CN111123331A - 一种北斗导航伪距监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种北斗卫星导航伪距监测方法及系统,其通过依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计,依据时间累计数值进行伪距计算得到第一伪距计算值;对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,利用α‑β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距,从而能够显著提高导航电文的同步处理时间,精确判断出错状态并降低同步错误率,因而尤其适用于BD2导航系统的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于北斗导航领域,具体涉及一种北斗导航伪距监测方法及系统。
背景技术
全球导航卫星系统主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo,以及中国的北斗系统等。其中,北斗二代(BD2)系统作为我国自主控制的全天候、高精度和宽覆盖的卫星导航系统,具备与GPS相当的定位能力,并在可信度和抗干扰性能表现优异。
常用的接收机定位方法是伪距定位法,即接收机内部通过复制卫星的载波信号、伪码信号对卫星进行捕获和跟踪,并根据不同卫星的信号调制方法对伪码信号进行位同步和帧同步,得到对应通道接收信号的发射时间(整毫秒级别),结合接收机内部的伪码NCO(小于1毫秒级别)的技术值计算出卫星发射时间,接收机本地时间减去发射时间再乘以光速即可计算出伪距。由于伪距是有接收机内部通过电文解析、伪码复制、跟踪环路计算等方法获得,必然会出现伪距计算错误的情况,接收机普遍采用的接收机自主完好性算法也仅仅能够剔除伪距误差较大的卫星,且其剔除故障卫星个数的能力有限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种北斗卫星导航伪距监测方法及系统,其通过依据卫星导航电文计算得到第一伪距计算值,再依次进行对北斗卫星接收机跟踪通道时间进校准,利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波并进行校验,利用多元滤波器进行滤波并进行校验,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距,从而能够显著提高导航电文的同步处理时间,精确判断出错状态并降低同步错误率,因而尤其适用于BD2导航系统的应用场合。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种北斗卫星导航伪距监测方法,包括如下步骤:
S1.北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;
S2.对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值;
S3.利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
S4.利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
作为本发明的进一步改进,依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
作为本发明的进一步改进,步骤S2还包括:通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步可获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间。
作为本发明的进一步改进,利用多元滤波器进行载波相位计算具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒信号计算两个历元之间的载波相位。
作为本发明的进一步改进,该方法还包括如下步骤:通过接收机的自主完好性监测算法剔除存在故障的卫星,保障参与定位的卫星伪距的准确性。
为实现上述目的,按照本发明的另一个方面,提供了一种北斗卫星导航伪距监测系统,其包括依次连接的伪距参数初始化单元、伪距计算单元、伪距参数定时监测单元、伪距跳变监测单元和载波相位平滑伪距单元,伪距参数初始化单元连接北斗卫星接收机的跟踪通道,
伪距参数初始化单元用于北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;
伪距计算单元用于依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;
伪距参数定时监测单元用于对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值给伪距跳变监测单元;
伪距跳变监测单元用于利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
载波相位平滑伪距单元用于利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
作为本发明的进一步改进,依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
作为本发明的进一步改进,伪距参数定时监测单元还用于通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步可获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间。
作为本发明的进一步改进,利用多元滤波器进行载波相位计算具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒信号计算两个历元之间的载波相位。
