CN108535744A - 基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备 - Google Patents

基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备。该基于飞行器的智能转发式导航欺骗设备包括:接收前端,获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星;处理器,实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整;发射器,将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。根据本申请的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备,能够将干扰目标区域的接收机欺骗定位至虚假位置,欺骗干扰范围大、受环境影响小、隐蔽性高。

Description

基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备
技术领域
本申请涉及卫星导航技术领域,具体地,涉及基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备。
背景技术
在卫星导航技术领域,利用导航信号的易受干扰性,可对GNSS接收机实施干扰和欺骗,使其无法正常定位导航和授时,或者定位导航至错误位置。
目前,针对GNSS接收机的欺骗式干扰主要包括自主生成式欺骗和转发式欺骗。
自主生成式欺骗通过生成虚假导航信号,功率略高于真实导航信号,从而控制接收机跟踪通道,使得接收机定位解算到虚假位置。但这种干扰方法需要预先知道导航信号的结构,对于例如授权导航信号而言,由于其结构未知,而无法实施自主生成式欺骗。
转发式欺骗通常是利用转发干扰源接收可视范围内的导航卫星的信号,并向干扰区域直接转发导航信号,实现对目标接收机的欺骗。此种欺骗方法实现较为简单,不需要解析导航信号的结构,因此对授权导航信号仍然有效。但是,这种欺骗方法,会使得被干扰的GNSS接收机解算定位至转发干扰源的位置,使转发干扰源暴露,从而不具有隐蔽性。此外,现有技术中转发干扰源通常设置在地面上或者搭载于低速运行的设备(例如汽车等)中,欺骗干扰范围小,欺骗干扰效果受到周围环境限制。
发明内容
本申请的目的是提供一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备,能够对GNSS导航接收机实施欺骗干扰。
根据本申请的一个方面,公开了一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗设备,包括:接收前端,获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星;处理器,实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整;以及发射器,将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
根据本申请的另一个方面,公开了一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法,包括:获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星;实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整;以及将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
根据本申请的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备,能够将干扰目标区域的接收机欺骗定位至虚假位置,欺骗干扰范围大、受环境影响小、隐蔽性高。
附图说明
图1示出了根据本申请的一种实施方式的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备的工作原理图。
图2示出了根据本申请的一种实施方式的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法的流程图。
图3示出了根据本申请的一种实施方式的智能转发式导航欺骗设备10的方框示意图。
图4示出了根据本申请的另一种实施方式的智能转发式导航欺骗设备10的方框示意图。
图5a示出了采用根据本申请的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和系统的仿真实验结果。
图5b示出了图5a中B区域接收机解算出来的位置轨迹与虚假位置轨迹的放大图。
具体实施方式
下面参照附图对本申请公开的一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备进行详细说明。为简明起见,本申请各实施例的说明中,相同或类似的装置使用了相同或相似的附图标记。
