DE2230630C - Funknavigationssystem zur Elevationsmessung nach dem Phasendifferenzverfahren - Google Patents
Funknavigationssystem zur Elevationsmessung nach dem PhasendifferenzverfahrenInfo
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Description
Lösung
. ίο Diese Aufgabe wird, wie im Anspruch 1 angegeben,
gelöst. Gemäß einer ersten Ausführungsform wird ein Diagramm verwendet, das für alle Elevationen die
gleiche Feldstärke aufweist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein leicht angehobenes Einkeulendiagramm
verwendet.
Es wird noch erwähnt, daß in der älteren Anmeldung P 22 03 442.0-35 ein Funknavigationssystem mit zyklischer
Ihipulsabstrahlung zur Bestimmung von Azimut
oder Elevation, das das Strahlschwenkverfahren nachbildet, vorgeschlagen wurde, bei dem ebenfalls
außer den Phasen die Amplituden der empfangenen Einzelimpuise gemessen werden.
Vorteile
Das System ermöglicht eine fehlerfreie Messung der Elevation, auch bei schwierigen Geländeverhältnissen
in der Umgebung der Landebahn und bei extrem schlachten Sichtverhältnissen sowie die Wahl
zweier verschiedener Diagramme, abhängig von ge-
wünschter Genauigkeit und gewünschter Elevation.
Beschreibung der Erfindung
Die Eründung wird nun an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein erstes reales Gruppendia.gramm einer Antennenreihe mit 20 Strahlern bzw. das entsprechende
virtuelle Diagramm, das beispielsweise zur Messung von Elevationen größer als 2 verwendet
wird,
F i g. 2 ein zweites reales Gruppendiagramm einer Antennenreihe mit 20 Strahlern bzw. das entsprechende
virtuelle Diagramm, das beispielsweise zur Messung von Elevationen gleich oder kleiner als 6'
verwendet wird,
F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Bordempfängers.
Wie in der Einleitung erwähnt, wird die Elevation mit Hilfe des Phasendifferenzverfahrens (Phaseninterferometer)
gemessen. Verwendet man nur zwei übereinander angeordnete Strahler, dann entstehen
durch die Anstrahlung des Bodens große Meßfehler. Um diese zu vermeiden, verwendet man statt der
beiden einzelnen Antennen zwei gleiche Strahlergruppen; jede Strahlergruppe erzeugt ein stark gebündeltes
Diagramm, im folgenden Gruppendiagramm genannt.
Eines dieser beiden gleichen Gruppendiagramme, das für die Messung von Elevationen über 2 besonders
günstig wäre, ist in F i g. 1 gestrichelt gezeichnet und mit A bezeichnet. Mit Hilfe einer Antennenreihe aus
20 Strahlern mit einem gegenseitigen Strahlerabstand
von d = ^ und geeigneter Speisung der einzelnen
Strahler nach Amplitude und Phase erhält man ein Gruppendiagramm gemäß Kurve B in Fig. I. das
(>5 dem Idealdiagramm A ganz nahe kommt. Aus den
Gruppendiagrammen zweier solcher Antennenreihen könnte man durch Messung ihres Phasenunterschiedes
in einer Bordstation die Elevation bestimmen.
Bei der Erfindung werden Strahlergruppen verwendet, deren Strahler nicht gleichzeitig, sondern nacheinander
strahlen. In der Bordstation werden trotzdem die Werte ermittelt, die auftreten wurden, wenn die
Strahler gleichzeitig strahlen würden.
Nach dieser Vorbetrachtung v.ird nun das System nach dem älteren Patent 2 101580 beschrieben, soweit
es bei der Erfindung verwendet wird.
Die nicht gezeigte Bodenstation ist am Ende oder neben der Rollbahn angeordnet. Zu ihr gehört eine
vertikale Antennenreihe mit 40 gleichen Strahlern, die zueiiiander parallel ausgerichtet sind. Der Abstand
der als Dipole gezeichneten Strahler ist gleich der halben Betriebswellenlänge Ä. Die Strahler werden
der Reihe nach an einen Sender angeschaltet und strahlen Impulse ab, die eine HF-Schwingung enthalten,
deren Amplitude und Phase für alle Strahles gleich ist. Vor jedem Abstrahlzyklus wird über den
ersten Strahler eine Impulsgruppe abgestrahlt.
