CN113038597A - 一种基于uwb的定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于UWB的定位方法及系统，包括：获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。本发明提出基于UWB的高精度可扩展的定位方法，很好的兼容了现有的TDOA和TWR定位方法的优点，摆脱了复杂的调度协议设计和开销，很好的契合了大量设备同时精准定位的需求。

Description

一种基于UWB的定位方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信定位技术领域，尤其涉及一种基于UWB的定位方法及系统。
背景技术
UWB(Ultra-wideband)技术得益于高带宽带来的抗多径，高吞吐量和高时间分辨率的能力，能够轻松实现厘米级别的高精度定位，受到学术界和工业界的广泛认可。UWB定位技术被广泛用于智慧仓储、智慧工厂、智慧零售、智慧泊车、矿井隧道、健康防护等人员和设备的定位追踪。随着Apple，小米，OPPO等公司将UWB芯片集成进入手机，未来UWB的应用将会越来越火热，但是这同时带来新的需求和挑战。面对大量的IoT设备的接入，现有的UWB方案难以同时保证这些设备的定位需求，即保持高精度，低延迟，优化功耗等等。
UWB技术的定位原理是利用其纳秒级别的精确时间戳。在此基础之上，目前应用最广泛的两种方法，分别是到达时间差(TDOA)和到达时间(TOA)。TDOA的方法使用有线连接等方法将锚节点(Anchor)进行严格的时间同步，利用标签节点(Tag)到达锚节点的时间差，进而计算出标签节点位置，这样的方法能够支持较多的节点(约一千个)。但是随着标签节点增加，其响应的延迟也是逐渐增大的。同时这样的方法需要特殊的硬件设施进行同步操作，增加了部署的难度。TOA的方法是基于飞行时间，常见的测量方法是双边测距(Double-sided Two-way Ranging，TWR)，利用标签节点和锚节点之间来回通信，计算它们之间的飞行时间，从而计算出距离。TWR的方法简单易部署，不需要同步，但是产生了大量通信冗余，仅能够支持数百个节点，同时带来大量延迟和功率的消耗。此外，在学术界前沿研究里，有两篇工作使用了并发测距的方法来支持不限数量的标签节点，但这两个工作的精度不高，甚至到达了1m的误差，而且它们支持的锚节点数量是受限的。
发明内容
本发明提供一种基于UWB的定位方法及系统，用以解决现有技术中定位精度不高，时延过大的缺陷。
第一方面，本发明提供一种基于UWB的定位方法，包括：
获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；
确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；
基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
在一个实施例中，所述获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架，具体包括：
确定所述若干锚节点和所述启动节点的位置信息；
所述若干锚节点和所述启动节点之间基于双向测距方式进行通信交互，任意标签节点进行侦听并获取多个时间戳，所述任意标签节点根据所述多个时间戳进行自定位。
在一个实施例中，所述确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果，具体包括：
获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型；
获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型；
将所述虚拟侦听时间的模型代入所述飞行时间模型，获得所述时间戳转换结果。
在一个实施例中，所述获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型，具体包括：
记录所述启动节点广播发送数据包的第一发送时间，在所述若干锚节点中任选单个锚节点，记录所述单个锚节点接收所述发送数据包的第一接收时间、所述单个锚节点发送返回数据包的第一返回时间以及所述启动节点接收所述返回数据包的第二接收时间；
基于所述第一发送时间、所述第一接收时间、所述第一返回时间和所述第二接收时间，得到所述飞行时间模型。
在一个实施例中，所述获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型，具体包括：
获取所述待定位标签节点侦听到所述发送数据包的第一侦听时间和侦听到所述返回数据包的第二侦听时间；
设定所述待定位标签节点在虚拟侦听时间发出虚拟返回数据包，所述启动节点在所述第二接收时间接收到所述虚拟返回数据包；
获取所述启动节点到所述单个锚节点之间的第一距离、所述启动节点到所述待定位标签节点之间的第二距离和所述单个锚节点和所述待定位标签节点之间的第三距离；
由光速常量、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离和所述第二侦听时间，得到所述虚拟侦听时间的模型。
