CN103746757A - 一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法，包括：建立星载多波束天线各点波束的天线方向图模型，将天线增益与地理位置关联，构建天线方向图地理模型；地面站接收卫星转发信号并进行实时监测，当监测到干扰时，确定主受干扰波束及其相邻同频波束，并对干扰信号参数进行认知，根据认知结果测量干扰信号在其它相邻同频波束中的信号强度，得到干扰信号强度在多波束环境下的空间分布；结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组，获取干扰源定位结果。采用本发明的单星干扰源定位方法，无需额外增加星载设备、实现简单且定位精度较高。

Description

一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法。

背景技术

从20世纪80年代开始，卫星系统开始逐渐进入民用和国防领域，并在几十年中得到了迅速的发展。卫星系统具有覆盖能力强、传输距离长、不受地理条件限制、机动灵活等独特的优点，具有非常好的发展前景。然而，卫星系统作为开放式系统，而且大量使用透明式转发器，很容易受到外界各种有意或无意的射频干扰（RFI）。随着各国卫星业务的迅速增长，轨道与频率资源日趋紧张，卫星所处电磁环境日益恶化，卫星受到干扰事件的数量与日俱增，造成了诸多恶劣影响以及经济上的损失。因此，如何及时快速定位干扰源，进而排除其影响，是卫星系统发展应用中需要独立思考的问题。

常用的卫星干扰源定位方法有测向定位和测时差定位。测向定位是研究最早、最深入，也是应用最广泛的定位方法。特别是在单星定位方式中，测向定位具有明显的优势。现有的主要测向技术包括：相位干涉仪测向、比相测向、比幅测向、时差测向、扫描天线、空间谱估计测向。测时差定位是随着多平台通信技术的发展和到达时间差技术的进步发展起来的，并成为现代高精度无源定位的主要方法之一。它一般需要由两颗或两颗以上的卫星组网同步相互配合实现，其优点是对整个卫星系统的正常运行影响较小。

当前，卫星干扰源的定位研究主要集中在基于双星或三星的定位体制上，比较典型的有双星时差/频差联合定位法和三星时差定位法。前者是利用相隔一定距离，同轨同向飞行的两颗卫星转发同一干扰信号到地面接收站，用接收站的两副天线分别接收来自这两颗卫星的信号并分别计算两路干扰信号的两种传播参数：到达时差（TDOA）和到达频差（FDOA），求解由这些参数确定的曲面交点即可得到干扰源的位置。后者则是利用三颗卫星转发同一干扰信号得到的一种传播参数（TDOA）构造包含干扰源位置的曲面，求解这些曲面的交点即可得到干扰源位置。

在目前常用的几种定位方法中，单星测向定位具有成本较低、周期较短、技术相对简单的优点，可是星上必须配备测向设备，并且对卫星的姿态测量精度有较高的要求。双星时差/频差联合定位法，相对于三星定位而言减少了卫星的平台数量、降低了系统实现的难度和发射的成本，其实时性和定位精度又高于单星定位方式。三星时差定位具有定位误差比较小、定位速度比较快的优点，但是其对系统和数据的处理都有较高的要求，技术比较复杂。

对于同步轨道卫星，系统中仅包括有限的几颗卫星，很多情况下只有一颗卫星，难以基于双星或三星干扰源定位体制实现对干扰源的定位，而且，若考虑到卫星发射成本、星上资源的珍贵和实现的复杂度等因素，则有必要研究一种无需额外增加星载定向设备并且实现简单的定位技术。