Im Empfänger werden die Impulse im Takt der
Anschaltung der Strahler der Antennenreihe verarbeitet. Beim Auftreten der Impulsgruppe wird festgestellt,
daß nun der Impuls vom ersten Strahler folgt, so daß sich eine eindeutige Zuordnung der empfangenen
Impulse zu den Strahlern ergibt. Wählt man den vom ersten Strahler empfangenen Impuls als Bezugsimpuls,
dann können mit einer im Empfänger vorhandenen Meßeinrichtung die Phasen der von allen Strahlern
empfangenen Impulse gegenüber der Phase des Bezugsimpulses gemessen werden. Ebenso können die Amplituden
der empfangenen Impulse, bezogen auf die Amplitude des Bezugsimpulses, gemessen werden.
Zur Vereinfachung wird für die folgende Erläuterung angenommen, daß was in Wirklichkeit nicht
zutrifft keine Störungen vorliegen. Dann nehmen die Amplituden alle den Wert der Amplitude des
ersten Impulses an. Für die Erläuterung wird angenommen,
daß dieser Wert 1 ist.
Da man jeden Impuls eindeutig einem Strahler zuordnen kann, erhält man so für jeden Impuls im
Empfänger ein Zahlenpaar, bestehend aus Betrag (Amplitude) und Phase. Jedes Zahlenpaar stellt eine
komplexe Zahl Z bzw. einen Zeiger dar. Da der vom ersten Strahler kommende Impuls der Bezugsimpuls
ist, hat das zugehörige Zahlenpaar immer die Phase 0 für alle Empfängerpositionen. Die Phasen der Zahlenpaare
für die Impulse von den anderen Strahlern hängen von der Empfängerposition ab.
Die auf diese Weise gewonnenen Zahlenpaare werden in einem Speicher in der Bordstation gespeichert.
Aus den von den 40 Strahlern gewonnenen Zeigern werden nun im Empfänger zwei Gruppen gebildet;
beispielsweise bilden die Zeiger der Strahler 1 bis 20
die eine Gruppe und die Strahler 21 bis 40 die andere Gruppe. Die Gruppen können sich jedoch auch
überlappen. Die Zeiger jeder Gruppe werden nach Betrag und Phase verändert, und es wird dann für
jede Gruppe die Vektorsumme der veränderten Zeiger gebildet. Die Änderung der Zeiger nach Betrag und
Phase erfolg« dabei genauso, wie man die Strahler speisen müßte, um das Diagramm B der Fig. 1 m
erhalten. Der Betrag der Summe ist gleich der Feldstärke,
die ein Empfänger bei dem Gruppendiagramm nach F i g. 1 feststellen würde, vorausgesetzt, der
Empfänger befindet sich in der gleichen Elevation Die Phase der Veklorsumme ist ebenfalls gleich der
Phase der Feldstärke, die ein Empfänger bei dem
Gruppendiagramm nach Fig. 1 feststellen würde. Es wird also auf diese Weise in der Bordstation
die gleiche Feldstärke nach Betrag und Phase ermittelt, wie wenn ein Gruppendiagramtn vorhanden wäre.
Würde man für jede Elevation Φ durch vekterielle
Addition der Zeiger eine Zeigersumme S bestimmen, so würden die Beträge der Zeigersummen für alle
Winkel Φ aufgetragen über Φ eine Kurve ergeben, die
virtuelles Diagramm genannt werden soll. Die Bezeich-
nung »virtuell« bringt zum Ausdruck, daß dieses Diagramm im Raum real nicht vorhanden ist. Es ist
aber identisch mit dem in Fig. 1, Kurve 3,gezeigten realen Gruppendiagramm.
