CN114089443A - 一种基于tec积分量及季节变化系数的uhf频段电离层闪烁事件预报方法 - Google Patents

一种基于tec积分量及季节变化系数的uhf频段电离层闪烁事件预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，包括如下步骤：步骤1，计算海口地区十年间每天的季节变化系数以及提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况；步骤2，通过决策树算法形成一张电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表；步骤3，应用时，在本地19:30时刻计算当天的季节变化系数和积分量；步骤4，每年年底增加当年数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表，用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。本发明所公开预报方法，能够为海口等低纬地区提供预报时效为0—6小时的夜间UHF频段电离层闪烁事件预报信息，有效解决电离层闪烁事件预报问题。

Description

一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事 件预报方法
技术领域
本发明属于卫星通信和雷达领域，特别涉及该领域中的一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，服务于UHF或P频段天基SAR、远程目标监视雷达系统、卫星通信的低纬地区电离层闪烁影响预报。
背景技术
在电离层正常的电子密度背景上漂浮着密度不等、尺度不等的电离体，称为电离层不均匀体。当卫星信号在电离层不均匀体中传播时，会引起传播路径和传播时间的改变，使得信号的振幅、相位以及到达角发生快速起伏变化，导致信号衰落、频移等，被称为电离层闪烁。电离层闪烁效应会直接影响卫星通信、雷达、测控等电子信息系统的误码率、通信质量、定位精度、作用距离等性能指标，因此，通过监测、建模、告警与预报预警等空间天气保障工作，可减缓电离层闪烁对UHF、P频段天基SAR、远程目标监视雷达系统、卫星通信等电子信息系统的不利影响，具有重要应用价值。
在现有技术中，尚未发现预报时效为0—6小时且采用本专利所用技术路线的与UHF频段电离层闪烁事件预报相关的学术论文或者专利。类似技术中，美国军方研发了一个UHF频段卫星通信电离层闪烁异常短期预报模型，该模型通过全球中低纬地区部署的UHF频段电离层闪烁观测站的实时数据驱动，利用观测到的电离层闪烁发生区域，综合电离层闪烁漂移运动规律，可预报观测区域以东地区在未来3小时内能否出现电离层闪烁事件情况，该模式预报时效为0—3小时。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种UHF频段电离层闪烁事件预报方法，基于TEC积分量及季节变化系数与海口等低纬地区UHF频段电离层闪烁发生之间的相关性，解决了预报时效为0—6小时的海口等低纬地区夜间UHF频段电离层闪烁事件预报问题。
本发明采用如下技术方案：
一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，基于中国低纬地区电离层总电子含量TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d；计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d以及提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d；
步骤2，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间，将Cy，d，ITECy，d历史数据归到分辨率为0.05*2.5的相应网格空间，通过决策树算法形成一张电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i,j)，i＝0,1,......,20，j＝0,1,......,96；
步骤3，应用时，在本地19:30时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，查找该Cy，d，ITECy，d数据在统计预报表TSC(i,j)中对应的单元格数值，如果是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件；
步骤4，每年年底增加当年全部Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i,j)，用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。
进一步的，所述步骤1具体为：
A，基于中国低纬地区TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算方法如下：
假定当前年份为y0，从国际全球导航卫星系统GNSS服务网站下载前十年间[y0-1,y0-2,...,y0-10]时间分辨率为15分钟的全球TEC图历史数据，每天有96张全球TEC图，每张图的经度范围为东经-180°至180°，经度分辨率为5°；纬度范围为北纬87.5°至-87.5°，纬度分辨率为2.5°；时间范围为世界时UT0点至UT24点；
