CN113253320A - 船载位姿测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过提供的一种船载位姿测量系统及方法，所述系统包括激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块；GSSS主天线模块和GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号；双天线定位模块通信模块发送的差分信号以及射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将第一伪航向角和位置参数发送至控制模块，控制模块根据第一伪航向角以及惯导模块发送的第二伪航向角确定航向角，并将位置参数、航向角、横滚角以及俯仰角作为船舶的位姿测量参数。本发明通过基线激光校准方法增加了基线有效长度，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

Description

船载位姿测量系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种船载位姿测量系统及方法。

背景技术

港口物流、矿井矿山等工业生产领域，工作人员需要确定货轮、工程机械的定位定姿，港口散货装船技术的对于船舶及装料设备的实时精度、位姿测量精度的要求较高。

目前常用的位姿态测量方法为基于全球导航卫星系统(GNSS，Global NavigationSatellite System)的卫星定向技术测量船舶和装料设备的位姿。具体的，根据卫星载波相位信号差分测量原理，通过两个卫星天线，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向，推算出真北方位，实现了快速测量船舶和装料设备的位姿的目的。

然而，由于卫星定向精度与卫星天线之间的基线长度成正比，基线长度受限于实际应用场景的制约，导致基于GNSS卫星定向技术测量船舶和装料设备的位姿精确地度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船载位姿测量系统及方法，通过基线激光校准方法增加了基线有效长度，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

第一方面，本发明提供一种船载位姿测量系统，包括：

激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块，其中所述通信模块、所述GSSS主天线模块以及所述GSSS辅天线模块分别与所述双天线定位模块连接，所述惯导模块以及所述双天线定位模块分别与所述控制模块连接；

所述激光发射模块，用于发射直线激光，所述直线激光与船舶的中轴线平行；

所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线与所述直线激光平行，所述GSSS主天线模块和所述GSSS辅天线模块分别用于采集GNSS卫星的射频信号，并分别将所述射频信号发送至所述双天线定位模块；

所述双天线定位模块，用于接收所述通信模块发送的差分信号，根据所述差分信号、所述射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将所述第一伪航向角和所述位置参数发送至所述控制模块；

所述惯导模块，用于获得第二伪航向角、横滚角和俯仰角，并将所述第二伪航向角、所述横滚角以及所述俯仰角发送至控制模块；

所述控制模块，用于根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，并将所述位置参数、所述航向角、所述横滚角以及所述俯仰角作为所述船舶的位姿测量参数。

在一种可能的设计中，所述控制模块具体用于：

根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定所述船舶的航向角。

在一种可能的设计中，所述控制模块还与所述通信模块连接；

相应地，所述控制模块还用于：

将所述船舶的位姿测量参数发送至业务平台，以使管理人员根据所述船舶的位姿测量参数对所述船舶的位置进行调整。

在一种可能的设计中，所激光发射模块为平面激光发射器，所述平面激光发射器通过鲍威尔棱镜折射的平面激光发射直线激光。

在一种可能的设计中，所述惯导模块为微惯性传感器模块。

在一种可能的设计中，所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线的距离大于预设距离。

在一种可能的设计中，所述控制模块包括嵌入式系统和硬件电路。

在一种可能的设计中，所述系统还包括电源模块，所述电源模块分别与所述激光发射模块、所述GSSS主天线模块、所述GSSS辅天线模块、所述双天线定位模块、所述惯导模块、所述控制模块以及所述通信模块电连接；

所述电源模块，用于分别为所述激光发射模块、所述GSSS主天线模块、所述GSSS辅天线模块、所述双天线定位模块、所述惯导模块、所述控制模块以及所述通信模块提供电源。

第二方面，本发明实施例提供一种船载位姿测量方法，应用于第一方面任一项所述的船载位姿测量系统，所述激光发射模块发射的直线激光与船舶的中轴线平行，且所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线与所述直线激光平行，所述方法包括：