Die Beträge der Zeigersummen sind bei beiden
Gruppen bei gleicher Elevation gleich groß. Die Zeigersummen beider Gruppen unterscheiden sich
jedoch in der Phase. Die Phasendifferenz ist ein Maß für die Elevation. Sie läßt sich aus der Gleichung
P1 -P0 = 2.T 20-τ-sin Φ
berechnen, worin P0 die Phase der Vektorsumme aus
den Zeigern der von den Strahlern 1 bis 20 gewon-
nenen Impulse (Gruppe 0) und PF die Phase der
Vektorsumme aus den Zeigern der von den Strahlern 21 bis 40 gewonnenen Impulse (Gruppe F) ist. Da die
Strahlungsschwerpunkte der Gruppen 0 und F einen Abstand von 20d = 10/. haben, ist die Phasendifferenz
mehrdeutig; das bedeutet, daß ζ. Β. ein ermittelter Wert von PF - P0 = 30c in Wirklichkeit
auch 30 + 360 oder 30 + 720c usw. sein kann.
Um die Phasendifferenz eindeutig zu machen, werden zwei Hilfswerte ermittelt. Zur Ermittlung des
ersten Hilfswerts bildet man eine dritte Gruppe G aus den Zeigern der vom 2. bis 21. Strahler empfangenen
Impulse. Es wird die Vektorsumme der nach demselben Gesetz wie oben veränderten 20 Zeiger
gebildet und deren Phase PG bestimmt. Der Abstand
des Strahlungsschwerpunkts der Gruppe G von dem
der Gruppe 0 ist d = ^.
Der erste Hilfswert ergibt sich dann aus der Gleichung
0. - p() = 2.τ . sin</;.
Diese Gleichung ist eindeutig, da Pü - P0 im nanzen
Elevationsbereich (Φ zwischen 0 und 90") zwischen 0 und 180 liegt. Ist die Phasendifferenz negativ,
dann wird der Wert durch Addition von 360" berichtigt.
Zur Ermittlung des zweiten Hilfswerts bildet man eine weitere Gruppe Z aus den Zeigern der vom 5. bis
24. Strahler empfangenen Impulse. Es wird wieder die
Veklorsumme dieser nach demselben Gesetz wie oben veränderten 20 Zeiger gebildet und deren Phase Ρλ
bestimmt. Der Abstand des Strahlungsschwerpunkis der Gruppe Z von dem der Gruppe 0 ist Ad = 2?..
Der /weite Hilfswert ergibt sich dann aus der Gleichung
p- Po = 2.7-
Der mit der Gleichung 1 ermittelte Wert ist um den Faktor 20 genauer als der mit der Gleichung 2
ermittelte Wert. Dieser Faktor 20 ist zu groß, um in einem einzigen Schrill die Mehrdeutigkeit der
Phasenmessung P1. — P0 aufzulösen, weil durch Mehrwegausbreitung
die mit Hilfe der Gleichungen 1 und 2 ermittelten Werte verfälscht sein können. Daher ist
der zweite Hilfswert erforderlich.
Zwischen den mit Hilfe der Gleichungen 1 bis 3 ermittelten Phasendifferenzen besteht also folgender
Zusammenhang:
P2-P0= 4(P0-P0).
PF-PO = 5(PZ-PO).
PF-PO = 5(PZ-PO).
Diese beiden Gleichungen werden zur Ermittlung des eindeutigen genauen Elevationswertes verwendet.
Nach Einsetzen der aus den gemessenen Zeigern errechneten Phasendifferenzen PG - P0 und P7 — P0
in die Gleichung 4 wird der Wert von P7 - P0 so oft
um 360° vergrößert, bis die Gleichung möglichst gut erfüllt ist. Der so erhaltene Wert von P7 — P0 wird
ebenfalls wie der aus den gemessenen Zeigern errechnete Wert von PF - P0 in die Gleichung 5 eingesetzt.
Dann wird der Wert von PF — P0 so oft um 360
vergrößert, bis die Gleichung 5 möglichst gut erfüllt ist. Mit dem so erhaltenen Wert von P,.- - P0 wird mit
Hilfe der Gleichung 1 die Elevation Φ berechnet.