在一个实施例中，所述预设双向测距过程包括单边双向测距和双边双向测距。
在一个实施例中，所述基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果，具体包括：
提取所述时间戳转换结果中的所述第二距离除以所述光速常量的第一未知量和所述第三距离除以所述光速常量的第二未知量；
获取任意两个锚节点对应的飞行时间模型组合，将所述飞行时间模型组合之间进行相减，得到所述待定位标签节点到所述任意两个锚节点的飞行时间差模型；
采用预设TDOA算法求解所述飞行时间差模型，得到所述待定位标签节点的定位结果。
第二方面，本发明还提供一种基于UWB的定位系统，包括：
获取模块，用于获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；
转换模块，用于确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；
定位模块，用于基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于UWB的定位方法的步骤。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于UWB的定位方法的步骤。
本发明提供的基于UWB的定位方法及系统，通过提出基于UWB的高精度可扩展的定位方法，很好的兼容了现有的TDOA和TWR定位方法的优点，摆脱了复杂的调度协议设计和开销，很好的契合了大量设备同时精准定位的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的基于UWB的定位方法的流程示意图；
图2是本发明提供的UWB定位协议框架示意图；
图3是本发明提供的UWB通信数据流示意图
图4是本发明提供的基于UWB的定位系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术存在的问题，本发明针对UWB高精度定位，设计了一种兼具精度和扩展性的定位方法，用于大量设备的同时精准定位，且极大的较低了网络复杂性及延迟。
图1是本发明提供的基于UWB的定位方法的流程示意图，如图1所示，包括：
S1，获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；
S2，确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；
S3，基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
具体地，首先确定多个锚节点和一个启动节点作为参考基准节点，构建定位协议框架，将其中的标签节点基于锚节点和启动节点的位置信息进行定位，启动双向测距过程，由标签节点进行侦听，获得各自的时间戳信息，综合多个时间戳信息进行转换，最后求解模型中的未知量，得到标签节点的定位结果。
本发明通过提出基于UWB的高精度可扩展的定位方法，很好的兼容了现有的TDOA和TWR定位方法的优点，摆脱了复杂的调度协议设计和开销，很好的契合了大量设备同时精准定位的需求。
基于上述实施例，该方法中步骤S1具体包括：
确定所述若干锚节点和所述启动节点的位置信息；
所述若干锚节点和所述启动节点之间基于双向测距方式进行通信交互，任意标签节点进行侦听并获取多个时间戳，所述任意标签节点根据所述多个时间戳进行自定位。
具体地，在传统的TDOA技术中，通常采用4个锚节点用于标签节点的定位。
本发明提出“启动”节点(Initiator)概念，启动节点用于发起新一轮通信过程。整个网络框架包含1个启动节点和4个锚节点，如图2所示。通信过程只在启动节点和锚节点之间进行，标签节点则只需侦听它们的通信过程，然后记录相应的时间戳即可进行自定位。启动节点与锚节点之间采用双向的测距方式进行通信，默认启动节点和锚节点的位置均已知。
本发明通过构建定位协议框架，选取了作为参考的锚节点和启动节点，便于获取标签节点的多个信息并求解获得标签节点的位置信息。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S2具体包括：
获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型；
获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型；
将所述虚拟侦听时间的模型代入所述飞行时间模型，获得所述时间戳转换结果。
其中，所述获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型，具体包括：
记录所述启动节点广播发送数据包的第一发送时间，在所述若干锚节点中任选单个锚节点，记录所述单个锚节点接收所述发送数据包的第一接收时间、所述单个锚节点发送返回数据包的第一返回时间以及所述启动节点接收所述返回数据包的第二接收时间；
基于所述第一发送时间、所述第一接收时间、所述第一返回时间和所述第二接收时间，得到所述飞行时间模型。
其中，所述获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型，具体包括：
