CN114006626B - 一种移动便携测控站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星测控技术领域，提供一种移动便携测控站，包括：底座、转台、天线、数据转发系统、GNSS传感器、基带及控制电脑；数据转发系统包括交换机、多个以太网接口、网口转CAN模块、电机航插接口、GNSS测向模块、GNSS天线接口；交换机与多个以太网接口、网口转CAN模块和GNSS测向模块通讯地连接；GNSS测向模块通过GNSS天线接口与GNSS传感器通讯地连接，用于接收GNSS传感器的数据，计算出移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向；网口转CAN模块通过电机航插接口与转台通讯地连接；控制电脑用于获取移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向，控制转台的转动以及通过基带接收卫星信号并控制卫星。本方案能够移动到户外执行测控任务，能够适应恶劣的野外环境。

Description

一种移动便携测控站

技术领域

本发明涉及卫星测控技术领域，特别是涉及一种移动便携测控站。

背景技术

测控站的任务是直接对航天器进行跟踪测量、遥测、遥控和通信等，它将接收到的测量、遥测信息传送给航天控制中心，根据航天控制中心的指令与航天器通信，并配合控制中心完成对航天器的控制。

当前测控站均为通过基建架设的形式，测控站在一固定的地点建好后位置不可更改。现有的固定式的测控站多为大型基站，内部采用集成电路一体化控制，控制系统复杂、能耗大，一旦测控站出现故障很难排查问题，维护时间长、成本高，如果维护不及时还会影响测控任务的进行。并且一体化集成电路中包含了电源、驱动和信号采集系统，电源和驱动为大功率器件电路，系统满载运行时会向外辐射电磁干扰，一体化的电路即使做了隔离，受限于空间间距，仍然会有干扰辐射到信号端，因此一体化集成电路的抗干扰能力弱。

又由于现有的测控站为固定式，无法在测控站以外的地方执行测控任务。

因此，亟需开发一种移动便携测控站，能够移动到其他地方执行测控任务，并且控制系统结构简单，能够适应恶劣的野外环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动便携测控站，该测控站能够移动到其他地方执行测控任务，并且控制系统结构简单，能够适应恶劣的野外环境。

为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种移动便携测控站，包括：底座、转台、天线、数据转发系统、GNSS传感器、基带及控制电脑；

所述底座固定在转台的下方，所述天线固定在转台的上方；

所述数据转发系统包括交换机、多个以太网接口、网口转CAN模块、电机航插接口、GNSS测向模块、GNSS天线接口；

所述交换机与多个以太网接口、网口转CAN模块和GNSS测向模块通讯地连接；

所述GNSS测向模块通过GNSS天线接口与GNSS传感器通讯地连接，用于接收GNSS传感器的数据，计算出移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向；

所述网口转CAN模块通过电机航插接口与转台通讯地连接；

所述基带与一以太网接口、天线通讯地连接，用于对卫星信号进行调制解调；

所述控制电脑与一以太网接口通讯地连接，用于获取移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向，控制转台的转动以及通过基带接收卫星信号并控制卫星。

根据本发明一示例实施方式，所述移动便携测控站还包括蓄电池，所述数据转发系统还包括开关、第一电源和第二电源；该蓄电池通过开关与电机航插、第一电源和第二电源连接；该第一电源为网口转CAN模块、GNSS测向模块供电，该第二电源为交换机供电。