首先，从每一天的UT0:00点至UT11:15点，本地时为8:00点至19:15点之间46张全球TEC图中，提取东经120°线上北纬40°至-30°之间的网格点上的全部数据vTEClati，t，lati＝1，2，......，29，t＝1，......，46，纬度下标lati所对应的纬度为42.5-lati*2.5，单位为度；时间下标t所对应的世界时为t*0.25-0.25，单位为小时；
其次，搜索出十年间全部vTEClati，t数据中的最大值vTECmax，将全部vTEClati，t进行归一化处理，即：
normTEClati，t＝vTEClati，t/vTECmax
再次，针对每一天的normTEClati，t数据进行以下处理：搜索地磁场线0度以北的网格点normTEClati，t，lati＝1，2，......，13，t＝1，......，46，数据中最大值，及其所在的纬度下标latnmax；搜索地磁场线0度以南的网格点normTEClati，t，lati＝14，15，......，29，t＝1，......，46，数据中最大值，及其所在的纬度下标latsmax；
最后，计算每一天的南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure BDA0003307161740000031
B，计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure BDA0003307161740000032
式中φangle为海口地区地磁子午面与本地电离层F2层日落线之间夹角，单位为度；Ws取值为13.0；
C，提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d，具体计算方法为：
首先，计算海口地区本地日落时间tutsunset，tutsunset为海口地区本地电离层F2层日落的世界UT时间，即本地电离层F2层处太阳天顶角为107°时的时间，单位为小时，tutsunset默认值为11.50；
其次，基于海口观测站UHF频段电离层闪烁历史观测数据进行分析，如果在tutsunset至tutsunset+6.0时间段内发生了UHF频段电离层闪烁事件，则Sy，d＝1，否则Sy，d＝0；
D，最后将ITECy，d，Cy，d和Sy，d数据按天组织成一维矢量ITECy，d，Cy，d，Sy，d。
进一步的，所述步骤2具体为：
A，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间D(x,y)，Cy，d取值范围从0至1，ITECy，d取值范围从0至240，将该坐标空间以横轴分辨率0.05，纵轴分辨率2.5进行网格化处理D(xi,yj)，则横轴网格点坐标xi＝i*0.05，i＝0,1,......,20，纵轴网格点坐标yj＝j*2.5，j＝0,1,......,96；同时构建一张对应的二维表TSC(i,j)，i＝0,1,......,20，j＝0,1,......,96，初始值全部为0；
B，通过决策树算法形成电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i,j)：
首先，针对统计预报表TSC(i,j)中的每一个网格i,j，从十年间Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据中筛选出落到网格空间D(xi,yj)的全部数据，筛选规则如下：
i＝＝floor(Cy,d/0.05)and j＝＝floor(ITECy,d/2.5)
式中floor(x)函数为取小于x的最大整数；
其次，采用决策树二元分类算法进行分析，如果网格空间D(xi,yj内Sy，d为1的Cy，d，ITECy，d数据百分比超过0.32，则TSC(i,j)赋值为1，其余情况则赋值为0，最终形成一张电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i,j)。
进一步的，所述步骤3具体为：
A，应用时，在UT11:30，本地19:30时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，计算其在统计预报表TSC(i,j)的单元格坐标i,j，计算公式如下：
i＝floor(Cy,d/0.05)
j＝floor(ITECy,d/2.5)
如果统计预报表单元格i,j中的数值是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件。
进一步的，所述步骤4具体为：
在当前积累的ITECy，d，Cy，d和Sy，d历史数据基础上，年底增加y0年的全部Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i,j)，用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。
本发明的有益效果是：
本发明所公开基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，能够为海口等低纬地区提供预报时效为0—6小时的夜间UHF频段电离层闪烁事件预报信息，有效解决电离层闪烁事件预报问题。基于海口地区2011年至2020年十年数据对本发明方法的测试验证结果为：UHF频段电离层闪烁事件预报准确度为90％，UHF频段电离层闪烁事件预报精度为65％，UHF频段电离层闪烁事件召回率为80％。因此，本发明方法是解决电离层闪烁事件短时预报问题的一种有效技术途径，有助于提升UHF或P频段天基SAR、远程目标监视雷达系统、卫星通信等系统应对电离层闪烁事件不利影响的能力，具有非常好的应用价值。
