CN103592622A - 一种信号定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号定位系统，包括至少一个信号发射单元，用于发射无线信号；至少一个信号接收单元，用于测量所述无线信号，得到信号测量数据；至少一个处理单元，与信号接收单元连接，用于接收并处理信号测量数据；以及数据库单元，与处理单元连接，用于存储定位算法所需要的信息。本发明通过信号区域定位方法，扩大了已有定位系统的可实现应用范围，提高准确度和可行性，并且根据实际应用的需求，提供可变的定位准确度，提高操作效率。本发明消除了现有技术对三边测量或者三角测量的依赖，扩大应用范围，提高操作效率。本发明还提出了一种信号定位系统的定位方法。

Description

一种信号定位系统及其定位方法

技术领域

本发明属于定位系统技术领域，尤其涉及一种信号定位系统及其定位方法。

背景技术

全球定位系统提供在室外的全球覆盖，但由于信号屏蔽，室内应用非常受限制。其次，全球定位系统把整个定位空间为均匀坐标系，也就是说，它无法分别或优先处理重要和非重要的区域以及距离。即，当在需要区分重要区域、非重要区域的情况下，或在区域和距离无法区分或优先处理的情况下，整个范围内的定位误差是均匀的，此时，现有技术的上述缺点会对很多实际应用造成不利影响。

目前存在的本地定位系统（无论是基于无线信号还是其它技术）需要至少三个信号来源或者信号接收器才能通过三边测量或者三角测量判定目标的区域。况且，该系统把整个定位空间为均匀坐标系，也就是说，无法分别和优先处理重要和非重要的区域和距离。 如果重要和非重要的区域和距离无法分别和优先处理，整个范围内的定位误差是均匀的。同样会针对很多实际应用造成不利影响。

目前基于信号强弱的定位方法常用的三边测量或者三角测量主要依靠三个信号源，如果有一个或多个信号源不稳定，计算结果将出现较大误差，本发明采用的无线信号源越多，定位准确度越高。若某个或某些无线信号源出现大的信号误差时，本发明可以根据其他无线信号源的信号信息将不正常信息滤除，从而保证定位效果的可靠性。

发明内容

本发明克服了现有技术中的上述缺陷，提出了一种信号定位系统及其定位方法。通过本发明的室内定位方法，扩大了本发明定位系统的可实现应用范围，并且根据实际应用的需求，提供可变的定位准确度，提高准确度和可行性。本发明信号定位系统及其定位方法消除了现有技术对三边测量或者三角测量的依靠，提高操作效率。

本发明提出了一种信号定位系统，包括：

至少一个信号发射单元，用于发射信号；

至少一个信号接收单元，用于测量所述信号，得到信号测量数据；

至少一个处理单元，其与所述信号接收单元连接，用于接收并处理所述信号测量数据；

以及，数据库单元，其与所述处理单元连接，用于存储区域的定位信息。

其中，所述信号是包含标识符的、信号强度可被测量到的信号。

其中，所述数据库单元中包括信号强度指示、区域标识。

其中，所述定位信息包括区域数据与信号数据。所述定位信息是指在不同区域中测得的所述信号发射单元发射的信号的强度。

其中，所述信号包括无线电信号（包括WIFI信号、RFID信号、NFC信号、蓝牙信号）、超声波、光线信号。

其中，所述信号发射单元包括无线电发射机、WiFi AP、WiFi路由器、有源RFID信号发射器、蓝牙信号发射器、光源。

其中，进一步包括显示单元，其与所述处理单元通讯，用于显示所述定位信息。

本发明还提出了一种信号定位系统的定位方法，包括以下步骤：

步骤一：至少一个所述信号发射单元发射信号；

步骤二：所述信号接收单元测量所述信号，得到所述信号测量数据（例如，信号强度、标识符），并将所述信号测量数据传输至所述处理单元；

步骤三：所述处理单元接收得到所述信号测量数据；

步骤四：所述处理单元将所述信号测量数据与存储在所述数据库单元中的所述信号数据进行比较，确定与所述信号测量数据的近似度最高的所述信号数据，并依该信号数据得到其相对应的区域数据，获得定位信息。

