CN110462708A - 航空器飞行包线保护和恢复自动驾驶仪 - Google Patents

航空器飞行包线保护和恢复自动驾驶仪 Download PDF

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Abstract

提供了系统和航空器。用于航空器的航空电子系统包括：轨迹选择模块，其被配置为选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径；轨迹飞行状况模块，其被配置为评估航空器沿着潜在航空器路径的建模飞行状况；极限比较模块，其被配置为确定所述建模飞行状况是否违反航空器极限；违反指示模块，其被配置为生成迫近违反的指示。

Description

航空器飞行包线保护和恢复自动驾驶仪
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月27日提交的美国专利申请No.15/470,776的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及航空器飞行包线保护系统，并且更具体地涉及对潜在航空器轨迹建模并测试该轨迹是否违反航空器极限的航空器飞行包线保护系统。
背景技术
航空器被设计成在航空器的控制表面上在一定的运行速度和负荷内运行。这些运行极限称为飞行包线(flight envelope)，在该飞行包线之外可能会损失或丧失对航空器的控制。为了防止在飞行包线外运行，传统的航空器利用许多不同的系统来评估航空器的各个方面，以确定航空器是否在飞行包线外运行或者是否有可能在当前飞行路径上与地面相撞。然而这些传统系统具有在于妨碍完全的包线保护的局限性。
此外，这些传统系统通常基于起落架是否放下或者通过飞行员命令而针对着陆被禁用。然而针对着陆禁用这些系统会使航空器在着陆期间丧失飞行包线保护。
因此，期望提供在飞行期间和着陆期间提供更大的飞行包线保护的系统和航空器。此外，结合附图以及前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和所附权利要求，本发明的其他期望特征和特点将变得显而易见。
发明内容
提供用于飞行包线保护的系统和航空器。在第一非极限性实施例中，一种航空电子系统包括但不限于：轨迹选择模块，其被配置为选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径；轨迹飞行状况模块，其被配置为估计航空器沿着所述潜在航空器路径的建模飞行状况；极限比较模块，其被配置为确定所建模飞行状况是否违反航空器极限；以及违反指示模块，其被配置为生成迫近违反的指示。
在第二非极限性实施例中，一种航空器包括但不限于：传感器系统，其被配置为提供航空器飞行状况数据；致动器系统，其被配置为操纵所述航空器的控制表面；以及控制系统。所述控制系统包括：轨迹选择模块，其被配置为选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径；轨迹飞行状况模块，其被配置为估计所述航空器沿着所述潜在航空器路径的建模飞行状况；极限比较模块，其被配置为确定所述建模飞行状况是否违反航空器极限；以及违反指示模块，其被配置为生成迫近违反的指示。
附图说明
本发明的优点将易于理解，因为当结合附图考虑以下详细描述时，将会更好地理解本发明，其中：
图1是示出根据各种实施例的具有控制系统的航空器的示意图；和
图2是示出根据各种实施例的图1的航空器的控制系统的数据流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在极限应用和使用。此外，无意受在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示的理论约束。如本文所使用，术语模块是指任何硬件、软件、固件、电子控制部件、处理逻辑和/或处理器装置，单独地或以任何组合，包括但不限于：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或成组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适部件。