根据本发明一示例实施方式，所述数据转发系统还包括基带供电接口，该基带供电接口连接基带和第二电源。

根据本发明一示例实施方式，所述移动便携测控站还包括低噪声放大器，所述数据转发系统还包括低噪声放大器供电接口，该低噪声放大器供电接口连接低噪声放大器和第二电源。

根据本发明一示例实施方式，所述移动便携测控站还包括功率放大器，所述功率放大器与一以太网接口通讯地连接；

所述数据转发系统还包括功放供电接口，该功放供电接口连接第一电源和功率放大器。

根据本发明一示例实施方式，所述数据转发系统还包括WiFi收发器，该WiFi收发器与交换机通讯地连接。

根据本发明一示例实施方式，所述转台包括二维转台运动系统、底板、连接框、下连接件、第一电机、上连接件、第二电机和顶板；

所述顶板的顶部与天线固定连接；所述底板的底部与底座固定连接；

所述连接框位于底板的上方，包括第一轴向通道和第二轴向通道，第一轴向通道和第二轴向通道错位排布，并呈十字交叉状；第一轴向通道位于第二轴向通道的下方；

所述第一电机设置在第一轴向通道内，包括内定子和外转子，内定子通过下连接件与底板固定连接，外转子与连接框固定连接；

所述二维转台运动系统与第一电机、第二电机连接，用于驱动第一电机和第二电机的旋转。

根据本发明一示例实施方式，所述二维转台运动系统包括驱动器和控制器，所述驱动器与控制器、第一电机和第二电机连接，用于根据控制器的指令驱动第一电机与第二电机转动。

根据本发明一示例实施方式，所述二维转台运动系统还包括编码器，所述编码器与控制器连接，用于检测第一电机和第二电机的转动角度并发送给控制器；所述控制器还用于将第一电机和第二电机转动的角度传输给控制电脑。

根据本发明一示例实施方式，所述二维转台运动系统还包括温度传感器和电流传感器，所述温度传感器与控制器连接，用于检测电机的温度并发送给控制器；所述电流传感器与控制器连接，用于检测电路的电流大小并发送给控制器；所述控制器还用于将电机的温度和电路的电流大小传输给控制电脑。

根据本发明一示例实施方式，所述天线包括抛物面反射器和馈源，所述馈源位于抛物面反射器的焦点上。

根据本发明一示例实施方式，所述抛物面反射器的直径为1.5-3m，优选1.8m。

本发明的有益效果是：

本发明测控站能够移动到其他地方执行测控任务，并且控制系统结构简单，能够适应恶劣的野外环境。本发明将各个分立的模块配置到同一网段，使用交换机将各个模块进行通信互联，控制电脑可以直接控制转台的转动及信号的收发。由于各个模块相互独立，整体电路简单，出现故障时可以迅速定位，只要将相应模块进行排查或更换即可迅速解决问题，降低了维护成本，提高任务的效率及成功率。又由于整个系统为分立式模块，每个模块结构简单，功率及电压都比较低，采用低压供电即可，在户外执行任务只需要用蓄电池即可持久续航。本方案支持WiFi直连控制功能，手机等移动终端可以直接控制转台的转动及信号的收发。

附图说明

图1示意性示出了移动便携测控站的结构图；

图2示意性示出了转台的结构图。

图3示意性示出了转台的爆炸图。

图4示意性示出了转台的使用状态图。

图5示意性示出了转台的使用状态图（另一种状态）。

图6示意性示出了数据转发系统和其他模块的连接关系图。

其中，100—底座，200—转台，300—天线，400—数据转发系统，500—GNSS传感器，600—基带，700—蓄电池，1—底板，2—第一下连接件，3—第一固定圈，4—第一电机，5—连接框，6—第二加强圈，7—第二轴承，8—第二上连接件，9—顶板，10—第二电机，11—第二固定圈，12—第一上连接件，13—第二下连接件，14—第一轴承，15—第一加强圈，16—限位块。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

作为本发明的第一个实施方式，提供一种移动便携测控站，如图1所示，包括：底座100、转台200、天线300、数据转发系统400、GNSS传感器500、基带600、控制电脑（图1中未示出）、蓄电池700、功率放大器（图1中未示出）、低噪声放大器（图1中未示出）。

底座100固定在转台200的下方，天线300固定在转台200的上方。

如图2和图3所示，转台200包括二维转台运动系统（图2和图3中未示出）、底板1、连接框5、下连接件、第一电机4、上连接件、第二电机10、第一固定圈4、第二固定圈11、第一加强圈15、第二加强圈7、第一轴承14、第二轴承7、顶座9、限位块16和多个垫片。连接框5设置在顶板9和底板1之间，底板1位于连接框5的下方，常态下顶板9位于连接框5的上方，通过其他部件将底板1和连接框5、顶板9和连接框5进行连接。