此外，本申请发明人张红波等已经申请的预报时效为0—30分钟的一种未来半小时内单站UHF频段电离层闪烁事件发生时长的预测方法(申请号：202010746590.8)，解决的是在已知正在发生的电离层闪烁事件后预测其后续发生时长的临近预报问题，而本申请解决的则是在电离层闪烁事件发生前预报夜间电离层闪烁是否能发生的短时预报问题。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是海口地区2011年至2020年十年间的全部(Cy，d，ITECy，d)数据；
图3是将统计预报表TSC(i,j)中单元格为1所对应的(Cy，d，ITECy，d)数据进行绘制的结果。
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，以下结合附图和实施例，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。
实施例1，本实施例公开了一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，基于中国低纬地区电离层总电子含量TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d；计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d以及提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d，具体为：
A，基于中国低纬地区TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算方法如下：
假定当前年份为y0，从国际全球导航卫星系统GNSS服务网站下载前十年间[y0-1,y0-2,...,y0-10]时间分辨率为15分钟的全球TEC图历史数据，每天有96张全球TEC图，每张图的经度范围为东经-180°至180°，经度分辨率为5°；纬度范围为北纬87.5°至-87.5°，纬度分辨率为2.5°；时间范围为世界时UT0点至UT24点；
首先，从每一天的UT0:00点至UT11:15点(本地时为8:00点至19:15点)之间46张全球TEC图中，提取东经120°线上北纬40°至-30°之间的网格点上的全部数据vTEClati，t，lati＝1，2，......，29，t＝1，......，46，纬度下标lati所对应的纬度为42.5-lati*2.5，单位为度；时间下标t所对应的世界时为t*0.25-0.25，单位为小时；
其次，搜索出十年间全部vTEClati，t数据中的最大值vTECmax，将全部vTEClati，t进行归一化处理，即：
normTEClati，t＝vTEClati，t/vTECmax
再次，针对每一天的normTEClati，t数据进行以下处理：搜索地磁场线0度以北的网格点normTEClati，t(lati＝1，2，......，13，t＝1，......，46)数据中最大值，及其所在的纬度下标latnmax；搜索地磁场线0度以南的网格点normTEClati，t(lati＝14，15，......，29，t＝1，......，46)数据中最大值，及其所在的纬度下标latsmax；
最后，计算每一天的南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure BDA0003307161740000061
B，计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure BDA0003307161740000062
式中φangle为海口地区地磁子午面与本地电离层F2层(350千米高度)日落线之间夹角，单位为度；Ws取值为13.0；
C，提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d，具体计算方法为：
首先，计算海口地区本地日落时间tutsunset，tutsunset为海口地区本地电离层F2层(350千米高度)日落的世界UT时间，即本地电离层F2层处太阳天顶角为107°时的时间，单位为小时，tutsunset默认值为11.50；
其次，基于海口观测站UHF频段电离层闪烁历史观测数据进行分析，如果在tutsunset至tutsunset+6.0时间段内发生了UHF频段电离层闪烁事件，则Sy，d＝1，否则Sy，d＝0；
D，最后将ITECy，d，Cy，d和Sy，d数据按天组织成一维矢量(ITECy，d，Cy，d，Sy，d)。
步骤2，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间，将(Cy，d，ITECy，d)历史数据归到分辨率为0.05*2.5的相应网格空间，通过决策树算法形成一张电离层闪烁事件发生与否的1/0统计预报表TSC(i,j)，i＝0,1,......,20，j＝0,1,......,96，具体为：
A，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间D(x,y)，Cy，d取值范围从0至1，ITECy，d取值范围从0至240，将该坐标空间以横轴分辨率0.05，纵轴分辨率2.5进行网格化处理D(xi,yj)，则横轴网格点坐标xi＝i*0.05，i＝0,1,......,20，纵轴网格点坐标yj＝j*2.5，j＝0,1,......,96；同时构建一张对应的二维表TSC(i,j)，i＝0,1,......,20，j＝0,1,......,96，初始值全部为0；
