CN113302508A - 基于信号传播时间差的定位 - Google Patents

Abstract

根据一方面，定位方法以及基站(T1、T2、T3)和检测器(I)的系统基于测量外部控制的电磁脉冲(F1、F2、F3)和受控基站在测量周期(t1+t2)期间的到达信号的传播时间差。在一个实施例中，测量传播时间差不需要参考时钟，但可以使用基站之间精确的固定距离作为参考。很少进行系统校准。它检查基站的相互位置。这可能是部分自动化的。定位系统不需要任何传感器。

Description

基于信号传播时间差的定位

技术领域

所描述的一个实施例涉及一种定位方法、系统及其基站和检测器。

背景技术

定位通常可以指识别人、车辆或其他移动物体(例如检测器设备)的位置。已知的基于电磁辐射(例如无线电波)的定位系统用于测量幅度变化、相位识别或时间测量，该时间测量需要连续时间校准和参考时钟。这些是相对复杂的布置，该布置需要来自系统的性能和功率。

专利公布US20050282558公开了一种使用复杂布置的定位系统。它需要载波调制检测信号。专用主基站测量并维护时间信号的计算。每个基站必须有发射器和接收器以及用于计算的多个环路。

发明内容

已经详细阐述了该概述以便以简化的形式呈现概念的选择，在下面的详细描述中进一步描述这些概念。本概述不旨在确认权利要求中定义的主题的基本的或决定性的特征，也不旨在限制权利要求中指定的主题的范围。

目的是实现一种定位方法、系统、基站和检测器。这些目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求描述了一些实施例。

根据一方面，定位方法基于在测量周期期间测量受控电磁脉冲和受控基站的到达信号的传播时间差。该检测器可以测量在测量周期内从基站接收到的电磁脉冲的传播时间差。检测器确定基站的位置信息。基于这些，可以确定检测器相对于基站的位置。在一个实施例中，测量传播时间差不需要参考时钟，而是可以使用基站的准确的固定位置信息作为参考。很少进行系统校准。它检查基站的相互位置以及无线电信号发射和接收中的延迟。这可能是部分自动化的。特别地，系统可能不需要任何用于定位的标识符或ID，而是可以直接基于简单电磁脉冲和这些基站的位置信息之间的时间差来操作。不需要特殊的识别信号。定位可以直接在检测器中完成，无需单独的外部计算设备。为此，检测器只需要这些传播时间差以及基站的位置。

在一个实施例中，除了上述之外，或者可替代地，基站可以在任何电磁辐射的频带中操作，从而总是能够针对操作情况选择最合适的允许频带。在一个实施例中，频带可以具有多个使用频率。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，一个基站控制其他基站，或者所有基站都受其外部控制，或者外部时钟控制所有基站，使得检测器中的重复传输周期在时间上不重叠。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，测量电磁脉冲的传播时间不需要参考时钟，而是以相互计算的基站的位置信息作为参考。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，从基站到检测器的电磁脉冲的传播时间根据令牌环原理同步。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，检测器中结果的计算基于求解一组方程，例如，基于最大似然，将基站和检测器之间的距离以及传播时间差异视为变量。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，位置信息可以通过IoT方法从每个位置对象传输到其外部的对象。

在一个实施例中，除了上述之外，或者可替代地，位置信息可以由单独的发射器R校准，这些发射器被放置在精确测量的位置并且在定位检测器到达R的位置时立即被定位检测器识别。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，该定位方法同样适用于室内和室外定位。定位可以在1维、2维或3维中进行。定位维度按发射器的数量选择。

在一个实施例中，除上述之外，或者可替代地，可以通过在定位区域中增加基站来增加定位方法的可靠性。

在一个实施例中，除了上述之外，或者可替代地，能够在定位区域中同时使用无限数量的独立检测器。

通过参考以下详细描述，将更容易地说明几个相关的特征，因为它们将被结合附图考虑。

附图说明

将从以下详细描述中更好地理解本描述，详细描述将根据附图考虑，其中：

图1示出了根据一个实施例的定位系统的框图，其中，检测器检测由基站发射的电磁辐射的传播时间差以及位置；以及

图2示出了根据一个实施例的根据测量周期t1+t2的活动时段t1的传输和静默时段t2的不传输。

相应的附图标记用于指定附图中的相应部分。

具体实施方式

结合以下附图给出的详细描述旨在作为对本实施例的描述，并不旨在表示可以构造或利用本示例的唯一可能的形式。然而，相应或等效的功能和结构可以通过各种示例来实现。描述参考以下附图，这些附图使用基于从基站发射的信号的传播时间差来定位检测器作为示例。

