CN1929335A - 基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，包括下述装置：按预设飞行任务控制飞行器自主飞行的自动驾驶仪、给无人飞行器预设飞行任务并显示飞行器实际飞行状态的地面控制台和蜂窝移动通信系统；所述无人飞行器可有多架，每一架无人飞行器内设置有一套自动驾驶仪，每一套自动驾驶仪和地面控制台分别拥有一个存储移动通信号码的SIM卡；自动驾驶仪与地面控制台之间通过所在地基站、蜂窝移动网络形成的蜂窝移动通信系统实现双向数据通信链路连接。本发明的无人驾驶飞行器控制系统可同时控制不多于6架飞行器实现无人驾驶飞行。

Description

基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统

技术领域

本发明涉及无人驾驶飞行器的控制系统，特别涉及一种基于蜂窝移动通信无人驾驶飞行器的控制系统。

背景技术

无人驾驶飞行器除了军事用途以外，还广泛用于民用，例如收集大气样本、地图测绘、资源普查、灾害调查和缉毒侦察等。无人驾驶飞行器包括无人驾驶飞机、直升机和飞艇等，一般由动力装置及电源系统、自动控制装置及执行机构、无线通信与导航系统、任务系统和遥控系统等部分组成，多数还需要地面控制系统。无人驾驶飞行器除了采用燃气涡轮发动机的大型无人驾驶飞机外，飞机的飞行速度一般在400km/h以下，直升机的飞行速度不超过200km/h，飞艇的飞行速度一般在50km/h以下。

无人驾驶飞行器按飞行控制原理可以分为完全依靠地面操纵人员控制的遥控飞行器(RPV，Remotely Piloted Vehicle)和完全根据程序自动控制的自主飞行器，也称空中机器人(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)两大类，但大多数实用的无人驾驶飞行器兼用两种控制方式，既可以遥控飞行也可以自主飞行。

在自主飞行过程中，可以采用无线电导航或惯性导航，但普遍采用低成本的卫星导航系统，例如美国的GPS(全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(全球导航卫星系统)、中国的北斗的导航系统和欧洲未来的GNSS(伽利略计划)。

在超视距飞行时，为了遥控飞行和完成任务必须装备长距离、大功率通信系统，系统可根据要求或持续不断地提供双向通信。其中上行链路(地面至飞行器)提供飞行路线控制和下达任务指令，数据速率要求不大于10Kbps，一般不要求连续工作。下行链路分为两路，一路是遥测数据，要求与上行链路相当；另一路是任务数据，数据量相当大，可达300Kbps～10Mbps。目前无人驾驶飞行器的通信系统使用卫星通信和集群移动通信(也称大区制移动通信)，这两种通信方式均存在重量大、功耗大、天线复杂的缺点。卫星通信虽然作用距离远，但使用成本较高。根据国家无线电管理委员会频率规划，将223.025～235.000MHz作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段，其中229.0～235.0MHz频段在北京地区用于射电天文业务，其他业务不得对其产生有害干扰。用于近距离(1km以内)操作时应≤0.5W，设置在城区、近郊区时应≤5W，设置在远郊区、野外时应≤25W。由于上述发射功率的限制，因此集群移动通信的作用距离短(一般不超过100km)，而且，超长距离的发送需要大功率发射，因此需要提供大功率电源。集群移动通信进行数据传输单独占用1个频率资源，在同一频点上，同时只能有1个设备发送数据。以上通信方式制约了无人驾驶飞行器的广泛使用，特别是民用方面的使用。

