CN110320489B - 一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统 - Google Patents

一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统 Download PDF

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CN110320489B CN201910563192.XA CN201910563192A CN110320489B CN 110320489 B CN110320489 B CN 110320489B CN 201910563192 A CN201910563192 A CN 201910563192A CN 110320489 B CN110320489 B CN 110320489B
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Abstract

本发明公开了一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统,属于分布式阵列天线技术领域,包括以下步骤:S1:确定分布式阵列天线的种类;S2:推导出不同阵列天线的估角精度CRB计算方法并利用其对CRB进行计算;S3:衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度。本发明通过现有的均匀面阵的估角精度CRB的计算方法推导出规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线CRB的计算公式,能够方便对规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线的估角精度CRB分别进行计算,从而更好地衡量DOA估计算法的估角精度,以方便对DOA估计算法进行调整,进而更好的满足使用需求,值得被推广使用。

Description

一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统
技术领域
本发明涉及分布式阵列天线技术领域,具体涉及一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统。
背景技术
电磁波被广泛应用于雷达侦察、无线通信、卫星定位、天文探测等领域。人类不断追求更高分辨率、更大的辐射功率来达到更加精确的定位、更加遥远的探测距离等。对于远场目标而言,雷达的分辨率正比于天线的口径,人类为了实现高分辨率,会采用对应孔径较大的天线,因此大口径天线成为现代科技的主要研究对象。
传统的大口径天线如抛物面天线,虽然效率很高,但体积笨重,占地面积较大,机动性很差,并且制作成本较高以及后期不利于维护。阵列天线的出现较好地缓和了前面提到的问题,但对于一般的阵列天线,为了更好的分辨率和更大的辐射功率,一个阵列天线所需要的阵元数也是很多的,也会带来且机动性差的问题。此外,对于许多的大型载体平台,如卫星、飞机等,本身用来放天线的区域相对狭小甚至不连续,这就需要将阵列天线分布式布阵,因此分布式阵列天线就产生了。分布式阵列天线是一种阵列结构较为特殊的新体制天线阵列,其单元与单元的间距远大于半波长,单元为子阵形式的阵列天线。分布式阵列具有较大的增益和较高的测角分辨率,良好的性能和相对较低的成本,使其应用范围十分广泛。分布式阵列具有较好的经济性及拓展性、较高的机动性及灵活性。因此,分布式阵列天线成为主要研究对象。
阵列天线的DOA(Direction of Arrival)估计,又称为空间谱估计,来波角度估计,是作为接收阵列的一个重要研究方向,其广泛的应用于雷达侦察、声纳探测、网络通信等各个领域。对于一个来波信号,阵列中各个单元均接收到该信号,但由于阵元位置的差异导致各个单元接收的信号并不相同,DOA估计则是利用各个单元所接收到的不同信号构造方程进行求解,最终得到来波信号的角度信息。
分布式阵列天线作为阵列天线的一个特殊结构,其空间谱估计也是重要的研究方向。不同的DOA估计算法,估角精度也会有不同。DOA估计作为参数估计的一个方面,其CRB的计算对于衡量DOA估计算法存在重要的意义。P.Stoica与A.Nehorai推导了普通阵列结构下,其CRB的计算方法(Stoica P,Arye N.MUSIC,maximum likelihood,and Cramer-Raobound[J].IEEE Trans.acoust.speech Signal Process,1990,38(5):720-741.)。随着分布式阵列天线的应用,因为其阵列结构与普通阵列天线存在差异,所以需要对分布式阵列的CRB进行计算。特别是当多个同构子阵不规则排布时,需要对分布式阵列进行CRB(克拉美罗界)的计算,从而衡量其联合估角精度高低,以便对DOA估计算法进行调整。
克拉美罗界的计算不依赖具体的估计方式,它可以用来作为一个衡量估计方式好坏的标准,即估计量的方差越靠近克拉美罗界,效果越好。
现有技术存在的问题是:分布式阵列天线与传统的阵列天线的阵列结构存在差异,特别是当多个同构子阵不规则排布时,差异更加明显,现有的算法无法有效进行对分布式阵列的CRB计算,从而不方便对分布式阵列天线的DOA估计算法进行调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:针对分布式阵列天线,提供了一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的,本发明包括以下步骤:
S1:确定分布式阵列天线的种类
在衡量分布式阵列天线的估角精度时,首先要根据分布式阵列天线的子阵分布状态来确定分布式阵列天线的种类;
S2:推导出不同阵列天线的CRB计算方法并利用其对CRB进行计算