作为本发明的进一步改进,该系统还包括自主完好性监测单元,所述自主完好性监测单元用于通过接收机的自主完好性监测算法剔除存在故障的卫星,保障参与定位的卫星伪距的准确性。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
本发明的一种北斗卫星导航伪距监测方法及系统,其通过依据卫星导航电文计算得到第一伪距计算值,再依次进行对北斗卫星接收机跟踪通道时间进校准,利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波并进行校验,利用多元滤波器进行滤波并进行校验,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距,从而能够显著提高导航电文的同步处理时间,精确判断出错状态并降低同步错误率,可用于实时识别多种原因导致的伪距错误,避免因伪距错误而造成接收机定位错误,因而尤其适用于BD2导航系统的应用场合。
本发明的一种北斗卫星导航伪距监测方法及系统,通过充分考虑北斗系统伪距形成原理以及伪距错误的多种机理,相应地采取多种措施,由此能够显著提高导航电文的同步处理时间,精确判断出错状态并降低同步错误率。
附图说明
图1是本发明实施例的一种北斗卫星导航伪距监测方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图1是本发明实施例的一种北斗卫星导航伪距监测方法的流程示意图。如图1所示,一种北斗卫星导航伪距监测方法,其包括如下步骤:
S1.北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;
具体地,可以并将计量时间分割为第一计量单位和第二计量单位进行时间累计,作为一个示例,可以将第一计量单位设置为20ms,将第二计量单位设置为1ms,将第一计量单位和第二计量单位配置到FPGA等快速器件中,利用其优越的运行速度和并行计算的能力进行。
依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c(δtu(t)-δt(s)(t-τ))+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声,代表了所有误差综合;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
S2.对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值;
具体地,北斗接收机跟踪通道通过卫星信号的捕获和跟踪,可稳定接收到对应卫星的信号,并通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步可获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间。可以获取卫星导航电文每个子帧周期性发送的D1码和D2码,依据D1码和D2码中的时间信息对系统通道时间进行周期性地计算和校准,由于卫星的导航电文是周期性地发布,且每个子帧所包含的时间信息会随着发射时间的变化而变化,将连续接收并解析出的导航电文所包含的时间信息,作为通道时间维持是否正确的一个参考,不仅与高速处理器中的时间累计值进行对比,并且与上一子帧的时间信息进行对比(北斗系统D1码前后两个子帧时间差为6s,D2码前后两个子帧的时间差为3s),若实时解析的时间信息与系统所维持的时间存在差异(差异门限可根据系统需要进行设定),则进行通道时间的重置,即重新进行位同步和帧同步以获取通道时间。
S3.利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
仅利用载波相位观测量不能实现单点定位,且存在整周模糊度和周跳问题,可以采用载波相位观测量对伪距观测量进行平滑来降低伪距误差,提高单点定位精度,为了满足卫星导航实时性的要求,一般采用多普勒观测值的伪距平滑方法或者采用基于卡尔曼滤波的载波相位平滑伪距的方法用来实现高精度的卫星导航。在保证接收机通道维持时间正确的前提下计算通道伪距,并计算前后两次伪距的变化,并对变化值进行滤波。若变化值超出一定的门限,则表明伪距的测量存在误差,该通道伪距不可用,则进行通道时间的重置,即重新进行位同步和帧同步以获取通道时间。
S4.利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
利用多元滤波器进行载波相位计算和第二次滤波具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环可输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒计算两个历元之间的载波相位,而不是直接读取载波NCO所输出的载波相位值,避免在两个历元时间段内,因载体或卫星速度变化而产生的载波相位误差。利用测量精度较高的载波多普勒对伪距进行平滑处理,并判断前后两个历元载波相位差值和伪距差值之间的关系。若超出门限则舍弃本次滤波,若连续多次超出门限,则说明伪距测量存在误差,说明需要进行通道时间的重置,即重新进行位同步和帧同步以获取通道时间。
作为一个优选的实施例,可以通过接收机的自主完好性监测算法剔除本身存在故障的卫星,保证参与定位的卫星伪距正确。
一种北斗卫星导航伪距监测系统,其包括依次连接的伪距参数初始化单元、伪距计算单元、伪距参数定时监测单元、伪距跳变监测单元和载波相位平滑伪距单元,伪距参数初始化单元连接北斗卫星接收机的跟踪通道,
伪距参数初始化单元用于北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;
伪距计算单元用于依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;作为一个优选的实施例,依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
伪距参数定时监测单元用于对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值给伪距跳变监测单元;