其中，所述信号发射单元固定设置，所述信号接收单元移动设置。

其中，所述信号接收单元固定设置，所述信号发射单元移动设置。

本发明信号定位系统的定位方法，进一步包括步骤五：由所述处理单元将所述定位信息发送至所述显示单元进行显示。

其中，所述信号发射单元或信号接收单元数量设置是根据区域重要程度的不同、或根据定位精度要求的不同。即，针对越重要的区域、或定位精度要求越高的区域，则在该区域内设置更多数量的信号发射单元或信号接收单元。反之，则可设置较少数量的信号发射单元或信号接收单元。

其中，通过提高或降低信号发射单元或信号接收单元的数量来提高或降低定位精度。即，在待测区域内通过提高或降低信号发射单元或信号接收单元的部署密度，来提高或降低定位精度。

其中，通过降低或提高信号发射单元或信号接收单元的信号强度来提高或降低定位精度。通过缩小或扩大信号发射单元或信号接收单元的信号覆盖范围，可提高或降低定位精度。

本发明信号定位系统使用固定短距离无线设备，应用广泛，方便在室内或地下使用。并且由于本发明使用固定短距离无线设备，本发明可以完成特别高准确度的定位。若使用有线网路链接固定无线设备，本发明还也可以在信号屏蔽很严重的应用范围里使用。

本发明信号定位系统的定位准确度可以根据具体应用的需求自由地设置和优化。重要定位区域可以进行划分并处理，在非重要定位区域完成粗略定位。通过在重要定位范围内的定义更多的区域，以及在重要定位范围内或周边固定部署更多的无线设备，以及缩小其设备的信号覆盖范围。

由于无线信号传输在实际传输过程中并不完美，不同无线信号源会有不一样的可靠性，而且可靠性可能但不一定会受无线信号源距离的影响。考虑到无线信号传输的不完美性，本发明通过参考多个信号源的信号强度，采用概率算法，排除不可靠的信号源，降低无线信号传输对定位准确度的影响。

本发明信号定位系统部署的性价比高。本发明可以使用现成的非定制的设备作为信号接收单元，比如移动手机等。本发明还可以利用现有的无线网络作为信号发射单元，例如WiFi网络。本发明信号定位系统不需要依靠第三方供应商的定位信号，例如GPS信号等，本发明可以独立安装，私有运行。

现有技术中，很多非全球定位应用更需要判定跟踪对象的所在区域，而不是具体所在x,y,z坐标。比如说，判定跟踪对象在办公楼里的区域时，得到比较准确的高度坐标还没有得到具体楼层的区域信息更有用。坐标经常需要进一步处理。

本发明可以由单个或者两个或更多个无线信号来源完成高准确度定位，不需依靠三边测和三角测的方法。与现有技术三角测及三边测下的3个信号源比较，本发明在定位计算中可以利用两个或两个以上的多个信号来源，因此本发明定位准确度更高。本发明采用的无线信号源越多，定位准确度越高。若某个或某些无线信号源出现大的信号误差时，本发明可以根据其他无线信号源的信号信息将不正常信息滤除，从而保证定位效果的可靠性。

附图说明

图1为本发明信号定位系统的示意图。

图2为本发明信号定位系统定位方法的流程图。

图3为本发明信号定位系统在室内定位的工作示意图。

图4为本发明信号定位系统在户外定位的工作示意图。

图5为本发明信号定位系统的区域划分示意图。

图6为本发明信号定位系统在室内多目标定位的示意图。

图7为本发明信号定位系统在户外多目标定位的示意图。

图8为实施例1中信号接收单元2、处理单元3、数据库单元4及显示单元5的设置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的信号定位系统包括信号发射单元1、信号接收单元2、处理单元3、以及数据库单元4。其中，信号发射单元1、信号接收单元2、处理单元3可以是一个，还可以是两个或两个以上的任意多个。

