CN109254576A - 基于fdir技术的推进剂补加数据交互系统及其设计方法 - Google Patents

基于fdir技术的推进剂补加数据交互系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统及其设计方法，设计方法包括步骤：a.对实现推进剂补加的补加航天器设计独立的补加计算机系统，对被补加航天器设计独立的被补加计算机系统；b.待补加航天器和被补加航天器对接后，由补加计算机系统和被补加计算机系统进行通信数据的实时交互；c.补加计算机系统和被补加计算机系统分别将各自采集的遥测数据以及通过交互得到的推进剂补加数据发送至FDIR系统，由FDIR系统根据接收到的数据对航天器补加状态进行故障检测并处理；d.确认航天器补加状态正常时，推进剂补加满足设定限值时，由被补加航天器的被补加计算机系统指示补加航天器的补加计算机系统停止补加动作。

Description

基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及航天器推进剂补加健康管理领域，尤其涉及一种基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统及其设计方法。
背景技术
推进剂在轨补加技术为空间站建造所必需的关键技术之一，其基本原理为：携带推进剂的货运飞船(补加航天器)与空间站(被补加航天器)对接，空间站通过自身携带压气机为膜盒贮箱建立低气压环境，利用压力差将货运飞船携带的推进剂传输至空间站膜盒贮箱。
货运飞船与空间站两航天器在轨进行推进剂补加的过程复杂、环节多、故障处置实时性要求高，在补加过程中需对两航天器的补加状态参数进行实时监视并对故障进行及时处置，如压气机工作状态、是否补加到位、补加管路及补加口是否泄漏、贮箱是否状态正常、补加管路是否超压等，从而实现对整个补加过程的有效控制。
传统的航天器飞控模式中，对航天器的在轨控制主要依靠地面飞控人员来实现，即地面飞控人员对航天器下行遥测参数进行实时监视和判读，当判读到参数异常时对故障类型进行判断，若为预案内故障则按照既定的措施进行处置，若为预案外故障，则需地面对处置措施进行现场讨论和决策。由于地面对航天器的故障处置需经历判断、识别及决策的过程，同时天地通信链路存在传输时延，因此仅依靠地面飞控人员对故障进行处置的实时性差，对于处置实时性要求高的故障，仅依靠地面飞控人员无法满足要求。而推进剂在轨补加过程中的大部分故障的处置实时性要求高，传统的仅依靠地面飞控人员的飞控模式已无法实现对补加过程故障的有效处置。
传统的仅依靠地面对航天器进行控制和故障处置的飞控模式存在以下问题：①地面飞控人员对故障的判断和处置存在滞后性，实时性差。地面从判断故障发生到处置完成的时间长，对于补加故障中需即时处置的故障或补加流程中正常的动作，如补加管路泄漏、补加口泄漏、补加到位处置等，单依靠地面进行处置无法满足要求，且天地链路存在一定的延迟，导致处置指令无法立即执行。②依靠地面的飞控模式对测控站的依赖程度大，地面处置指令仅在测控区内才能发出去，导致整个推进补加过程占用了大量的测控资源。③补加过程中两航天器间的故障存在相互影响的问题，即当一个航天器发生故障时，会相应给对方航天器带来影响，甚至导致故障蔓延，如补加过程中的补加管路泄漏故障、补加贮箱卡滞等。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法以及根据该设计方法设计的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法，包括以下步骤：
a.对实现推进剂补加的补加航天器设计独立的补加计算机系统，对被补加航天器设计独立的被补加计算机系统；
b.待补加航天器和被补加航天器对接后，由补加计算机系统和被补加计算机系统进行通信数据的实时交互；
c.补加计算机系统和被补加计算机系统分别将各自采集的遥测数据以及通过交互得到的推进剂补加数据发送至FDIR系统，由FDIR系统根据接收到的数据对航天器补加状态进行故障检测并处理；
d.确认航天器补加状态正常时，推进剂补加满足设定限值时，由被补加航天器的被补加计算机系统指示补加航天器的补加计算机系统停止补加动作。
根据本发明的一个方面，所述补加计算机系统包括：
第一数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
根据本发明的一个方面，所述被补加计算机系统包括：
第二数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
根据本发明的一个方面，所述FDIR系统包括：
故障检测模块，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
为实现上述发明目的，本发明提供一种根据上述基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法设计的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统，其特征在于，包括：
补加航天器；
补加计算机系统，通过对接数据总线与所述补加航天器连接；
被补加航天器；
被补加计算机系统，通过对接数据总线与所述被补加航天器连接；
FDIR系统，与所述补加计算机系统和所述被补加计算机系统连接。
根据本发明的一个方面，所述补加计算机系统包括：
第一数据通信计算机，用于在所述补加航天器和所述被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
根据本发明的一个方面，所述被补加计算机系统包括：
第二数据通信计算机，用于在所述补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
根据本发明的一个方面，所述FDIR系统包括：
故障检测模块，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
根据本发明的上述设计方法，可以实现对补加过程中故障的实时处置，极大提高了对补加故障的处置效率，将补加故障带来的影响减到最小，同时采用的FDIR技术可以实现航天器对故障的自主处置，并减少了地面飞控人员的工作量；
本发明的设计方法采用的FDIR技术可以自主对补加故障进行处置并进行系统重构，确保补加过程不因故障的出现而中断，保证了补加的连续性；
本发明的设计方法可以将补加过程中一个航天器的故障实时发送给对方航天器，并由对方航天器及时采取相应的处置措施，如推进剂输送过程中的补加口泄漏，实现了对补加故障影响范围的有效控制。
