CN1224255A - 用于与低地球轨道卫星通讯的天线 - Google Patents

Abstract

一种用于与低地球轨道(LEO)卫星通讯的小型天线,能在小型地球站高速跟踪LEO卫星,天线使用了两个补偿抛物面天线型反射器,且每个主馈送器设在构成反射器的旋转抛物面的焦点上。补偿抛物面天线的补偿量选择为致使在最小仰角处天线的增益最大。每个主馈送器机械地独立于移动反射器,被附着并固定于馈线。同时,反射器基于AZ－EL台座的方位轴和仰角轴转动。

Description

用于与低地球轨道卫星通讯的天线

本发明涉及用于与低地球轨道卫星通讯的天线，尤其涉及一种卫星通讯系统中的地面站使用的为与低地球轨道卫星通讯用于自动跟踪地球卫星的天线，在该通讯系统中多个低地球轨道(LEO)卫星环绕地球旋转。

近来，产生了一种通过多个LEO卫星将几Mbps到几十Mbps的高速数据提供给全球用户的方案，其使用了Ka波段(20-30GHz)的高频信号。

在这种使用多个低地球轨道卫星的卫星通讯系统中，从小规模的地球站的角度看，由于每个卫星在一相对短的时间内从可视领域离去，所以需要大范围的跟踪。

在此之前，对于跟踪卫星的天线，已知多种技术是被广泛地用于对地静止卫星和移动卫星所用的地球站的天线。

例如，对于跟踪方法来说，有一种单脉冲跟踪方法，其连续检测天线是否跟踪在波束的中心并控制使天线的方位等于卫星的方位，一步跟踪方法，其以一固定的时间间隔逐渐的移动天线并将其调整到接收电平最大的方位，以及一程控跟踪方法，其根据已知的卫星轨道的估算信息改变天线的方位。

对于支持移动天线已知的方式有，AZ-EL台座装置，其中移动天线的方位角和仰角是可改变的，以及一种XY台座装置，其将移动天线在与卫星轨道方向垂直的方向上改变。目前，AZ-EL台座是最多的方式，一个轴(方位轴)是与地面垂直设置的，另一个轴(仰角轴)是水平设置的。在XY台座中，与地面水平的X轴是与Y轴垂直的，并且Y轴是与X轴一起旋转的。XY台座适于跟踪接近上空以高速移动的LEO卫星，然而，由于两个轴是位于离地较高的位置，所以XY台座存在机械误差。

下面，将参照附图描述用于跟踪卫星的常规技术地球站的天线的卫星跟踪技术。

图13示出了用于跟踪卫星的地球站的常规型天线的结构。图13示出了用于跟踪卫星的地球站的一大尺寸天线的一实例，主反射器是直径为13米的卡塞格伦(Cassegrainian)天线。天线使用AZ-EL台座的驱动机构跟踪卫星，方位轴和仰角轴是由一螺旋千斤顶机构驱动的。为简化结构，驱动机构被允许在方位轴的方向上仅在±10度的范围内连续驱动，以及采用一受限驱动方法，其在天线被要求以一大角度指向另一方向时，一组螺旋被松开且天线慢慢地旋转。对于仰角轴，能够连续地在30度到90度之间驱动。一主馈送器附着在主反射器并随主反射器整体地驱动。

图14示出了用于跟踪卫星的地球站的另一常规型天线的结构和一较小尺寸的天线，其中通过用作上述大尺寸天线的一孔径天线实现了小型化和轻型化。

图14示出了一抛物面天线，其是用于国际海事卫星组织(INMARSAT)标准A的船载地球站，以及十字形对称振子和一反射器板位于旋转抛物线反射器的焦点上作为主馈送器。在天线中，反射器和辐射器是一体的。为了跟踪一卫星，上述的抛物天线是由上述的AZ-EL台座和XY台座组合的四轴装置驱动的。

上述的技术已在Toshio Sato先生所著并由日本电子和通讯工程研究所于1986年7月25日出版的“海事卫星通讯指南”中描述。

如上所述，用于卫星通讯的常规型天线的跟踪卫星技术可以有效地用于跟踪范围相对较小的静止卫星，然而，由于下面的原因上述的常规型天线不适于用于跟踪和与LEO卫星通讯，其原因如下：

