CN105699995B - 自主的设备内gnss扩增系统 - Google Patents

Abstract

本发明的各实施方式总体上涉及自主的设备内GNSS扩增系统。具体地，本公开内容的各方面提供了一种装置，该装置包括导航信号接收器和处理电路。导航信号接收器用以从多个卫星接收第一星历数据。第一星历数据对于第一持续时间有效。处理电路用以基于第一星历数据来预测第二星历数据。第二星历数据对于在第一持续时间之上延长的第二持续时间有效。第二星历数据由导航信号接收器用来获取用于在第二持续时间期间定位该装置的卫星信号。

Description

自主的设备内GNSS扩增系统

引用并入

本公开内容要求在2014年12月15日递交的、申请号为62/091,829、名称为“Automatic In-device GNSS Augmentation System”的美国临时申请的权益，其内容通过引用的方式整体并入于此。

背景技术

现代移动设备可以并入各种功能，诸如蜂窝收发器或者无线收发器的卫星定位系统接收器。在移动设备用作卫星定位系统接收器时，移动设备可以通过使用来自卫星的信号指定设备的位置。基于卫星的定位可以提供高精度，但是要求在卫星和移动设备之间的良好视线。另外，接收和处理卫星定位信号可能消耗大量能量并且因而缩短电池持续时间。

发明内容

本公开内容的各方面提供一种装置，该装置包括导航信号接收器和处理电路。导航信号接收器用以从多个卫星接收第一星历数据。第一星历数据对第一持续时间有效。处理电路用以基于第一星历数据来预测第二星历数据。第二星历数据对于在第一持续时间之上延长的第二持续时间有效。第二星历数据由导航信号接收器用来获取用于在第二持续时间期间定位该装置的卫星信号。

根据本公开内容的一方面，该装置包括用以在导航信号接收器被关闭时存储第二星历数据的存储器。第二星历数据在导航信号接收器被重新开启时被提供至导航信号接收器。

在实施例中，该装置包括用以从无线通信系统网络接收无线信号的无线收发器。处理电路用以基于从无线通信系统网络接收的无线信号来确定该装置的参考位置。参考位置和第二星历数据由导航信号接收器用来减小搜索空间以获取用于在第二持续时间期间定位该装置的卫星信号。在示例中，存储器用以存储用于无线通信系统网络的本地定位数据库。处理电路用以基于无线信号和本地定位数据库计算参考位置。

在实施例中，处理电路用以基于具有地球定向参数的参数化模型以及卫星动态模型来预测第二星历数据。

本公开内容的各方面提供一种用于对装置定位的方法。该方法包括：由导航信号接收器从多个卫星接收对于第一持续时间有效的第一星历数据，在该装置中基于第一星历数据预测对于在第一持续时间之上延长的第二持续时间有效的第二星历数据；以及获取用于基于第二星历数据在第二持续时间期间定位该装置的卫星信号。

本公开内容的各方面提供一种包括无线收发器、导航信号接收器和处理电路的装置。无线收发器用以从无线通信系统网络接收无线信号。处理电路用以基于从无线通信系统网络接收的无线信号来确定该装置的参考位置。导航信号接收器用以基于参考位置缩窄搜索空间以获取用于定位该装置的卫星信号。

附图说明

将结合以下附图详细描述作为示例提出的本公开内容的各种实施例，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：

图1示出了根据本公开内容的方面的电子设备100的框图；

图2示出了概述根据本公开内容的实施例的过程200的流程图；以及

图3示出了概述根据本公开内容的实施例的过程300的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本公开内容的实施例的电子设备100的框图。电子设备100从多个卫星接收对于相对短的持续时间有效的星历数据。基于接收到的星历数据，电子设备100预测对于在相对短的持续时间之上(beyond)的延长的持续时间有效的附加星历数据。附加星历数据由电子设备100用来在延长的持续时间中加速启动过程以获取卫星信号以及对电子设备100定位。

电子设备100可以是任何合适的设备，诸如平板计算机、智能电话、相机、可穿戴设备、可在交通工具上安装的设备等。根据本公开内容的方面，在电子设备100上安装的一个或多个应用要求电子设备100的地点信息。