同步轨道上的移动通信卫星多采用高灵敏度的多波束天线，因此利用多波束天线的方向性来辨识干扰源的空间位置是实现卫星干扰源定位的新思路。利用单颗卫星的多个波束组成天线阵列，应用以阵列信号处理为基础的空间谱估计技术，实现对信号源到达角的高分辨率估计从而完成对干扰源的定位是其中一种实现方法，但该方法也仍然处于理论研究阶段，无法获知其实际性能。另外，点波束扩束后导致相邻波束之间有较大的重叠区域，旁瓣值较高。当系统受到干扰时，除主要受干扰波束接收到干扰信号外，其相邻波束也会接收到该信号，而且各点波束在干扰源方向上的天线增益不同，使得各波束所接收到的信号强度有较大的差异。所以，可以利用各点波束接收干扰信号的强度差异来实现卫星干扰源的定位。日本学者松本泰等人介绍了利用工程试验卫星ETS-VI多波束天线进行RFI定位试验的情况，它是一种基于比较多波束天线接收干扰幅度（比幅法）的定位系统，用两个接收波束独立地扫描正交配置在东西（EW）和南北(NS)方向上，通过比较两组波束对接收干扰幅度比来确定波束覆盖范围内的干扰来波方位角，但试验结果表明该方法的定位精度有限（测向误差达±0.21°，相应的地面定位误差为131km）。

综上所述，现有卫星干扰源定位技术存在的问题主要是：难以基于多星定位体制对同步轨道卫星进行干扰源定位，而基于单星的干扰源定位方法则需要额外增加星载设备，实现复杂，并且定位精度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法，无需额外增加星载设备、实现简单且定位精度较高。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法，包括以下步骤：

10）构建方向图地理模型：根据星载多波束天线方向图的增益分布规律，建立星载多波束天线各点波束的天线方向图模型，参照卫星的轨道运行参数，将天线增益与地理位置关联，构建天线方向图地理模型；

20)获取干扰信号空间分布：地面站接收卫星转发信号并进行实时监测，当监测到干扰时，首先确定主受干扰波束及其相邻同频波束，并对干扰信号参数进行认知，根据认知结果测量干扰信号在其它相邻同频波束中的信号强度，得到干扰信号强度在多波束环境下的空间分布；

30)定位干扰源：结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组，通过迭代，获取干扰源定位结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1、只需要单颗卫星即可实现对地面固定干扰源的定位，且定位精度较高；

2、无需额外增加星载设备，节约了卫星发射成本和星上资源并且实现简单。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法所涉及的系统结构示意图。

图2是本发明基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法的流程图。

图3是建立定位方程组步骤的流程图。

图4是获取干扰源定位结果步骤的流程图。

图5是本发明方法在10⁴次搜索下的定位仿真结果图。

图6是本发明方法在10⁵次搜索下的定位仿真结果图。

图7是本发明方法在10⁶次搜索下的定位仿真结果图。

图8是本发明方法的定位仿真误差曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法涉及一颗多波束卫星和一个地面站，地面覆盖区七波束复用，A、B、C为受到干扰的三个同频波束地面中心点，D为地面干扰源。

如图2所示，本发明基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法，包括以下步骤：

10）构建方向图地理模型：根据星载多波束天线方向图的增益分布规律，建立星载多波束天线各点波束的天线方向图模型，参照卫星的轨道运行参数，将天线增益与地理位置关联，构建天线方向图地理模型。

所述构建方向图地理模型（10）步骤包括：

11）建立天线方向图模型：根据星载多波束天线的现有特征，获取各单波束天线方向图数学模型，即卫星指向不同俯仰、方位角方向的天线增益。

所述建立天线方向图模型（11）步骤具体为：

针对单个点波束，当天线的θ角满足1°≤θ≤20°时，抛物面天线方向图函数包络的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}G=29-25\lg \left(\mathrm{\θ}\right)\left(\mathrm{dBi}\right)(D/\mathrm{\λ}\≥100)\\ G=49-10\lg (D/\mathrm{\λ})-25\lg \left(\mathrm{\θ}\right)\left(\mathrm{dBi}\right)(D/\mathrm{\λ}\≤100)\end{array}\right.;$

当0°≤θ≤1°时，利用卫星天线的指向损耗公式来推算卫星天线方向图函数的包络

$G=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2\mathrm{\η}}{{\mathrm{\λ}}^2}-11.1{(\mathrm{\θ}/{\mathrm{\φ}}_b)}^2,$