即，在用于卫星通讯的常规型天线中，由于主馈送器和反射器是整体的并在跟踪一卫星中转动天线，所以将要转动的天线是很重的，驱动系统也是大型的，很难高速跟踪，而且用于遮盖天线的天线罩的面积也增加。在使用LEO卫星的卫星通讯系统中，考虑到许多小型地球站是设置在每个家庭里，整个天线的尺寸需要做得尽可能的小和尽可能的轻，所以小型化和轻型化是一个问题。

此外，由于主馈送器和反射器是整体的和转动天线，需要使包括馈送系统如低噪声放大器和高频功率放大器的一射频(RF)发射/接收部分靠近主馈送器安装，以便于在转动时也能稳定地馈送到主馈送器，然而，在此情况中，由于发射/接收部分的重量使天线的重量也增加。

在此情况中，也是可以考虑将RF发射/接收部分与反射器分离并且固定，然而，为了维持不受由旋转馈送部分位移支配的稳定连接，馈送器电缆需要是韧性的，也将需要转动连接和其它机构，因此使卫星通讯天线复杂且成本高。

因为LEO卫星在多个轨道旋转，当在从北到南的某一轨道上被跟踪的一卫星消失时，接下来需要跟踪在同一轨道上旋转的另一卫星。在此情况下，使用前一个卫星通讯的信息将需要用下一个卫星通讯，并且为了转换到下一个卫星需要即刻的交接。

然而，上述的常规技术存在一个问题，即，其很难在同一轨道上提供交换到另一卫星的交接。

如上所述，本发明的目的是提供一种用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其用于在与多个LED卫星通讯的小型地球站，其是小型化和轻型化的并能以高速跟踪LEO卫星，并提供有交接功能。

为实现上述目的，根据本发明的用于与低地球轨道卫星通讯的天线是基于使用低地球轨道卫星的卫星通讯系统中地面侧的用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于上述的天线用以预定距离分开的两个补偿孔径天线(补偿天线)机械地跟踪上述的低地球轨道卫星。根据本发明的上述的天线特征在于通过固定两个孔径天线的各自的主馈送器和根据在低地球轨道卫星的方向的方位角轴和仰角轴仅转动两个天线的各自的反射器。根据本发明的上述的天线特征在于还设置了一天线馈线，其用于分别的馈送上述的两个孔径天线，及一个与上述天线馈送部分连接的RF发射/接收部分，其用于通过切换上述的天线馈线发送或接收高频信号。上述的天线馈送部分和RF(射频)发射/接收部分特征在于二者被安装在上述两个孔径天线之间。

此外，具体的说，本发明的用于与低地球轨道卫星通讯的天线是基于使用低地球轨道卫星的卫星通讯系统中地面侧的用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于两个反射器各自的中心是按预定的距离分开的，并且它们各自具有预定的补偿抛物面，并设置了分别连接到上述反射器用于根据方位轴和仰角轴转动各自的反射器并跟踪低地球轨道卫星的两个AZ-EL台座、用于向各个反射器辐射预定的波束的两个主馈送器、用于分别向上述主馈送器馈送并分别支撑主馈送器以便使每个主馈送器独立于反射器的两个馈线，以及连接到上述馈线用于根据选择发射/接收高频信号的RF发射/接收部分。

按照本发明的上述天线的特征在于上述补偿值被设定为致使在预定的最小工作仰角时天线的增益最大。

按照本发明的上述天线的特征在于上述预定的最小工作仰角是在上述的低地球轨道卫星仰角方向跟踪的极限，并且是根据上述的低地球轨道卫星的高度和在同一轨道上排列的卫星数确定的。

补偿抛物天线、补偿卡塞格伦天线和补偿格雷戈里天线中任一种可以用于上述天线。

上述方位角轴是绕连接上述反射器的中心和上述主馈送器的中心的一直线旋转的一轴，仰角轴是与穿过补偿反射器的抛物面的一径向直线垂直的一直线相接的一轴，该径向直线是从在低地球轨道卫星方向上抛物面的轴的交点(中心)穿过该抛物面的。