参考图1，定位系统由基站T1、T2、T3和检测器I组成。基站T可以是发射器或相应的设备。根据在定位系统中的作用，基站T根据需要也具有接收器。检测器I可以被描述为物体、接收器或相应的定位设备。根据定位系统配置和检测器I在其中的作用，检测器I可以根据需要具有发射器。检测器I要么识别其自身的位置，要么从其外部识别检测器I的位置。系统在室内和室外都可以正常运行，并且检测器I可以保持静止或移动。

在一个实施例中，定位基于电磁脉冲F1、F2、F3的时间差测量，例如源自外部受控基站T的无线电波及其信号等，源自测量周期期间的同步到达信号。例如，电磁脉冲F可以由中断的载波或由调制到载波的信号产生。使用基站T的固定的相互距离以及基于该已知位置信息实现校准。

通过至少部分自动控制的基站T和接收器I配对进行无线电通信。可以基于具体情况定义频带，从而减少来自操作环境的干扰并提高可靠性。

根据定位是1维、2维还是3维来选择基站T单元的数量。通过基于具体情况增加基站T的数量，即使在困难的情况下，位置计算测量的可靠性也可以保持在高水平。

因此，定位区域中检测器I的数量不受限制。因此，待定位的物体的数量不受限制。在一个实施例中，通过使用测量周期来解决与定位相关的时间校准。在测量周期中可以使用定位信号操作的合适的活跃时间和不使用信号的静默时间。这是为了确保系统不会干扰其自身的信号。

与现有的定位方法相比，时间校准的独立性将本实施例的定位系统从昂贵且笨重的参考时钟中解放出来，这些参考时钟在已知定位技术(例如，在基于脉冲传播时间测量的定位系统中)中是典型的。

定位可以直接在检测器中完成，无需单独的外部计算设备。为此，检测器只需要这些传播时间差以及基站的位置。不需要以前使用的单独定位中心，单独定位中心与基站和被定位的设备进行通信。

在一个实施例中，用于位置计算的数据是通过定位系统测量周期重复足够的次数来获得的。这可以提高定位的可靠性和准确性。由于测量周期可以在非常快的时间段内重复进行，这对于人类来说几乎是察觉不到的，因此不会打扰用户。

定位系统的精度不会作为定位区域尺寸的函数而显着变化，这与基于信号入射角测量的已知定位系统的情况不同。

实施例的一些应用包括集装箱港口，特别是手动和自主叉车交通的控制，以及装载情况、百货商店和机场中的集装箱的准确定位。当然，这些主要是描述的示例，并不旨在仅将实施例的范围限制在那些示例或类似的实施例。

例如，自动运输、船舶和汽车需要准确的位置信息。进出港口的船舶，道路上的汽车，停车和通勤。根据实施例的定位系统易于设置在港口或道路旁。仅一个系统就足以满足港口的需求，从中可以在道路旁建立一个定位网络。

现在将说明一个实施例的操作。

例如，位于固定位置的基站T发射脉冲序列或载波调制信号。由一个基站T控制传输，由此一旦所有发射器的信号都到达检测器I，传输序列(即，测量周期)就完成了。然后向下一个传输序列给出新的指令。可替代地，从物体A在基站T的外部控制传输，在每个完整测量序列之后将检测器I的位置读取到该物体A。可替代地，所有基站T都知道彼此并在每次所有基站T将它们的信号发送到检测器I时重复测量序列。