B，通过决策树算法形成电离层闪烁事件发生与否的1/0统计预报表TSC(i,j)：
首先，针对统计预报表TSC(i,j)中的每一个网格(i,j)，从十年间(Cy，d，ITECy，d，Sy，d)数据中筛选出落到网格空间D(xi,yj)的全部数据，筛选规则如下：
i＝＝floor(Cy,d/0.05)andj＝＝floor(ITECy,d/2.5)
式中floor(x)函数为取小于x的最大整数操作；
其次，采用决策树二元分类算法进行分析，如果网格空间D(xi,yj内Sy，d为1的(Cy，d，ITECy，d)数据百分比超过0.32，则TSC(i,j)赋值为1，其余情况则赋值为0，最终形成一张电离层闪烁事件发生与否的1/0统计预报表TSC(i,j)。
步骤3，应用时，在本地19:30时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，查找该(Cy，d，ITECy，d)数据在统计预报表TSC(i,j)中对应的单元格数值，如果是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件，具体为：
A，应用时，在UT11:30(本地19:30)时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，计算其在统计预报表TSC(i,j)的单元格坐标(i,j)，计算公式如下：
i＝floor(Cy,d/0.05)
j＝floor(ITECy,d/2.5)
如果统计预报表单元格(i,j)中的数值是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件。
步骤4，每年年底增加当年全部(Cy，d，ITECy，d，Sy，d)数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i,j)，其可应用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作，具体为：
在当前积累的ITECy，d，Cy，d和Sy，d历史数据基础上，年底增加y0年的全部(Cy，d，ITECy，d，Sy，d)数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i,j)，其可应用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。
图2为海口地区2011年至2020年十年间的全部(Cy，d，ITECy，d)数据，圆圈为夜间有UHF频段电离层闪烁事件的(Cy，d，ITECy，d)数据，x为夜间无UHF频段电离层闪烁事件的(Cy，d，ITECy，d)数据。
图3为将统计预报表TSC(i,j)中单元格为1所对应的(Cy，d，ITECy，d)数据进行绘制的结果。圆圈为夜间有UHF频段电离层闪烁事件的(Cy，d，ITECy，d)数据，占十年间全部夜间有UHF频段电离层闪烁事件的(Cy，d，ITECy，d)数据的80％，即召回率指标。
综上所述，本发明方法可有效解决预报时效为0—6小时的海口地区夜间UHF频段电离层闪烁事件预报问题。基于海口地区2011年至2020年的十年数据，对本发明方法的测试验证结果为UHF频段电离层闪烁事件预报准确度为90％，UHF频段电离层闪烁事件预报精度为65％，UHF频段电离层闪烁事件召回率为80％。因此，本发明方法是解决UHF/P频段天基SAR/远程目标监视雷达系统/卫星通信等系统电离层闪烁事件短时预报问题的一种有效技术途径，具有非常好的应用价值。

Claims (5)

1.一种基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，基于中国低纬地区电离层总电子含量TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d；计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d以及提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d；
步骤2，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间，将Cy，d，ITECy，d历史数据归到分辨率为0.05*2.5的相应网格空间，通过决策树算法形成一张电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i，j)，i＝0，1，......，20，j＝0，1，......，96；
步骤3，应用时，在本地19:30时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，查找该Cy，d，ITECy，d数据在统计预报表TSC(i，j)中对应的单元格数值，如果是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件；
步骤4，每年年底增加当年全部Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i，j)，用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。
2.根据权利要求1所述基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