图1示出了根据本申请的一种实施方式的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备的工作原理图。如图所示,智能转发式导航欺骗设备10搭载于飞行器上,飞行器可以包括航空器(如飞机,气球等)和航天器(如低轨卫星等)。
欺骗设备10接收来自多颗GNSS卫星Ri S(i=1,2,3,4...)的导航信号,获得多个通道卫星导航信号。为实现智能转发式欺骗,欺骗设备10对各个通道的卫星导航信号进行调整,生成智能转发式欺骗信号,将目标接收机的定位由干扰目标R的位置欺骗至虚假位置r'。
图2示出了根据本申请的一种实施方式的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法的流程图。如图2所示,在步骤S01,获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星。在步骤S02,实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整。在步骤S03,将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
图3示出了根据本申请的一种实施方式的智能转发式导航欺骗设备10的方框示意图。如图所示,基于飞行器的智能转发式导航欺骗设备10包括接收前端100、处理器200和发射器300。
接收前端100获得多个通道的卫星导航信号。接收前端100可以包括接收天线和卫星信号分离模块(未示出)。接收天线可以是一个天线阵列,或者多个方向性天线,用于接收来自多颗GNSS卫星的导航信号。卫星信号分离模块可以将接收到的来自多颗卫星的导航信号进行分离,得到各个通道的卫星导航信号。其中,每一个通道的卫星导航信号是来自一颗卫星的导航信号。
处理器200,实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整。
发射器300,将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
根据本申请的实施方式,由于飞行器在高速运动,因此需要调整的转发参数将一直发生变化,从而需要实时计算各个通道的转发参数,以保证生成的欺骗信号的连续性和有效性。基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和设备,能够将干扰目标区域的接收机欺骗定位至虚假位置,欺骗干扰范围大、受环境影响小、隐蔽性高。此外,本申请的实施方式不关心导航信号的具体结构组成,所以对于例如GPS授权信号等也可实现智能转发式欺骗。
根据本申请的实施方式,转发参数包括转发时延。通过实时对各个通道卫星导航信号的转发时延的调整,可以将干扰目标欺骗至虚假位置。
为了保证较大干扰范围和干扰隐蔽性,飞行器通常会设置为远离地面、且速度较快,例如飞行器可以是距离地面高度800km的低轨卫星。但是,此时飞行器会引入额外的多普勒频移,从而即使实时计算出各个通道的精确延时并生成智能转发式欺骗信号,送往目标接收机,目标接收机也可能无法对智能转发式欺骗信号进行成功捕获,进而造成欺骗失败。
进一步研究发现,当飞行器速度较大时,GNSS接收机接收到的信号的多普勒频移将远大于从导航卫星到欲欺骗位置的导航信号的多普勒频移,导致导航欺骗信号的多普勒频移超过GNSS接收机的标称多普勒频移搜索范围,从而GNSS接收机无法接收处理欺骗导航信号,使得欺骗干扰失败。因此,根据本申请的实施方式,转发参数还包括多普勒补偿量。欺骗设备不仅对时延进行调整,还对每个通道卫星导航信号的多普勒频移进行补偿。
根据本申请的一种实施方式,转发参数包括转发时延和多普勒补偿量。如图4所示,处理器200可以包括时延计算模块210,多普勒计算模块220和调整模块230。时延计算模块210根据导航卫星的位置,所述飞行器的位置,干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的转发时延。多普勒计算模块220,根据导航卫星的位置,所述飞行器的位置,干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的多普勒补偿量。调整模块230,根据各个通道的转发时延对相应通道的卫星导航信号进行延时处理,并根据各个通道的多普勒补偿量对相应通道的卫星导航信号进行多普勒补偿。通过上述实施方式,即使放置在高速运行的飞行器上,导航欺骗设备也能够成功地将干扰目标范围内的接收机欺骗至虚假欺骗位置。
下面结合GNSS导航系统的工作原理,详细说明根据本申请的实施方式的智能转发式导航欺骗方法和设备。
再次参考图1,设在系统时t,第i颗GNSS卫星Si的位置为Ri S(t)(i=1,2,3,4...),每颗卫星上都有一个系统同步时钟保持卫星时与系统时t一致,卫星向外广播GNSS导航信号si(t),信号以光速c传播。设干扰目标R的位置为r(t)。这里,干扰目标的位置可以是目标接收机的位置。可选地,干扰目标的位置也可以是干扰区域中心点的位置,或者干扰区域中任一点的位置。