蜂窝移动通信(也称小区制移动通信)是目前发展最快、应用最广和成本最低的长距离移动通信系统，已经发展到了第二代和第三代并存的阶段。第二代系统的数字传输速率只有9.6Kbps，在移动条件下传输速度会大幅度下降。而第三代的数据传输速率可达到2Mbps(移动速度小于3km/h)，当传输速率为144kb/s时，频分双工模式(FDD)的最大移动速度可达500km/h，而时分双工模式(TDD)也可达250km/h。2005年已经在磁悬浮列车上成功测试了从0到431km/h的各种速度下第三代蜂窝移动通信系统的连续稳定通信。利用蜂窝移动通信GSM和卫星定位GPS相结合已经广泛用于车辆定位、调度和防盗。目前，已尝试利用蜂窝移动通信系统来对无人驾驶飞行器进行遥控，如申请号为CN200410048970.5发明专利公开了一种“基于GSM模块的模型飞机控制器”，提出采用蜂窝移动通信替代传统通信方式直接控制模型飞机的设想。但因为采用蜂窝移动通信进行数据通信时有可变的时间延迟、可变的带宽、不可预测的连接性等特性，因此不能完全满足对飞行器实时控制要求。例如GPRS(通用分组无线业务)在典型带宽40kb/s时数据传输有200ms的延迟，如果飞行器运动速度为100km/h，控制指令到达时飞行器已经飞过5.6m，在起飞或降落过程中这样的延迟将导致严重的飞行事故，同时由于没有反馈信息，飞行器实际上无法实现超视距飞行。

发明内容

本发明的目的是在卫星导航自主飞行控制系统的基础上，提供一种利用公共蜂窝移动通信系统实现同时控制多架无人驾驶飞行器超视距飞行的低成本自动控制系统。

本发明所涉及的无人驾驶飞行器是指飞行速度低于蜂窝移动通信最大允许移动速度的无人驾驶飞机、直升机或飞艇等。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，包括下述装置：按预设飞行任务控制无人飞行器自主飞行的自动驾驶仪、给无人飞行器预设飞行任务并显示飞行器实际飞行状态的地面控制台和蜂窝移动通信系统；所述无人飞行器不多于6架，每一架无人飞行器内设置有一套自动驾驶仪，每一套自动驾驶仪和地面控制台分别拥有一个存储移动通信号码的SIM卡；自动驾驶仪与地面控制台之间通过各自所在地基站、蜂窝移动网络形成的蜂窝移动通信系统实现双向数据通信链路连接。

自动驾驶仪包括一个在内存中存储有预设飞行任务和飞行控制软件的嵌入式计算机，其输出端口通过SPDT模拟开关连接无人飞行器的舵机组，该嵌入式计算机的AD(模数转换)输入端连接有飞行状态传感器，在该嵌入式计算机的通信接口上连接有用于传输通信数据并设置有SIM卡的移动通信模块、用于导航的卫星接收GPS模块；所述移动通信模块、GPS模块的输入端分别与通信天线、导航天线连接。所述地面控制台包括由操作员控制的计算机，计算机通过串行通信接口连接设有SIM卡的地面移动通信模块，其输出端连接地面通信天线。

上述方案中，嵌入式计算机外还可连接有一个用于存储预设飞行任务数据的SD卡。所述的蜂窝移动通信系统可为GSM制式的公共移动通信系统。

基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，包括下述步骤的控制方法：

a)将无人飞行器的自动驾驶仪与地面控制台通过各自所在地基站、蜂窝移动网络形成的蜂窝移动通信系统建立双向数据通信链路，即上行指挥链路和下行遥测链路；b)地面控制台的操作员利用计算机的软件程序设定无人飞行器的飞行任务指令后，计算机将指令数据传递到地面移动通信模块，经地面通信天线通过步骤a)的上行指挥链路发送给自动驾驶仪；自动驾驶仪的遥测数据通过下行遥测链路经地面移动通信模块传递到计算机，计算机根据遥测数据显示无人飞行器的实际飞行状态，并在电子地图上显示飞行轨迹和任务的完成情况；c)自动驾驶仪利用其嵌入式计算机的飞行控制程序根据存储于内存或SD卡中的预设飞行任务数据参数、驾驶仪的GPS导航接收模块的导航数据和飞行状态传感器输入的飞行状态数据形成PWM(脉宽调制)指令控制舵机组对飞行器实施无人驾驶；同时驾驶仪的移动通信模块经通信天线通过步骤a)的上行指挥链路接收地面控制台对存储于内存或SD卡中的预设飞行任务数据参数进行修订，并通过下行遥测链路自动发送实际飞行状态的遥测数据到地面控制台。