所述GSSS主天线模块和所述GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将所述射频信号发送至所述双天线定位模块；

所述双天线定位模块接收所述通信模块发送的差分信号，根据所述差分信号、所述射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将所述第一伪航向角和所述位置参数发送至所述控制模块；

所述惯导模块获得第二伪航向角、横滚角和俯仰角，并将所述第二伪航向角、所述横滚角以及所述俯仰角发送至控制模块；

所述控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，并将所述位置参数、所述航向角、所述横滚角以及所述俯仰角作为所述船舶的位姿测量参数。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，包括：

控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定所述船舶的航向角。

本发明实施例提供的一种船载位姿测量系统及方法，通过设置船载位姿测量系统中GSSS主天线模块和GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将射频信号发送至双天线定位模块；设置双天线定位模块接收通信模块发送的差分信号，根据差分信号以及射频信号确定伪航向角和位置参数，并将伪航向角和位置参数发送至控制模块；设置控制模块根据伪航向角确定船舶的位姿测量参数。本发明的船载位姿测量系统，利用激光校准原理，建立可调的基线，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例提供的船载位姿测量系统架构示意图一；

图2为本发明实施例提供的船载位姿测量系统架构示意图二；

图3为本发明实施例提供的船载位姿测量方法流程图。

附图标记说明：

101：激光发射模块；

102：GSSS主天线模块；

103：GSSS辅天线模块；

104：双天线定位模块；

105：惯导模块；

106：控制模块；

107：通信模块；

108：电源模块。

具体实施方式

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

港口物流、矿井矿山等工业生产领域，工作人员需要确定货轮、工程机械的高精度定位定姿，特别是新型远洋船舶在港口实现操作装船机溜桶无人化装载货物时，必须依靠融合北斗差分惯性导航的高精度定位定姿系统提供厘米级的位置参数测量精度，以及0.1度的姿态测量信息，也对测量设备的小型轻便性、长时间续航提出较高要求。港口散货例如煤料、铁矿石等，港口散货的装船技术难点在于提高船舶及装料设备的实时精度、位姿测量精度。示例性的，达到位置参数厘米级精度、姿态小于0.1度的要求。目前，常用的位姿态测量方法有GNSS卫星定向。GNSS卫星定向基于卫星载波相位信号差分测量原理，通过两个卫星天线，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向，推算出真北方位，该方法可以快速定向，成本低，因此得到了广泛应用。具体的，卫星定向是基于卫星载波相位信号干涉测量原理，确定空间两点所成几何矢量在给定坐标系下的指向。空间两点一般是指两个测量天线的物理相位中坐标系可以选地心地固坐标系、当地水平坐标系或体坐标系。常用的是当地水平坐标系，如北天东坐标系，此时根据基线矢量可直接解算得到其相对于真北基准的方位角和相对于水平面的俯仰角。

然而，卫星定向精度与卫星天线之间的基线长度正相关，且还要求两个卫星天线相对位置参数可靠固定，由于基线长度受限于实际应用的制约，位姿测量精度较低。尤其是在港口水面镜像反射、机械遮挡复杂工况环境中，还存在卫星多径干扰的特定复杂电磁环境，直接影响测量的精度及稳定性。

为了避免上述技术问题，本发明提供了一种可变基线双天线位姿系统，包括激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块。本发明利用激光校准原理，给出了可调基线的“软基线”定向方法，通过“基线激光校准”方法增加了基线有效长度，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

图1为本发明实施例提供的船载位姿测量系统架构示意图一，如图1所示：本发明实施例中船载位姿测量系统架构包括：激光发射模块101、GSSS主天线模块102、GSSS辅天线模块103、双天线定位模块104、惯导模块105、控制模块106以及通信模块107。

在本发明实施例中，通信模块107、GSSS主天线模块102以及GSSS辅天线模块103分别与双天线定位模块104连接，惯导模块105以及双天线定位模块104分别与控制模块106连接106。示例性的，激光发射模块101与控制模块106通过RS232总线连接，惯导模块105、双天线定位模块104通过通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)接口与控制模块106连接。