欺骗设备10搭载于飞行器,飞行器的位置为RL(t)。那么欺骗设备10的接收前端100获得的通道i的导航信号可以表示为:
其中Ai是导航信号从GNSS卫星传播至欺骗设备10路径中的幅度衰减,n(Ri L(t),t)为背景噪声。
时延计算模块210根据导航卫星的位置Ri S(t),飞行器的位置RL(t),干扰目标位置r(t)以及虚假位置r',实时计算各个通道的转发时延Δti。则调整模块230对通道i的导航信号进行延时处理所添加的时延为Δti,得到待转发的欺骗信号si l'(t):
si l'(t)=si l(t-Δti)。
发射器300将经调整模块230调整后的信号合并之后进行转发,干扰目标(干扰区域的接收机)接收到的欺骗信号为:
其中c为导航信号传播速度。
由于接收机与卫星时钟不同步,引入钟差δ,得到接收机时tr=t-δ,那么干扰目标接收到的信号为:
干扰目标利用接收到的欺骗信号得到的伪距观测量为:
对于欲欺骗至的虚假位置r',根据GNSS定位原理,要使得接收机解算定位结果为r',至少需要四个通道的GNSS导航信号,且各个通道的GNSS导航信号的伪距观测量为:
要使得干扰目标接收到欺骗信号后,解算定位到虚假位置r',需要满足:
这样,转发时延Δti可以表示为:
在具体应用中,存在某些时刻,时延计算模块计算得到的转发时延为负,从而物理上无法实现。例如,飞行器具体为距离地面高度800Km的低轨卫星时,在某时刻,PRN21GPS卫星到虚假位置r'的距离为2.334300×107m,PRN21GPS卫星到低轨卫星的距离为2.294965×107m,低轨卫星到干扰目标的距离为8.007636×105m。此时,对应于PRN21GPS卫星的通道需要添加的时延Δti=-0.001359s。该时延值为负,物理上不可实现。
因此,根据本申请的一种实施方式,提出了一种对转发时延进行修正的方法。时延计算模块210可以检测计算得到的转发时延的数值是否满足非负性,若不满足非负性,则对所有通道的转发时延增加相同的时延补偿量c。也就是,若计算出的Δti<0,需要对时延进行补偿修正,即加上一个常量c,使得修正后的时延Δti'=Δti+c30。对所有时延同时增加相同的时延补偿量,例如常量c后,可以保证接收机仍然定位到欲欺骗至的虚假位置r'。进一步地,此时接收机钟差会相应变化,变为tr'=tr+c。为了保证欺骗成功率,接收机钟差变化值应尽量小。当存在Δti<0时,可选地,可以根据最小的转发时延来确定时延补偿量c的取值,例如:
c=|min(Δti)|。
此外,根据本申请的一种实施方式,转发参数还包括多普勒补偿量。欺骗设备不仅对时延进行调整,还对每个通道卫星导航信号的多普勒频移进行补偿。
例如,飞行器具体为距离地面高度800Km的低轨卫星时,对于某一个通道,在某时刻,基于飞行器的欺骗设备10接收到的从PRN26 GPS卫星播发的导航信号的多普勒频移ΔfSV为-15.543767kHz,干扰目标接收到的从欺骗设备10播发的欺骗导航信号的多普勒频移ΔfVR为0.225387kHz。那么干扰目标接收的欺骗导航信号的总多普勒频移为ΔfSV+ΔfVR=-15.31838kHz,远超出接收机标称的多普勒频移搜索范围,造成欺骗信号接收失败。而虚假位置r'处接收到的从PRN26 GPS卫星播发的导航信号的理论多普勒频移ΔfSr'为1.571995kHz。根据本申请的一种实施方式,为使得干扰区域的目标接收机接收到的欺骗导航信号的多普勒频移为ΔfSr',欺骗设备10对每个通道卫星导航信号的多普勒频移进行补偿,需要添加的多普勒频移补偿量Δf为:
Δf=ΔfSr'-ΔfSV-ΔfVR
例如,在上述实施例中,对于该通道在该时刻,欺骗设备需要添加的多普勒频移补偿量为Δf=16.890375kHz。
然而,为了实时计算多普勒频移补偿量,需要获得导航卫星和飞行器的速度信息,并根据速度信息进行计算。
假设GNSS导航信号从播发端传播至接收端,GNSS导航信号发送和接收时的频率分别为fT和fR,那么信号到达接收端时的多普勒频移为:
其中·为向量点积,vt和rt分别是GNSS导航信号播发端在时刻t的速度和位置,vr和rr分别是GNSS导航信号接收端在时刻t的速度和位置,表示GNSS导航信号播发端和接收端之间的视线单位向量,表示播发端与接收端两者之间相对速度沿视线向量的投影。可以理解,对于多普勒频移ΔfSV,播发端和接收端分别表示卫星和飞行器;对于多普勒频移ΔfVR,播发端和接收端分别表示飞行器和干扰目标;对于多普勒频移ΔfSr',播发端和接收端分别表示卫星和虚假位置(处的虚假接收器)。
但是根据速度信息计算多普勒需要大量的计算量和存储空间,每一次速度信息的获得都需要大量计算,这对系统的处理性能和存储能力要求提高,对飞行器负载能力要求增高。因此根据本申请,提出了一种利用位置信息来更新多普勒频移补偿量的计算方法。
根据本申请的一种实施方式,多普勒计算模块220计算时间段[t,t+T]内各个通道的平均多普勒补偿量作为该时间段内各个通道的多普勒补偿量。其中,T表示多普勒补偿量的实时计算更新间隔,可以根据实际应用进行设置,例如可以根据欺骗效果需要来进行设置。