其中，θ为沿某方向的场与天线主瓣轴的夹角，

为半功率波束宽度(单位：度)。

多波束天线方向图一般通过实测获取精确模型，这里为了说明步骤，根据ITU-R有关建议，采用天线方向图函数包络代替实际测量天线方向图进行说明；

12）获取天线方向图地理模型：将不同指向的各波束的增益归类存储，并根据卫星的轨道特征，确定在轨运行各时刻不同指向的地理位置，将地理位置与上述归类存储的增益相关联，得到天线方向图地理模型。

20)获取干扰信号空间分布：地面站接收卫星转发信号并进行实时监测，当监测到干扰时，首先确定主受干扰波束及其相邻同频波束，并对干扰信号参数进行认知，根据认知结果测量干扰信号在其它相邻同频波束中的信号强度，得到干扰信号强度在多波束环境下的空间分布。

所述获取干扰信号空间分布（20）步骤包括：

21）认知干扰信号特征参数：地面站对卫星转发各波束信号实时监测，当卫星通信系统受到干扰后，确定主受干扰波束，并对主受干扰波束中干扰信号特征参数进行认知；

22）搜索干扰信号：根据认知的干扰信号特征参数，在主受干扰波束的相邻同频波束中搜索干扰信号；

23）测量干扰信号强度：测量主受干扰波束与相邻同频波束中干扰信号的强度，得到干扰信号的空间分布。

30)定位干扰源：结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组，通过迭代，获取干扰源定位结果。

所述定位干扰源（30）步骤包括：

31）建立定位方程组：结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组。

如图3所示，所述建立定位方程组（31）步骤包括：

311）确定偏离夹角：干扰源与卫星连线偏离各点波束中心轴的夹角θ为：

${\mathrm{\θ}}_i=\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_i})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_i})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_i})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})},i=A,B,C,$

其中，为通过地面站获取的三个接收到干扰信号的波束的地面中心点以及卫星的位置矢量，设地面干扰源的位置坐标为

312）确定链路计算方程：假设地面干扰源实际辐射强度为t，则波束A接收的干扰信号强度u_A可以表示为：

t-u_f+G(θ_A)=u_A，

整理得：

t+G(θ_A)=U₁，

式中，U₁=u_A+u_f；

同理可得关于波束B和C的链路计算方程：

$\left\{\begin{array}{c}t+G\left({\mathrm{\θ}}_B\right)=U_2\\ t+G\left({\mathrm{\θ}}_C\right)=U_3\end{array}\right.,$

其中，G(θ_i)（i=A,B,C）为干扰源对应星上各个点波束获得的增益，u_A、u_B和u_C为星上各个点波束接收干扰信号强度的估计值，u_f为通过地面站的实时监测获取的干扰信号传播过程中的损耗；

313）建立定位方程组：由于地面干扰源位置坐标

满足球面方程：

$\stackrel{\→}{r_D}{\stackrel{\→}{r_D}}^T=R^2,$

联立波束A、B、C的链路计算方程，并将θ代入，得到关于干扰源位置和辐射强度信息的四元非线性定位方程组：

$\left\{\begin{array}{c}t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_A})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_A})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_A})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_1\\ t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_B})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_B})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_B})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_2\\ t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_C})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_C})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_C})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_2\\ \stackrel{\→}{r_D}{\stackrel{\→}{r_D}}^T=R^2\end{array}\right..$

32）获取干扰源定位结果：对定位方程组多次迭代搜索，获取干扰源定位结果。

如图4所示，所述获取干扰源定位结果（32）步骤包括：

321）分别确定两轮搜索的次数m和n，构造约束函数

$E(x,y,z,t)=\sqrt{{(U_1-G\left({\mathrm{\θ}}_A\right)-t)}^2+{(U_2-G\left({\mathrm{\θ}}_B\right)-t)}^2+{(U_3-G\left({\mathrm{\θ}}_C\right)-t)}^2},$

并初始化为无穷大；

322）在三个受干扰波束地面中心点的坐标范围内随机产生干扰源位置的两个坐标分量x和y，利用干扰源位置坐标满足的地球球面方程计算分量z，并在合理范围内随机初始化干扰源辐射强度t；