本发明的设计方法采用的FDIR技术使航天器具备了自主故障处置的能力，从而极大减少了补加过程对测控资源的依赖性，降低了测控网配置，降低了飞控工作的成本。
根据本发明的推进剂补加数据交互系统，在补加过程中两航天器间建立有线通信链路，并进行补加数据的实时交互，本航天器可以及时将自身的故障信息告知对方航天器，同时将原地面故障处置过程转移至航天器在轨自行处置，在轨实现航天器对推进剂补加过程的自主化控制，从而减少地面飞控人员对补加过程的参与。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统的结构布置图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的FDIR系统的结构布置图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法的流程图。如图1所示，根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法包括以下步骤：
a.对实现推进剂补加的补加航天器设计独立的补加计算机系统，对被补加航天器设计独立的被补加计算机系统；
b.待补加航天器和被补加航天器对接后，由补加计算机系统和被补加计算机系统进行通信数据的实时交互；
c.补加计算机系统和被补加计算机系统分别将各自采集的遥测数据以及通过交互得到的推进剂补加数据发送至FDIR系统，由FDIR系统根据接收到的数据对航天器补加状态进行故障检测并处理；
d.确认航天器补加状态正常时，推进剂补加满足设定限值时，由被补加航天器的被补加计算机系统指示补加航天器的补加计算机系统停止补加动作。
根据本发明的一种实施方式，补加计算机系统包括：第一数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
被补加计算机系统包括：
第二数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
根据本发明的一种实施方式，FDIR系统包括：
故障检测模块，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
图2示意性表示根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统的结构布置图。如图2所示，根据本发明的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统包括补加航天器A、被补加航天器B、补加计算机系统1、被补加计算机系统2以及FDIR系统3。在本发明中，补加计算机系统1通过对接数据总线与补加航天器A连接，被补加计算机系统2通过对接数据总线与被补加航天器B连接。FDIR系统与补加计算机系统1和被补加计算机系统2连接。
根据本发明的一种实施方式，补加计算机系统1包括：
第一数据通信计算机101，用于在所述补加航天器A和所述被补加航天器B对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机102，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机103，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
被补加计算机系统2包括：
第二数据通信计算机201，用于在所述补加航天器A和被补加航天器B对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机202，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机203，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
在本实施方式中，补加航天器A与被补加航天器B对接形成组合体后，由第一中心控制计算机103和第二中心控制计算机203分别向各自航天器发送指令打开对应的对接数据总线开关，建立对接数据总线的物理连接，对接数据总线连通后第一数据通信计算机101和第二数据通信计算机201按照约定的通信周期和数据格式将本航天器的数据内容发送给对方航天器，实现两航天器间补加数据的实时交互。两航天器间交互数据中定义了各自的补加故障模式类型、补加到位标志、本航天器补加关键参数等内容。
补加过程中，第一中心控制计算机103通过补加航天器A的内部数据总线采集第一补加控制计算机102的遥测数据并周期下传地面，并按时向第一补加控制计算机102发送补加控制命令，第一补加控制计算机102接收到第一中心控制计算机103的控制命令后进行解析并将控制命令发送给阀门、加热器等执行部件。
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的FDIR系统的结构布置图。如图3所示，在本实施方式中，FDIR系统3包括：
故障检测模块301，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块302，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块303，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库304，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
在本实施方式中，第一补加控制计算机102在补加过程中将自身采集的补加遥测数据，以及来自被补加航天器B的补加数据首先送FDIR系统3中的故障检测模块301，由故障检测模块301对自身补加状态及对方航天器的补加状态进行故障检测，当检测到故障时将具体故障信息发送给故障隔离模块302进行处理(若检测为自身故障，则同时将自身故障信息及时发送给第一数据通信计算机101，由第一数据通信计算机101通过对接数据总线发送给对方航天器，由对方航天器进行判断和处置)，故障隔离模块302读取补加故障数据库304(专家数据库)中内容对故障信息进行分析和定位，判断具体的故障类型，确定故障后立即执行相应的处置措施，终止故障的蔓延；处置完成后通知故障恢复模块303开启冗余的备份管路或设备，保证补加过程仍可继续执行。故障处置结束后发送给对方航天器的数据内容中的补加状态恢复为正常状态。