连接框5包括第一轴向通道和第二轴向通道，第一轴向通道和第二轴向通道错位排布，并呈十字交叉状；常态下，第一轴向通道位于第二轴向通道的下方。连接框5以两个圆筒形构件分别将第一轴向通道和第二轴向通道包围，两个圆筒形构件固定连接。第一圆筒形构件包围第一轴向通道，第二圆筒形构件包围第二轴向通道。

第一电机4设置在第一轴向通道内，包括内定子和外转子。下连接件包括第一下连接件2和第二下连接件13，分别设置在第一轴向通道的两端，用以将第一电机4和底座1进行固定。具体地，第一下连接件2和第二下连接件13的下部与底座1固定连接，第一下连接件2的上部与内定子的一端固定连接，第二下连接件13的上部与内定子的另一端固定连接。第一电机4在与第一下连接件2连接的一端，内定子较外转子更为凸出，该凸出部分为第一凸起部。第一固定圈3为环形结构，第一凸起部穿过第一固定圈3与第一下连接件2固定连接，第一固定圈3的内圈与外转子固定连接，第一固定圈3的外圈与连接框5的第一圆筒形构件固定连接。第一加强圈15包括第一内圈、第一外圈和多根第一连接条。第一连接条的两端分别固定连接第一内圈和第一外圈。第二下连接件13的上部包括第一连接轴，该第一连接轴穿过第一内圈伸入第一轴向通道与内定子固定连接。第一轴承14的内圈与第一连接轴固定连接，第一轴承14的外圈与第一加强圈15的第一内圈固定连接。第一加强圈15的第一外圈与连接框5的第一圆筒形构件固定连接。由此实现第一电机4的内定子与底座1固定连接，外转子与连接框5固定连接，外转子的旋转时带动连接框5旋转。

第二电机10设置在第二轴向通道内，包括内转子和外定子。上连接件包括第一上连接件12和第二上连接件8，分别设置在第二轴向通道的两端，用以将第二电机10和顶座9进行固定。具体地，第一上连接件12和第二上连接件8的上部与顶座8固定连接，第一上连接件12的下部与内转子的一端固定连接，第二上连接件8的下部与内转子的另一端固定连接。第二电机10在与第一上连接件12连接的一端，内转子较外定子更为凸出，该凸出部分为第二凸起部。第二固定圈11为环形结构，第二凸起部穿过第二固定圈11与第一上连接件12固定连接，第二固定圈11的内圈与外定子固定连接，第二固定圈11的外圈与连接框5的第二圆筒形构件固定连接。第二加强圈6包括第二内圈、第二外圈和多根第二连接条。第二连接条的两端分别固定连接第二内圈和第二外圈。第二上连接件8的下部包括第二连接轴，该第二连接轴穿过第二内圈伸入第二轴向通道与内转子固定连接。第二轴承7的内圈与第二连接轴固定连接，第二轴承7的外圈与第二加强圈6的第二内圈固定连接。第二加强圈6的第二外圈与连接框5的第二圆筒形构件固定连接。由此实现第二电机10的内转子与顶座9固定连接，外定子与连接框5固定连接，内定子旋转时带动顶座9旋转。

二维转台运动系统与第一电机4、第二电机10连接，用于驱动第一电机4和第二电机10的旋转。二维转台运动系统包括驱动器、控制器、编码器、温度传感器和电流传感器。驱动器与控制器、第一电机4和第二电机10连接，用于根据控制器的指令驱动第一电机4与第二电机10转动。编码器与控制器连接，用于检测第一电机4和第二电机10的转动角度并发送给控制器。温度传感器与控制器连接，用于检测第一电机4和第二电机10的温度并发送给控制器。电流传感器与控制器连接，用于检测二维转台运动系统内部电路的电流大小并发送给控制器。控制器用于接收控制电脑的指令，指示驱动器驱动第一电机4和第二电机10转动，还用于将第一电机4和第二电机10转动的角度传输给控制电脑；还用于将第一电机4和第二电机10的温度和二维转台运动系统内部的电路的电流大小传输给控制电脑。