若确定分布式阵列天线的种类为均匀面阵时,则利用第一CRB计算公式对均匀面阵的CRB进行计算,若确定分布式阵列天线的种类为规则排布的多个同构面阵,则推导出第二CRB计算公式并利用其对规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算,若确定分布式阵列天线的种类为不规则排布的多个同构面阵,则推导出第三CRB计算公式并利用其对不规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算,第二CRB计算公式如下:
Figure BDA0002108818940000021
其中,ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000022
为K个源信号的矩阵,
Figure BDA0002108818940000023
D(ω)=[d(ω1),d(ω2),…,d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵,
第三CRB计算公式如下:
Figure BDA0002108818940000031
其中:ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000032
为K个源信号矩阵,
Figure BDA0002108818940000033
σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵;
S3:衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度
通过S2中计算公式计算得到当前阵列天线的CRB,从而衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度,并根据使用要求对当前阵列天线的DOA估计算法进行调整,重复步骤S2,直到满足对估角精度的要求后停止。
优选的,在所述步骤S1中,第一CRB计算公式如下:
Figure BDA0002108818940000034
其中ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000035
为K个源信号的矩阵,D(ω)=[d(ω1),d(ω2),…,d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵。
优选的,在所述步骤S2中,第二CRB计算公式的推导过程包括以下步骤:
S211:对于规则排布的多个同构面阵,其各子阵的结构大小相同,设单个导向矩阵表示为As,则As为:
Figure BDA0002108818940000036
其中θk
Figure BDA0002108818940000037
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角;
S212:设坐标原点是整个阵列的基准点,各子阵中距离基准点最近的阵元为对应子阵的基准点,各子阵基准点构成的导向矩阵表示为Ac,则Ac为:
Figure BDA0002108818940000038
S213:设X方向的子阵数目为I,Y方向的子阵数目为J,信号处于远场,则接收信号可以表示为:
Figure BDA0002108818940000041
其中:
Figure BDA0002108818940000042
称为矩阵的克罗内克积,则
Figure BDA0002108818940000043
Figure BDA0002108818940000044
表示为:
Figure BDA0002108818940000045
Figure BDA0002108818940000046
S214:将上述各项代入第一CRB计算公式中得到第二CRB计算公式。
优选的,在所述步骤S2中,第三CRB计算公式的推导过程包括以下步骤:
S221:整个接收天线阵元数目为M×N,θk
Figure BDA0002108818940000047
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角,设坐标原点是阵列的基准点,第k个信号到达第(m,n)个阵元与基准点所形成的波程差可以表示为:
Figure BDA0002108818940000048
则第v个子阵对于第k个源信号的导向矢量为:
Figure BDA0002108818940000049
第v个子阵导向矩阵为:
Figure BDA00021088189400000410
S222:对于不规则排布的多个同构面阵,第v个子阵对于第k个源信号导向矢量
Figure BDA00021088189400000411
为:
Figure BDA00021088189400000412
其中
Figure BDA00021088189400000413
xv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在x轴方向上投影的大小,yv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在y轴方向上投影的大小;
S223:则第v个子阵导向矩阵可以表示为:
Figure BDA0002108818940000051
其中:
Figure BDA0002108818940000052
对于非均匀分布式阵列,导向矩阵表示为:
Figure BDA0002108818940000053
S224:将上述各项代入第一CRB计算公式中得到第三CRB计算公式。
在所述步骤S3中,DOA估计算法是利用天线中各个子阵所接收到的不同信号构造方程进行求解以得到来波信号的角度信息。
一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量系统,包括:
天线种类判别模块,用于根据分布式阵列天线的子阵分布状态来确定分布式阵列天线的种类;
CRB计算模块,用于利用不同阵列天线估角精度的CRB计算方法并利用其对CRB进行计算;
估角精度衡量模块,用于衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度;