上述方法中，所述的蜂窝移动通信系统是利用GSM制式的公共移动通信系统；特别情况下，在没有或无法接收到蜂窝移动通信系统上行指挥链路的指令时，所述自动驾驶仪的嵌入式计算机根据预设飞行任务控制无人飞行器自主飞行。

与现有技术相比，本发明的无人驾驶飞行器控制系统由于采用了迅速发展的现代蜂窝移动通信系统，如第二代的GSM、CDMA或第三代的CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等，因此具有如下优点：1)不需要特殊申请通信频率，使用成本低，一般在10～100元/小时；2)可大幅度地降低控制系统中通信装置的采购成本，即每套仅需要1000～2000元，通信装置的重量不超过200克(含电池)，功率消耗不超过2W，上述数据仅为传统系统的1/10甚至更低；3)控制系统的作用距离远大于被控飞行器最大飞行距离，实现了超视距飞行；4)通信天线简单、抗干扰能力强；5)本发明的一套地面控制台可同时控制多架飞行器实现无人驾驶飞行而互不干扰。目前至未来数年内，蜂窝移动通信的性能可以满足除了采用燃气涡轮发动机的大型无人驾驶飞机或飞行速度大于500km/h的高速飞行器以外的大多数无人驾驶飞行器的通信要求。

附图说明

图1是本发明无人驾驶飞行器控制系统的硬件装置结构框图。

图2是图1中的自动驾驶仪结构框图。图中自动驾驶仪方框上方的执行机构是控制飞行器各种舵面、油门、任务等舵机的舵机组。

图3是图1中的地面控制台硬件结构框图。

图4是地面控制台计算机软件程序流程图。

图5是自动驾驶仪嵌入式计算机飞行控制软件程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，一种基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，包括下述装置：设置于无人飞行器Fn内的按预设飞行任务控制无人飞行器Fn自主飞行的自动驾驶仪Xn，给无人飞行器Fn预设飞行任务并显示无人飞行器Fn实际飞行状态的地面控制台1；所述无人飞行器Fn可以有F1、F2、……FnN架，N的数目不多于6架，相应自动驾驶仪Xn也有X1、X2、……、XnN套；所述每一套自动驾驶仪X1、X2、……、Xn和地面控制台1分别拥有一个存储蜂窝移动通信号码的SIM卡26和SIM卡8；自动驾驶仪Xn与地面控制台1之间通过各自所在地基站Gn、基站2和蜂窝移动网络3形成的蜂窝移动通信系统实现双向数据通信链路连接；

如图2所示，自动驾驶仪Xn包括一个在内存中存储有预设飞行任务和飞行控制软件的嵌入式计算机24，在该嵌入式计算机24的输出端口与SPDT(单刀多掷)模拟开关23的一组输入端连接，通过SPDT模拟开关23的输出来控制无人飞行器Fn的舵机组21；嵌入式计算机24的通信接口连接有用于传输通信数据并设置有SIM卡26的移动通信模块27、用于导航的卫星接收GPS模块29，移动通信模块27、GPS模块29的输入端分别与通信天线31、导航天线30连接；嵌入式计算机24的输入端连接有用于感受飞行器姿态的飞行状态传感器28，飞行状态传感器28包括高度、气压、空速、双轴倾斜、陀螺等传感器；嵌入式计算机24外部连接有一个用于存储预设飞行任务数据和实际飞行数据的SD卡25，使用SD存储卡可以简化飞行的准备工作；自动驾驶仪Xn外围连接有一个电源22用以提供电路工作电能。自动驾驶仪Xn根据视距内飞行的需要，还可在其SPDT模拟开关23的另一组输入端连接一个RC接收机20，用于直接遥控无人飞行器Fn的起飞、降落和飞行。