考虑根据图1的一个实施例，其中，使用三个基站T。这些基站之一T1是所谓的主站，其他的是从站T2、T3。主基站T1具有仅有发射器的最小配置，而从基站T2、T3具有接收器和收发器。在一般情况下，主基站T1也同时具有发射器和接收器。待定位的物体(即，检测器I)至少只有一个接收器。根据实施例的定位系统中的无线电通信包括由基站T发送的自动控制的无线电脉冲串F，无线电脉冲串F包括在时间窗口t1以预选频率发送的识别频率以及在时间窗口t2不传输的识别频率。只要定位系统的基站T运作，该测量周期(即，操作周期)(传输/非传输)就会重复。每个基站T因此用作“莫尔斯电报设备”。在这种情况下，电磁信号不需要实际的“代码”或ID。当然可以使用实际的“代码”或ID，但对于定位动作不是必需的。图2示出了根据活动时间t1的传输和根据静默时间t2的非传输。在活动时间t1期间，定位传输F被启用，而在静默时间t2期间，那些传输F被禁用。这确保传输F在检测器I处或在从基站T2和T3处的定位过程中不受干扰。测量周期为t1+t2。

当从基站T2、T3和主基站T1启动时，定位开始。因为从基站T2、T3以预定频率等待主基站T1的长度为t1的无线电基站突发信号F1，所以基站T以何种顺序启动并不那么重要。由于从基站T2、T3在定位系统中充当收发器或中继器，它们等待检测主基站T1发送的突发F1，同时在相同或它们自身的射频上向前发送无线电突发F2、F3(使用多通道宽带或窄带技术)。在从基站T2、T3中，在接收到的主突发F1和所发送的突发F2、F3之间总是存在确定性的时间延迟Δt，该时间延迟Δt可以在系统校准步骤期间确定。需要说明的是，从基站T2、T3不需要对突发F1进行任何程序化的检测，而是可以通过快速简单的组件直接进行检测(例如，所谓的触发检测)。当然，甚至可以在固定频率的晶体振荡器的基础上，构建为每个基站T指定的无线电发射器，或者使用现成的高速无线电发射器电路(例如，460MHz至2.3GHz)，发送的突发F的频率和长度针对其进行设置。基站T作为一个整体由快速逻辑门或甚至由快速微控制器控制。在天线之前进行足够的功率放大。如先前在实施例中所述，在系统校准步骤期间可以确定基站T2、T3再现突发F2、F3所需的时间。

在一个实施例中，待定位的检测器I由多通道接收器组成，该接收器在每一时刻接收主基站T1和从基站T2、T3的突发F1、F2、F3。在这种情况下，突发F1、F2和F3之间的时间延迟可能不是必需的，因为它们可能以不同的频率运行。在另一个实施例中，检测器I在单一频率下运行，由此基站T的传输F之间的确定性延迟可用于消除信号F1、F2、F3的重叠，使得突发F1、F2、F3不会相互干扰。当来自主基站T1和从基站T2、T3的突发F1、F2、F3的到达时间差的差异以及三个基站T1、T2、T3的位置已知时，可以通过计算确定待定位的物体I的位置。

上述定位系统对于主基站T1和从基站T2、T3以及待定位的检测器I的操作是一个简单的场景。一般情况下，所有基站T，包括主基站T1，都具有发射器和接收器，基站T和待定位的物体I的数量不受限制，并且定位区域的形状和尺寸是可自由选择的。此外，所发射脉冲的脉冲F、发射时间和发射脉冲分组的结构是可自由选择的，只要它们满足管理无线电通信的许可要求即可。

接下来，将考虑一个实施例中的无线电通信F的操作。在一个实施例中，所有基站T都具有发射器和接收器。基站T的发射器根据应用控制在500μs到100ps范围内选择的电磁脉冲F。牢记管理无线电通信的国家和国际法规，根据定位区域的尺寸对功率进行调整。天线可以是全向的，并且接收器被指定用于所有传输频率。

