CN102116867A - 一种在动态环境下探测并修复gps载波相位周跳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，包括：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两个历元的GPS接收机坐标；利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生，以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则比较周跳探测方程解算的结果δX与设定的门限，如结果δX小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

Description

一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航技术领域，例如GPS、GLONASS、BD、GALILEO系统，特别是利用载波相位进行高精度定位系统中，尤其是一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法。

背景技术

在全球导航卫星系统(GPS)接收机中，可以得到伪距测量和测量分辨率为毫米级的载波相位测量值。载波相位测量是对GPS精密定位最有用的观测量。GPS定位可以概括为两类，即单点定位和相对定位。单点定位利用一点采集的观测数据和星历数据确定定点的坐标，单点定位的精度受到星历误差、钟信息和伪距测量精度等限制。相对定位利用多点采集的观测数据确定未知点相对已知点的坐标。相对定位由于抵消了星历误差、大气误差、钟误差等多种误差而能够得到更好的定位精度。

相对定位又称差分定位，差分定位根据使用的数据类型和方法不同可分为位置差分、伪距差分、伪距相位综合差分和载波相位差分。由于载波相位的测量精度要比码相位的测量精度高两至三个数量级，在已知整周模糊度的情况下，利用载波相位可以获得厘米级的差分定位精度，称之为载波相位差分技术。

载波相位测量只能测量相位中不足一个整周的小数部分和锁定载波相位后连续的整周计数。在锁定载波相位时，只能测定相位小数部分，信号经过多少整周相位是未知的，称为载波相位整周模糊度。所以利用载波相位测量值进行载波相位差分定位中，最关键的部分就是正确确定载波相位整周模糊度。

相对定位可分为相对静态定位和相对动态定位，相对静态定位方法特别是载波相位整周模糊度确定方法经过几十年的发展，已近较为成熟。过去的几十年中，国内外学者针对这一问题提出了很多解算整周模糊度的方法，如模糊度函数法、FARA方法和LAMBDA方法等。各种方法的普遍目标都是实现高效和可靠的模糊度解算，特别是对于实时性要求比较高的应用，希望能在比较短的观测时间内确定出整周模糊度，得到可靠的，高精度的导航定位信息。

随着GPS应用领域的不断扩大，快速静态、动态、高动态条件下的导航、定位、姿态测定、目标跟踪等动态快速定位技术的研究成为了GPS领域中的重要方向，快速而准确地求解整周模糊度，甚至整周模糊度在航解算(On the fly ambiguity resolution)等问题成为了更大的挑战。

载波相位整周模糊度的正确求解，目前还很难在一个历元(一个数据测量时刻)内可靠正确的求解，需一段时间多个历元的观测数据才能可靠的求解。这样在动态环境下，整周模糊度的求解相比就显得更为困难，主要原因在于在动态环境下，载波相位周跳的探测与修复相比静态测量更为困难。

在进行载波相位测量时，每次观测的测量值是一周以内的小数部分，其整周部分是通过多普勒积分由计数器累加得到的。由于仪器和外界的电子干扰，载波锁相环路的短暂失锁会造成连续整周计数的错误，这一现象称为“周跳(Cycle Slip)”。当载波相位观测量是连续的(没有周跳)，各历元观测值都含有一个共同的未知数，，即历元1的整周模糊度N0，当发生周跳时，其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差Δ，该偏差就是中断期间所丢失的整周计数，即周跳后的载波相位观测值中含有未知数N0+Δ。

所谓周跳的探测就是利用观测的信息来发现周跳。在探测出周跳后，利用观测信息来估计丢失的周数Δ，从而修正周跳后的载波相位观测值，称为周跳的修复。在探测出周跳之后，也可将N0+Δ视为周跳后的整周模糊度而利用平差的原理求解出这个未知参数，这是一个整周模糊度的求解问题。

静态定位中，由于接收机静止不动，周跳的探测与修复问题已得到了很好的解决，在动态环境下，由于动态接收机在不断地运动中，周跳的探测与修复比静态定位要困难得多。

目前对周跳的探测和修复主要有两种方式，一种方式只利用观测信息即可探测修复周跳，如多项式拟合法、伪距和载波相位组合法、电离层残差法等等；另一种方式则不断利用了观测信息，还利用了位置的推估量，如kalman滤波方法等等。