图1是本发明第一实施例的用于与低地球轨道卫星通讯的补偿抛物天线结构的等效结构；

图2是图1所示的RF发射/接收部分的基本结构的方框图；

图3A和3B示出了图1所示补偿天线反射器的基本结构；

图4A和4B用于解释图3所示仰角轴的确定；

图5是表示一LEO卫星的示意图；

图6示出采用LEO卫星的一卫星通讯系统；

图7示出了根据本发明的跟踪范围；

图8示出了一对仰角、天线增益和整个传输损耗之间在传输损耗中的关系；

图9示出了依据本发明的两个天线之间的距离；

图10是本发明第二实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿卡塞格伦天线结构的等效结构；

图11是本发明第三实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿卡塞格伦天线结构的等效结构；

图12是本发明第三实施例用于与低地球轨道卫星通讯的补偿格雷戈里天线结构的等效结构；

图13是表示常规大型地球站天线跟踪技术的外观图；

图14是表示常规小型地球站天线跟踪技术的原理示意图。

下面参照附图详细地描述本发明的第一实施例。图1示出了本发明的用于与低地球轨道卫星通讯的补偿抛物天线结构；

如图1所示，根据本发明的与一低地球轨道卫星100通讯的天线设有分别主要包括一固定的主馈送器和一移动的补偿反射器的两个孔径天线。为什么要使用两个孔径天线的原因在于在采用低地球轨道的卫星系统中，在同一轨道上需要跟踪两个卫星并进行交接。后面将会详细说明。

第一天线包括用于发送或接收一K波段信号的主馈送器(喇叭口)1、具有一预定旋转抛物面的补偿反射器3、与反射器3连接用于转动方位角轴和仰角轴和跟踪一卫星的一AZ-EL台座5，以及用于向主馈送器1馈电的馈线7。第二天线包括用于发送或接收一K波段信号的主馈送器(喇叭口)2、具有一预定旋转抛物面的补偿反射器4、与反射器4连接用于转动方位角轴和仰角轴和跟踪一卫星的一AZ-EL台座6，以及用于向主馈送器2馈电的馈线8。

主馈送器1和2是分别由馈线7和8固定的，且两个馈送器中心之间的距离是一固定值D。

此外，馈线7和8与包括低噪声放大器和高频功率放大器的一射频(RF)发射/接收部分9连接，可选择二者中的任一个并发送或接收高频信号。

要求馈线7和8以及射频(RF)发射/接收部分9安装在两个孔径天线之间的一位置，以最小化整个天线并减少馈送损耗。

整个天线是固定在一支撑部分10上。

下面将描述图1所示的结构。

主馈送器1设在形成反射器3的抛物面的焦点位置。选择补偿抛物天线的补偿量致使天线增益在后面将描述的最小仰角时为最大。主馈送器1具有机械上独立于具有移动结构的反射器3的结构，被附着在馈线7并固定。

同样，主馈送器2设在形成反射器4的抛物面的焦点位置，在该位置其与主馈送器1的中心的距离为S。选择补偿抛物天线的补偿量致使天线增益在后面将描述的最小仰角时为最大。主馈送器2具有机械上独立于具有移动结构的反射器4的结构，被附着在馈线8并固定。

如上所述，馈线7和8除了馈送作用之外，还具有分别支撑主馈送器1和2的作用。这是因为馈线分别是由波导管构成的，馈线7和8可以相对容易地固定而不必使用特定的固定装置，以便分别固定主馈送器1和2。

虽然主馈送器1和2被固定，反射器3和4分别设置为具有基于方位角轴和仰角轴由AZ-EL台座转动的结构。

主馈送器1和2分别通过与主馈送器连接的馈线7和8与射频发射/接收部分9连接。为减少在馈送时的损耗，要求射频发射/接收部分9设置的靠近主馈送器1和2。

图2示出了射频发射/接收部分9的结构。如图2所示，馈线7和8与射频发射/接收部分9连接，并根据天线切换控制信号通过RF开关91选择其中之一。一双工器92与射频开关91的输出连接以分离发送的和接收的信号。即，对于发送的信号，在发送信号被发送本机部分90和发送混频器98变换到所需的Ka波段的高频之后，通过射频开关输入的一发射信号由功率放大器96放大，并通过低通滤波器94被输入到双工器92。同时，双工器92的输出通过低通滤波器93被输入到低噪声放大器95，并由接收混频器97和接收本机部分99变换为一高频信号，并能得到高频输出。