以第一轴向通道的轴向方向为X轴，以第二轴向通道的轴向方向为Y轴。常态下，转台200的结构如图2所示。当转台200收到绕X轴旋转的指令时，如图4所示，在控制器的指示下，第一电机4的外转子绕X轴转动，带动连接框5转动，连接框5带动第二电机10、第一上连接件12和第二上连接件8转动，第一连接件12和第二上连接件8进而带动顶板9转动，使得天线300转动。接着，当转台200收到绕Y轴旋转的指令时，如图5所示，第二电机10的内转子绕Y轴转动，带动第一上连接件12和第二上连接件8转动，第一上连接件12和第二上连接件8进而带动顶板9转动，使得天线300转动。上述的方案是转台200先绕X轴转动再绕Y轴转动的一具体示例实施方式，因为绕X轴转动和绕Y轴转动是由两个不同的电机控制，具体实施中可以同时绕X轴转动和Y轴转动。

限位块16固定在底板1的上方，位于第一轴向通道的一侧，并靠近第一轴向通道。当第一电机4的外转子旋转并带动连接框5旋转并超过预定范围时，限位块16对连接框5进行限位，防止连接框5过度运动造成其他部件的损坏。转台200绕X轴旋转的角度为0°-90°，绕Y轴旋转的角度为0°-90°。

垫片套在第一连接轴或第二连接轴上，设置在第一加强圈15和第一电机4之间、和/或设置在第一加强圈15和第二下连接件13之间、和/或设置在第二加强圈6和第二电机10之间、和/或设置在第二加强圈6和第二上连接件8之间。

优选地，转台200还包括水平泡，固定在底板1的上方。转台200还包括多个胶条，设置在连接框5和第一固定圈3的连接面、和/或设置在连接框5和第二固定圈11的连接面、和/或设置在连接框5和第一加强圈15的连接面、和/或设置在连接框5和第二加强圈6的连接面，满足整个转台200的防水要求，在雨天或湿度大的地方可以正常使用，更能适应野外的环境。

转台200结构简单、紧凑、小巧，便于携带，只需要两个电机旋转就能实现转台三维方向的转动。由于只采用电机，不需要其他额外的减速机等控制速度的期间，并且电机两端都能够与顶座9、底座1固定，加固了整个转台200，使天线300追星更加平稳，更能适应野外恶劣的环境。

如图1所示，天线300包括抛物面反射器和馈源，馈源位于抛物面反射器的焦点上。抛物面反射器的直径为1.5-3m，优选1.8m；抛物面反射器由8个扇面拼接而成，方便拆卸及携带。虽然天线面的口径即抛物面反射器的直径会影响到测控卫星的距离，口径越小，测控的有效距离越小。但是便携站测控站主要与低轨卫星和火箭进行通信，测控距离完全满足要求。

如图6所示，数据转发系统400包括交换机、多个以太网接口、网口转CAN模块、电机航插接口、GNSS测向模块、GNSS天线接口、第一电源、第二电源、开关、功放供电接口、基带供电接口、低噪声放大器供电接口和WiFi收发器。图6中单向箭头表示电源的供电线，双向箭头表示数据信号的连接线。

交换机与多个以太网接口、网口转CAN模块和GNSS测向模块通讯地连接，优选以TCP通信协议进行连接。通过TCP通信形式，交换机将各个模块配置在同一网段进行信号的传输和控制，提高数据交互的稳定性和效率，同时交换机作为数据传输的中心，将各个模块分开，信号端不容易受到辐射电磁的干扰，相比传统电路，提高了抗干扰性能，优化了整体的通信效率。以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。