基站T的发射器可以发射载波调制信号。不同发射器之间的调制是同步的，以便检测器I识别从每个基站T接收的信号。

一个实施例以举例的方式说明了用于同步基站传输的令牌环原理，其中待定位的物体I识别其位置。标记：Fi是输出信号的频率，Ti是发射频率为Fi的基站T，xj是待定位的检测器I。子指数是连续的自然数。基站T的测量周期t1+t2，Δ，是脉冲分组时长t+延迟δ。δ是发射器的唤醒时间+预设的等待时间。测量周期是在基站T之间发生所有可能的测量周期的事件。无线电脉冲Fi从固定基站Ti传输到检测器I。通过基站T的位置精确地知道基站T之间的距离。来自基站Ti的脉冲被检测器和仅基站Ti+1识别，来自基站Ti+1的脉冲只能通过检测器Ii和基站Ti+2识别，等等。基站之一是起始站T1。定位过程将从起始站T1开始。启动可以自动完成，也可以通过命令完成。

每个基站T在时间t1内发射唯一频率Fi并且在时间t2内不发射。脉冲分组的持续时间(即，测量周期)为t1+t2。待定位的物体的接收器I识别出基站T的测量周期和发射周期窗口的长度，即(n+1)(t1+t2)+nδ，其中，n＝已知整数(即，基站的数量-1)。

测量周期在基站T和检测器I处预编程。识别出测量周期，使得基站Ti+1识别出频率Fi并且在时间t1+t2+δ之后识别出相同的频率Fi(由基站Ti发送的脉冲Fi)，并将脉冲Fi+1发送到基站Ti+2，基站Ti+2识别出脉冲Fi+1，等等。

在基站T2、T3一次只能识别一个频率的情况下，基站T运行，以便下一个基站T仅在前一个站的最后一个测量周期结束后才开始发送。

在基站T2、T3能够同时识别多个频率的情况下，基站T运行，以便紧接在识别出它们接收到的测量周期后，基站T立即开始以自己的频率F发送自己的测量周期。因此，接收器几乎同时识别每个基站T发送的测量周期以及由此产生的脉冲分组F。

我们的定位系统可能同时包含多个物体I，每个物体都准确接收其位置信息，无论它们是在移动还是在原地。每个物体I都有一个类似的位置指示器。因此，定位类似于GPS，但在水平和垂直方向上都更加准确。

在一实施例中，在选定的频带中产生短持续时间脉冲F。它们是从时间窗口t1传输的。接收以预编程方式发送的脉冲F。对时序、脉冲结构和干扰信号进行监控。

物体检测器I的位置也可以在其外部识别。此处，检测器I可以通过逆同步反向定位，其中，检测器I与基站T1同步。检测器I是同步器并且基站T1之一执行计算。在测量周期开始时，检测器(即，待定位的物体)I发送一个信号，该信号由基站T1、T2、T3、…、Tn接收。这些基站之一(例如T1)，可以作为位置计算单元，这可能意味着T1不向前传输任何信号。取而代之的是，其他基站Ti(i＝2,...,n)在它们第一次收到检测器I的信号时向前发送信号。当来自这些基站Ti(i＝2,...,n)的信号最终到达T1时，T1可以计算从基站Ti(i＝2,…,n)到达的信号与从检测器I到达的信号相比的信号到达时间差，并且基站T1可以计算出检测器(即，物体)的位置。即，检测器I作为待定位的物体运行。

因此，根据实施例的逆系统简单地操作，从而代替检测器I计算它自身的位置，基站之一(上面例子中的T1)计算位置，因此该基站在正常应用中以与检测器I相同的方式运行，而在逆解中检测器I以与正常情况下相同的方式提供第一信号的基站在测量周期的开始进行运行。只能根据简单信号的传播时间差和基站的位置来计算该基站的位置。不需要特殊的计算中心或基站和任何计算中心之间的其他通信。

主基站T1可以只有发射器，而其他基站T2、T3则具有发射器和接收器。这是最简单的配置。其中，主基站T1控制(例如，通过电缆)从发射器T2、T3。

基站T1向检测器I发送信号F1时，也向从基站T2、T3发送指令F1，以将信号F2、F3发送到检测器I。控制发送周期，使得仅在检测器I中处理了前一周期之后新的周期才到达检测器I。对每个测量点重复此操作，直到可以使用统计上完整的数据来计算位置。可以收集尽可能多的数据来定位每个点。