中央控制模块,用于控制上述各个模块完成相关动作;
所述天线种类判别模块、CRB计算模块、估角精度衡量模块均与中央控制模块电性连接。
本发明相比现有技术具有以下优点:该分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统,通过现有的均匀面阵的估角精度CRB的计算方法推导出规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线CRB的计算公式,能够方便对规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线的估角精度CRB分别进行计算,从而更好地衡量DOA估计算法的估角精度,以方便对DOA估计算法进行调整,进而满足使用需求。
附图说明
图1是本发明实施例一中分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法实施流程图;
图2是本发明实施例二中均匀面阵的平面结构模型;
图3是本发明实施例二中规则排布的分布式阵列的平面结构模型;
图4是本发明实施例二中不规则排布的分布式阵列的平面结构模型;
图5是本发明实施例二中不规则排布的分布式阵列中单个子阵的平面结构模型;
图6本发明实施例三的仿真结果图;
图7本发明实施例四的仿真结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示,本实施例提供一种技术方案:一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法,包括以下步骤:
S1:确定分布式阵列天线的种类
在衡量分布式阵列天线的估角精度时,首先要根据分布式阵列天线的子阵分布状态来确定分布式阵列天线的种类;
S2:推导出不同阵列天线的CRB计算方法并利用其对CRB进行计算
若确定分布式阵列天线的种类为均匀面阵时,则利用第一CRB计算公式对均匀面阵的CRB进行计算,若确定分布式阵列天线的种类为规则排布的多个同构面阵,则推导出第二CRB计算公式并利用其对规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算,若确定分布式阵列天线的种类为不规则排布的多个同构面阵,则推导出第三CRB计算公式并利用其对不规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算,第二CRB计算公式如下:
Figure BDA0002108818940000061
其中,ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000062
为K个源信号的矩阵,
Figure BDA0002108818940000063
D(ω)=[d(ω1),d(ω2),],d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵,
第三CRB计算公式如下:
Figure BDA0002108818940000064
其中:ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000065
为K个源信号矩阵,
Figure BDA0002108818940000071
σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵;
S3:衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度
通过S2中计算公式计算得到当前阵列天线的CRB,从而衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度,并根据使用要求对当前阵列天线的DOA估计算法进行调整,重复步骤S2,直到满足对估角精度的要求后停止。
本实施例还提供了一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量系统,包括:
天线种类判别模块,用于根据分布式阵列天线的子阵分布规格来确定分布式阵列天线的种类;
CRB计算模块,用于利用不同阵列天线估角精度的CRB计算方法并利用其对CRB进行计算;
估角精度衡量模块,用于衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度;
中央控制模块,用于控制上述各个模块完成相关动作;
所述天线种类判别模块、CRB计算模块、估角精度衡量模块均与中央控制模块电性连接。
实施例二
如图2所示,为均匀面阵的结构模型。假设X方向的阵元数目为M,Y方向的阵元数目为N,则整个接收天线阵元数目为M×N。假设相邻阵元X方向上的距离为dx,相邻阵元Y方向上的距离为dy。θk
Figure BDA0002108818940000072
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角。假设坐标原点是阵列的基准点,X轴和Y轴是阵列的基准线,第k个信号到达第(m,n)个阵元与基准点所形成的波程差可以表示为:
Figure BDA0002108818940000073
其中:λ为信号的波长,m=1,2,…,M-1,n=1,2,…,N-1。
可以假设:
Figure BDA0002108818940000074
当第k个信号到达天线阵时,在X方向所形成的导向矢量可以表示为:
Figure BDA0002108818940000081
K个入射信号入射到X方向的M个阵元的导向矩阵为:
Figure BDA0002108818940000082
同理可得,当第k个信号到达天线阵时,在Y方向所形成的导向矢量可以表示为:
Figure BDA0002108818940000083
K个入射信号入射到Y方向的N个阵元的导向矩阵为:
Figure BDA0002108818940000084
可以计算出当K个入射信号到达均匀面阵的导向矩阵为:
Figure BDA0002108818940000085
其中