Es wird nun das Blockschaltbild des Empfangers nach F i g, 3 beschrieben. Die HF-Impulse werden
von einer Antenne 3 aufgenommen und gelangen von dort über eine abstimmbare Vorstufe 4 zur Mischstufe
5. an deren anderem Eingang eine HF-Schwingung von einem Oszillator 6 liegt. Dem Ausgang der
Mischstufe 5 ist ein erster ZF-Teil 7 nachgeschaltet. Hinter dem ersten ZF-Teil liegt ein Umschalter 8.
der m der gezeichneten Stellung den ersten ZF-Teil 7 mit einem Oszillator Ί0 verbindet. Befindet sich der
Umschalter 8 in der anderen Stellung, dann ist der erste ZF-Teil 7 mit einem zweiten ZF-Teil 9 verbunden,
an dessen Ausgang eine Phasenmeßeinrichtung 11 und eine Amplitudenmeßeinrichtung 12 angeschlossen
sind. Der Ausgang des Oszillators 10 ist mit den zweiten Eingängen der Phasenmeßeinrichtung 11 und
der Amplitudenmeßeinrichtung 12 verbunden. Die Ausgänge der Meßeinrichtungen 11 und 12 führen zu
einem Rechner 13. an dessen Ausgang eine Anzeigeeinrichtung 14 für die Elevation liegt. Am Ausgang
des ersten ZF-Teils 7 ist auch eine Einrichtung 15 zur Erkennung der Impulsgruppe, zur Betätigung
des Umschalters 8 und zur Steuerung des Rechners 13 angeschlossen. Erkennt die Einrichtung 15 die Impulsgruppe,
dann gibt sie ein Signal an den Rechner 13 und bringt den Umschalter 8 in die gezeichnete Stellung,
so daß der dann folgende Impuls vom ersten Strahler auf den hochgenauen Oszillator 10 gelangt
und diesen bezüglich Amplitude und Phase synchronisiert.
Nach dem ersten Impuls gelangt der Umschalter 8 in die nicht gezeichnete Stellung, so daß die folgenden
Impulse über den zweiten ZF-Teil 9 auf die Meßeinrichtungen Il und 12 gelangen. Die Phase und
die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators 10
sind die Meßgrößen des ersten Impulses und sie dienen als Bezugsgrößen für die Messung der Phasen und
der Amplituden der Impulse vom zweiten bis u-ten
Strahler. Die Phasen- und die Amplitudenmißeinrichtungen
sind bekannt und werden daher nicht naher erläutert.
Der Phasenwert 0V und der Amplitudenwert
AyW = 1 ... ji) werden im Speicher des Rechners oder
in einem getrennten Speicher am Speicherplatz 1 abgespeichert. Die Einspeicherung wird von einem
nicht gezeigten Zähler gesteuert, der mit dem gleichen Takt wie die Anschaltung der Strahler der Antennenzeile
weitergeschaltet und der beim Auftreten der Impulsgruppe in die Anfangslage gebracht wird.
Die Amp'iitudenwerte A1. und die Phasenwerte
</\ bestimmen die Zeiger Zv nach der Gleichung
Zv = Ay · exp (i</>,.). (6)
Hierbei ist i2 = -/. Die Zeiger werden in einen
Zwischenspeicher abgespeichert.
Die Zeiger werden nun gruppenweise geänder und zu Vektorsummen addiert entsprechend den fol
genden Gleichungen:
10 ]
> -κ r [Z10 + ν exp (- /<iv) + Zn _ v exp [in v)] = A0 exp HP0).
> -κ r [Z10 + ν exp (- /<iv) + Zn _ v exp [in v)] = A0 exp HP0).
Zr — 1
in,·)+ Z12 _ vexp(/«v)] = AG exp(rP17).
10 ^
V7 = ~2_ . ' . [Z14 + ,. exp (- i«,.) + Z15 _ v exp(ία,.)] = Az expUP7),
J-"- I
VF = 2 ;, Γ [Z.W + ν exp (- ία v) + Z31 _ v exp (in,.)] = A F exp (iPF).
VF = 2 ;, Γ [Z.W + ν exp (- ία v) + Z31 _ v exp (in,.)] = A F exp (iPF).