在图1的示例中，电子设备100包括如图1中所示地耦合在一起的导航信号接收器130和应用处理器110。在实施例中，导航信号接收器130被实现在第一集成电路(IC)芯片上并且应用处理器110被实现在第二IC芯片上。两个IC芯片被安装在印刷电路板(PCB)上并且例如通过在PCB上的印刷铜线合适地耦合在一起。在示例中，导航信号接收器130可以使用应用处理器110的计算资源和存储资源，因而导航信号接收器130和应用处理器110并行地操作以用于对电子设备100定位。在示例中，具有导航信号接收器130的第一IC芯片可以用较少的硬件和软件来实现，以减小芯片尺寸并且减小功率消耗。

根据本公开内容的方面，电子设备100被配置为执行自主的设备内GNSS扩增(augmentation)。电子设备100执行星历数据预测和参考位置估计，并且使用所预测的星历数据和所估计的参考位置来加速启动过程。在实施例中，应用处理器110被配置为预测附加星历数据，并且在导航信号接收器130被开启时向导航信号接收器130提供附加星历数据以加速启动过程。在另一实施例中，应用处理器110被配置为确定参考位置(诸如具有减小的分辨率的电子设备100的粗略位置)，并且在导航信号接收器130被开启时向导航信号接收器130提供参考位置来加速启动过程并且确定电子设备100的更精确位置。

根据本公开内容的方面，电子设备100包括无线收发器140，无线收发器140被配置为向无线通信系统网络发送无线信号并且从其接收无线信号。在示例中，无线通信系统网络可以是蜂窝系统网络，诸如全球移动系统(GSM)、码分多址接入(CDMA)、宽带码分多址接入(WCDMA)以及长期演进(LTE)等。在另一示例中，无线通信系统网络可以是根据协议(诸如基于电气和电子工程师学会(IEEE)802.11的协议)的无线局域网(LAN)。应用处理器110被配置为基于接收的无线信号来预测参考位置并且在导航信号接收器130被开启时向导航信号接收器130提供参考位置以加速开启过程。

根据本公开内容的方面，导航信号接收器130是被配置为接收由卫星系统发送的卫星定位信号的全球导航卫星系统(GNSS)接收器，该卫星系统诸如为全球定位系统(GPS)、GLObalnaja NAvigatsionnaja Sputnikovaja Sistema(GLONASS)卫星系统、伽利略导航卫星系统、北斗导航卫星系统等。基于卫星定位信号，电子设备100可以确定电子设备100的相对精确的地点。

在图1的示例中，导航信号接收器130包括耦合在一起的接收电路装置131、处理电路装置132和存储器电路装置135，并且无线收发器140包括耦合在一起的接收电路装置141、处理电路装置142和存储器电路装置145。应用处理器110与存储器电路装置150耦合。在实施例中，导航信号接收器130、应用处理器110、无线收发器140和存储器电路装置150被相应地实现在分立的IC芯片上。在示例中，IC芯片被安装在PCB上，并且例如通过在PCB上的印刷铜线而被合适地耦合。在另一实施例中，多个部件可以被集成作为单个IC的一部分。

具体地，接收电路装置131被耦合到天线101，天线101响应于与空中的卫星信号对应的电磁波而生成电信号。接收电路装置131包括合适的电路以处理电信号并且从电信号获得数字信号。在示例中，接收电路装置131包括各种模拟电路(未示出)——诸如放大器、滤波器、下变频器等——以使用模拟处理技术来处理电信号。此外，接收电路装置131包括将处理的模拟信号转换成数字序列的模拟到数字转换器(ADC)(未示出)。数字序列包括诸如为用于测量从卫星到电子设备100的距离的测距的信息、从卫星发送的导航消息等。

处理电路装置132包括用于处理数字序列以获得该信息的数字电路。在示例中，处理电路装置132包括用以将数字序列与在导航信号接收器130中的本地生成的代码相关的电路，并且包括用以解调和解码数字序列以提取导航消息的电路。

存储器电路装置135被配置为存储指令和数据。在示例中，测量装置132使用中央处理单元(CPU)来实现。存储器电路135存储用于控制CPU来处理数字序列的指令。在另一示例中，存储器电路135存储用于辅助导航信号接收器130以加速启动过程的信息。