在此可以根据功能和/或逻辑块部件以及各种处理步骤来描述本公开的实施例。应当理解，可以通过被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件来实现这样的块部件。例如，本公开的实施例可以采用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行各种功能。另外，本领域技术人员将认识到，可以结合任何数量的系统来实践本公开的实施例，并且本文描述的系统仅仅是本公开的示例性实施例。
为了简洁起见，与信号处理、数据传输、信令、控制和系统的其他功能方面(以及系统的各个运行部件)有关的传统技术在这里可以不进行详细描述。此外，本文包含的各个附图中所示的连接线旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理连接。应当注意，在本公开的实施例中可以存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。
本文公开的各种实施例描述了实现轨迹预测算法(Trajectory PredictionAlgorithm,TPA)和恢复自动驾驶仪的系统。TPA对各种可能的恢复轨迹进行建模，并针对航空器极限和地形(terrain)许可测试这些轨迹。恢复轨迹表示将潜在地引导航空器远离迫近的违反航空器极限或地形冲突的飞行路径。如果轨迹违反极限，则该轨迹将被排除并且不被使用。当只有一个可能的恢复可用并且该恢复接近极限时，TPA将触发恢复自动驾驶仪以启动该恢复，从而避免迫近的包线超标或地形冲突。利用多个轨迹来避免错误警告。例如，如果可以使用向右转弯来避开地形，但是系统未对向右转弯建模，则当直线行驶轨迹与地形相交时，系统将触发恢复。如果机组人员安全地计划右转弯，则当存在安全路线时，不必要地激活系统将是一件令人讨厌的事情。TPA使用当前的航空器性能从当前航空器状态开始对恢复进行建模。例如，TPA使用基于环境温度和发动机故障状态的能量建模。恢复自动驾驶仪在被触发后控制航空器并执行定向恢复。
现在参考图1，图1示出了根据一些实施例的航空器100的示例。航空器100包括控制系统110、传感器系统112和致动器系统114以及其他系统。尽管在本说明书中将航空器100描述为飞机，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，控制系统110可以用于其他航空器、陆地车辆、水上车辆、航天器或其他机械中。例如，控制系统110可以用于潜艇、直升机、飞艇、航天器或汽车中。
控制系统110是航空电子系统，其被配置为操作航空器100并评估各种轨迹120a-f，如将在下面进一步详细描述的。传感器系统112包括一个或多个感测装置，用于感测航空器100的外部环境、内部环境或航空器100的运行状况和状态的可观测状况。例如，传感器系统112可以包括加速度计、陀螺仪、雷达(RADAR)、激光雷达(LIDAR)、全球定位系统、光学相机、热像仪、超声传感器和/或其他传感器。
致动器系统114包括用于控制一个或多个交通工具特征的一个或多个致动器装置。例如，致动器系统114可以包括用于操纵航空器100上的控制表面、伸出或缩回航空器100的起落架和/或移动航空器100的其他部件的致动器。
现在参考图2，并继续参考图1，图2示出了根据一些实施例的控制系统110。控制系统110包括至少一个处理器和计算机可读存储装置或介质。处理器可以是任何定制的或可商购的处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、与控制系统110相关联的多个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(形式为微芯片、芯片组)、宏处理器，它们的任意组合或通常用于执行指令的任何装置。例如，计算机可读存储装置或介质可以在只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保持活性存储器(KAM)中包括易失性和非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可以使用任何数量的已知存储装置来实现，如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或能够存储数据的任何其他电、磁、光或组合存储装置，其中一些数据代表控制系统110在控制航空器100时使用的可执行指令。