获取所述待定位标签节点侦听到所述发送数据包的第一侦听时间和侦听到所述返回数据包的第二侦听时间；
设定所述待定位标签节点在虚拟侦听时间发出虚拟返回数据包，所述启动节点在所述第二接收时间接收到所述虚拟返回数据包；
获取所述启动节点到所述单个锚节点之间的第一距离、所述启动节点到所述待定位标签节点之间的第二距离和所述单个锚节点和所述待定位标签节点之间的第三距离；
由光速常量、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离和所述第二侦听时间，得到所述虚拟侦听时间的模型。
其中，所述预设双向测距过程包括单边双向测距和双边双向测距。
具体地，本发明采用最简单的双向测距过程，特别地采用单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging，SS-TWR)，对于其它双向测距过程(例如双边双向测距)同样也能实现，本发明不作限制。
本发明考虑一个拥有三个节点的简单的网络，即一个启动节点，一个1#锚节点和一个标签节点，如图3所示。启动节点在T11广播Poll数据包，1#锚节点在T21收到这个数据，在T22则返回Resp数据包，启动节点在T12收到Resp数据包。这样，对于启动节点和1#锚节点之间的飞行时间，可以用公式
Figure BDA0002949442520000081
进行计算(这里仅仅为了说明测距计算方法，实际上启动节点和1#锚节点A位置均已知，不用计算)。与此同时，在这个过程里，标签节点在T31和T32时刻分别侦听到了Poll和Resp两个数据包。因此现在的目标就是基于这些侦听到的信息进行定位。
为了实现上述目标，本发明构造标签节点与启动节点之间的“虚拟的”单边双向测距过程，从而进行时间戳的转换。通过对比完整的单边双向测距过程(即启动节点和锚节点之间的测距过程)，发现不同之处在于，标签节点没有返回给启动节点Resp数据包，而是收到了来自1#锚节点的Resp数据包。因此本发明的思路就是假设标签节点在T′32时刻发出一个虚拟的Resp数据包，并且这个Resp数据包恰好也在T12时刻被启动节点收到，进一步用DIA表示启动节点和锚节点A之间的距离，DIT表示启动节点和标签节点之间的距离，DAT表示锚节点A和标签节点之间的距离，则
Figure BDA0002949442520000082
这样就可以计算启动节点与标签节点之间的飞行时间：
Figure BDA0002949442520000083
其中c为光速常量。
这个公式两边包含两个未知量
Figure BDA0002949442520000084
和
Figure BDA0002949442520000085
因此还不能直接算出结果。
本发明通过待定位标签节点对锚节点和启动节点进行侦听获取多个时间戳信息，并综合时间戳信息得到启动节点和标签节点之间的飞行时间，较为准确地获取了各节点的定位信息，降低了时延带来的影响。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S3具体包括：
提取所述时间戳转换结果中的所述第二距离除以所述光速常量的第一未知量和所述第三距离除以所述光速常量的第二未知量；
获取任意两个锚节点对应的飞行时间模型组合，将所述飞行时间模型组合之间进行相减，得到所述待定位标签节点到所述任意两个锚节点的飞行时间差模型；
采用预设TDOA算法求解所述飞行时间差模型，得到所述待定位标签节点的定位结果。
具体地，基于前述实施例中得到的DIT和DAT之间的关系式，对于同一个启动节点和标签节点的组合，不同锚节点可以推导出不同的等式，而这些等式里DIT的系数均是一致的，因为是相同的启动节点和标签节点。因此可以通过两式相减并整理得到
Figure BDA0002949442520000091
Figure BDA0002949442520000092
其中上标1，2标识为两个不同的锚节点对应的数据。至此，等式右边均为已知量，而等式左边为标签节点到两个不同锚节点的飞行时间差，接下来我们就可以采用到达时间差(TDOA)的方法进行定位和计算了，例如采用经典的Chan算法。
本发明利用多个不同锚节点推导出的不同等式模型，将原模型转换为时间差模型，并通过已有的到达时间差进行求解，得到最终结果，有效解决未知量无法求解的问题。
下面对本发明提供的基于UWB的定位系统进行描述，下文描述的基于UWB的定位系统与上文描述的基于UWB的定位方法可相互对应参照。
图4是本发明提供的基于UWB的定位系统的结构示意图，如图4所示，包括：获取模块41、转换模块42和定位模块43；其中：
获取模块41用于获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；转换模块42用于确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；定位模块43用于基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