在时间段[t,t+T]中,GNSS导航信号从播发端传播至接收端的多普勒频移平均值为:
其中,积分项的物理意义实际上是[t,t+T]内,GNSS导航信号播发端到接收端之间相对位置变化量Δd。从而,
相对位置变化量Δd是时刻t+T与时刻t,GNSS导航信号播发端与接收端之间的相对位置的差值,可以根据时刻t+T与时刻t播发端与接收端的位置得到。c是卫星导航信号的传播速度。
这样,多普勒计算模块220可以根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,计算在时间段[t,t+T]内,通道i导航卫星与飞行器之间的相对位置变化量ΔdSV (i)(t)、飞行器与干扰目标之间的相对位置变化量ΔdVR (i)(t)、导航卫星与虚假位置之间的相对位置变化量ΔdSr' (i)(t)。多普勒计算模块220可以根据计算得到的相对位置变化量ΔdSV (i)(t)、ΔdVR (i)(t)、ΔdSr' (i)(t)、卫星导航信号的载波频率fT和传播速度c,计算时间段[t,t+T]内各个通道的多普勒补偿量。
对于通道i,基于飞行器的欺骗设备10接收到的从导航卫星播发的导航信号的多普勒频移ΔfSV (i)、干扰目标接收到的从欺骗设备10播发的欺骗导航信号的多普勒频移ΔfVR (i)和虚假位置r'处接收到的从导航卫星播发的导航信号的多普勒频移ΔfSr' (i)的值可分别计算得到:
其中,在计算ΔfSV (i)(t)和ΔfSr' (i)(t)时,播发端为导航卫星,其播发导航信号频率为fT=fc,fc为导航信号载波频率。在计算ΔfVR (i)(t)时,播发端为飞行器,其播发导航信号频率fT=fc+ΔfSV (i)(t)。相应地,
ΔdVR (i)(t)=dVR (i)(t+T)-dVR (i)(t)=|RL(t+T)-r(t+T)|-|RL(t)-r(t)|
多普勒补偿量Δf(i)(t)为:
调整模块230可以根据各个通道的转发时延Δti对相应通道的卫星导航信号进行延时处理,并根据各个通道的多普勒补偿量Δf(i)(t)对相应通道的卫星导航信号进行多普勒补偿。经调整模块230调制后的各通道卫星导航信号si l”(t)可以表示为:
其中,si l(t)为欺骗设备10的接收前端100获得的通道i的导航信号。
发射器300将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
这样,位于干扰区域的接收机接收到欺骗信号后,将会被欺骗定位至虚假位置,不会使欺骗设备暴露,具有隐蔽性。欺骗设备位于飞行器上,欺骗干扰范围大、受环境影响小。此外,根据本申请的导航欺骗方法和设备不关心导航信号si(t)的具体结构组成,所以能够应用于例如GPS授权信号等,实现智能转发式欺骗。
根据本申请的实施方式,仅需要获得位置信息,就可以计算并更新多普勒频移信息,避免了对速度信息的复杂处理,故减少了计算量和实现复杂度。
此外,时延计算模块也可以计算时间段[t,t+T]内任一时刻各个通道的瞬时转发时延作为该时间段内各个通道的转发时延,其中T表示转发时延的实时计算更新间隔,从而减小时延更新运算量。
图5a示出了采用根据本申请的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法和系统的仿真实验结果。仿真实验过程中,飞行器设置为高度800Km,方位角为61.5°,速度为7.72576Km/s,初始位置经度为116.477°,纬度为40.001°的低轨卫星。欺骗设备搭载于该低轨卫星。干扰目标接收机初始位置经度为116.477°,纬度为40.009°,在低轨卫星可视范围内。欲将接收机欺骗至比其真实位置经度低0.2°,纬度高0.2°的位置。右下角轨迹A为接收机真实运动轨迹,左上角B为接收机解算出来的位置轨迹与虚假位置轨迹,两个轨迹重叠。图5b示出了图5a中B区域接收机解算出来的位置轨迹与虚假位置轨迹的放大图。其中,离散点为接收机解算位置。结果表明,根据本申请的基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法,向导航信号添加时延Δt1和多普勒频移补偿量Δf后,欺骗接收机成功。
以上参考附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解,上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例,而不是用来进行限制,凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等,均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (16)

1.一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗设备,包括:
接收前端,获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星;