信号发射单元1向空间6内发射包含标识符的恒定强度无线信号，该信号的强度可被测量得到。该信号发射的范围覆盖整个空间6。信号发射单元是WiFi AP，还可以无线电发射机、WiFi路由器、有源RFID信号发射器、蓝牙信号发射器、光源等。信号发射单元发射的信号是WIFI信号，还可以其他无线电信号，例如RFID信号、NFC信号、蓝牙信号，还可以是超声波信号、光线信号。实施例中是以以WiFi信号为例进行说明。

信号接收单元2接受并测量信号发射单元1发出的无线信号。根据无线信号中的标识符识别无线信号的发射源，从而确定信号接收单元2在信号发射单元1的覆盖范围。信号接收单元2测量所接收的无线信号的强度，获得相应的信号测量数据。本发明中，信号接收单元2中的信号测量数据是指在各个区域内测量到的信号强度统计，包括信号强度、标识符。

本发明中，无线信号中的标识符是指能够唯一识别发射单元身份的标识，例如：WiFi的MAC地址，蓝牙ID、RFID的ID。恒定强度的信号是指信号发射单元以恒定功率向空间发射无线信号。信号强度可被测量得到的信号是指能够被现有检测仪器测量到信号强度的信号。

本发明中，空间是指本发明信号定位系统安装及信号覆盖的空间，即，在该空间内，本发明信号定位系统可以通过发射信号、接收信号、对信号进行处理，从而实现定位目的，如图3所示的空间6。

处理单元3与信号接收单元2连接，用于接收并处理信号接收单元2提供的信号测量数据。处理单元3将该信号测量数据与数据库单元4中存储的信号数据进行比对，确定与信号测量数据的近似度最高的信号数据，并依该信号数据得到其相对应的区域数据，获得定位信息。

本发明中，数据库单元4中的信号数据与区域数据设置对应关系，将信号接收单元2获得的信号测量数据（例如，信号强度数值）与数据库单元4中存储的信号数据相比较，选出与该信号测量数据最接近的信号数据。依该信号数据确定其对应的区域数据，从而确定了可能性最高的定位信息。

本发明中，“信号数据”、“定位信息的信号数据”是指数据库单元4中的带有信号发射单元1标识符的信号强度数据。“区域数据”、“定位信息的区域数据”是指存储在数据库单元4中的用于标识不同区域的位置的数据。如表一、表二所示。

本发明中，“区域”是指在空间内的各划分区域，可以按不同的实际定位要求进行划分。如图3所示的区域A、区域B、区域C。

本发明中，“与信号测量数据的近似度最高”、“可能性最高”是指信号接收单元2接收到的信号根据标识符，与数据库单元4里每一行的定位信息数据做比较，计算每个数值的误差，总误差最小的一行信号数据是近似度最高的。这一行信号数据所对应的区域是可能性最高的定位位置。

本发明信号定位系统进一步包括显示单元5，用于显示定位信息。处理单元3将定位信息发送至显示单元5。

本发明信号定位系统的定位方法，包括：

步骤一：至少一个信号发射单元1发射无线信号；

步骤二：信号接收单元2测量无线信号，得到信号测量数据；并将信号测量数据传输至处理单元3；

步骤三：处理单元3接收得到信号测量数据；

步骤四：处理单元3将信号测量数据与存储在数据库单元4中的信号数据进行比较，确定与信号测量数据的近似度最高的信号数据，并依该信号数据得到其相对应的区域数据，获得定位信息。

进一步包括步骤五：处理单元3将定位信息发送至显示单元5进行显示。

本发明中，信号发射单元1或信号接收单元2根据区域的重要程度或者对定位精度的要求的提高或降低，增加或减少区域内设置的信号发射单元1或信号接收单元2的数量。

本发明中，通过降低或提高信号发射单元1或信号接收单元2的信号强度来提高或降低定位精度。即通过提高或降低信号发射单元1或信号接收单元2部署密度，提高或降低定位精度。还可以通过缩小或扩大信号发射单元或信号接收单元的信号覆盖范围，提高或降低定位精度。

 实施例1：以信号接收单元作为待定位对象的室内定位

现有技术中，通过GPS信号在室内进行定位时可能由于场馆的封闭空间的限制，导致无法准确地实现GPS定位。此外，GPS的定位信息所包含的高度信息在室内定位时不一定具有实际应用意义。本发明采用无线信号作为室内定位的依据。在室内定位时，本发明根据区域重要程度不同，或根据定位精度要求对室内空间进行了划分。