指令可以包括一个或多个单独的程序，每个程序包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。指令在由处理器执行时，接收并处理来自传感器系统的信号，执行用于自动控制航空器100的部件的逻辑、计算、方法和/或算法，并生成控制信号，以使致动器系统114基于所述逻辑、计算、方法和/或算法自动控制航空器100的部件。尽管在图1和图2中仅示出了一个控制系统110，但是航空器100的实施例可以包括通过任何合适的通信介质或通信介质的组合进行通信并且合作以处理传感器信号，执行逻辑、计算、方法和/或算法，并生成控制信号以自动控制航空器100的特征的任何数量的控制系统110。在各种实施例中，控制系统的一个或多个指令在由处理器执行时，对航空器的可能的恢复进行建模，并针对马赫极限、校准空速极限、攻角极限和地形冲突测试这些恢复。
在所提供的示例中，控制系统110包括飞行管理系统205、潜在路径生成模块210、轨迹选择模块215、轨迹飞行状况模块220、地形数据库221、爬升能力数据库223、航空器极限数据库224、极限比较模块225、违反指示模块230和恢复自动驾驶仪模块235。
如本领域普通技术人员将理解的，飞行管理系统205(FMS 205)管理飞行计划。在所提供的示例中，当航空器100的飞行计划/许可指示潜在着陆时，FMS 205生成潜在着陆指示器305。例如，当在FMS 205中将机场输入为航点时，则FMS 205可以在航空器100接近机场航点时生成潜在着陆指示器305。应当理解，可以利用其他标准和模块来生成潜在着陆指示器305。例如，当起落架伸出时，当跑道在距航空器100的阈值距离之内时，或者当提示飞行机组人员可以试图降落航空器100的其他条件被满足时，其他模块可以生成潜在着陆指示器305。
潜在路径生成模块210被配置为生成多个轨迹310，轨迹选择模块215从多个轨迹310中选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径。当其他潜在路径变得不合需要时，每个潜在航空器路径对应于航空器可以飞行的潜在恢复轨迹。
在所提供的示例中，潜在路径生成模块210被配置为生成所述多个轨迹以覆盖用于潜在逃逸恢复的至少六个不同方向，如轨迹120a-f。例如，轨迹310可以包括直行路径、直爬路径、左爬路径、右爬路径、左降路径和右降路径。如本领域普通技术人员将理解的，当处于高机头状况时，危险的低速危害是最显著的，而在低机头状况时超速危害是最显著的，因此对高机头恢复和低机头恢复进行建模，以提供完整的包线保护。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用附加或替代的路径。
在所提供的示例中，如本领域普通技术人员将理解的，潜在路径生成模块210使用在倾斜角和机头高姿态的严重性之间的平衡来生成左倾斜轨迹和右倾斜轨迹。在机头低的情况下，消除航空器倾斜有助于恢复，但在机头高的情况下，增加倾斜有助于恢复。这种平衡基于飞行员的意愿。例如，如果航空器的机头仅略高一些，那么完全无倾斜可能是最合适的恢复。大多数飞行员会平衡所使用的倾斜量与机头高恢复的严重性，以使恢复的终结平滑。潜在路径生成模块210基于在机头低和机头高的情况之间没有冲突的情况下创建最平滑的可能的恢复来平衡倾斜角。