Figure BDA0002108818940000086
如图3所示,为分布式阵列的平面结构模型,其中各子阵的结构大小相同。
因为各子阵的结构大小相同,假设各子阵的导向矩阵表示为As
Figure BDA0002108818940000087
假设坐标原点是整个阵列的基准点,各子阵中距离基准点最近的阵元为对应子阵的基准点。
各子阵基准点构成的导向矩阵表示为Ac
Figure BDA0002108818940000088
假设X方向的子阵数目为I,Y方向的子阵数目为J,信号处于远场,即源信号对各子阵的来波角度近似相等,则接收信号可以表示为:
Figure BDA0002108818940000089
其中:
Figure BDA00021088189400000810
称为矩阵的克罗内克积。
那么
Figure BDA0002108818940000091
可以表示为:
Figure BDA0002108818940000092
Figure BDA0002108818940000093
其CRB计算公式:
Figure BDA0002108818940000094
其中,ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000095
为K个源信号的矩阵,
Figure BDA0002108818940000096
D(ω)=[d(ω1),d(ω2),…,d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵。
如图4所示,为非均匀分布式阵列的平面结构模型,其中各子阵的结构大小相同。
如图5所示,为非均匀分布式阵列中单个子阵的平面结构模型。
整个接收天线阵元数目为M×N。θk
Figure BDA0002108818940000097
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角。假设坐标原点是阵列的基准点,第k个信号到达第(m,n)个阵元与基准点所形成的波程差可以表示为:
Figure BDA0002108818940000098
第v个子阵对于第k个源信号的导向矢量可以表示为:
Figure BDA0002108818940000099
第v个子阵导向矩阵可以表示为:
Figure BDA00021088189400000910
对于如图4中坐标轴原点作为基准点,第v个子阵对于第k个源信号导向矢量
Figure BDA00021088189400000911
可以表示为:
Figure BDA0002108818940000101
其中:
Figure BDA0002108818940000102
xv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在x轴方向上投影的大小。yv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在y轴方向上投影的大小。
对于如图4中坐标轴原点作为基准点,第v个子阵导向矩阵可以表示为:
Figure BDA0002108818940000103
其中,
Figure BDA0002108818940000104
对于非均匀分布式阵列,导向矩阵可以表示为:
Figure BDA0002108818940000105
其CRB计算公式:
Figure BDA0002108818940000106
其中:ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure BDA0002108818940000107
为K个源信号矩阵,
Figure BDA0002108818940000108
σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵。
实施例三
为了评估本发明的性能,做了如下仿真实验。
在本实施例的仿真实验中:
单个阵元接收信号信噪比为-35dB至-25dB,快拍数为500;
单个阵列:M=N=32,dx=dy=λ/2;
分布式阵列:I=J=2,Dx=Dy=1000m;
源信号方向:θ=30°,
Figure BDA0002108818940000111
如图6所示,由图中可以看出:随着单个阵元接收信号信噪比的增加,分布式阵列天线的估角精度增加。
实施例四
为了评估本发明的性能,做了如下仿真实验。
在本实施例的仿真实验中:
单个阵元接收信号信噪比为-31,快拍数为500;
单个阵列:M=N=32,dx=dy=λ2;
分布式阵列:I=J=2,Dx=Dy=100:100:1000m;
源信号方向:θ=30°,
Figure BDA0002108818940000112
如图7所示,由图中可以看出:随着分布式阵列的子阵间距的增加,分布式阵列天线的估角精度增加。
综上所述,上述各实施例的分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法及系统,通过现有的均匀面阵的估角精度CRB的计算方法推导出规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线CRB的计算公式,能够方便对规则排布以及不规则排布的分布式阵列天线的估角精度CRB分别进行计算,从而更好地衡量DOA估计算法的估角精度,以方便对DOA估计算法进行调整,进而满足使用需求,值得被推广使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:确定分布式阵列天线的种类
根据分布式阵列天线的子阵分布状态来确定分布式阵列天线的种类;
S2:推导出不同阵列天线的估角精度CRB计算方法并利用其对CRB进行计算
若确定分布式阵列天线的种类为均匀面阵时,则利用第一CRB计算公式对均匀面阵的CRB进行计算;
若确定分布式阵列天线的种类为规则排布的多个同构面阵,则推导出第二CRB计算公式并利用其对规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算;
