{array}\right],$

高曼过滤

在此实施例中，高曼过滤技术用来对于信号进行后处理。其提供TOA与TDOA/AOA资料的范围测量、平滑化、与噪声减轻的能力。此外，高曼过滤器也可以用来对于移动台进行移动轨道追踪。测量程序与高曼过滤器的状态方程式可以写为

$X_k=C{\hat{X}}_k+e_k---\left(10\right),$

${\hat{X}}_k=A{\hat{X}}_{k-1}+w_{k-1}---\left(11\right),$

其中，X_k＝[x_k y_k z_k]^T是在时间常数k时，由或

的测量资料，

为估算状态向量，且e_k与w_k为处理与测量噪声。(10)中的矩阵C相关于状态

的测量(X_k)为

(11)中的矩阵A为状态转变矩阵M＝[I 0]。此实施例应用高曼过滤至TOA与TDOA/AOA频道，但不限定于此。

资料融合

资料融合的主要功能在于将不同类型的信息进行合并，从而加强定位的准确性。通过合并TOA与TDOA/AOA估算，得出的资料可以在不同的环境下(如，城市、郊区、与农村)提供可行的位置估算。在此实施例中，融合的程序是依据贝氏分析(Bayesian Inference)模型，其改善具有已知信号变动的估算。值得注意的是，融合的程序并不限定于贝氏分析模型。最终的位置估算与其变异可以通过下列公式得到：

${\hat{X}}_f=\frac{{\mathrm{\σ}}_G^2}{{\mathrm{\σ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_C^2}{\stackrel{\widehat{\‾}}{X}}_C+\frac{{\mathrm{\σ}}_C^2}{{\mathrm{\σ}}_G^2+{\mathrm{\σ}}_C^2}{\stackrel{\widehat{\‾}}{X}}_G---\left(12\right)$ 且

${\mathrm{\σ}}_f^2=\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_C^2}+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_G^2}}---\left(13\right),$

其中，

是由TDOA/AOA频道得到的位置估算

的平均，是由TOA频道得到的位置估算

的平均，σ_C是

的标准差，且σ_G是

的标准差。

混合型位置估算通过结合网络为基础与卫星为基础的技术的好处来判定移动台的位置。除了移动台的经纬度之外，移动台的高度也可以从而得到。位置估算的准确度可以从而改善。

本发明的方法，或特定型态或其部分，可以以程序代码的型态包含于实体媒体，如软盘、光盘片、硬盘、或是任何其它机器可读取(如计算机可读取)储存媒体，其中，当程序代码被机器，如计算机加载且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。本发明的方法与装置也可以以程序代码型态通过一些传送媒体，如电线或电缆、光纤、或是任何传输型态进行传送，其中，当程序代码被机器，如计算机接收、加载且执行时，此机器变成用以参与本发明的装置。当在一般用途处理器实作时，程序代码结合处理器提供一操作类似于应用特定逻辑电路的独特装置。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定者为准。

Claims (26)

1.一种位置估算方法，用于一移动装置，包括下列步骤：

依据来自多个卫星的信号进行抵达时间测量；

依据所述的抵达时间测量使用一展开方法来估算一第一位置；

依据来自多个基地台的信号进行抵达时间差测量；

依据所述的抵达时间差测量使用该展开方法来估算一第二位置；以及

结合该第一位置与该第二位置来估算该移动装置的位置。

2.如权利要求1所述的位置估算方法，还包括使用一过滤技术来平滑该第一位置与该第二位置。

3.如权利要求2所述的位置估算方法，其中该过滤技术为高曼过滤。

4.如权利要求1所述的位置估算方法，其中估算所述的第二位置的步骤包括：

于一特定基地台进行一抵达角度测量；以及

依据所述的抵达时间差测量与该抵达角度测量使用该展开方法来估算该第二位置。

5.如权利要求4所述的位置估算方法，其中该特定基地台为该移动装置的一本籍基地台。

6.如权利要求4所述的位置估算方法，还包括判断该移动装置与该特定基地台之间的距离是否超过一临限值。

7.如权利要求1所述的位置估算方法，其中估算所述的第一位置的步骤包括依据所述的抵达时间测量与每一所述的卫星的位置使用该展开方法来估算该第一位置。

8.如权利要求1所述的位置估算方法，其中估算所述的第二位置的步骤包括依据所述的抵达时间差测量与每一所述的基地台的位置使用该展开方法来估算该第二位置。

9.如权利要求1所述的位置估算方法，其中该展开方法为两步骤最小平方法。

10.如权利要求1所述的位置估算方法，其特征在于，利用一贝氏统计分析模型来结合该第一位置与该第二位置，以估算该移动装置的位置。

11.一种位置估算系统，包括：

多个卫星；

多个基地台；以及

一移动台，用以依据来自所述的卫星的信号进行抵达时间测量，依据所述的抵达时间测量使用一展开方法来估算一第一位置，依据来自所述的基地台的信号进行抵达时间差测量，依据所述的抵达时间差测量使用该展开方法来估算一第二位置，以及结合该第一位置与该第二位置来估算该移动台的位置。

12.如权利要求11所述的位置估算系统，其中该移动台还分别执行一过滤技术于该第一位置与该第二位置，从而平滑该第一位置与该第二位置的测量噪声。

13.如权利要求12所述的位置估算系统，其中该过滤技术为高曼过滤。

14.如权利要求11所述的位置估算系统，其中一特定基地台还接收由该移动台传送的信号，依据所述的信号进行一抵达角度测量，且传送该抵达角度测量至该移动台。

15.如权利要求14所述的位置估算系统，其中该特定基地台为该移动台的一本籍基地台。

16.如权利要求14所述的位置估算系统，其中所述的基地台中之一还判断该移动台与该特定基地台之间的距离是否超过一临限值。

17.如权利要求14所述的位置估算系统，其中该移动台依据所述的抵达时间差测量与该抵达角度测量使用该展开方法来估算该第二位置。

18.如权利要求11所述的位置估算系统，其中该移动台依据所述的抵达时间测量与每一所述的卫星的位置使用该展开方法来估算该第一位置。

19.如权利要求11所述的位置估算系统，其中该移动台依据所述的抵达时间差测量与每一所述的基地台的位置使用该展开方法来估算该第二位置。

20.如权利要求11所述的位置估算系统，其中该展开方法为两步骤最小平方法。

21.如权利要求11所述的位置估算系统，其中该第一位置与该第二位置是利用一贝氏统计分析模型来进行结合，以估算该移动台的位置。

22.一种位置估算系统，包括：

多个卫星；

多个基地台；以及

一移动台，用以依据来自所述的卫星的信号进行抵达时间测量，依据所述的抵达时间测量使用一两步骤最小平方法来估算一第一位置，依据来自所述的基地台的信号进行抵达时间差测量，且传送该第一位置与所述的抵达时间差测量至一特定基地台，

其中，该特定基地台依据所述的抵达时间差测量使用该两步骤最小平方法来估算一第二位置，以及结合该第一位置与该第二位置来估算该移动台的位置。

23.如权利要求22所述的位置估算系统，其中该特定基地台为该移动台的一本籍基地台。

24.如权利要求22所述的位置估算系统，其中该特定基地台还使用一过滤技术来平滑该第一位置与该第二位置。

25.如权利要求22所述的位置估算系统，其中该特定基地台依据由该移动台传送的信号进行一抵达角度测量，且依据所述的抵达时间差测量与该抵达角度测量使用该两步骤最小平方法来估算该第二位置。

26.如权利要求22所述的位置估算系统，其中该特定基地台利用一贝氏统计分析模型来结合该第一位置与该第二位置。

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