GNSS测向模块通过GNSS天线接口与GNSS传感器500通讯地连接，用于接收GNSS传感器500的数据，计算出移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向。移动便携测控站所在的地理位置包括移动便携测控站所在地的经纬度和海拔高度。GNSS测向系统为全球导航卫星系统定位，是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，同时还必须知道用户钟差。钟差是在同一瞬间指示准确世界时的钟时减去天文钟的时间，即:钟差=世界时-钟时。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。

网口转CAN模块通过电机航插接口与转台200通讯地连接，使用CAN总线指令发送报文驱动转台200转动。图6中为了更方便电路的设计，电机航插接口与二维转台运动系统之间的连接线缆与GNSS传感器500绑定在一起后连接转台200。

基带600与其中一个以太网接口、天线300通讯地连接，用于对卫星信号进行调制解调。

控制电脑与其中一个以太网接口通讯地连接，用于获取移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向，通过卫星轨道的根数计算出卫星轨道及天线300和转台200的运动轨道，控制转台200的转动以及通过基带600接收卫星信号并控制卫星。

蓄电池700通过开关与电机航插接口、第一电源和第二电源连接，用于为转台200、第一电源和第二电源提供电源。蓄电池的电压为48V，功率为2KW，可以续航3小时以上，满足各个模块的供电需求。第一电源为网口转CAN模块、GNSS测向模块供电，还通过功放供电接口为功率放大器（即图6中的功放BUC）供电。第一电源将蓄电池700的电压转换为24V电压。第二电源为交换机供电，还通过基带供电接口为基带600供电、通过低噪声放大器供电接口为低噪声放大器（即图6中的LNA）供电。第二电源将蓄电池700的电压转换为12V电压。蓄电池700的电压通过第一电源和第二电源转成低压直流电源，降低电压，可以匹配各个模块，满足各个模块的供电需求，降低整个移动便携测控站的功耗。固定测控站都是从交流电网直接供电，小口径的固定站一般为220V交流电，大口径的固定站大多是380V工业交流电。本方案由于是移动便携的测控站，使用低压直流电源，传输效果会比传统的固定测控站更好。因为传统固定测控站功率大，只能用交流电供电，工业领域低压直流供电很难超过2KW，传统固定测控站功率一般在2KW以上。本方案的移动便携测控站的功率控制在1KW以内，因此可以直接使用直流供电。传统的固定测控站虽然使用高压交流电，但是其内部有整流和变压器模块，作用是将220V或380V交流电输入整流变压成直流电（110V、48V、24V或12V的直流电），为GNSS测向模块、信号处理模块或通信模块等模块提供电流。由交流变到直流的过程会产生很大的噪声，这些噪声很难处理干净，进而会污染整个电流系统。本方案的移动便携测控站直接采用直流电源，避免了产生噪声。蓄电池700采用48V电压，可以给第一电机4和第二电机10直接供电，然后再将48V电压降压成24V和12V，为其他模块供电，匹配其他模块的电压需求。

LNA，low noise amplifier，即为低噪声放大器， 噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。低噪声放大器是作用在信号接受系统的前端，放大有用的信号并抑制随信号一起传输的噪声，即为将有用信号和噪声之间的差值提高，提高接收到的信号的信噪比。

功率放大器与其中一个以太网接口通讯地连接。功率放大器作为对卫星发射信号的设备，将微小的信号功率放大，从射频端口发射出去给卫星。

WiFi收发器，该WiFi收发器与交换机通讯地连接，解决了户外供网的问题，使手机等移动段可以连接入网络实现控制。

本方案的移动便携测控站，天线面小、设备轻盈，便携且占地小，可随时随地架设进行测控，自带供网和长时间续航能力，可以使得野外测控成本大大降低，为测控任务提供强有力支持。又由于转台200的电机驱动在转台的内部，而不在系统控制模块里，并且本方案的各个模块为分立式模块，选择的电源为辐射小的电源，各个模块之间采用以太网交换机的形式进行通信，这样的通信方式，减少了电磁辐射的影响，比靠电路板的绝缘层和电流本身设计的隔离带进行抗干扰的方式更简单、辐射更低。还由于本方案直接采用直流电源，避免了由交流电到直流电转换过程中产生噪声影响测控任务。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种移动便携测控站，其特征在于，包括：底座、转台、天线、数据转发系统、GNSS传感器、基带及控制电脑；