例如，根据以下实施例可以进行脉冲F1、F2、F3的接收、测量周期、计算、记录和显示。开启测量周期的激活时间t1。接收和检测n个连续脉冲F。n是预设常数。所接收的脉冲F的触发时间小于1ns。推断何时收到所有n个脉冲。关闭测量周期的静默时间t2的活动时间t1。导出用于计算的样本。已知下一个样本从下一个发射器T2、T3到达。在预定的静默时间t2之后开启活动时间t1。将计算序列旋转m次。导出计算结果。

下面描述根据一个实施例在定位计算中信号F的传播时间差的应用。

将基站命名为T1、T2、…Tn。如果需要3D位置信息，则基站T的数量应至少为4个或更多个(即，n>＝4)。所有基站T的坐标已知为Ti＝(Xi,Yi,Zi),i＝1,...,n。设待定位的物体为I＝(X,Y,Z)。

接下来假设基站T1是所谓的主基站，它向其他基站T2、…、Tn和检测器I发送信号。当检测器I接收到由T1发送的信号F1时，时钟在物体处开始。当信号F1从其他基站T2、T3循环并在到达检测器I时，检测器I计算从T1和其他基站T2、T3、Tn接收的信号之间的到达时间差。注意这些时间差dt1i(i＝2,...,n)。因此，获得的时间差的数量比使用中的基站T的数量少1。例如，如果有四个基站T，则在待定位的物体P中得到3个时间差dt12、dt13和dt14。

假设基站T的信号F的传输没有延迟，且信号F的传播速度为v，那么可以计算对应于每个时间差dt1i(i＝2,…,n)的信号传播距离：

s12+s2I–s1I＝v*dt12

s13+s3I–s1I＝v*dt13

…

s1i+siI–s1I＝v*dt1i

在方程组中，s1i对应于基站T1到其他基站Ti的距离，i＝2,…,n，且这些距离是已知的，因为基站的位置是已知的。变量siI(i＝2,…,n)是基站Ti到待定位的检测器I＝(X,Y,Z)的距离，对应的s1I为基站T1到检测器I的距离。因此，下面的方程组有三个未知数(X,Y,Z)，如果i>＝4，则可以求解物体的坐标(X,Y,Z)，例如通过最大似然法。

此处显示的每个区域或设备值可以扩展或更改，而不会失去所寻求的效果和有效性。此外，除非明确拒绝，否则任何实施例或特征都可以与另外的实施例组合。

尽管使用特定的结构特征和/或功能来描述主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定的特征或功能。而是，以上描述的具体特征和功能是通过实施要求来举例说明的，并且其他此类特征和功能的等效物也意图在保护范围内。

应当理解，上述益处和优点可以涉及一个或更多个实施例。实施例不限于解决任何或所有已识别问题的实施例或具有任何或所有所述益处和优点的实施例。

如果需要，本文所述的工艺步骤可以以任何方便的顺序进行，或同时进行。

此外，在不脱离本文所述主题的精神和范围的情况下，可以通过任何方法去除各个步骤。上述示例的方面可以与任何其他示例的方面结合而不会失去期望的效果。

术语“包括”在本文中用于表示包括所识别的方法、块或元素，但是此类块或元素不包括排他性列表，并且方法或设备可以包括其他块或元素。

应当理解，以上描述仅以示例的方式给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上描述、实施例和数据提供了对某些实施例的结构和使用的全面描述。尽管上文已经利用特定特征或者通过参考一个或更多个单独的实施例描述了各种实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下对所示出的实施例进行多种改变。

Claims (16)

1.定位方法，包括：

在检测器(I)处测量在测量周期(t1+t2)期间从基站(T1、T2、T3)接收到的射频电磁脉冲(T1、T2、T3)的传播时间差；

确定所述基站(T1、T2、T3)的检测器(I)位置信息；以及

在所述检测器(I)中，基于所述传播时间差和所述位置信息，确定所述检测器(I)相对于所述基站(T1、T2、T3)的位置，其特征在于，所述基站(T1、T2、T3)通过电缆相互连接，其中，通过所述电缆控制来自基站(T1、T2、T3)的所述射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传输。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，以所述基站(T1、T2、T3)的已校准位置信息和基站之间的距离用作为测量所述射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的所述传播时间差的参考，其中，测量所述传播时间差不需要所述基站(T1、T2、T3)的参考时钟。