作为进一步的优选,伪距参数定时监测单元还用于通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步可获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间;
伪距跳变监测单元用于利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
载波相位平滑伪距单元用于利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
作为一个优选的实施例,利用多元滤波器进行载波相位计算具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒信号计算两个历元之间的载波相位;
作为一个优选的实施例,该系统还包括自主完好性监测单元,自主完好性监测单元用于通过接收机的自主完好性监测算法剔除本身存在故障的卫星,保障参与定位的卫星伪距的准确性。
本领域的技术人员容易理解,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 (10)
1.一种北斗卫星导航伪距监测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;
S2.对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值;
S3.利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
S4.利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航伪距监测方法,其特征在于,依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
3.根据权利要求1或2所述的一种北斗卫星导航伪距监测方法,其特征在于,步骤S2还包括:通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种北斗卫星导航伪距监测方法,其特征在于,利用多元滤波器进行载波相位计算具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒信号计算两个历元之间的载波相位。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种北斗卫星导航伪距监测方法,其特征在于,该方法还包括如下步骤:通过接收机的自主完好性监测算法剔除存在故障的卫星,保障参与定位的卫星伪距的准确性。
6.一种北斗卫星导航伪距监测系统,其包括依次连接的伪距参数初始化单元、伪距计算单元、伪距参数定时监测单元、伪距跳变监测单元和载波相位平滑伪距单元,伪距参数初始化单元连接北斗卫星接收机的跟踪通道,其特征在于,
所述伪距参数初始化单元用于北斗卫星接收机的跟踪通道完成位同步和帧同步后,依据卫星导航电文每个子帧包含的时间信息进行跟踪通道时间初始化和时间累计;
所述伪距计算单元用于依据时间累计数值进行跟踪通道的伪距计算得到第一伪距计算值;
所述伪距参数定时监测单元用于对北斗卫星接收机跟踪通道时间进行周期性计算和校准,如时间差超出第一预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第一伪距计算值给伪距跳变监测单元;
所述伪距跳变监测单元用于利用α-β滤波器或者卡尔曼滤波器对第一伪距计算值进行滤波得到第二伪距计算值,并计算滤波后的第一伪距变化值,若第一伪距变化值超过第二预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第二伪距计算值;
所述载波相位平滑伪距单元用于利用多元滤波器进行载波相位计算和二次滤波得到第三伪距计算值,并计算滤波后的第二伪距变化值和载波相位差值,若第二伪距变化值超过第三预设阈值或载波相位差值超过第四预设阈值,则对北斗卫星接收机跟踪通道重新进行位同步和帧同步,否则,输出第三伪距计算值的伪距值作为参与定位的卫星伪距。
7.根据权利要求6所述的一种北斗卫星导航伪距监测系统,其特征在于,依据时间累计进行跟踪通道的伪距计算具体为:
ρ(t)=r(t-τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+ερ(t)
其中,δtu(t)表示北斗时间为t时的用户接收机时钟tu的钟差;δt(s)(t-τ)表示北斗时间为t-τ时编号为s的卫星钟差;τ表示BD信号从卫星到接收机所需要的实际传播时间;ερ(t)表示伪距测量噪声;r(t-τ)表示(t-τ)时的卫星位置与t时的接收机位置之间的直线距离;I(t)表示大气传播的电离层延时;T(t)表示大气传播的对流层延时;c表示光速。
8.根据权利要求6或7所述的一种北斗卫星导航伪距监测系统,其特征在于,所述伪距参数定时监测单元还用于通过复制的载波和伪码信号,将调制到导航电文上的载波和伪码信号剥离,得到接收机所需要的导航电文,通过导航电文的位同步和帧同步获取导航电文每个子帧的起始位置,并通过子帧获取跟踪通道卫星信号的发射时间。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种北斗卫星导航伪距监测系统,其特征在于,利用多元滤波器进行载波相位计算具体为,在北斗卫星接收机跟踪通道进行正常跟踪卫星信号的过程中,接收机的锁频锁相环输出卫星信号的载波多普勒信号,采用载波多普勒信号计算两个历元之间的载波相位。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的一种北斗卫星导航伪距监测系统,其特征在于,该系统还包括自主完好性监测单元,所述自主完好性监测单元用于通过接收机的自主完好性监测算法剔除存在故障的卫星,保障参与定位的卫星伪距的准确性。
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