323）将前述步骤（322）中产生的x、y、z、t代入定位方程组计算约束函数值，若小于当前值，则更新约束函数值以及干扰源位置坐标和辐射强度；

324）重复执行步骤（322）和（323），直至满足第一轮搜索次数m；

325）以当前干扰源位置坐标和辐射强度为基准，以较小的半径δ和δ'重新确定搜索范围(x-δ,x+δ)、(y-δ,y+δ)和(t-δ',t+δ')；

326）在步骤（325）确定的搜索范围内随机初始化干扰源的位置坐标分量x、y以及辐射强度t，并计算坐标分量z；

327）将前述步骤（326）中产生的x、y、z、t代入定位方程组计算约束函数值，若小于当前值，则更新约束函数值以及干扰源位置坐标和辐射强度；

328）重复执行步骤（326）和（327），直至满足第二轮搜索次数n；

329）当前干扰源位置坐标和辐射强度即定位结果。

图5-7为应用本发明方法对位于星下点的地面干扰源进行定位仿真的结果示意图，其仿真次数为200，搜索次数分别为104、105和106。图8为定位误差随搜索次数变化曲线，数据表明，在理想情况下，本发明方法的定位精度可以达到10km以内，并且随着搜索次数的进一步增加，其定位精度还有上升的空间。

本发明方法只需要单颗卫星即可实现对地面固定干扰源的定位，且定位精度较高；无需额外增加星载设备，节约了卫星发射成本和星上资源并且实现简单。

Claims (7)

1.一种基于星载多波束天线的单星干扰源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

10）构建方向图地理模型：根据星载多波束天线方向图的增益分布规律，建立星载多波束天线各点波束的天线方向图模型，参照卫星的轨道运行参数，将天线增益与地理位置关联，构建天线方向图地理模型；

20)获取干扰信号空间分布：地面站接收卫星转发信号并进行实时监测，当监测到干扰时，首先确定主受干扰波束及其相邻同频波束，并对干扰信号参数进行认知，根据认知结果测量干扰信号在其它相邻同频波束中的信号强度，得到干扰信号强度在多波束环境下的空间分布；

30)定位干扰源：结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组，通过迭代，获取干扰源定位结果。

2.权利要求1所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述构建方向图地理模型（10）步骤包括：

11）建立天线方向图模型：根据星载多波束天线的现有特征，获取各单波束天线方向图数学模型，即卫星指向不同俯仰、方位角方向的天线增益；

12）获取天线方向图地理模型：将不同指向的各波束的增益归类存储，并根据卫星的轨道特征，确定在轨运行各时刻不同指向的地理位置，将地理位置与上述归类存储的增益相关联，得到天线方向图地理模型。

3.根据权利要求2所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述建立天线方向图模型（11）步骤具体为：

针对单个点波束，当天线的θ角满足1°≤θ≤20°时，抛物面天线方向图函数包络的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}G=29-25\lg \left(\mathrm{\θ}\right)\left(\mathrm{dBi}\right)(D/\mathrm{\λ}\≥100)\\ G=49-10\lg (D/\mathrm{\λ})-25\lg \left(\mathrm{\θ}\right)\left(\mathrm{dBi}\right)(D/\mathrm{\λ}\≤100)\end{array}\right.;$

当0°≤θ≤1°时，利用卫星天线的指向损耗公式来推算卫星天线方向图函数的包络

$G=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}^2\mathrm{\η}}{{\mathrm{\λ}}^2}-11.1{(\mathrm{\θ}/{\mathrm{\φ}}_b)}^2,$

其中，θ为沿某方向的场与天线主瓣轴的夹角，

为半功率波束宽度(单位：度)。

4.根据权利要求1所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述获取干扰信号空间分布（20）步骤包括：