本发明通过提出基于UWB的高精度可扩展的定位方法，很好的兼容了现有的TDOA和TWR定位方法的优点，摆脱了复杂的调度协议设计和开销，很好的契合了大量设备同时精准定位的需求。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(CommunicationsInterface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行基于UWB的定位方法，该方法包括：获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于UWB的定位方法，该方法包括：获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的基于UWB的定位方法，该方法包括：获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB的定位方法，其特征在于，包括：
获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；
确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；
基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
2.根据权利要求1所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架，具体包括：
确定所述若干锚节点和所述启动节点的位置信息；
所述若干锚节点和所述启动节点之间基于双向测距方式进行通信交互，任意标签节点进行侦听并获取多个时间戳，所述任意标签节点根据所述多个时间戳进行自定位。
3.根据权利要求1所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果，具体包括：
获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型；
获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型；
将所述虚拟侦听时间的模型代入所述飞行时间模型，获得所述时间戳转换结果。
4.根据权利要求3所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述获取所述启动节点与所述单个锚节点之间的飞行时间模型，具体包括：
记录所述启动节点广播发送数据包的第一发送时间，在所述若干锚节点中任选单个锚节点，记录所述单个锚节点接收所述发送数据包的第一接收时间、所述单个锚节点发送返回数据包的第一返回时间以及所述启动节点接收所述返回数据包的第二接收时间；
基于所述第一发送时间、所述第一接收时间、所述第一返回时间和所述第二接收时间，得到所述飞行时间模型。
5.根据权利要求4所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述获取所述待定位标签节点在虚拟侦听时间的模型，具体包括：
获取所述待定位标签节点侦听到所述发送数据包的第一侦听时间和侦听到所述返回数据包的第二侦听时间；
设定所述待定位标签节点在虚拟侦听时间发出虚拟返回数据包，所述启动节点在所述第二接收时间接收到所述虚拟返回数据包；
获取所述启动节点到所述单个锚节点之间的第一距离、所述启动节点到所述待定位标签节点之间的第二距离和所述单个锚节点和所述待定位标签节点之间的第三距离；
由光速常量、所述第一距离、所述第二距离、所述第三距离和所述第二侦听时间，得到所述虚拟侦听时间的模型。
6.根据权利要求3所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述预设双向测距过程包括单边双向测距和双边双向测距。
7.根据权利要求5所述的基于UWB的定位方法，其特征在于，所述基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果，具体包括：
提取所述时间戳转换结果中的所述第二距离除以所述光速常量的第一未知量和所述第三距离除以所述光速常量的第二未知量；
获取任意两个锚节点对应的飞行时间模型组合，将所述飞行时间模型组合之间进行相减，得到所述待定位标签节点到所述任意两个锚节点的飞行时间差模型；
采用预设TDOA算法求解所述飞行时间差模型，得到所述待定位标签节点的定位结果。
8.一种基于UWB的定位系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取若干锚节点和启动节点，基于所述若干锚节点和所述启动节点构建定位协议框架；
转换模块，用于确定待定位标签节点，基于所述定位协议框架构造所述待定位标签节点、所述启动节点和单个锚节点之间的预设双向测距过程，获得侦听模式下的时间戳转换结果；
定位模块，用于基于多个锚节点协同定位求解所述时间戳转换结果中的未知量，得到待定位标签节点的定位结果。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于UWB的定位方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于UWB的定位方法的步骤。
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