1 7 1· — 1
Dabei ist A die Amplitude und P die Phase der beschrieben, die Phasendifferenzen bestimmt u
jeweiligen Vektorsumme V. daraus nach der Gleichung 1 die Elevation Φ berei
Für geradzahlige Werte von ν ist «r = 135°, und für 65 net.
ungeradzahlige Werte von i- ist «, = 45°. D
Aus den Gruppenphasen P0, PG, Pz und PF werden
f d ih d 5 i b
ppp
nun mit Hilfe der Gleichungen 4 und 5. wie oben Die Beträge aller vier Vektorsummen sind glei
also
nun mit Hilfe der Gleichungen 4 und 5. wie oben Die Beträge aller vier Vektorsummen sind glei
also
S = |V0| = \VG\ = \V7\ = \vF\.
Trägt mar. die Beträge für alle Empfängerpositionen auf, dann erhält man das virtuelle Diagramm Kurve ß
in Fig. 1. Die Idealkurve A ist sehr gut angenähert. Die Bodeneinflüsse sind durch die gute Annäherung
an S = O im Bereich zwischen </> = -8C und
Φ = -60' nahezu völlig eliminiert. Eine genaue Fehlerrechnung zeigt, daß der durch den Boden
verursachte Meßfehler kleiner als ±0,1" ist für 2,5° g Φ g 60° und zwar bei beliebiger Aufstellungshöhe der Reihe. Dabei ist ebener, horizontaler, homogener
Boden angenommen mit m· = 15. Es ist vertikale
Polarisation angenommen.
Ist es erwünscht, im Bereich unter 2.5 gleiche oder höhere Genauigkeit zu haben, so verwendet man ein
Diagramm nach F i g. 2. Es ist ein Einkeulendiagramm, dessen Hauptstrahlrichtung einen Winkel von 6'~ mit
der Horizontalen bildet. Dieses Diagramm würde
als Gruppendiagramm entstehen, wenn 20 nebeneinanderliegende Strahler der 40 Strahler der Bodenstation
gleichzeitig strahlen würden, wobei der erste Strahler mit einer Phase « = - 19° und die folgenden
Strahler mit einem ihrer Ordnungszahl (innerhalb der Gruppe) entsprechenden Vielfachen des Winkels
<i(2«, 3(/... 20«) und geeigneten Amplituden gespeist
würden.
Da die Strahler der Bodenstation nicht gleichzeitig
ίο strahlen, ist kein Gruppendiagramm vorhanden, und
man bildet wieder im Empfänger die dem Flugzeugstandort entsprechende Feldstärke des Gruppendiagramms
nach.
Abgesehen von der Diagrammform ist der Rechengang derselbe wie für die oben beschriebene Elevationsbestimmung. Es werden
Vektorsummen ermittelt:
Abgesehen von der Diagrammform ist der Rechengang derselbe wie für die oben beschriebene Elevationsbestimmung. Es werden
Vektorsummen ermittelt:
zuerst die folgenden
ai r / j \ 4.7-i
r / 1 \ 4:τΊ
! -0.5COsU—-J — Zv + ,exp(ira) =
-°-5cos (ρ-τ
2» r / l \ 4.τη
1: = 2 ' - 0,5 cos [ ι j j —
Z,. + 20 exp (ir«) = A'F exp (i Pp).
Die Beträge ^ A'G. A'z und A'F der Vektorsummen
sind gleich und ergeben, für alle Empfängerpositionen berechnet, das virtuelle Diagramm der F i g. 2.
Aus den Phasen P^. P'G. P'x und P'F wird, wie oben
beschrieben, wieder mit Hilfe der Gleichungen 4. 5 und 1 die Elevation ermittelt.