图3A和3B解释了这个天线的跟踪机理，尤其是分别与跟踪相关的反射器3和主馈送器1。具有抛物线的两个反射器用于这个发明的第一和第二孔径天线。由于具有抛物线反射器的每个补偿天线具有共同的结构，所以仅用主馈送器1和反射器3进行描述，然而，主馈送器2和反射器4的组合是相同构成的。

图3A示出了从前面所视的反射器3和主馈送器1，实线示出了在最小工作仰角θ_MIN的反射器3的位置，虚线示出了仰角在约90°时反射器3的位置。图3B分别从侧面示出了反射器3和主馈送器1。从图中清楚地看出，方位轴11是绕着连接反射器3的中心和馈送器1的中心的一直线旋转的，反射器3是根据在中心的方位轴9旋转360°。标号13表示旋转抛物线的轴线。

同时，图4说明了仰角轴12，而在这些图中的仰角轴12意味着与在抛物面上穿过补偿反射器3的抛物面的一辐射直线垂直的一线相接触的一轴，该辐射直线是从旋转抛物面的轴13和抛物面14的相交点(中心)穿过补偿反射器3。在最小工作仰角和90°之间的角度随在中心的仰角轴变化。

AZ-EL台座5驱动反射器3致使反射器3绕方位轴11和仰角轴12旋转以跟踪卫星。

因此，既使反射器3转动，主馈送器1总是固定在抛物面的焦点位置，这是因为主馈送器是由辐射器支撑部分10固定的。

如上所述，根据本发明的卫星通讯天线绕着方位轴转动反射器3和4并能够全方位地跟踪卫星。显示方向性的仰角可以通过绕仰角轴转动反射器3和4改变，并可得到在仰角为90°的上方顶点方向的指向性。

下面将描述用于与低地球轨道卫星通讯的上述的天线的跟踪角度的所需范围。

图5是表示为覆盖整个世界在地球上的多个轨道平面上设置的多个LEO卫星的形象图。如图5所示，通过在地球上方排列多个LEO卫星提供了覆盖整个世界的卫星通讯系统，致使在地球上的任一位置可以看到卫星。

LEO卫星表示在椭圆轨道上的卫星，包括在离地面大约1500公里或以下的高度上的环形轨道，并假设每个卫星轨道周期在高度上是1000公里，那么每个卫星绕地球一周是大约一个小时和45分钟。

设定卫星的高度是765公里，最小工作仰角是30°，那么将被排列在同一轨道平面上的卫星数是20，为覆盖整个世界需要十个轨道平面。也就是，所需卫星的总数是200颗。所需卫星的数量是根据卫星的高度和最小工作仰角确定的，并且即使这些卫星在同样的高度，如果工作仰角是20°，那么需要的卫星数是98颗，如果工作仰角是10°，那么需要的卫星数是45颗。

图6是使用LEO卫星的宽带卫星通讯系统的原理图。如图6所示，在这个系统中，在小规模地球站，对小型用户如便携终端，提供了使用L波段(1.5-1.6GHz)多波束的约64Kbps的低速信道，并对大型用户如船舶、飞机和小规模办公室，提供了使用K波段(通常称为准毫米波段并为20-30GHz)的多点波束的高速数据。