在本发明实施例中，GSSS主天线模块102和GSSS辅天线模块103均通过射频线缆与双天线定位模块104连接，GSSS主天线模块102和GSSS辅天线模块103分别用于采集GNSS卫星的射频信号。其中，GNSS卫星系统定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

在本发明实施例中，在GSSS主天线模块102和GSSS辅天线模块103采集GNSS卫星的射频信号之后，分别将射频信号发送至双天线定位模块104。具体的，双天线定位模块104为双天线定向板卡。

在本发明实施例中，双天线定位模块104，用于接收通信模块107发送的差分信号，根据差分信号以及射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将第一伪航向角和位置参数发送至控制模块106。示例性的，双天线定向板卡与GSSS主天线模块102以及GSSS辅天线模块103实现了二维定向。具体的，GSSS主天线模块102和GSSS辅天线模块103的天线放置好后，确定基线两端在地球坐标系中的相对位置参数或基线向量，根据GSSS主天线模块102和GSSS辅天线模块103的原始数据解算出两个天线位置参数的方位角和俯仰角，并通信模块107发送的差分信号来抵消公共误差部分。

在本发明实施例中，激光发射模块101用于发射直线激光，直线激光与船舶的中轴线平行。GSSS主天线模块102的相位中心点与GSSS辅天线模块103的相位中心点连线与直线激光平行。

示例性的，所激光发射模块101为平面激光发射器，平面激光发射器通过鲍威尔棱镜折射的平面激光发射直线激光。具体的，在待测船舶上安装上述船载位姿测量系统，启动激光校准器调节GSSS主天线模块102的相位中心点与GSSS辅天线模块103的相位中心点连线的位置参数，即将基线与激光发射模块101发射的直线激光调整为平行状态。

示例性的，GSSS主天线模块102的相位中心点与GSSS辅天线模块103的相位中心点连线的距离大于预设距离。具体的，GSSS主天线模块102的相位中心点与GSSS辅天线模块103的相位中心点连线的距离为基线长度，基线长度与角度测量精度成正比。当基线长度大于2米时，定位精度可优于2厘米，姿态精度)可优于0.1度。其中，姿态精度包含航向角、横滚角和仰角。为满足位姿测量精度的要求，选取预设距离为2米，即基线长度需大于2米。基于载波相位差分技术，载波相位测量精度通常为波长的1％。示例性的，若卫星载波的波长为20厘米，则相应地测量精度为2毫米，则定向精度为2毫米/L＝2/L*3角分。当基线为1米时，定向精度为0.1角分。其中定位精度为：2厘米+1ppm，姿态精度为0.1度。

在本发明实施例中，惯导模块105测量获得第二航向角、横滚角和俯仰角，并将第二航向角、横滚角以及俯仰角发送至控制模块106。示例性的，惯导模块105为微惯性传感器模块。具体的，微惯性传感器模块以多轴方式组合精密陀螺仪、加速度计、磁力计和压力传感器。

在本发明实施例中，微惯性传感器模块用于测量船舶的第二航向角、横滚角和俯仰角。具体的，航向角是从正角度向东增加的局部北向旋转。俯仰角是指从局部的东北平面开始的旋转。正俯仰角在平面上方。负俯仰角在平面以下。横滚角是围绕局部东轴应用的第一个旋转角度。

在本发明实施例中，控制模块106用于根据第一伪航向角以及第二伪航向角确定航向角，并将位置参数、航向角、横滚角以及俯仰角作为船舶的位姿测量参数。

示例性的，控制模块106根据第一伪航向角以及第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定船舶的航向角。具体的，根据第一伪航向角以及第二伪航向角数据经过融合算法中的卡尔曼算法进行滤波，获得组合航向角，其中组合航向角与第二伪航向角的误差在±0.1度，并将组合航向角作为对外航向输出量，若发现组合航向角与第一伪航向角之间的误差大于第一预设误差阈值，则判定当前会认为GSSS主天线模块102与GSSS辅天线模块103存在异常情况，将组合航向角作为最终获得的航向角。若在预设时间段内发现组合航向角与第一伪航向角的误差误差大于第二预设误差阈值，则重新执行根据第一伪航向角以及第二伪航向角数据经过融合算法中的卡尔曼算法进行滤波获得组合航向角的过程，直至组合航向角与第一伪航向角之间的误差小于第一预设误差阈值。