多项式拟合法、伪距和载波相位组合法不能完全修复周跳，特别是小周跳，无法探测与修复；电离层残差法需要双频观测数据，而且对一些周跳组合不敏感；kalman滤波方法存在发散问题，特别是在运动载体机动大且机动频繁的情况下，kalman滤波方法很容易发散，而不能完全修复周跳。

所以，在动态环境下，如何有效、准确、快速的探测和修复载波相位周跳是精密定位的一个非常重要的研究方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，该方法包括：

步骤1：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两个历元的GPS接收机坐标；

步骤2：利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；

步骤3：比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生，执行步骤4；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则执行步骤5；

步骤4：以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；

步骤5：比较周跳探测方程解算的结果δX与设定的门限，如结果δX小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

上述方案中，步骤2中所述载波相位周跳探测方程，是在近似静态环境下的三差方程，在动态环境下，进行了近似处理，利用kalman滤波结果或CA码单点定位结果作为其线性化初始值。

上述方案中，步骤2中所述解算载波相位周跳探测方程，采用最小二乘法或者kalman滤波方法。

上述方案中，步骤2中所述两个历元之间的间隔是固定或不固定的，二者的位置差通过单点定位结果或kalman滤波结果进行比较。

上述方案中，步骤2中所述两个历元之间的间隔在动态环境下需要门限控制，门限可设置为两个历元的位置相差小于1000m，即|X(t+n)-X(t)|＜1000。

上述方案中，步骤3中所述设定门限值是1/3波长。

上述方案中，步骤3中所述比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则可能无周跳发生，也可能多种原因导致无法检测周跳。

上述方案中，步骤4中所述进行周跳的修复包括：通过方程残差挑选出一组残差最小的卫星作为基础卫星，对这组基础卫星重新组建周跳探测方程，解算该方程，计算残差RMS值，并检测计算结果，如果计算结果正确，则将该结果代入由全部卫星组建的周跳探测方程中，计算各个卫星的周跳数值。

上述方案中，步骤5中所述设定的门限为5m。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于利用了短时间内卫星几何图形因子变化很小的原理，所以可以利用前后历元的数据组成近似的周跳探测方程，计算简单，计算量小。

2、利用本发明，由于采用了一种的新的卫星组合选择方法，将残差排序，而后直接对残差进行统计，找出残差的RMS值最小的一组卫星组合，所以比一般的遍历方法的计算量要小得多。

附图说明

图1是GPS卫星载波相位观测量示意图；

图2是GPS卫星相对定位原理结构框图；

图3是GPS卫星载波相位周跳检测流程图；

图4是GPS卫星载波相位周跳修复流程图；

图5是GPS卫星载波相位周跳修复基础卫星选择示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

GPS高精度定位系统中有两个至关重要，而且也是研究的热点部分，一个为载波相位模糊度的固定；而另一个为载波相位周跳的探测与修复，特别是在动态定位环境下，周跳的探测与修复显得尤为重要。为方便起见，本发明中“周跳”均指“GPS载波相位周跳”。

图1描述了GPS卫星载波相位观测量示意图。理论上载波相位观测量是指GPS信号在用户接收瞬间时相对卫星发射瞬间时，载波在星站路径上所传播的相位值。实际上，对应于某一瞬时的载波相位值是无法直接测量的。因此，这里所说的载波相位观测量，实际是指在某一时刻(历元)由接收机产生的参考载波信号的相位与此时接收到得卫星载波信号的相位差，即多普勒积分量。

接收机T_i在站钟历元t_i时刻接收到的卫星载波信号，是卫星时钟于t^j时刻发射的信号。测得的相位值应为这两个信号的相位差，即

式中：

为卫星S^j于历元t^j时刻发射的载波信号相位；为接收机T_i于历元t_i时刻参考载波信号的相位；Ф_i ^j(t_i)为上述两信号相位差，单位为周数(每2π弧度为一周)。

可将(2.1)式两端看成为整周数N_i ^j(t_i)与不足一周的小数部分之和，既有：

在进行载波相位测量时，接收机实际上能测定的只是不足一整周的部分

因为载波只是一种单纯的余弦波，不带有任何的识别标志，所以无法确定正在量测的是第几个整周的小数部分，于是在载波相位测量中便出现了一个整周未知数N_i ^j(t_i)，也称整周模糊度。