21）认知干扰信号特征参数：地面站对卫星转发各波束信号实时监测，当卫星通信系统受到干扰后，确定主受干扰波束，并对主受干扰波束中干扰信号特征参数进行认知；

22）搜索干扰信号：根据认知的干扰信号特征参数，在主受干扰波束的相邻同频波束中搜索干扰信号；

23）测量干扰信号强度：测量主受干扰波束与相邻同频波束中干扰信号的强度，得到干扰信号的空间分布。

5.根据权利要求1所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述定位干扰源（30）步骤包括：

31）建立定位方程组：结合干扰信号强度的空间分布与天线方向图地理模型，建立由干扰源位置、干扰信号强度以及天线方向图增益函数组成的定位方程组；

32）获取干扰源定位结果：对定位方程组多次迭代搜索，获取干扰源定位结果。

6.根据权利要求5所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述建立定位方程组（31）步骤包括：

311）确定偏离夹角：干扰源与卫星连线偏离各点波束中心轴的夹角θ为：

${\mathrm{\θ}}_i=\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_i})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_i})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_i})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})},i=A,B,C,$

其中，

为通过地面站获取的三个接收到干扰信号的波束的地面中心点以及卫星的位置矢量，设地面干扰源的位置坐标为

312）确定链路计算方程：假设地面干扰源实际辐射强度为t，则波束A接收的干扰信号强度u_A可以表示为：

t-u_f+G(θ_A)=u_A，

整理得：

t+G(θ_A)=U₁，

式中，U₁=u_A+u_f；

同理可得关于波束B和C的链路计算方程：

$\left\{\begin{array}{c}t+G\left({\mathrm{\θ}}_B\right)=U_2\\ t+G\left({\mathrm{\θ}}_C\right)=U_3\end{array}\right.,$

其中，G(θ_i)（i=A,B,C）为干扰源对应星上各个点波束获得的增益，u_A、u_B和u_C为星上各个点波束接收干扰信号强度的估计值，u_f为通过地面站的实时监测获取的干扰信号传播过程中的损耗；

313）建立定位方程组：由于地面干扰源位置坐标

满足球面方程：

$\stackrel{\→}{r_D}{\stackrel{\→}{r_D}}^T=R^2,$

联立波束A、B、C的链路计算方程，并将θ代入，得到关于干扰源位置和辐射强度信息的四元非线性定位方程组：

$\left\{\begin{array}{c}t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_A})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_A})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_A})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_1\\ t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_B})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_B})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_B})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_2\\ t+G\left(\arccos \frac{{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_C})}^2+{(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}^2-{(\stackrel{\→}{r_D}-\stackrel{\→}{r_C})}^2}{2(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_C})(\stackrel{\→}{r_S}-\stackrel{\→}{r_D})}\right)=U_2\\ \stackrel{\→}{r_D}{\stackrel{\→}{r_D}}^T=R^2\end{array}\right..$

7.根据权利要求5所述的单星干扰源定位方法，其特征在于，所述获取干扰源定位结果（32）步骤包括：

321）分别确定两轮搜索的次数m和n，构造约束函数

$E(x,y,z,t)=\sqrt{{(U_1-G\left({\mathrm{\θ}}_A\right)-t)}^2+{(U_2-G\left({\mathrm{\θ}}_B\right)-t)}^2+{(U_3-G\left({\mathrm{\θ}}_C\right)-t)}^2},$

并初始化为无穷大；

322）在三个受干扰波束地面中心点的坐标范围内随机产生干扰源位置的两个坐标分量x和y，利用干扰源位置坐标满足的地球球面方程计算分量z，并在合理范围内随机初始化干扰源辐射强度t；

323）将前述步骤（322）中产生的x、y、z、t代入定位方程组计算约束函数值，若小于当前值，则更新约束函数值以及干扰源位置坐标和辐射强度；

324）重复执行步骤（322）和（323），直至满足第一轮搜索次数m；

325）以当前干扰源位置坐标和辐射强度为基准，以较小的半径δ和δ'重新确定搜索范围(x-δ,x+δ)、(y-δ,y+δ)和(t-δ',t+δ')；

326）在步骤（325）确定的搜索范围内随机初始化干扰源的位置坐标分量x、y以及辐射强度t，并计算坐标分量z；

327）将前述步骤（326）中产生的x、y、z、t代入定位方程组计算约束函数值，若小于当前值，则更新约束函数值以及干扰源位置坐标和辐射强度；

328）重复执行步骤（326）和（327），直至满足第二轮搜索次数n；

329）当前干扰源位置坐标和辐射强度即定位结果。

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