可以在不需要位置信息时关闭导航信号接收器130以节能，并且可以在需要位置信息时开启导航信号接收器130。

根据本公开内容的方面，在导航信号接收器130被开启时，应用处理器110向导航信号接收器130提供信息以加速启动过程，以获取卫星信号和导航数据，并且计算电子设备100的位置。

根据本公开内容的方面，导航信号接收器130可以取决于先验信息的可用性而具有冷启动或者热启动。在实施例中，当导航信号接收器130在没有先验信息的情况下被开启(例如从工厂重置启动)时，导航信号接收器130具有冷启动。对于冷启动，在示例中，导航信号接收器130系统性地搜索卫星系统中的导航信号接收器130能够在导航信号接收器130的当前地点从其接收卫星信号的可能卫星。在没有先验信息的情况下，导航信号接收器130需要在诸如为码相位的第一维度、多普勒频率的第二维度、伪随机噪声数(PRN)的第三维度之类的多个维度的空间中扫描可能的卫星信号。在没有先验信息的情况下，接收电路装置131花费很长时间来获取卫星信号。

除此之外，花费相对长的时间来从卫星信号提取完整信息。在实施例中，卫星信号携带导航消息。来自卫星的导航消息包括卫星时钟信息、卫星的星历信息以及卫星系统的天文年历(almanac)数据。天文年历数据包括用于卫星系统中的每个卫星的粗略轨道和状态信息。星历信息包括允许导航信号接收器130计算卫星位置的精确轨道信息。每个卫星发送其自己的星历信息和卫星系统中的卫星的天文年历数据。星历信息是十分详细的，并且对于相对短的时间(诸如1-4小时)被认为是有效的。天文年历数据对于相对长的时间(诸如超过180天)被认为是有效的。例如，卫星花费超过12.5分钟来发送卫星系统的完整天文年历数据。

导航消息中的信息对于加速用于导航信号接收器130的启动过程而言是有用的。在实施例中，可以基于卫星系统的天文年历数据来确定用于电子设备100的潜在可见卫星以减小搜索空间，并且减少获取卫星信号的时间。在另一实施例中，可以使用星历信息来缩窄码相位搜索范围和多普勒频率搜索空间，以减少获取卫星信号的时间。

例如，在导航信号接收器130被开启的时刻，导航信号接收器130具有有效的天文年历数据以及时间和位置状态的粗略估计，诸如当前时间的具有在20秒内的误差的估计、当前位置的具有在100千米内的误差的估计、当前速度的具有在25米/秒内的误差的估计，导航信号接收器130具有暖启动。对于暖启动，导航信号接收器130可以确定在当前位置处的潜在可见卫星。然后，导航信号接收器130从可见卫星获取卫星信号，以获得相应卫星的星历数据以及来自可见卫星的测距信息。每个卫星每30秒广播其星历数据，并且星历数据对于最多四小时有效。基于星历数据和测距信息，可以确定电子设备100的位置。

对于另一示例，在导航信号接收器130被开启的时刻，导航信号接收器130具有有效的时间、位置、天文年历和星历数据，导航信号接收器130具有热启动。对于热启动，导航信号接收器130可以确定在当前位置处的潜在可见卫星，并且缩窄测距码空间以实现卫星信号的快速获取。

根据本公开内容的方面，应用处理器110预测对于延长的时间(诸如最多14天)有效的附加星历数据，并且例如在存储器电路装置150中存储附加星历数据。在导航信号接收器130被开启时，例如在14天内，应用处理器110基于接收到的无线信号预测电子设备100的参考位置。然后，应用处理器110向导航信号接收器130提供附加星历数据和参考位置。基于附加星历数据和参考位置，导航信号接收器130可以确定在当前位置处的潜在可见卫星，并且缩窄测距码空间以实现卫星信号的快速获取。然后，衡量导航信号接收器130获取卫星信号和导航数据并且计算位置解所要求的时间的第一次定位时间(time to first fix)可以被减少以改善用户体验。