本实施例中，信号发射单元1固定设置在空间6内。如图3所示，将某一室内空间6划分为四片区域，分别为区域A、区域B、区域C、区域D。三个信号发射单元1分别设置在区域A、区域B、区域C中。信号发射单元1发射出包含标识符的恒定强度无线信号，该无线信号为WIFI信号。信号发射单元1发射出的信号还可以是RFID、蓝牙等信号。

本实施例中，以信号接收单元2作为待定位对象。即，以用户使用移动终端作为待定位目标，该移动终端上设置有信号接收单元2、处理单元3、数据库单元4以及显示单元5，如图8所示。优选地，用户也可以将具有测量信号发射单元1的接收信号强度指示（RSSI，received signal strength indication）和标识符的功能的手机作为信号接收单元2。本发明可以通过设置手机应用程序，将本发明的处理单元3与数据库单元4下载至手机中。以手机的显示屏幕作为显示单元5。

移动终端的信号接收单元2可以测量信号发射单元1的RSSI测量数据以及无线信号的标识符，根据该信号测量数据以及标识符，处理单元3将其与数据库单元4中存储的定位信息进行比对。

数据库单元4中存储着关于该空间6内各区域的定位信息，定位信息包括区域数据与信号数据，如表一所示。其中，信号数据包括RSSI数据、标识符；例如，表一中所示的所在区域内信号发射单元1的编号及其信号强度。区域数据包括所在被划分的区域的名称；例如，表一中所示的区域名称，如区域A、区域B、区域C等。

表一 当信号接收单元作为待定位对象时，数据库单元存储数据格式

本实施例中，数据库单元4中已经存储了有关区域A、区域B、区域C、区域D的定位信息。

如图3所示，用户及移动终端即信号接收单元2的所在区域为区域D。设置在移动终端中的信号接收单元2三个信号发射单元1发出的信号，分别测量并得到三个信号测量数据。然后将其传输至处理单元3。设置在移动终端的处理单元3将三个信号测量数据分别与数据库单元4中定位信息的信号数据进行比较，确定与信号测量数据的近似度最高的信号数据，选择可能性最高的对比结果，并依该信号数据得到其相对应的区域数据，得到可能性最高的区域并将其确定为区域D。

进一步地，处理单元3将定位信息的区域数据发送至设置在移动终端的显示单元5。在接收到该定位信息的区域数据后，显示单元5向用户显示目前所在的区域，即显示所在区域为区域D。

实施例2：信号发射单元作为待定位对象的室外定位

本发明可以用于室外定位，例如户外会展或室外展览等。目前普遍的民用GPS定位系统的定位精度在10M左右，难以满足在中小规模户外会展中精确定位的需求。鉴于户外展厅的空间开阔，本实施例中，以信号发射单元1作为待定位对象，例如，在待定位对象用户的移动终端中设置信号发射单元1。信号发射单元1将向四周不断发射具有标识符的恒定强度无线信号。该移动终端上还设置有显示单元5，显示单元5向用户显示所在区域。

本实施例中，信号接收单元2固定设置在空间6内。如图4所示，将某一户外空间划分为四块，分别为区域A、区域B、区域C以及区域D。在该空间内设置有3个信号接收单元2，分别设置在区域A、区域B、区域C。信号接收单元2均与处理单元3连接。处理单元3作为中央处理器负责接收来自一个或多个信号接收单元2的信号测量数据，并将信号测量数据与数据库单元4中的定位信息的信号数据进行比对。

数据库单元4与处理单元3相连，数据库单元4中包含有该空间内各区域的定位信息，如表二所示，定位信息包括区域数据与信号数据。信号数据包括RSSI数据、标识符；例如，表二中所示的所在区域内信号接收单元2的编号及其接收到的信号强度。区域数据包括所在被划分的区域的名称，例如，表二中所示的区域名称，如区域A、区域B、区域C等。