潜在路径生成模块210还被配置为响应于潜在着陆指示器而生成所述多个轨迹的着陆路径。通过包括该着陆路径，即使在着陆期间，控制系统110也可以继续如下所述操作而不会禁用轨迹评估。控制系统110通过使用“安全着陆禁止”在到达跑道的全程保持活性。当航空器靠近跑道的进场端时，如果指示安全着陆，则系统将被禁止命令针对地面碰撞威胁的恢复。换句话说，虽然着陆路径没有违反极限，但着陆路径可供飞行员起飞。该禁止利用(leverages)了传统跑道超限保护系统的功能，以识别安全进场跑道。不安全进场将不会被禁止，并且会保留完整的保护。
轨迹选择模块215被配置为选择轨迹310中的潜在航空器路径315，以供轨迹飞行状况模块进行评估。在所提供的示例中，轨迹选择模块215依次评估轨迹310中的每个潜在航空器路径，并且被配置为在完成对先前潜在路径的评估之后，选择多个轨迹中的下一连续轨迹作为潜在航空器路径。轨迹选择模块215选择轨迹310中的每个潜在路径以完全评估航空器100可以采取的每个潜在路径。
轨迹飞行状况模块220被配置为估计沿着潜在航空器路径的航空器的建模飞行状况317。建模飞行状况可以指示可以用于确定航空器100是否违反航空器极限的空速、俯仰、滚转(roll)、偏摆(yaw)以及其他状况。在所提供的示例中，轨迹飞行状况模块220包括垂直速度模块240、能量状态模块245、空速预测模块250和地形冲突模块255。轨迹飞行状况模块220从传感器系统112接收传感器数据316。
垂直速度模块240被配置为计算航空器在潜在航空器路径上的垂直速度。例如，垂直速度模块240可以基于由传感器系统112提供的矢量速度和下降角来计算垂直速度。
能量状态模块245被配置为计算航空器在潜在航空器路径上的能量状态。能量建模允许准确预测沿着潜在航空器路径的马赫数、空速和攻角。比实时更快地执行的多个轨迹可能会给处理器增加负担，因此可以使用简单、准确且快速的算法来执行能量建模。
能量状态模块245还被配置为基于航空器在全功率时的爬升速率和航空器在空闲功率时的下降速率来计算能量状态。具体地，能量状态模块245利用两个参数之间的插值。第一个参数是全功率时的爬升速率，第二个参数是空闲功率时的下降速率。这两个参数限定了航空器能量增益/损耗的整个范围。使用表查找或基于当前配置和飞行状况的简化建模来计算这些参数。
能量状态模块245还被配置为基于航空器的当前功率设置、航空器的当前功率能力、航空器上的速刹位置、航空器的起落架和襟翼设置、以及航空器的发动机健康状况来计算能量状态。例如，能量状态模块245可以通过在特定温度或其他状况时在最大爬升速率和空闲功率下降速率之间进行插值并考虑航空器配置来预测航空器100的未来能量状态。这种预测能量状态的能力允许在机头高或机头低恢复与稳定爬升最终阶段之间准确过渡。通过至少部分地基于发动机故障状态利用最大爬升速率和空闲下降速率，控制系统110提供所有发动机是否正在运行或者是否发生发动机故障的准确预测。由于机头高恢复或机头低恢复与最终阶段爬升之间的过渡由能量状态确定，因此即使在机头低时，控制系统110也可以准确地对机头高恢复进行建模。例如，如果在单发动机服务上限之上的水平飞行中并且当接近航空器极限时发动机发生故障，则即使机头处于水平或机头低，控制系统110也将预测并执行机头高恢复。这是因为在单发动机服务上限以上的水平飞行中，航空器能量不足，甚至应该下降以避免地形。在一些实施例中，系统使用恒定能量平面和恒定高度来区分机头高异常姿态和机头低异常姿态。因此，如本领域普通技术人员将理解的，控制系统110可以在航空器正在进行单发动机向下漂移操纵时准确地避免在航空器的单发动机服务上限以上的地形。
空速预测模块250被配置为基于垂直速度和能量状态估计航空器在潜在航空器路径上的空速。例如，空速预测模块250可以找到爬升能力和垂直速度之间的差，然后使用油门位置来计算空速的变化。
在一些实施例中，通过循环以下算法来评估每个轨迹：
地形数据库221存储地形数据320，以供地形冲突模块255使用。例如，地形数据库221可利用指示地形的高度和位置的可商购的传统地形数据。地形冲突模块255被配置为确定潜在航空器路径是否指示地形冲突。
爬升能力数据库223存储爬升能力数据325。在提供的示例中，爬升能力数据325是在特定状况时，如特定温度和高度，航空器100的全功率的爬升速率和空闲功率的下降速率。