所述底座固定在转台的下方，所述天线固定在转台的上方；所述天线包括抛物面反射器和馈源，所述抛物面反射器的直径为1.5-3m；

所述数据转发系统包括交换机、多个以太网接口、网口转CAN模块、电机航插接口、GNSS测向模块、GNSS天线接口；

所述交换机与多个以太网接口、网口转CAN模块和GNSS测向模块通讯地连接；

所述GNSS测向模块通过GNSS天线接口与GNSS传感器通讯地连接，用于接收GNSS传感器的数据，计算出移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向；

所述网口转CAN模块通过电机航插接口与转台通讯地连接；

所述基带与一以太网接口、天线通讯地连接，用于对卫星信号进行调制解调；

所述控制电脑与一以太网接口通讯地连接，用于获取移动便携测控站所在的地理位置和天线的方向，控制转台的转动以及通过基带接收卫星信号并控制卫星；

还包括蓄电池，所述数据转发系统还包括开关、第一电源和第二电源；该蓄电池通过开关与电机航插、第一电源和第二电源连接；该第一电源降低蓄电池的电压为网口转CAN模块、GNSS测向模块供电，该第二电源降低蓄电池的电压为交换机供电；

所述转台、GNSS传感器、基带及控制电脑为 分立式模块；

所述转台包括二维转台运动系统、底板、连接框、下连接件、第一电机、上连接件、第二电机和顶板；

所述顶板的顶部与天线固定连接；所述底板的底部与底座固定连接；

所述连接框位于底板的上方，包括第一轴向通道和第二轴向通道，第一轴向通道和第二轴向通道错位排布，并呈十字交叉状；第一轴向通道位于第二轴向通道的下方；

所述第一电机设置在第一轴向通道内，包括内定子和外转子，内定子通过下连接件与底板固定连接，外转子与连接框固定连接；

所述第二电机设置在第二轴向通道内，包括外定子和内转子，内转子通过上连接件与顶板固定连接，外定子与连接框固定连接；

所述二维转台运动系统与第一电机、第二电机连接，用于驱动第一电机和第二电机的旋转。

2.根据权利要求1所述的移动便携测控站，其特征在于，所述数据转发系统还包括基带供电接口，该基带供电接口连接基带和第二电源。

3.根据权利要求1所述的移动便携测控站，其特征在于，还包括低噪声放大器，所述数据转发系统还包括低噪声放大器供电接口，该低噪声放大器供电接口连接低噪声放大器和第二电源。

4.根据权利要求3所述的移动便携测控站，其特征在于，还包括功率放大器，所述功率放大器与一以太网接口通讯地连接；

所述数据转发系统还包括功放供电接口，该功放供电接口连接第一电源和功率放大器。

5.根据权利要求1所述的移动便携测控站，其特征在于，所述数据转发系统还包括WiFi收发器，该WiFi收发器与交换机通讯地连接。

6.根据权利要求1所述的移动便携测控站，其特征在于，所述二维转台运动系统包括驱动器和控制器，所述驱动器与控制器、第一电机和第二电机连接，用于根据控制器的指令驱动第一电机和第二电机转动。

7.根据权利要求6所述的移动便携测控站，其特征在于，所述二维转台运动系统还包括编码器，所述编码器与控制器连接，用于检测第一电机和第二电机的转动角度并发送给控制器；所述控制器还用于将第一电机和第二电机转动的角度传输给控制电脑。

8.根据权利要求6所述的移动便携测控站，其特征在于，所述二维转台运动系统还包括温度传感器和电流传感器，所述温度传感器与控制器连接，用于检测电机的温度并发送给控制器；所述电流传感器与控制器连接，用于检测电路的电流大小并发送给控制器；所述控制器还用于将电机的温度和电路的电流大小传输给控制电脑。

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