如图3所示，地面控制台1位于地面，包括由操作员12控制的计算机7，计算机7的输出端通过串行通信6连接设有SIM卡8的地面移动通信模块5，该移动通信模块5的输出端连接通信天线4；在计算机7内装有导航地图、显示与设定无人飞行器Fn的实际飞行状态和任务状况的软件。地面控制台1根据视距内飞行的需要，还可单另设置一个RC发射机10和遥控天线9，用于遥控无人飞行器Fn的起飞、降落和飞行。由于每套自动驾驶仪Xn被赋予不同的蜂窝移动通信号码，因此一个地面控制台1可以同时控制多架无人飞行器Fn，根本上解决了同频干扰问题。

本发明的上述方案中，蜂窝移动通信系统可利用第二代蜂窝移动通信系统GSM或CDMA制式的移动通信系统，也可为第三代蜂窝移动通信系统(我国还未建立)；自动驾驶仪的移动通信模块27、地面控制台的移动通信模块5可为相应的GSM或CDMA制式的通信模块。

一种基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统的控制方法，包括下述步骤：

a)将无人飞行器Fn的自动驾驶仪Xn通过其所在地基站Gn形成的GSM移动通信网络3和GSM地面基站2构成的公共蜂窝移动通信系统与地面控制台1建立双向数据通信链路，即上行指挥链路和下行遥测链路。随着无人飞行器Fn的飞行，与自动驾驶仪X1、X2、……、Xn通信的基站G1、G2、……、Gn也将不断变换，但数据通信始终畅通。

b)无人飞行器Fn在蜂窝移动通信系统覆盖地区飞行时，地面控制台1的操作员12利用计算机7的软件程序设定无人飞行器Fn的飞行任务指令后，计算机7将AT格式的数据传递到GSM移动通信模块5，经通信天线4以短信形式通过步骤a)的上行指挥链路发送给自动驾驶仪Xn；自动驾驶仪Xn的遥测数据也是以短信形式通过下行遥测链路经GSM移动通信模块5传递到计算机7，计算机7根据遥测数据显示无人飞行器Fn的实际飞行状态，并在电子地图上显示飞行轨迹和任务的完成情况。

c)自动驾驶仪Xn利用存储在嵌入式计算机24内存中的飞行控制软件根据存储在SD卡25内的预设飞行任务数据参数(包括航迹点、高度、速度和执行任务)、GPS模块29从导航天线30接收的导航数据和飞行状态传感器28(飞行速度、高度、仰角等)输入的数据计算出姿态、高度、速度和航向控制参数，形成PWM指令控制舵机组21对无人飞行器Fn实施无人驾驶；同时GSM移动通信模块27经通信天线31通过步骤a)的上行指挥链路接收地面控制台1对SD卡25内的预设飞行任务数据参数进行修订，并且在设定的时间间隔通过下行遥测链路以短信形式自动发送实际飞行状态的遥测数据到地面控制台1。

上述方法中，由于上行指挥链路和下行遥测链路都不要求连续工作，对时间延迟不敏感，可以采用低成本的短消息服务(SMS：Short MessageService)功能，采用短消息AT命令对需要传输的数据进行编程。如果移动宽带可以满足要求，也可以采用互联网技术，这样不但可以保证指挥链路和遥测链路的工作，还可以增加任务链路。在没有或无法接收到蜂窝移动通信系统上行指挥链路的指令时(例如在蜂窝移动通信没有覆盖的地区)，自动驾驶仪Xn的嵌入式计算机24根据预设飞行任务控制无人飞行器Fn自主起飞、降落和飞行。

当飞机在起飞、降落或视距内飞行时，也可利用RC遥控装置切换到遥控飞行。此时，地面控制台1中的操作员11可以使用RC发射机10和自动驾驶仪Xn的RC接收机20通过SPDT模拟开关23的切换直接遥控无人飞行器Fn的飞行；当自动驾驶仪Xn接收不到RC发射机10信号时，自动驾驶仪Xn的SPDT模拟开关23自动切换到对无人飞行器Fn的自主飞行控制。