第二补加控制计算机202在补加过程中将自身采集的补加遥测数据，以及来自补加航天器A的补加数据首先送FDIR系统3中的故障检测模块301，由故障检测模块301对自身补加状态及对方航天器的补加状态进行故障检测，当检测到故障时将具体故障信息发送给故障隔离模块302进行处理(若检测为自身故障，则同时将自身故障信息及时发送给第二数据通信计算机201，由第二数据通信计算机201通过对接数据总线发送给对方航天器，由对方航天器进行判断和处置)，故障隔离模块302读取补加故障数据库304(专家数据库)中内容对故障信息进行分析和定位，判断具体的故障类型，确定故障后立即执行相应的处置措施，终止故障的蔓延；处置完成后通知故障恢复模块303开启冗余的备份管路或设备，保证补加过程仍可继续执行。故障处置结束后发送给对方航天器的数据内容中的补加状态恢复为正常状态。
补加过程正常工作状态下，当被补加航天器B的第二补加控制计算机202判断到补加的推进剂满足设定的限值时，通过第二数据通信计算机201向补加航天器A发送已经补加到位的交互数据信息，补加航天器A中的第一补加控制计算机102接收后立即发送控制命令关闭相应的补加管路阀门，停止向被补加航天器B输送推进剂。同时补加控制计算机202自动发送控制命令关闭本航天器的补加阀门，终止推进剂补加。
根据本发明的上述设计方法，可以实现对补加过程中故障的实时处置，极大提高了对补加故障的处置效率，将补加故障带来的影响减到最小，同时采用的FDIR技术可以实现航天器对故障的自主处置，并减少了地面飞控人员的工作量；
本发明的上述设计方法采用的FDIR技术可以自主对补加故障进行处置并进行系统重构，确保补加过程不因故障的出现而中断，保证了补加的连续性；
本发明的上述设计方法可以将补加过程中一个航天器的故障实时发送给对方航天器，并由对方航天器及时采取相应的处置措施，如推进剂输送过程中的补加口泄漏，实现了对补加故障影响范围的有效控制。
本发明的上述设计方法采用的FDIR技术使航天器具备了自主故障处置的能力，从而极大减少了补加过程对测控资源的依赖性，降低了测控网配置，降低了飞控工作的成本。
根据本发明的上述推进剂补加数据交互系统，在补加过程中两航天器间建立有线通信链路，并进行补加数据的实时交互，本航天器可以及时将自身的故障信息告知对方航天器，同时将原地面故障处置过程转移至航天器在轨自行处置，在轨实现航天器对推进剂补加过程的自主化控制，从而减少地面飞控人员对补加过程的参与。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法，包括以下步骤：
a.对实现推进剂补加的补加航天器设计独立的补加计算机系统，对被补加航天器设计独立的被补加计算机系统；
b.待补加航天器和被补加航天器对接后，由补加计算机系统和被补加计算机系统进行通信数据的实时交互；
c.补加计算机系统和被补加计算机系统分别将各自采集的遥测数据以及通过交互得到的推进剂补加数据发送至FDIR系统，由FDIR系统根据接收到的数据对航天器补加状态进行故障检测并处理；
d.确认航天器补加状态正常时，推进剂补加满足设定限值时，由被补加航天器的被补加计算机系统指示补加航天器的补加计算机系统停止补加动作。
2.根据权利要求1所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法，其特征在于，所述补加计算机系统包括：
第一数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
3.根据权利要求1或2所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法，其特征在于，所述被补加计算机系统包括：
第二数据通信计算机，用于在补加航天器和被补加航天器对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
4.根据权利要求1所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法，其特征在于，所述FDIR系统包括：
故障检测模块，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
5.一种根据权利要求1至4中任一项所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统设计方法设计的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统，其特征在于，包括：
补加航天器(A)；
补加计算机系统(1)，通过对接数据总线与所述补加航天器(A)连接；
被补加航天器(B)；
被补加计算机系统(2)，通过对接数据总线与所述被补加航天器(B)连接；
FDIR系统(3)，与所述补加计算机系统(1)和所述被补加计算机系统(2)连接。
6.根据权利要求5所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统，其特征在于，所述补加计算机系统(1)包括：
第一数据通信计算机(101)，用于在所述补加航天器(A)和所述被补加航天器(B)对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第一补加控制计算机(102)，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第一中心控制计算机(103)，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
7.根据权利要求5或6所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统，其特征在于，所述被补加计算机系统(2)包括：
第二数据通信计算机(201)，用于在所述补加航天器(A)和被补加航天器(B)对接形成组合体且对接数据总线链路连通后，周期性进行两航天器间的数据通信；
第二补加控制计算机(202)，用于对航天器的推进剂补加过程进行控制，包括采集传感器参数、向补加阀门/传感器发送控制命令和实现补加过程的FDIR功能，通过总线与数据通信计算机进行通信；
第二中心控制计算机(203)，用于通过航天器内部总线采集补加控制计算机的遥测数据，并向补加控制计算机发送指令信息。
8.根据权利要求5或6所述的基于FDIR技术的推进剂补加数据交互系统，其特征在于，所述FDIR系统(3)包括：
故障检测模块(301)，用于补加过程的故障检测，并发送故障信息给故障隔离模块；
故障隔离模块(302)，对补加故障信息进行分析，并定位故障源头，判断故障类型；
故障恢复模块(303)，采用重构和模式切换方式，将故障补加管路或设备替换为冗余的备份管路或设备；
补加故障数据库(304)，存储故障信息、对应的故障类型以及对应故障的恢复策略。
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