在图1的示例中，存储器电路装置150被配置为存储用于应用的软件指令和数据，并且应用处理器110被配置为执行软件指令来运行软件指令以处理数据。例如，存储器电路装置150存储用于位置、速度和时间(PVT)计算的软件指令151、用于参考位置估计的软件指令152、用于星历数据预测的软件指令153。另外，存储器电路装置150可以存储如155所示的预测的星历数据以及如157所示的地点定位数据库。

在示例中，应用处理器110可以处理软件指令151以从导航信号接收器130接收信息、计算位置、速度和时间，确定电子设备100的地点，并且可以执行基于地点的应用。

另外，应用处理器110可以执行软件指令153以预测延长的持续时间的星历数据，并且在存储器电路装置150中存储预测的星历数据。

应用处理器110还可以执行软件指令152以基于本地定位数据库157以及由无线收发器140接收的无线信号来估计参考位置。

在无线收发器140中，接收电路装置141被耦合到天线102，天线102响应于与空中的无线信号对应的电磁波而生成电信号。接收电路装置141包括合适的电路以处理电信号并且从电信号获得数字信号。在示例中，接收电路装置141包括各种模拟电路(未示出)——诸如放大器、滤波器、下变频器等——以使用模拟处理技术来处理电信号。此外，接收电路装置141包括将处理的模拟信号转换成数字序列的模拟到数字转换器(ADC)(未示出)。数字序列包括诸如为无线电基站的标识等的信息。此外，在示例中，接收电路142针对每个接收的无线信号测量接收信号强度指示符(RSSI)。

处理电路装置142包括用以处理数字序列以获得该信息的数字电路。在示例中，处理电路装置142包括用以从发送自无线电基站的无线信号提取无线电基站的标识的电路。

存储器电路装置145被配置为存储指令和数据。在示例中，处理电路装置142使用中央处理单元(CPU)来实现。存储器电路145存储用于控制CPU来处理数字序列的指令。

根据本公开内容的方面，在电子设备100进入由无线LAN覆盖的区域时，无线收发器140接收携带本地定位数据库的无线信号。在示例中，地点定位数据库包括与无线LAN中的接入点的位置相关联的标识。然后在存储器电路装置150中安装本地定位数据库。

另外，在由无线LAN覆盖的区域中的地点处，接收电路装置141从无线LAN中的可见接入点接收信标信号。接收电路装置141测量接收到的信标信号的RSSI值。信标信号相应地携带无线LAN中的可见接入点的标识。处理电路装置142提取标识。在示例中，无线收发器140向应用处理器110提供与信标信号的标识相关联的RSSI值。应用处理器110执行软件指令152以根据本地定位数据库157、基于与信标信号的标识相关联的RSSI值来估计参考位置。例如，应用处理器110基于标识提取可见接入点的位置。另外，在示例中，应用处理器110根据RSSI值对位置进行加权。然后，应用处理器110计算加权的位置的平均作为参考位置。

注意到，可以根据任何合适的算法来实现用于星历数据预测的软件指令153。在示例中，基于参数化地球模型和卫星动态模型的算法被用来实现软件指令153。

图2示出了概述根据本公开内容的实施例的过程200的流程图。在示例中，应用处理器110执行软件指令以执行过程200。该过程在S201开始并且继续至S210。

在S210处，处理导航信号以提取星历数据。在示例中，在导航信号接收器130开启时，从可见卫星接收导航信号。导航信号相应地携带可见卫星的时钟状态和星历数据。可以从导航信号提取用于可见卫星的星历数据和时钟状态。

在S220处，根据参数化模型估计地球定向参数(EOP)。在示例中，可以使用一系列地球定向参数(诸如国际标准时间、极点的坐标、天极偏置等)描述针对地球的自转不规则性。在示例中，根据参数化模型迭代地估计地球定向参数。

具体地，用于估计EOP数据的参数化模型是基于针对测量的EOP的历史时间序列的参数拟合，诸如由国际地球自转和参照系服务(IERS)或者国家地理空间机构(NGA)所产生的那些时间序列。