表二  当信号发射单元作为待定位对象时，数据库单元存储数据格式

如图4中，用户与移动终端即信号发射单元1的所在区域为区域D。信号接收单元2接收到移动终端即信号发射单元1发出的无线信号。信号接收单元2测量该无线信号的RSSI数据，并将信号测量数据发送至处理单元3。

处理单元3接收到来自三个信号接收单元2的信号测量数据。处理单元3将这些信号测量数据与数据库单元4中存储的区域A、区域B、区域C、区域D的定位信息进行比对，通过比对，得出该信号测量数据与区域D定位信息的近似度最高，即认为该信号发射单元1的位置为区域D的可能性最高，从而确定其位置。

处理单元3将区域D的定位信息的区域数据通过无线网络、短信、蓝牙等方式发送至显示单元5进行显示，用户通过读取显示单元5的内容得知所在区域为区域D。

表三  实施例2中数据库单元存储的信号数据

例如：信号接收单元2接收到的信号RSSI是（-59；-60；-65）。与数据库单元4的信号数据进行比较，如表三所示，可以判断出有两个数值与Zone B的参考值接近，有三个数值与Zone D的参考值接近。因此，可以得出结论，此信号接收单元的位置在ZoneD内。

实施例3：定位区域划分

本发明在室内或室外定位时可依实际需求不同进行空间划分。本发明定位准确度可以根据具体应用的需求自由地设置和优化。例如，分为重要定位区域以及非重要定位区域。整个定位空间的定位误差不是均匀的，在重要定位区域（比如高密度定位区域）可以进行区域划分与处理，在非重要定位区域完成粗略定位。例如，在某一个博物馆内，展品区域内陈列着多件展品，对于每个展品所在区域需要精确定位，在休息区不需要对游客进行精确定位。因此，将展品区域划分为重要定位区域，在展品区域进一步划分为多个区域进行定位；将休息区为非重要定位区域，故将整个休息区作为一整个区域进行定位。

如图5所示，该空间被划分为三块小区域，分别为区域A，区域B以及区域C。区域A与区域B为重要定位区域，通过增加这部分区域的信号发射单元1的数量，从而提高区域A、区域B的定位准确度。另一方面，将区域C为非重要定位区域且区域C的空间较大，在区域C内不再做进一步细致的区域划分，此时，区域C内的定位准确度有所下降。

实施例4：基于实施例1的多目标定位方法

在实际的室内定位应用中，待定位对象的个数很可能大于一个。如图6所示，在该室内空间中有两名用户及移动终端。由于本发明的信号发射单元1发出的无线信号中具有标识符，两个独立的终端设备则可以在没有相互干扰的情况下分别接收到所在空间的无线信号。本发明还适用于更多定位目标的情况，例如同时有三名或三名以上的用户及移动终端。

如图6所示，所在区域D能够分别接收到三个信号发射单元1的无线信号。因此，在区域D内的用户的终端设备能够测量到三个无线信号的强度以及发出该无线信号的信号发射单元1。用户的终端设备可以通过实施例1中的方法，确定所在的区域为区域D。如图所示，若区域C超出了最远的信号发射单元1的无线信号范围，那么，位于区域C内的用户的终端设备只能够测量较近的两个信号发射单元的无线信号。通过移动终端内处理单元3与数据库单元4内的定位数据进行比较，得出目前该用户所在区域为区域C。

实施例5：基于实施例2的多目标定位

本实施例为基于实施例2中户外定位的多目标定位，如图7所示，在该户外空间中有两名用户及移动终端。由于用户通过移动终端内的信号发射单元1发出的无线信号中具有标识符，因此，两个独立的终端设备能够在没有互相干扰的情况下分别接收到所在空间的无线信号。本实施例同样适用于更多定位目标的情况，例如三个或三个以上定位目标。

如图7所示，区域D内用户的信号发射单元1的信号覆盖到三个信号接收单元2的范围。三个信号接收单元2分别识别出该用户发射的无线信号中的标识符，从而辨别不同的移动终端发出的无线信号。处理单元3接收到该移动终端的信号测量数据，根据数据库单元4中的定位信息得出该用户所在的区域为区域D。