若确定分布式阵列天线的种类为不规则排布的多个同构面阵,则推导出第三CRB计算公式并利用其对不规则排布的多个同构面阵的CRB进行计算;
第二CRB计算公式如下:
Figure FDA0003344195220000011
其中,ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure FDA0003344195220000012
为K个源信号的矩阵,
Figure FDA0003344195220000013
D(ω)=[d(ω1),d(ω2),…,d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵;
第三CRB计算公式如下:
Figure FDA0003344195220000014
其中:ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure FDA0003344195220000015
为K个源信号矩阵,
Figure FDA0003344195220000016
σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵;
S3:衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度
通过S2中计算公式计算得到当前阵列天线的CRB,衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度,并根据使用要求对当前阵列天线的DOA估计算法进行调整,重复步骤S2,直到满足对估角精度的要求后停止;
在所述步骤S1中,第一CRB计算公式如下:
Figure FDA0003344195220000021
其中ω=[ω12,…,ωK]T为待估计参数,
Figure FDA0003344195220000022
为K个源信号的矩阵,D(ω)=[d(ω1),d(ω2),…,d(ωK)],d(ωk)=da(ωk)/dωk,σ为高斯信道的噪声方差,L为信号的快拍数,I为单位矩阵;
在所述步骤S2中,第二CRB计算公式的推导过程包括以下步骤:
S211:对于规则排布的多个同构面阵,其各子阵的结构大小相同,设单个导向矩阵表示为As,则As为:
Figure FDA0003344195220000023
其中θk
Figure FDA0003344195220000024
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角;
S212:设坐标原点是整个阵列的基准点,各子阵中距离基准点最近的阵元为对应子阵的基准点,各子阵基准点构成的导向矩阵表示为Ac,则Ac为:
Figure FDA0003344195220000025
S213:设X方向的子阵数目为I,Y方向的子阵数目为J,信号处于远场,则接收信号可以表示为:
Figure FDA0003344195220000026
其中:
Figure FDA0003344195220000027
称为矩阵的克罗内克积,则
Figure FDA0003344195220000028
Figure FDA0003344195220000031
表示为:
Figure FDA0003344195220000032
Figure FDA0003344195220000033
S214:将上述各项代入第一CRB计算公式中得到第二CRB计算公式;
在所述步骤S2中,第三CRB计算公式的推导过程包括以下步骤:
S221:整个接收天线阵元数目为M×N,θk
Figure FDA0003344195220000034
分别代表第k个信号源入射天线阵列形成的俯仰角和方位角,设坐标原点是阵列的基准点,第k个信号到达第(m,n)个阵元与基准点所形成的波程差可以表示为:
Figure FDA0003344195220000035
则第v个子阵对于第k个源信号的导向矢量为:
Figure FDA0003344195220000036
第v个子阵导向矩阵为:
Figure FDA0003344195220000037
S222:对于不规则排布的多个同构面阵,第v个子阵对于第k个源信号导向矢量
Figure FDA0003344195220000038
为:
Figure FDA0003344195220000039
其中
Figure FDA00033441952200000310
xv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在x轴方向上投影的大小,yv表示第v子阵的基准点对于坐标原点的距离在y轴方向上投影的大小;
S223:则第v个子阵导向矩阵可以表示为:
Figure FDA00033441952200000311
其中:
Figure FDA00033441952200000312
对于非均匀分布式阵列,导向矩阵表示为:
Figure FDA0003344195220000041
S224:将上述各项代入第一CRB计算公式中得到第三CRB计算公式。
2.根据权利要求1所述的一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量方法,其特征在于:在所述步骤S3中,DOA估计算法是利用天线中各个子阵所接收到的不同信号构造方程进行求解以得到来波信号的角度信息。
3.一种分布式同构面阵联合估角精度的衡量系统,其特征在于,采用权利要求2所述的衡量方法对分布式同构面阵联合估角精度进行衡量,包括:
天线种类判别模块,用于根据分布式阵列天线的子阵分布状态来确定分布式阵列天线的种类;
CRB计算模块,用于利用不同阵列天线估角精度的CRB计算方法并利用其对CRB进行计算;
估角精度衡量模块,用于衡量当前阵列天线的DOA估计算法的估角精度;
中央控制模块,用于控制上述各个模块完成相关动作;
所述天线种类判别模块、CRB计算模块、估角精度衡量模块均与中央控制模块电性连接。
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