本发明涉及用于与低地球轨道卫星通讯的为今后高速数据用户所用的小型地球站中使用的天线。

图7示出了从地面上安装有本发明的与低地球轨道卫星通讯的天线的小型地球站15所看到的具有一轨道平面16的LEO卫星的卫星跟踪范围。如图7所示，最小工作仰角θ_MIN是基于前面所述的LEO卫星数和高度间的关系确定的，且卫星跟踪范围12是等于由斜线所表示的一区域，也就是，从最小工作仰角θ_MIN到上空顶点全方位的整个区域。还有，如图7所示，对于在卫星跟踪范围17内的卫星1、2和3的状态，卫星1是从跟踪范围内到跟踪范围外，卫星2在顶点处，卫星3是从跟踪范围外到跟踪范围内。例如，对于这个天线的两个孔径天线，第一孔径天线跟踪卫星1，第二孔径天线跟踪卫星2。射频开关91选择卫星1的一侧。此后，当卫星1移到跟踪范围之外时，射频开关91同步的选择卫星2的一侧，且第一孔径天线跟踪代替卫星1的卫星3。

如上所述，交接是通过跟踪一旋转的卫星，交替的选择两个孔径天线实现的。

下面，图8示出了由基于仰角的空间损耗和由于降水造成的衰减组成的传播损耗(A)和补偿抛物天线增益(B)间的关系。图8还示出了传播损耗(A)和天线增益(B)的总合量，即，总传输损耗(C=A+B)包括天线增益。在图8中，最小工作仰角θ_MIN设置为40度。补偿量被调节到致使天线增益在该仰角最大，且传播损耗是使用在K波段30GHz的发送频率情况下计算出的。

根据图8示出的结果，在最小工作仰角40°时总传播损耗最大，随着仰角接近顶点，总传播损耗下降。

原因是在顶点方向指向增益低，这是因为它离开补偿抛物反射器的理想状态，然而，在微波波段、毫米波段和其它波段的卫星通讯中，天线增益是需要的，因为当仰角最小时，卫星是在最远处，自由空间损耗增加，通过降水区域的距离最长以及由于降水造成的衰减量最大，而在顶点的方向，上述的衰减最小。

因此，既使仰角被设定于顶点的方向，通过设定合适的值作为最小工作仰角，也可以真正实现降低所存在的问题。

下面参照图9，描述依据本发明的两个孔径天线之间的大的距离S，其在天线尺寸方面有影响。图9示出了根据本发明的两个天线平行设置的情况。“D”表示补偿反射器的直径，为了简化，两个补偿天线的每一个的直径设为相同的值。角度φ表示反射器和水平面之间的角度。

在(1)所示的情况中，如图9所示的两个反射器的中心之间的距离S的最小值在没有造成阻塞的情况下如(2)所示。

    φ=(90°-θ_MIN)/2-----------------(1)

    S=D(cosφ+sinφ/tanθ_MIN)---------(2)

上面描述的本发明的第一实施例使用了补偿抛物天线，然而，本发明不仅限于这样一种设有单反射器的天线。

既，本发明的第二实施例可以是使用图10所示的设有多个反射器的补偿卡塞格伦天线。

如图10所示，标号21和22分别表示具有一旋转抛物面的主反射器并且如上面所述的那样，对主反射器施行了预定的补偿，致使在最小工作仰角处获得最大天线增益。标号23和24分别表示由与旋转抛物面分享一个焦点的一旋转双曲面构成的副反射器。由于旋转双曲面的另一焦点位于主反射器21和22的每个区域内，所以用于从主馈送器1和2辐射波束的一环形口25和26分别提供给主反射器21和22。由于其它的标号与图1所示的相同，所以省略对他们的描述。

在这个实施中，由于采用了具有多个反射器的天线作为各补偿天线，所以天线的结构是复杂的，然而，在馈送中损耗的影响降低，易于与发射/接收部分连接，并防止了在跟踪范围内阻塞的产生，这是因为主馈送器1和2分别从主反射器21和22的的后表面馈电。

此外，对于本发明的第三实施例，还可采用图11所示的具有多个反射镜的另一种补偿卡塞格伦天线。在这个实施例中，也采用了设有图8所示的多个反射器的补偿卡塞格伦天线，然而，这个实施例不同于第二实施例之处在于，主辐射器1和2中每个的位置是在主反射器21和22中每一个的区域之外。