A，基于中国低纬地区TEC图历史数据计算十年间每天的东经120°南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算方法如下：
假定当前年份为y0，从国际全球导航卫星系统GNSS服务网站下载前十年间[y0-1，y0-2，......，y0-10]时间分辨率为15分钟的全球TEC图历史数据，每天有96张全球TEC图，每张图的经度范围为东经-180°至180°，经度分辨率为5°；纬度范围为北纬87.5°至-87.5°，纬度分辨率为2.5°；时间范围为世界时UT0点至UT24点；
首先，从每一天的UT0:00点至UT11:15点，本地时为8:00点至19:15点之间46张全球TEC图中，提取东经120°线上北纬40°至-30°之间的网格点上的全部数据VTEClati，t，lati＝1，2，......，29，t＝1，......，46，纬度下标lati所对应的纬度为42.5-lati*2.5，单位为度；时间下标t所对应的世界时为t*0.25-0.25，单位为小时；
其次，搜索出十年间全部vTEClati，t数据中的最大值vTECmax，将全部vTEClati，t进行归一化处理，即：
normTEClati，t＝vTEClati，t/vTECmax
再次，针对每一天的normTEClati，t数据进行以下处理：搜索地磁场线0度以北的网格点normTEClati，t，lati＝1，2，......，13，t＝1，......，46，数据中最大值，及其所在的纬度下标latnmax；搜索地磁场线0度以南的网格点normTEClati，t，lati＝14，15，......，29，t＝1，......，46，数据中最大值，及其所在的纬度下标latsmax；
最后，计算每一天的南北驼峰附近日间TEC积分量ITECy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure FDA0003307161730000021
B，计算海口地区十年间每天的季节变化系数Cy，d，单位为无量纲，具体计算公式如下：
Figure FDA0003307161730000022
式中φangle为海口地区地磁子午面与本地电离层F2层日落线之间夹角，单位为度；Ws取值为13.0；
C，提取十年间每天的夜间UHF频段电离层闪烁发生情况Sy，d，具体计算方法为：
首先，计算海口地区本地日落时间tutsunset，tutsunset为海口地区本地电离层F2层日落的世界UT时间，即本地电离层F2层处太阳天顶角为107°时的时间，单位为小时，tutsunset默认值为11.50；
其次，基于海口观测站UHF频段电离层闪烁历史观测数据进行分析，如果在tutsunset至tutsunset+6.0时间段内发生了UHF频段电离层闪烁事件，则Sy，d＝1，否则Sy，d＝0；
D，最后将ITECy，d，Cy，d和Sy，d数据按天组织成一维矢量ITECy，d，Cy，d，Sy，d。
3.根据权利要求1所述基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
A，构建以Cy，d为横轴，ITECy，d为纵轴的二维坐标空间D(x，y)，Cy，d取值范围从0至1，ITECy，d取值范围从0至240，将该坐标空间以横轴分辨率0.05，纵轴分辨率2.5进行网格化处理D(xi，yj)，则横轴网格点坐标xi＝i*0.05，i＝0，1，......，20，纵轴网格点坐标yj＝j*2.5，j＝0，1，.....，96；同时构建一张对应的二维表TSC(i，j)，i＝0，1，......，20，j＝0，1，......，96，初始值全部为0；
B，通过决策树算法形成电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i，j)：
首先，针对统计预报表TSC(i，j)中的每一个网格i，j，从十年间Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据中筛选出落到网格空间D(xi，yj)的全部数据，筛选规则如下：
i＝＝floor(Cy，d/0.05)and j＝floor(ITECy，d/2.5)
式中floor(x)函数为取小于x的最大整数；
其次，采用决策树二元分类算法进行分析，如果网格空间D(xi，yj内Sy，d为1的Cy，d，ITECy，d数据百分比超过0.32，则TSC(i，j)赋值为1，其余情况则赋值为0，最终形成一张电离层闪烁事件发生与否的1、0统计预报表TSC(i，j)。
4.根据权利要求1所述基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
A，应用时，在UT11:30，本地19:30时刻计算当天的Cy，d和ITECy，d，计算其在统计预报表TSC(i，j)的单元格坐标i，j，计算公式如下：
i＝floor(Cy，d/0.05)
j＝floor(ITECy，d/2.5)
如果统计预报表单元格i，j中的数值是1，则预报海口地区夜间会发生UHF频段电离层闪烁事件。
5.根据权利要求2所述基于TEC积分量及季节变化系数的UHF频段电离层闪烁事件预报方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
在当前积累的ITECy，d，Cy，d和Sy，d历史数据基础上，年底增加y0年的全部Cy，d，ITECy，d，Sy，d数据后，重复步骤2的工作以更新统计预报表TSC(i，j)，用于未来一整年的海口地区UHF频段电离层闪烁预报工作。
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