3.根据权利要求1-2所述的定位方法，其特征在于，所述基站(T1、T2、T3)的无线电发射器被配置为在包括多个可用频率的所述射频电磁辐射的宽频带中操作，其中，针对所述操作情况配置特定的频带。

4.根据权利要求1-3所述的定位方法，其特征在于，配置一个基站(T1)以控制其他基站(T2、T3)，或者所有基站(T1、T2、T3)都受其外部控制，或者外部时钟根据测量周期(t1+t2)控制所有基站；

其中，在所述检测器中重复的传输周期在时间上不重叠。

5.根据权利要求1-4所述的定位方法，其特征在于，从所述基站(T1、T2、T3)发送到待定位的所述检测器(I)的所述射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传播时间被配置为基于令牌环原理同步。

6.根据权利要求1-5所述的定位方法，其特征在于，所述检测器(I)适于确定其自身的位置：

通过基于第一次接收到的射频电磁脉冲(F1)和随后接收到的射频电磁脉冲(F2、F3)确定所述传播时间差；

基于所述传播时间差和所述基站(T1、T2、T3)的位置，确定所述射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传播距离；以及

基于所述传播距离确定所述检测器(I)的位置。

7.根据权利要求1-6所述的定位方法，其特征在于，所述检测器(I)的位置的位置信息能够通过物联网的方式从每个定位物体转移到其外部的物体。

8.根据权利要求1-6所述的定位方法，其特征在于，所述位置信息能够由放置在精确测量位置的单独基站(T1、T2、T3)校准，在所述定位检测器(I)到达所述基站(T1、T2、T3)的位置时，所述定位检测器(I)立即识别出所述精确测量位置。

9.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于，所述校准由远程传感器执行，所述远程传感器被编程或永久存储有所述远程传感器永久安装位置的坐标。

10.根据权利要求1-9所述的定位方法，其特征在于，所述定位既适用于室内定位，也适用于室外定位。

11.根据权利要求1-10所述的定位方法，其特征在于，所述1维、2维或3维的定位维度按基站(T1、T2、T3)的数量选择。

12.根据权利要求1-11所述的定位方法，其特征在于，能够通过在定位区域内增加基站(T1、T2、T3)来提高所述定位可靠性。

13.根据权利要求1-12所述的定位方法，其特征在于，能够在一个定位区域内同时使用多个检测器(I)。

14.一种定位方法，其特征在于：

在一个基站(T1)处测量在测量周期(t1+t2)期间从其他基站(T2、T3)和检测器(I)接收到的射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传播时间差；

确定一个基站(T1)和其他基站(T2、T3)的位置信息；以及

在基站(T1)处，基于所述传播时间差和所述位置信息，确定所述检测器(I)相对于所述基站(T1、T2、T3)的位置，所述基站(T1、T2、T3)通过电缆相互连接，其中，通过所述电缆控制来自所述基站(T1、T2、T3)的所述电磁脉冲(F1、F2、F3)的传输。

15.一种检测器(I)，配置为：

测量在预定时间周期(t1)内从基站(T1、T2、T3)接收到的射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传播时间差；

确定所述基站(T1、T2、T3)相对于彼此的距离；以及

基于所述传播时间差和所述距离确定检测器(I)的位置信息，其特征在于，所述基站(T1、T2、T3)通过电缆相互连接，其中，通过所述电缆控制来自所述基站(T1、T2、T3)的所述电磁脉冲(F1、F2、F3)的传输。

16.一种基站(T1)，其特征在于，所述基站(T1)被配置为：

测量在测量周期(t1+t2)期间从其他基站(T2、T3)和检测器(I)接收到的射频电磁脉冲(F1、F2、F3)的传播时间差；

确定所述基站(T1、T2、T3)的位置信息；以及

基于所述传播时间差和所述位置信息，确定所述检测器(I)相对于所述基站(T1、T2、T3)的位置，所述基站(T1、T2、T3)通过电缆相互连接，其中，通过所述电缆控制来自所述基站(T1、T2、T3)的所述电磁脉冲(F1、F2、F3)的传输。

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