处理器,实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整;以及
发射器,将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
2.如权利要求1所述的导航欺骗设备,其中,所述转发参数包括转发时延和多普勒补偿量,所述处理器包括:
时延计算模块,根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的转发时延;
多普勒计算模块,根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的多普勒补偿量;以及
调整模块,根据各个通道的转发时延对相应通道的卫星导航信号进行延时处理,并根据各个通道的多普勒补偿量对相应通道的卫星导航信号进行多普勒补偿。
3.如权利要求2所述的导航欺骗设备,其中,所述多普勒计算模块计算时间段[t,t+T]内各个通道的平均多普勒补偿量作为该时间段内各个通道的多普勒补偿量,其中T表示多普勒补偿量的实时计算更新间隔。
4.如权利要求3所述的导航欺骗设备,其中,所述多普勒计算模块根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,计算在时间段[t,t+T]内,导航卫星与飞行器之间的相对位置变化量、飞行器与干扰目标之间的相对位置变化量、导航卫星与虚假位置之间的相对位置变化量;并根据计算得到的相对位置变化量、卫星导航信号的载波频率和传播速度,计算所述时间段内各个通道的平均多普勒补偿量。
5.如权利要求4所述的导航欺骗设备,其中,所述多普勒计算模块通过以下方式计算平均多普勒补偿量Δf:
其中,fc为卫星导航信号的载波频率,c为卫星导航信号的传播速度,ΔdSV为在时间段[t,t+T]内导航卫星到飞行器的相对位置变化量,ΔdVR为在时间段[t,t+T]内飞行器到干扰目标的相对位置变化量,ΔdSr'为在时间段[t,t+T]内导航卫星到虚假位置的相对位置变化量。
6.如权利要求2所述的导航欺骗设备,其中,所述时延计算模块计算时间段[t,t+T]内任一时刻各个通道的瞬时转发时延作为该时间段内各个通道的转发时延,其中T表示转发时延的实时计算更新间隔。
7.如权利要求2所述的导航欺骗设备,其中,所述时延计算模块检测计算得到的转发时延的数值是否满足非负性,若不满足非负性,则对所有通道的转发时延增加相同的时延补偿量。
8.如权利要求7所述的导航欺骗设备,其中,所述时延补偿量由计算得到的最小转发时延决定。
9.一种基于飞行器的智能转发式导航欺骗方法,包括:
获得多个通道的卫星导航信号,其中,每一个通道对应于一颗导航卫星;
实时计算各个通道的转发参数,根据计算得到的各个通道的转发参数对相应通道的卫星导航信号进行调整;以及
将调整后的各通道卫星导航信号合并为欺骗信号并发射。
10.如权利要求9所述的导航欺骗方法,其中,所述转发参数包括转发时延和多普勒补偿量,所述方法还包括:
根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的转发时延;
根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,实时计算各个通道的多普勒补偿量;以及
根据各个通道的转发时延对相应通道的卫星导航信号进行延时处理,并根据各个通道的多普勒补偿量对相应通道的卫星导航信号进行多普勒补偿。
11.如权利要求10所述的导航欺骗方法,其中,计算时间段[t,t+T]内各个通道的平均多普勒补偿量作为该时间段内各个通道的多普勒补偿量,其中T表示多普勒补偿量的实时计算更新间隔。
12.如权利要求11所述的导航欺骗方法,其中,根据导航卫星的位置、所述飞行器的位置、干扰目标位置以及虚假位置,计算在时间段[t,t+T]内,导航卫星与飞行器之间的相对位置变化量、飞行器与干扰目标之间的相对位置变化量、以及导航卫星与虚假位置之间的相对位置变化量;并根据计算得到的相对位置变化量、卫星导航信号的载波频率和传播速度,计算所述时间段内各个通道的平均多普勒补偿量。
13.如权利要求12所述的导航欺骗方法,其中,通过以下方式计算平均多普勒补偿量Δf:
其中,fc为卫星导航信号的载波频率,c为卫星导航信号的传播速度,ΔdSV为在时间段[t,t+T]内导航卫星到飞行器的相对位置变化量,ΔdVR为在时间段[t,t+T]内飞行器到干扰目标的相对位置变化量,ΔdSr'为在时间段[t,t+T]内导航卫星到虚假位置的相对位置变化量。
14.如权利要求10所述的导航欺骗方法,其中,计算时间段[t,t+T]内任一时刻各个通道的瞬时转发时延作为该时间段内各个通道的转发时延,其中T表示转发时延的实时计算更新间隔。
15.如权利要求10所述的导航欺骗方法,其中,检测计算得到的转发时延的数值是否满足非负性,若不满足非负性,则对所有通道的转发时延增加相同的时延补偿量。
16.如权利要求10所述的导航欺骗方法,其中,所述时延补偿量由计算得到的最小转发时延决定。
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