图4所示的控制台的软件程序具有接收和发送数据两个独立的线程。当程序开始运行时，线程I通过GSM移动通信模块5接收自动驾驶仪Xn的下行遥测数据，并在计算机7的导航地图上显示飞行器的航迹及飞行状态；线程II通过GSM移动通信模块5向自动驾驶仪Xn发送上行指挥数据，如地面操作人员设定或修改的航线、任务指令等。

图5所示的存储在嵌入式计算机24内存中的飞行控制软件在接通电源22后，程序自动运行。主要包括以下步骤：通电后开始初始化，然后开始控制循环，初始化的任务是对无人飞行器Fn进行地面检测，主要检测嵌入式计算机24的模数转换是否正常、各传感器工作是否正常、串口通讯是否正常、脉宽输出是否正常、GSM数据传输是否正常、最后记录下GPS位置，以便返航使用。在控制循环中，首先对飞行状态传感器数据、RC接收机PWM数据进行采集，并对GPS导航模块、GSM移动通信模块的数据接受；然后根据实测数据与存储在SD卡25内的预设飞行任务数据参数进行比较，根据PID控制算法计算出姿态、高度、速度和航向控制参数；控制SPDT模拟开关23；分别向舵机组21发送控制信号，同时向SD卡存储数据(包括接收到对飞行任务的修订)，并经GSM移动通信模块27向地面控制台1发送下行遥测数据。

本发明的一个具体实施例如下，由于各种无人驾驶飞行器的控制规律相差甚远，本发明采用无人驾驶飞机作为无人驾驶飞行器的典型代表。尽管蜂窝移动通信的体制繁多，并处于高速发展中，但其在本发明中的作用是相同的，因此在实例中采用了目前所占市场份额最大的GSM体制。

本发明位于飞行器Fn上的自动驾驶仪Xn净重不大于500g(包括电池)，采用锂电池供电，经过电源模块分别提供3.3V和5V电源，功耗约为3.5W。其嵌入式计算机24为PHILIPS(飞利浦)公司生产LPC2100系列32位ARM7微控制器，该系列计算机具有2个16C550工业标准UART通信接口(分别用于GSM和GPS通信)，4路以上AD用于传感器的数据采集，可以直接生成PWM舵机控制信号。系统使用C语言进行开发，最后移植到μC/OS-II操作系统上。μC/OS-II操作系统是一种是面向中小型嵌入式系统的实时操作系统内核，该内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和扩展性强等特点，其最小内核可编译至2k。

移动通信模块27和导航模块29可采用SIEMENS(西门子)公司生产的XT55组合模块，XT55是该公司生产的第一个将三频段GSM/GPRS和GPS技术集成到一块尺寸小于火柴盒的印刷电路板(PCB)模块，XT55具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器。几何尺寸仅为35×53×5.1mm，重量大约11g，使用与嵌入式计算机24相同的3.3V供电，在休眠状态耗电仅为3.0mA，工作状态平均为260mA。使用XT55模块可以避免GSM模块与GPS模块之间的干扰问题。

本发明位于地面的控制台1的计算机7为一台笔记本计算机，利用RS232通信口连接的通信模块5为一个SIEMENS(西门子)公司生产的TC35T模块，TC35T是该公司推出的GSM专用调制解调器，具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器，可完成语音、数据、短消息以及传真的传送。

XT55与TC35T之间的双向通信采用AT指令集的SMS短信形式实现。AT指令集是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和惠普等厂家共同为GSM系统研制的，其中包含了短信息的控制。对SMS的控制共有三种实现途径：Block模式、Text模式和PDU模式。Text模式比较简单，但缺点是不能收发中文短信。发送和接收中文或中/英文混合的短信息必须采用PDU模式，短信息正文经过十六进制编码后进行传送。本发明不涉及中文短消息的传送和接收，因此采用Text模式来发送接收短信息。