当跟踪到卫星信号后，在初始观测历元t_i＝t₀，(1.2)式可写成：

卫星信号于历元t₀被跟踪锁定后，载波相位变化的整周致便被接收机自动计数；所以，对其后的任一历元t的总相位差，可以由下式表示：

式中：N_i ^j(t₀)称之为初始历元的整周未知数102，它在信号被锁定后就确定不变，成为一个未知常数。

N_i ^j(t-t₀)表示从起始历元t₀至后续观测历元t之间载波相位的整周数103，可由接收机自动连续计数来确定，为一个已知量。

为后续观测历元t时刻不足一周的小数部分相位104。

在GPS接收机中，由于接收机内的钟与GPS卫星存在差异，所以载波相位观测方程中还有两者之间的差值，即钟差τ_i(t)；而且载波信号在通过大气层时会发生折射效应等，导致传播路径不是一条直线，所以载波相位观测方程中存在大气折射误差ζ_i ^j(t)。因此载波相位观测方程如下所示：

${\mathrm{\Φ}}_i^j\left(t\right)=R_i^j\left(t\right)+{\mathrm{\τ}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\ζ}}_i^j\left(t\right)---\left(1.5\right)$

其中：R_i ^j(t)表示GPS卫星与GPS观测站T_i之间的几何距离。

图2描述的是GPS卫星相对定位原理结构框图。采用两台GPS接收机202和203同步跟踪同一组GPS卫星201的发射信号，将获取的同步观测数据通过数据链路104传输给数据处理系统205中，经过数据处理，解算出载波相位模糊度，从而确定GPS接收机201和202之间精确的相对位置，称之为相对定位。

在精确确定相对位置后，可以通过确定其中一个GPS接收机202的准确位置，从而精确推算另一运动GPS接收机203的准确位置。一般相对定位中，一个GPS接收机202保持固定不动，称之为基准站。

在图2中，GPS接收机可以是一套独立的装置或者它可以与其它设备装置相结合。GPS接收机202通常包括GPS天线和GPS信号处理器，GPS天线用来接收GPS卫星201播发的无线电信号，然后经过转换进入到GPS信号处理器中，GPS信号处理器经过AD变换、基带处理、测量信息提取和定位解算，而后通过IO接口将测量信息和定位结果送入用户端，这里的定位结果可以基于SPS的单点定位结果，也可以是经过差分处理后的精密定位结果。

在图2中，GPS接收机202和203通过数据传输链路204将观测信息传送给信息处理单元205中进行精密定位解算。其中数据传输链路204即可以是无线链路如数传电台，也可以是RS232等等，传输给信息处理单元205的信息包括伪距观测量、载波相位观测量和卫星星历参数等等。

在图2中，信息处理单元205主要采用载波相位观测量进行精密相对定位，在确定基准站202的精确位置后，可以精确的推出移动站203的精确三位坐标。

在本发明中，相对定位采用的是站间、星间双差观测量表示GPS接收机观测站T₁和T₂对于卫星S^j和卫星S^k站、星双差观测量，即先对观测站T₁和T₂的卫星S^j和卫星S^k载波相位观测量分别进行站间单差：

然后对站间单差观测量再进行星间差分：

因为双差能够消除钟差、大气折射等影响，则载波相位双差观测方程为：

其中： $\▿\mathrm{\Δ}{N}_{12}^{\mathrm{jk}}\left(t_0\right)=[N_1^j\left(t_0\right)-N_2^j\left(t_0\right)]-[N_1^k\left(t_0\right)-N_2^k\left(t_0\right)],$ 表示双差整周模糊度，在本发明中，简称整周模糊度。

基于图1和图2描述的实现原理，本发明提供的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，包括以下步骤：

步骤1：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两个历元的GPS接收机坐标；

步骤2：利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；

步骤3：比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生，执行步骤4；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则执行步骤5；

步骤4：以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；

步骤5：比较周跳探测方程解算的结果δX与设定的门限，如结果δX小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