在S230处，使用卫星模型估计卫星数据。在示例中，建立并且使用卫星动态模型以迭代地估计卫星的轨道位置、速度和动态参数。

具体地，在示例中，被存储在存储器电路135中的最新卫星数据从开普勒模型框架被转换为地心地固(Earth-centered-Earth fixed(ECEF))框架以便针对每个可见卫星产生初始轨道位置和速度条件，并且然后针对每个可见卫星、基于真实卫星轨道数据来确定初始轨道动态参数。将通过使用卫星动态模型(例如力学模型)对卫星运动方程进行数值积分来迭代地估计轨道条件和轨道动态参数，直到达成收敛(即，当前估计的轨道位置、速度和轨道动态参数足够接近于该卫星的广播轨道)。

在S240处，基于卫星模型在时间上正向传播(propagate)卫星数据。在示例中，使用卫星动态模型在时间上正向传播轨道位置、速度和动态参数。

在S250，通过参数化模型来转换卫星数据。具体地，在示例中，使用EOP数据将卫星数据从地心惯性系(ECI)坐标系转换为ECEF笛卡尔坐标。

在S260，基于预测模型迭代地估计卫星的进一步时钟状态。具体地，在示例中，被存储在存储器电路135中的最新卫星数据被用来针对每个可见卫星、通过二次多项式模型来产生时钟数据。然后，使用该时钟数据、基于预测模型来计算卫星的将来时钟状态。时钟状态预测的模型是在时间上的二次多项式。

在S270处，在存储器中存储针对可见卫星的预测的时钟状态和卫星数据(星历数据)。然后该过程继续到S299并且终止。

要注意到，可以在任何给定区间上预测卫星的时钟状态并且时钟状态将覆盖卫星的有效时段。在实施例中，在其中GPS广播卫星数据仅对于四小时时段有效的情况中。为了将该能力在四小时时段之上延长，在本领域有提供多个星历的需要。会为卫星提供6个星历来描述一天的卫星状态。对于其它GNSS，有效时段可以是不同的，并且因此多个星历的数量也可以是不同的。

在实施例中，在导航信号接收器130是活跃的并且接收新的导航信号时反复地执行过程200。

图3示出了概述根据本公开内容的实施例的用于启动导航信号接收器的过程300的流程图。在示例中，在电子设备100中执行过程300。该过程在S301处开始并且继续到S310。

在S310处，导航信号接收器被开启。在图1的示例中，导航信号接收器130在不需要地点信息时被关闭以节能。在需要地点信息时，导航信号接收器130被开启。在示例中，导航信号接收器130被关闭超过四个小时，并且在14天内被重新开启。

在S320处，基于无线通信信号确定参考位置。例如，无线收发器140相应地从无线通信系统网络(例如无线LAN)或者其组合的无线通信系统网络中的多个无线电台接收信标信号。信标信号包括无线电台的相应标识。在示例中，无线收发器140针对每个接收的信标信号获得接收的信号强度指示符(RSSI)，并且向应用处理器110提供RSSI值和无线电台的标识。应用处理器110执行软件指令152以基于RSSI值、无线电台的标识以及本地定位数据库157来确定参考位置。例如，在电子设备100进入由无线LAN覆盖的区域中时，在电子设备100中安装本地定位数据库157。本地定位数据库157包括无线LAN中的所有接入点的位置。应用处理器110对标识的接入点的位置进行加权，并且计算加权的位置的平均作为参考位置。

在S330处，从存储器电路装置读取预测的卫星星历数据。例如，将卫星星历数据预测为最多14天有效并且在存储器电路装置中存储卫星星历数据。应用处理器110从存储器电路装置150读取预测的星历数据155，并且向导航信号接收器130提供预测的星历数据155。

在S340，基于参考位置和预测的卫星星历数据缩窄搜索空间。在示例中，导航信号接收器130包括最多180天有效的天文年历数据。然后，导航信号接收器130基于天文年历数据、参考位置、最多14天有效的预测的卫星星历数据来缩窄码相位搜索范围和多普勒搜索频率空间。

在S350处，导航信号接收器130基于缩窄的搜索空间开始导航信号获取。在图1的示例中，导航信号接收器130然后基于缩窄的搜索空间开始获取卫星信号。在缩窄的搜索空间的情况下，导航信号接收器130使卫星信号获取加速，并且可以以减少的时间计算位置定位。然后该过程继续到S350并且终止。