如图7所示，若区域C内用户的信号发射单元1的信号覆盖范围只能覆盖到两个信号接收单元2，最远的信号接收单元2的测量的信号强度为0，此时，处理单元3根据上述信号测量数据与数据库单元4中定位信息的信号数据进行比对，从而确定得出该用户所在区域为区域C。

实施例6：设置多个信号发射单元1或信号接收单元2以提高定位精度

本发明中，通过在定位空间内设置多个信号发射单元1或信号接收单元2，或通过调节信号发射单元1或信号接收单元2的信号覆盖范围，或通过增加信号发射单元数量，可以进一步地将定位空间更加细化，从而使处理单元3接收到更多的信号测量数据，进而提高了与数据库单元4中的定位信息进行比对的准确度。

实施例7：减少非正常无线信号的影响

当无线信号源出现较大的信号误差时，例如，某个信号源发射功率发生变化（变大或变小）、信号发射单元的天线角度发生改变，本发明可以根据其他无线信号源的信号信息降低该不正常的信息对定位效果的影响，使定位结果更可靠。

信号接收单元2将接收到的多个信号强度与数据库单元4进行比较，如果发现多数信号强度与某一行的对应数值都较接近，只有1个或者少数几个数值误差较大，则将这些误差较大的数值排除。因此减少这些不正常的信号对定位效果的影响。

表四  实施例7中数据库单元存储的信号数据

例如，信号接收单元接收到的信号RSSI是（-59；-71；-80）。与数据库单元4的信号数据进行比较，参考表四，AP1和AP2与Zone B的定位参考值比较接近，而AP3与参考值偏差比较大，以多数原则，可以认为AP3的数值是异常的，将排除此数值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种信号定位系统，其特征在于，包括：

至少一个信号发射单元（1），用于发射信号； 

至少一个信号接收单元（2），用于测量所述信号，得到信号测量数据；

至少一个处理单元（3），其与所述信号接收单元（2）连接，用于接收并处理所述信号测量数据；以及

数据库单元（4），其与所述处理单元（3）连接，用于存储区域的定位信息。

2.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，所述信号是包含标识符的信号强度可测的信号。

3.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，所述数据库单元（4）中包括信号强度指示、区域标识。

4.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，所述定位信息包括区域数据与信号数据。

5.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，所述信号为无线电信号、WIFI信号、RFID信号、NFC信号、蓝牙信号、超声波、光线信号。

6.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，所述信号发射单元（1）为无线电发射机、WiFi AP、WiFi路由器、有源RFID信号发射器、蓝牙信号发射器、光源。

7.如权利要求1所述的信号定位系统，其特征在于，进一步包括显示单元（5），其与所述处理单元（3）通讯，用于显示所述定位信息。

8.一种如权利要求1-7所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：至少一个所述信号发射单元（1）发射信号； 

步骤二：所述信号接收单元（2）测量所述信号，得到所述信号测量数据，并将所述信号测量数据传输至所述处理单元（3）；

步骤三：所述处理单元（3）接收得到所述信号测量数据；

步骤四：所述处理单元（3）将所述信号测量数据与存储在所述数据库单元（4）中的所述信号数据进行比较，确定与所述信号测量数据的近似度最高的所述信号数据，并依该信号数据得到其相对应的区域数据，获得定位信息。

9.如权利要求8所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，所述信号发射单元（1）固定设置，所述信号接收单元（2）移动设置。

10.如权利要求8所所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，所述信号接收单元（2）固定设置，所述信号发射单元（1）移动设置。

11.如权利要求8所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，进一步包括：

步骤五：所述处理单元（3）将所述定位信息发送至所述显示单元（5）进行显示。

12.如权利要求8所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，所述信号发射单元（1）或信号接收单元（2）的数量设置是根据区域重要程度的不同、或根据定位精度要求的不同。

13.如权利要求8所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，通过提高或降低信号发射单元（1）或信号接收单元（2）的数量来提高或降低定位精度。

14.如权利要求8所述的信号定位系统的定位方法，其特征在于，通过降低或提高信号发射单元（1）或信号接收单元（2）的信号强度来提高或降低定位精度。

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