其中，步骤2中所述载波相位周跳探测方程，是在近似静态环境下的三差方程，在动态环境下，进行了近似处理，利用kalman滤波结果或CA码单点定位结果作为其线性化初始值。所述解算载波相位周跳探测方程，采用最小二乘法或者kalman滤波方法。所述两个历元之间的间隔是固定或不固定的，二者的位置差通过单点定位结果或kalman滤波结果进行比较。所述两个历元之间的间隔在动态环境下需要门限控制，门限可设置为两个历元的位置相差小于1000m，即|X(t+n)-X(t)|＜1000。

步骤3中所述设定门限值是1/3波长。所述比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则可能无周跳发生，也可能多种原因导致无法检测周跳。

步骤4中所述进行周跳的修复包括：通过方程残差挑选出一组残差最小的卫星作为基础卫星，对这组基础卫星重新组建周跳探测方程，解算该方程，计算残差RMS值，并检测计算结果，如果计算结果正确，则将该结果代入由全部卫星组建的周跳探测方程中，计算各个卫星的周跳数值。

图3描述的是GPS卫星载波相位周跳检测流程图。本发明中，周跳的探测需要两个历元t和t+n的卫星观测量，满足在探测载波相位周跳之前，需要利用伪距观测量302进行差分kalman滤波解算303，从而得到两个历元t和t+n的较为准确的GPS接收机坐标X(t)和X(t+n)；其中n由GPS接收机速度确定，X(t)和X(t+n)满足

|X(t+n)-X(t)|＜1000          (3.1)

利用两个历元t和t+n的载波相位301，组建载波相位周跳探测方程304时，必须首先对历元t和t+n的载波相位观测方程分别进行线性化，线性化的初始值选用历元t和t+n对应的kalman滤波结果X(t)和X(t+n)，由式(2.4)可得线性化后的观测方程为：

在短时间内，即满足(3.1)式的情况下，

和

近似相等，令为[l₂ ^jk m₂ ^jk n₂ ^jk]，令 $\▿\mathrm{\Δ}{R}_{12}^{\mathrm{jk}}\left(t\right)=[R_1^j\left(t\right)-R_{20}^j\left(t\right)]-[R_1^k\left(t\right)-R_{20}^k\left(t\right)],$ 因此式(3.3)与式(3.2)相减，可得：

式(3.4)是一近似方程，必须满足式(3.1)条件，才能够成立。从式(3.4)可以看出方程中不存在载波相位整周模糊度，因此选择式(3.4)作为载波相位周跳检测方程304。

GPS接收机观测卫星数至少在5颗以上，因为只用观测卫星数在5颗以上时，才能形成4个如式(3.4)的方程组

V＝BδX-L       (3.5)

而未知数的个数为3个，具备冗余方程，这样对该方程组进行最小二乘解算，才能计算出残差RMS值σ_v和估计量δX的值305，比较残差σ_v与设定门限值

λ为GPS载波波长，L1波长约为19cm，在本发明的另一实施例中，门限可自适应设定，根据|X(t+n)-X(t)|的大小来自动设定门限；

当 ${\mathrm{\σ}}_v>\frac{1}{3}\mathrm{\λ}$ 时，方程中存在有周跳的卫星，则进入周跳修复流程中307，如图4；当 ${\mathrm{\σ}}_v\≤\frac{1}{3}\mathrm{\λ}$ 时，有两种可能，一种可能是没有周跳发生，另一种是未知原因导致无法检测是否发生周跳，如全部都发生了周跳或参考卫星发生了周跳等等；因此本发明的一个实施例中，判断δX的值308，在 ${\mathrm{\σ}}_v\≤\frac{1}{3}\mathrm{\λ}$ 的情况下，如果|δX|≤5，则没有周跳发生309；如果|δX|＞5，则不能检测是否有周跳发生，退出周跳检测程序310；本发明中时(3.5)可以采用迭代计算，此时，δX的历次迭代过程中累加值。

图4描述的是GPS卫星载波相位周跳修复流程图。如图3所述401，当检测到有周跳发生后，则进入到周跳修复流程。本发明中，周跳的修复过程为：首先找出一组没有周跳的卫星组合402；在一般常规方法中，对所有卫星进行组合，每6个卫星一组，组成含5个方程的方程组，进行解算，一旦确定该组合正确，则停止选择。此类方法计算量太大，如9颗卫星8个方程，最多有 $C_8^5=56$ 种选择；在本发明的一个实施例中，直接对图3中305残差进行处理，如图5说明。