示例性的，控制模块106包括嵌入式系统和硬件电路。本发明实施例中控制器通过嵌入式系统程序实现船载位姿测量方法，通过硬件电路实现与本发明实施例中惯导模块105以及双天线定位模块104之间的数据通信。

从上述实施例可知，本发明实施例通过设置船载位姿测量系统中GSSS主天线模块和GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将射频信号发送至双天线定位模块；设置双天线定位模块接收通信模块发送的差分信号，根据差分信号以及射频信号确定伪航向角和位置参数，并将伪航向角和位置参数发送至控制模块；设置控制模块根据伪航向角确定船舶的位姿测量参数。本发明的船载位姿测量系统，利用激光校准原理，建立可调的基线，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

图2为本发明实施例提供的船载位姿测量系统架构示意图二，在图1提供的船载位姿测量系统结构的基础上，如图2所示，系统还包括电源模块108。

在本发明实施例中，电源模块108分别与激光发射模块101、GSSS主天线模块102、GSSS辅天线模块103、双天线定位模块104、惯导模块105、控制模块106以及通信模块107电连接。电源模块108用于分别为激光发射模块101、GSSS主天线模块102、GSSS辅天线模块103、双天线定位模块104、惯导模块105、控制模块106以及通信模块107提供电源。示例性的，电源模块108可以为电池组。

示例性的，控制模块106还与通信模块107连接，控制模块106还用于将船舶的位姿测量参数发送至业务平台，以使管理人员根据船舶的位姿测量参数对船舶的位置进行调整。示例性的，通信模块107为5G通信模块。在本发明实施例中，5G通信模块按照预设协议格式将船舶的位姿测量参数发送至业务平台的服务器。例如5G通信模块利用5G网络按照消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)格式将船舶的位姿测量参数发送至业务平台的服务器，使得船舶的位姿测量参数在显示设备上进行显示，以使业务管理人员根据船舶的位姿测量参数对船舶的位置进行调整。

图3为本发明实施例提供的船载位姿测量方法流程图。本实施例的方法的执行主体可以为图1中的控制模块，如图3所示，船载位姿测量方法包括以下步骤：

S31：GSSS主天线模块和GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将射频信号发送至双天线定位模块。

S32：双天线定位模块接收通信模块发送的差分信号，根据差分信号、射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将第一伪航向角和位置参数发送至控制模块。

S33：惯导模块获得第二伪航向角、横滚角和俯仰角，并将第二伪航向角、横滚角以及俯仰角发送至控制模块。

S34：控制模块根据第一伪航向角以及第二伪航向角确定航向角，并将位置参数、航向角、横滚角以及俯仰角作为船舶的位姿测量参数。

本实施例提供的装置，可用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。

从上述实施例可知，本发明实施例通过设置船载位姿测量系统中GSSS主天线模块和GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将射频信号发送至双天线定位模块；设置双天线定位模块接收通信模块发送的差分信号，根据差分信号以及射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将伪航向角和位置参数发送至控制模块，并设置控制模块根据第一伪航向角以及第二伪航向角确定航向角，并将位置参数、航向角、横滚角以及俯仰角作为船舶的位姿测量参数。本发明的船载位姿测量系统，利用激光校准原理，建立可调的基线，提高了测量船舶的位姿测量参数的精确度。

在一种可能的实现方式中，所述控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定所述船舶的航向角。

在一种可能的实现方式中，控制模块还与通信模块连接，所述方法还包括：控制模块将船舶的位姿测量参数发送至业务平台，以使管理人员根据船舶的位姿测量参数对船舶的位置进行调整。