在用硬件实现时，硬件可以包括分立部件、集成电路、专用集成电路(ASIC)等中的一个或多个。

虽然已经结合作为示例提出的本公开内容的特定实施例描述了本公开内容的各方面，但是可以做出对示例的替代、修改和变化。因此，这里所阐述的实施例旨在是说明性的而不是限制性的。存在可以在不偏离以下阐述的权利要求的范围的情况下做出的改变。

Claims (15)

1.一种用于定位的装置，所述装置包括：

导航信号接收器，用以从多个卫星接收第一星历数据并且从多个接入点接收WiFi信号，其中所述第一星历数据对于第一持续时间有效；以及

处理电路，用以基于所述第一星历数据、具有地球定向参数的参数化模型、卫星动态模型和接收到的所述WiFi信号来预测第二星历数据，其中所述第二星历数据对于在所述第一持续时间之上延长的第二持续时间有效，所述第二星历数据由所述导航信号接收器用来获取用于在所述第二持续时间期间定位所述装置的卫星信号。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

存储器，用以在所述导航信号接收器被关闭时存储所述第二星历数据。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二星历数据在所述导航信号接收器被重新开启时被提供至所述导航信号接收器。

4.根据权利要求2所述的装置，其中

无线收发器用以从无线通信系统网络接收无线信号；并且

所述处理电路用以基于从所述无线通信系统网络接收的所述无线信号来确定所述装置的参考位置，所述参考位置和所述第二星历数据由所述导航信号接收器用来减小搜索空间以获取用于在所述第二持续时间期间定位所述装置的卫星信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其中

所述存储器用以存储用于所述无线通信系统网络的本地定位数据库；并且

所述处理电路用以基于所述无线信号和所述本地定位数据库来计算所述参考位置。

6.一种用于对设备定位的方法，所述方法包括：

由导航信号接收器从多个卫星接收第一星历数据并且从多个接入点接收WiFi信号，其中所述第一星历数据对于第一持续时间有效；

在所述设备中基于所述第一星历数据、具有地球定向参数的参数化模型、卫星动态模型和接收到的所述WiFi信号来预测第二星历数据，其中所述第二星历数据对于在所述第一持续时间之上延长的第二持续时间有效；以及

获取用于基于所述第二星历数据在所述第二持续时间期间定位所述设备的卫星信号。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在所述导航信号接收器被关闭时存储所述第二星历数据。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在所述导航信号接收器被重新开启时向所述导航信号接收器提供所述第二星历数据。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：

从无线通信系统网络接收无线信号；

基于所述无线信号确定所述设备的参考位置；以及

基于所述参考位置和所述第二星历数据来缩窄搜索空间以获取卫星信号。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

存储用于所述无线通信系统网络的本地定位数据库；以及

基于从所述无线通信系统网络接收的所述无线信号和所述本地定位数据库来确定所述设备的所述参考位置。

11.一种用于定位的装置，所述装置包括：

无线收发器，用以从至少包括从多个接入点接收到的WiFi信号的无线通信系统网络接收无线信号；

处理电路，用以基于从所述无线通信系统网络接收的所述无线信号的信标，来确定所述装置的参考位置；以及

导航信号接收器，用以基于所述参考位置、具有地球定向参数的参数化模型、卫星动态模型和接收到的所述WiFi信号，来缩窄卫星信号的搜索空间，以获取用于定位所述装置的卫星信号，所述参考位置基于所述信标来确定。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括：

存储器，用以存储用于所述无线通信系统网络的本地定位数据库；并且

所述处理电路用以基于所述无线信号和所述本地定位数据库来计算所述参考位置。

13.根据权利要求11所述的装置，其中

所述导航信号接收器用以从多个卫星接收第一星历数据，其中所述第一星历数据对于第一持续时间有效；并且

所述处理电路用以基于所述第一星历数据来预测第二星历数据，其中所述第二星历数据对于在所述第一持续时间之上延长的第二持续时间有效，所述第二星历数据和所述参考位置由所述导航信号接收器用来减小搜索空间以获取用于在所述第二持续时间期间定位所述装置的卫星信号。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括：

存储器，用以在所述导航信号接收器被关闭时存储所述第二星历数据。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二星历数据在所述导航信号接收器被重新开启时被提供至所述导航信号接收器。

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