在重新建立方程组，对该方程组进行最小二乘解算403，得到结果δX′、残差向量V′的RMS值σ_v′404；为了确定该组合是否可用，本发明中，对δX′和σ_v′作类似于图3的判断，当 ${{\mathrm{\σ}}_v}^{\′}>\frac{1}{3}\mathrm{\λ}$ 时，该卫星组合不正确，不能修复周跳；当 ${{\mathrm{\σ}}_v}^{\′}\≤\frac{1}{3}\mathrm{\λ}$ 时，判断δX′的值，如果|δX′|＞5，则该卫星组合不正确，不能修复周跳；如果|δX′|≤5，则该卫星组合正确，进入周跳修复流程；

在本发明中，将δX′代入图3所述的方程组(3.5)中，计算出残差向量V，将残差向量V中的各向量元素v_i除于波长λ，取为整数，即为对应的周跳值。

图5描述的是GPS卫星载波相位周跳修复基础卫星选择示意图。在本发明中，周跳修复过程，首先需要找出一组不含周跳的卫星组合，即基础卫星组合。如图3所述，常规方法计算量太多，不适合应用。本发明中采用方法为：将方程组(3.5)中计算的每个方程的残差(即向量V中的各元素v _i)进行排序，对排序后残差，应用窗口法，从前向后，每5个一组，计算其RMS值(δυ0 δυ1。。。。。。δυn)，如有8个方程，则会生成4个RMS值(而常规方法最多有 $C_8^5=56$ 种)，然后对这些RMS值进行比较，选择RMS最小的那组卫星即为基础卫星组合，将该组合重新组建方程组如式(3.5)，计算结果。

本发明提供的这种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，利用卫星观测信息和短时间内卫星星图变化不大，来进行载波相位周跳的检测；一旦检测到有周跳发生时，通过方程残差挑选出一组残差最小的卫星作为基础卫星；对这组卫星重新组建方程，进行计算，并检测计算结果，如果计算结果正确，则将该结果代入由全部卫星组建的方程中，计算各个卫星的周跳数值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在动态环境下，利用双差码伪距观测量进行差分kalman滤波解算，得到两个历元的GPS接收机坐标；

步骤2：利用两个历元的GPS接收机坐标和两个历元的双差载波相位观测量组建载波相位周跳探测方程，并解算该方程，计算残差RMS值；

步骤3：比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生，执行步骤4；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则执行步骤5；

步骤4：以五颗卫星为一组合，选择残差最小的卫星组合作为无周跳组合进行周跳的修复，并结束；

步骤5：比较周跳探测方程解算的结果δX与设定的门限，如结果δX小于设定的门限，则无周跳发生，退出周跳检测流程；如果大于设定的门限，则无法探测周跳，退出周跳检测流程。

2.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤2中所述载波相位周跳探测方程，是在近似静态环境下的三差方程，在动态环境下，进行了近似处理，利用kalman滤波结果或CA码单点定位结果作为其线性化初始值。

3.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤2中所述解算载波相位周跳探测方程，采用最小二乘法或者kalman滤波方法。

4.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤2中所述两个历元之间的间隔是固定或不固定的，二者的位置差通过单点定位结果或kalman滤波结果进行比较。

5.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤2中所述两个历元之间的间隔在动态环境下需要门限控制，门限可设置为两个历元的位置相差小于1000m，即|X(t+n)-X(t)|＜1000。

6.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤3中所述设定门限值是1/3波长。

7.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤3中所述比较残差RMS值与设定门限值，如果残差RMS值大于设定门限值，则有周跳发生；如果残差RMS值小于或等于设定门限值，则可能无周跳发生，也可能多种原因导致无法检测周跳。

8.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤4中所述进行周跳的修复包括：通过方程残差挑选出一组残差最小的卫星作为基础卫星，对这组基础卫星重新组建周跳探测方程，解算该方程，计算残差RMS值，并检测计算结果，如果计算结果正确，则将该结果代入由全部卫星组建的周跳探测方程中，计算各个卫星的周跳数值。

9.根据权利要求1所述的在动态环境下探测并修复GPS载波相位周跳的方法，其特征在于，步骤5中所述设定的门限为5m。

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