Mit diesem Verfahren erhält man bei Aufstellungshöhen der Antennenreihe zwischen λ und 20/. be
Elevationen ab 1.6° einen Systemfehler von ±0.05
Der Bordempfänger wird zweckmäßig so ausgelegt daß er etwa bei 6° Elevation von der'einen auf dii
andere Betriebsart umschaltet bzw. umgekehrt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 409 622
Claims (4)
1. Funknavigationssystem zur Elevationsmessung
nach dem Phasendiflerenzverfahren, bei dem in der Bodenstation »i gleiche und im gleichen
Abstand zueinander angeordnete Strahler einer Antennenreihe zyklisch nacheinander HF-Impulse
abstrahlen und vor jedem Abstrahlzyklus eine Impulsgruppe abgestrahlt wird und bei dem in der
Bordstation für jeden Impuls von einem Strahler die Phase der HF-Schwingung, bezogen auf einen
der Impulse, gemessen und gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Bordstation (3 bis 15) zusätzlich die Amplitude der HF-Schwingung gemessen und gespeichert
wird, daß die zusammengehörigen Phasen- und Amplitudenmeßwerte von von jeweils nebeneinanderliegenden
Strahlern empfangenen Impulsen, die eine Gruppe bilden, verändert werden und
gruppenweise die Vektorsumme der veränderten Impulse gebildet wird und daß aus der Phasendifferenz
von mindestens zwei Vektorsummen die Elevation ermittelt wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Meßwerte der
Impulse so erfolgt, daß der Betrag der Vektorsumme gleich der Feldstärke ist. die am Ort des
Empfängers von einem Gruppendiagramm, dessen Feldstärke für alle Elevationswinkel annähernd
gleich ist, empfangen würde.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Meßwerte der
Impulse so erfolgt, daß der betrag der Vektorsumme gleich der Feldstärke ist. die am Ort des
Empfängers von einem Gruppendiagramm mit angehobener Hauptkeule empfangen würde.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Impulsgruppen
gebildet werden, wobei zur Messung einer noch nicht eindeutigen Phasendifferenz die zwei
Gruppen verwendet werden, deren Strahlungsschwerpunkte a.m weitesten auseinanderliegen,
und daß zur Eindeutigkeitsbestimmung die Phasendifferenz zwischen der ersten und zwei weiteren
Gruppen, deren Strahlungsschwerpunkte in der Nähe des Strahlungsschwerpunktes der ersten
Gruppe liegen, verwendet werden.
Stand der Technik
Es ist eine große Anzahl von Systemen zur Elevationsmessung,
die nach dem Phasendifferenzvcrfahren arbeiten, bekannt. Bei diesen wird im allgemeinen
mit zwei bzw. drei Strahlern gearbeitet. Diese Systeme sind nicht sehr genau und anfällig gegen Störungen
durch Mehrwegausbreitungen. Sie eignen sich daher nicht für Landungen nach Kateeorie Il und III siemäß
ICAO.
Aufgabe
Mil der Erfindung wird ein neues System zur Messung der Elevation angegeben, bei dem die im
älteren Patent 2 103 5SO vorgeschlagene Bodenstation
und ein Teil der dort vorgeschlagenen Bordstalion verwendet wird, nämlich die LÜnrichtunu zur Messung
der Phase jedes empfangenen HF-Impulses. Ausgehend von diesem älteren Vorschlag besteht die
Aufgabe darin, aus den Phasenmeßwerten und den zugehörigen Amplitudenmeßwerten sogenannte virtuelle
Diagramme mit einer Diagrammform zu bilden, die eine möglichst genaue Messung der Elevation
auch bei sehr kleinen Winkeln ermöglichen.
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722230630D DE2230630B1 (de) | 1972-06-22 | 1972-06-22 | Funknavigationssystem zur Elevations messung nach dem Phasendifferenzverfahren |
GB2732673A GB1428682A (en) | 1972-06-22 | 1973-06-08 | Elevation-measuring system |
IT2539173A IT989186B (it) | 1972-06-22 | 1973-06-15 | Sistema per la misurazione dell elevazione |
CA174,657A CA1001742A (en) | 1972-06-22 | 1973-06-21 | Elevation measuring device for phase-interferometer aircraft landing system |
JP6992873A JPS5234358B2 (de) | 1972-06-22 | 1973-06-22 | |
ES416187A ES416187A1 (es) | 1972-06-22 | 1973-06-22 | Un sistema para medir la elevacion de un avion durante el aterrizaje. |
FR7322870A FR2189747B3 (de) | 1972-06-22 | 1973-06-22 | |
AU57233/73A AU482263B2 (en) | 1972-06-22 | 1973-06-22 | Elevation-measuring system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE2230630C true DE2230630C (de) | 1974-05-30 |
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