在一种可能的实现方式中，所述系统还包括电源模块，所述电源模块分别与激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块电连接。所述方法还包括：电源模块分别为激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块提供电源。

本实施例提供的装置，可用于执行上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。

进一步地，本发明实施例提供一种船舶，包括了上述船载位姿测量系统。

在以上描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种船载位姿测量系统，其特征在于，包括激光发射模块、GSSS主天线模块、GSSS辅天线模块、双天线定位模块、惯导模块、控制模块以及通信模块，其中所述通信模块、所述GSSS主天线模块以及所述GSSS辅天线模块分别与所述双天线定位模块连接，所述惯导模块以及所述双天线定位模块分别与所述控制模块连接；

所述激光发射模块，用于发射直线激光，所述直线激光与船舶的中轴线平行；

所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线与所述直线激光平行，所述GSSS主天线模块和所述GSSS辅天线模块分别用于采集GNSS卫星的射频信号，并分别将所述射频信号发送至所述双天线定位模块；

所述双天线定位模块，用于接收所述通信模块发送的差分信号，根据所述差分信号、所述射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将所述第一伪航向角和所述位置参数发送至所述控制模块；

所述惯导模块，用于获得第二伪航向角、横滚角和俯仰角，并将所述第二伪航向角、所述横滚角以及所述俯仰角发送至控制模块；

所述控制模块，用于根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，并将所述位置参数、所述航向角、所述横滚角以及所述俯仰角作为所述船舶的位姿测量参数。

2.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述控制模块具体用于：根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定所述船舶的航向角。

3.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述控制模块还与所述通信模块连接；

相应地，所述控制模块还用于：

将所述船舶的位姿测量参数发送至业务平台，以使管理人员根据所述船舶的位姿测量参数对所述船舶的位置进行调整。

4.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所激光发射模块为平面激光发射器，所述平面激光发射器通过鲍威尔棱镜折射的平面激光发射直线激光。

5.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述惯导模块为微惯性传感器模块。

6.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线的距离大于预设距离。

7.根据权利要求1所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述控制模块包括嵌入式系统和硬件电路。

8.根据权利要求1至7任一项所述的船载位姿测量系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，所述电源模块分别与所述激光发射模块、所述GSSS主天线模块、所述GSSS辅天线模块、所述双天线定位模块、所述惯导模块、所述控制模块以及所述通信模块电连接；

所述电源模块，用于分别为所述激光发射模块、所述GSSS主天线模块、所述GSSS辅天线模块、所述双天线定位模块、所述惯导模块、所述控制模块以及所述通信模块提供电源。

9.一种船载位姿测量方法，其特征在于，应用于权利要求1至8任一项所述的船载位姿测量系统，所述激光发射模块发射的直线激光与船舶的中轴线平行，且所述GSSS主天线模块的相位中心点与所述GSSS辅天线模块的相位中心点连线与所述直线激光平行；所述方法包括：

所述GSSS主天线模块和所述GSSS辅天线模块分别采集GNSS卫星的射频信号，并分别将所述射频信号发送至所述双天线定位模块；

所述双天线定位模块接收所述通信模块发送的差分信号，根据所述差分信号、所述射频信号确定第一伪航向角和位置参数，并将所述第一伪航向角和所述位置参数发送至所述控制模块；

所述惯导模块获得第二伪航向角、横滚角和俯仰角，并将所述第二伪航向角、所述横滚角以及所述俯仰角发送至控制模块；

所述控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，并将所述位置参数、所述航向角、所述横滚角以及所述俯仰角作为所述船舶的位姿测量参数。

10.根据权利要求9所述的船载位姿测量方法，其特征在于，所述控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角确定航向角，包括：

控制模块根据所述第一伪航向角以及所述第二伪航向角利用融合算法以及调度策略确定所述船舶的航向角。

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