此外，对于本发明的第四实施例，可采用图12所示的具有多个反射器的补偿格雷戈里天线。在这个实施例中对主反射器25和26施行了预定的补偿，致使在最小工作仰角处获得最大天线增益。副反射器27和28具有与旋转抛物面分享焦点的一旋转椭圆面。主馈送器1和2的每个相位中心位于旋转椭圆面的另一焦点。

根据上述第二到第四实施例所描述结构采用了多个反射器，与第一实施例的天线相比，馈送中的损耗进一步降低，主馈送器被固定，且整个天线的高度进一步降低。

如上所述，本发明的用于低地球轨道的卫星通讯的天线具有下列效果：

第一，因为使用了在最小工作仰角可以得到最大增益的两个补偿抛物天线，所以通过优化天线的侧波瓣特性和交叉极化电磁辐射隔离，可以在最小仰角处得到对卫星的一个信道的最好特性(在最小仰角处由降水造成的传播损耗和衰减最大)。特别是，因为LEO天线使用微波波段和毫米波段且降水的衰减是很大的，所以上述的效果很明显。

第二，由于主馈送器是固定的，馈送器和波导不需要柔性部分，所以结构简单且可靠性增强。

第三，由于跟踪卫星被驱动的部分只有反射器，所以驱动重量小，能够高速跟踪且驱动装置可以小型化和轻型化。

第四，由于移动的两个孔径天线是基于方位角轴和仰角轴使用的，所以能够对在同一轨道上的多个LEO卫星顺序的跟踪和在卫星之间交接。

Claims (13)

1．一种用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其是用在使用低地球轨道卫星的卫星通讯系统中地面站侧的天线，其特征在于其中：

采用按预定距离分开的两个补偿孔径天线机械地跟踪所述的低地球轨道卫星。

2．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述的机械地跟踪是通过固定所述两个孔径天线的各个主馈送器和根据在所述低地球轨道卫星的方向的方位角轴和仰角轴转动反射器实现的。

3．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于还包括：

分别给所述的两个孔径天线馈电的天线馈线；及

与所述馈线连接用于切换馈线和发送或接收高频信号的射频发射/接收部分。

4．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述天线馈线和所述射频发射/接收部分是安装在所述两个孔径天线之间。

5．一种用于与低地球轨道卫星通讯的天线，其是用在使用地球轨道卫星的卫星通讯系统中地面站侧的天线，其中包括：

两个反射器，它们的中心按预定的距离分开，并具有一预定的抛物面补偿；

与所述反射器连接用于基于方位角轴和仰角轴分别转动所述反射器跟踪所述低地球轨道卫星的两个AZ-EL台座；

用于将所预定的波束辐射在所述各个反射器的两个主馈送器；

两个馈线，它们用于分别向所述主馈送器馈电并支撑所述的主馈送器致使它们可以独立于所述反射器固定；

与所述馈线连接用于选择任一馈线并发送或接收高频信号的一射频发射/接收部分。

6．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述补偿值被设定为致使在预定的最小工作仰角时天线的增益最大。

7．根据权利要求6所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述预定最小工作仰角是在所述低地球轨道卫星仰角的方向跟踪的极限；以及

所述预定最小工作仰角是基于所述低地球轨道卫星的高度及在同一轨道平面上排列的卫星数确定的。

8．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述天线是一补偿抛物面天线。

9．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述天线是一补偿卡塞格伦天线。

10．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述天线是一补偿格雷戈里天线。

11．根据权利要求2所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述方位轴是绕着连接所述反射器的中心和馈送器的中心的一直线旋转；以及

所述仰角轴与在旋转抛物面上穿过补偿反射器的旋转抛物线的一辐射直线垂直的一线相接触，该辐射直线是从旋转抛物面的轴和一抛物面的相交点(中心)穿过补偿反射器的旋转抛物面。

12．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

所述跟踪所述低地球轨道卫星的范围在仰角的方向上是从所述最小工作仰角到顶点，在方位角方向上是从0°至360°。

13．根据权利要求1所述的与低地球轨道卫星通讯的天线，其特征在于：

如果所述的最小工作仰角是θ_MIN，所述预定距离S如下：

    φ=(90°-θ_MIN)/2    -------------(1)

    S=D(cosφ+sinφ/tanθ_MIN)---------(2)。

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