航空器极限数据库224存储航空器极限数据330。如本文中所使用的，术语“航空器极限”是指飞行状况极限，如马赫数极限、最大空速极限、最小空速极限、攻角极限、以及航空器性能的其他类似极限。如本文所使用的，术语“航空器极限”特别排除地形冲突。
在所提供的示例中，预定的乘客舒适极限是航空器极限。例如，该极限足够激进以免造成麻烦，但仍可提供保护，同时防止对未系安全带(unsecured)的乘客造成伤害。这种恢复依赖于自动驾驶之类的操纵，滚转启动速率受限并且g载荷有限，以防止机舱内出现大的横向和纵向加速度。在恢复期间使用倾斜有助于最大程度地减少不必要的麻烦，而不会给乘客带来额外的加速度。
在一些实施例中，航空器能力极限是航空器极限。例如，与乘客舒适极限所允许的相比，航空器能力极限允许更大的加速度和负载。
极限比较模块225被配置为确定建模飞行状况是否违反航空器极限。例如，如果沿着潜在路径的航空器100的空速被指示为超过航空器极限的最大空速，则极限比较模块225将确定建模飞行状况违反了航空器极限。
违背指示模块230被配置为基于极限比较来产生迫近违反的指示335。在所提供的示例中，违反指示模块230还被配置为基于地形冲突生成迫近违反的指示。在一些实施例中，可以通过在航空器100的驾驶舱中的显示器上的视觉表示来将迫近违反的指示335传达给飞行机组人员。
恢复自动驾驶仪模块235被配置为响应于所选轨迹是多个轨迹中不具有违反指示的最后轨迹，沿着所选轨迹引导航空器。例如，如果六个建模轨迹中的五个具有违反指示，则当轨迹具有迫近违反的指示时，恢复自动驾驶仪模块235将命令航空器100沿着剩下的一个建模轨迹飞行。为了命令该飞行，恢复自动驾驶仪模块235可以将控制命令340发送到致动器系统114以操纵航空器100的控制表面。
如本领域普通技术人员将理解的，如果航空器在处于极端倾斜角时由于风切变或使航空器处于接近倒置状态的其他因素而经历严重不明状态(upset)，则控制系统110被配置为通过为每个方向生成潜在路径来确定哪种方法能滚转出(roll out)以进行恢复。例如，如果处于右倾斜但接近倒置并且仍在向右滚转动，则控制系统110将评估从倒置姿态滚转(roll through)到机翼水平的潜在路径。然后，控制系统110开始机头低恢复，使滚转停止并在短的(shorted)方向上启动滚转以开始恢复。通过命令所选轨迹，控制系统110确保所评估的轨迹是航空器100飞行的恢复。例如，当恢复轨迹预测滚转恢复时，恢复自动驾驶仪执行滚转恢复而不是非滚转恢复。
在所提供的示例中，恢复自动驾驶仪模块235被配置为使用以下算法引导航空器：
尽管在以上详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施方式仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施一个或多个示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于航空器的航空电子系统，所述航空电子系统包括：
轨迹选择模块，其被配置为选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径；
轨迹飞行状况模块，其被配置为估计所述航空器沿着所述潜在航空器路径的建模飞行状况；
极限比较模块，其被配置为确定所建模飞行状况是否违反航空器极限；以及
违反指示模块，其被配置为生成迫近违反的指示。
2.根据权利要求1所述的航空电子系统，其中所述轨迹飞行状况模块包括：
垂直速度模块，其被配置为计算所述航空器在所述潜在航空器路径上的垂直速度；
能量状态模块，其被配置为计算所述航空器在所述潜在航空器路径上的能量状态；
空速预测模块，其被配置为基于所述垂直速度和所述能量状态估计所述航空器在所述潜在航空器路径上的空速。
3.根据权利要求2所述的航空电子系统，其中所述能量状态模块还被配置为基于所述航空器在全功率时的爬升速率和所述航空器在空闲功率时的下降速率计算所述能量状态。
4.根据权利要求3所述的航空电子系统，其中所述能量状态模块还被配置为基于所述航空器的当前功率设置、所述航空器的当前功率能力、所述航空器上的速刹位置、起落架设置、襟翼设置和所述航空器的发动机健康状况计算所述能量状态。