本发明控制系统理论上可同时控制10架以上飞行器，但实际应用时最好在六架以下。为验证本发明控制系统的实用性能和可靠性，在2架PiperJ-3 Club型模型飞机上装备两套同样的自动驾驶仪，并分别为地面控制台1、自动驾驶仪申请了中国移动通信公司的电话号码。Piper J-3 Club飞机的主要技术参数是：翼展：1800mm、长度：1195mm、发动机选用了40cc汽油发动机，整个飞行器重约5000g。实际测试证明，上述飞机最大飞行速度为130公里/小时，飞行高度约1000米，连续飞行时间分别达到150和180分钟，飞行距离大于200公里，飞行始终处于地面控制和监视之下。另在实验室条件下，验证了可同时控制6架飞机的情况。

Claims (7)

1.基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，包括下述装置：按预设飞行任务控制无人飞行器自主飞行的自动驾驶仪、给无人飞行器预设飞行任务并显示无人飞行器实际飞行状态的地面控制台(1)和蜂窝移动通信系统，所述无人飞行器不多于6架，每一架无人飞行器内设置有一套自动驾驶仪；所述每一套自动驾驶仪和地面控制台(1)分别拥有一个存储移动通信号码的SIM卡；所述自动驾驶仪与地面控制台(1)之间通过各自所在地基站、蜂窝移动网络(3)形成的蜂窝移动通信系统实现双向数据通信链路连接。

2.根据权利要求1所述的基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，所述自动驾驶仪包括一个内存中存储有预设飞行任务和飞行控制软件的嵌入式计算机(24)，其输出端口通过SPDT模拟开关(23)连接无人飞行器的舵机组(21)，该嵌入式计算机(24)的AD输入端连接有飞行状态传感器(28)，嵌入式计算机(24)的通信接口连接有用于传输数据并设置有SIM卡(26)的移动通信模块(27)、用于导航的卫星接收GPS模块(29)，所述移动通信模块(27)、GPS模块(29)的输入端分别与通信天线(31)、导航天线(30)连接；所述地面控制台(1)包括由操作员(12)控制的计算机(7)，计算机(7)通过串行通信(6)连接设有SIM卡(8)的移动通信模块(5)，其输出端连接通信天线(4)。

3.根据权利要求2所述的基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，所述嵌入式计算机(24)连接有一个用于存储飞行任务数据的SD卡(25)。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，所述的蜂窝移动通信系统为GSM制式的公共移动通信系统。

5.基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，包括下述步骤的控制方法：

a)将无人飞行器的自动驾驶仪与地面控制台(1)通过各自所在地基站、蜂窝移动网络(3)形成的蜂窝移动通信系统建立双向数据通信链路，即上行指挥链路和下行遥测链路；

b)地面控制台(1)的操作员(12)利用计算机(7)的软件程序设定无人飞行器的飞行任务指令后，计算机(7)将指令数据传递到移动通信模块(5)，经过通信天线(4)通过步骤a)的上行指挥链路发送给自动驾驶仪；自动驾驶仪的遥测数据通过下行遥测链路经移动通信模块(5)传递到计算机(7)，计算机(7)根据遥测数据显示无人飞行器的实际飞行状态，并在电子地图上显示飞行轨迹和任务的完成情况；

c)自动驾驶仪利用其嵌入式计算机(24)的飞行控制程序根据存储在内存或SD卡(25)内的预设飞行任务数据参数、GPS模块(29)从导航天线(30)接收的导航数据和飞行状态传感器(28)输入的数据形成PWM指令控制舵机组(21)对无人飞行器(Fn)实施无人驾驶；同时移动通信模块(27)经通信天线(31)通过步骤a)的上行指挥链路接收地面控制台(1)对存储于内存或SD卡(25)的预设飞行任务数据参数进行修订，并通过下行遥测链路自动发送实际飞行状态的遥测数据到地面控制台(1)。

6.根据权利要求5所述的基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，所述的蜂窝移动通信系统是利用GSM制式的公共移动通信系统。

7.根据权利要求5所述的基于蜂窝移动通信的无人驾驶飞行器控制系统，其特征是，在没有或无法接收到蜂窝移动通信系统上行指挥链路的指令时，所述自动驾驶仪的嵌入式计算机(24)根据预设飞行任务控制无人飞行器的自主飞行。

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