5.根据权利要求1所述的航空电子系统，还包括潜在路径生成模块，所述潜在路径生成模块被配置为生成多个轨迹，所述轨迹选择模块从所述多个轨迹中选择所述潜在航空器路径，其中所述轨迹选择模块被配置为在完成对前一潜在路径的评估之后，选择所述多个轨迹中的下一连续轨迹作为所述潜在航空器路径。
6.根据权利要求5所述的航空电子系统，其中所述潜在路径生成模块还被配置为生成所述多个轨迹，以覆盖用于潜在逃逸恢复的至少六个不同方向。
7.根据权利要求5所述的航空电子系统，其中所述潜在路径生成模块还被配置为响应于潜在着陆指示器而生成所述多个轨迹中的着陆路径，其中所述极限比较模块被配置为确定所述航空器遵循所述着陆路径是否将违反所述航空器极限。
8.根据权利要求7所述的航空电子系统，还包括恢复自动驾驶仪，所述恢复自动驾驶仪被配置为响应于所述潜在航空器路径是所述多个轨迹中不具有违反指示的最后轨迹，沿着所述潜在航空器路径引导所述航空器。
9.根据权利要求1所述的航空电子系统，其中所述极限比较模块被配置为确定所述建模飞行状况是否违反作为所述航空器极限的预定乘客舒适极限。
10.根据权利要求1所述的航空电子系统，其中所述极限比较模块被配置为确定所述建模飞行状况是否违反作为所述航空器极限的能力极限。
11.根据权利要求1所述的航空电子系统，还包括地形冲突模块，所述地形冲突模块被配置为确定所述潜在航空器路径是否指示地形冲突，并且其中所述违反指示模块还被配置为基于所述地形冲突生成所述迫近违反的指示。
12.一种航空器，包括：
传感器系统，其被配置为提供航空器飞行状况数据；
致动器系统，其被配置为操纵所述航空器的控制表面；以及
控制系统，其包括：
轨迹选择模块，其被配置为选择相对于当前航空器飞行状况的潜在航空器路径；
轨迹飞行状况模块，其被配置为估计所述航空器沿着所述潜在航空器路径的建模飞行状况；
极限比较模块，其被配置为确定所述建模飞行状况是否违反航空器极限；以及
违反指示模块，其被配置为生成迫近违反的指示。
13.根据权利要求12所述的航空器，其中所述轨迹飞行状况模块包括：
垂直速度模块，其被配置为计算所述航空器在所述潜在航空器路径上的垂直速度；
能量状态模块，其被配置为计算所述航空器在所述潜在航空器路径上的能量状态；
空速预测模块，其被配置为基于所述垂直速度和所述能量状态估计所述航空器在所述潜在航空器路径上的空速。
14.根据权利要求13所述的航空器，其中所述能量状态模块还被配置为基于所述航空器在全功率时的爬升速率和所述航空器在空闲功率时的下降速率计算所述能量状态。
15.根据权利要求14所述的航空器，其中所述能量状态模块还被配置为基于所述航空器的当前功率设置、所述航空器的当前功率能力、所述航空器上的速刹位置、起落架设置、襟翼设置和所述航空器的发动机健康状况计算所述能量状态。
16.根据权利要求12所述的航空器，其中，所述控制系统还包括潜在路径生成模块，所述潜在路径生成模块被配置为生成多个轨迹，所述轨迹选择模块从所述多个轨迹中选择所述潜在航空器路径，其中所述轨迹选择模块被配置为在完成对前一潜在路径的评估之后，选择所述多个轨迹中的下一连续轨迹作为所述潜在航空器路径。
17.根据权利要求16所述的航空器，其中所述潜在路径生成模块还被配置为生成所述多个轨迹，以覆盖用于潜在逃逸恢复的至少六个不同方向。
18.根据权利要求16所述的航空器，其中所述潜在路径生成模块还被配置为响应于潜在着陆指示器而生成所述多个轨迹中的着陆路径，其中所述极限比较模块被配置为确定所述航空器遵循所述着陆路径是否将违反所述航空器极限。
19.根据权利要求18所述的航空器，其中所述控制系统还包括恢复自动驾驶仪，所述恢复自动驾驶仪被配置为响应于所述潜在航空器路径是所述多个轨迹中不具有违反指示的最后轨迹，沿着所述潜在航空器路径引导所述航空器。
20.根据权利要求12所述的航空器，其中所述极限比较模块被配置为确定所述建模飞行状况是否违反作为所述航空器极限的预定乘客舒适极限。
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