JP2018084583A - Sbas信号を利用してgps受信装置のttffを短縮できる方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、SBAS衛星から伝送されるSBAS信号を利用して初期位置確認時間を短縮させることができるGPS受信装置、GPS受信装置の制御方法、GPSシステムに関する。【解決手段】本発明の実施例に係るGPS受信装置の制御方法は、SBAS衛星からSBAS信号を受信するステップ、そして、受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出するステップを含む。SBAS信号は、GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれていてよい。軌道力データとアルマナックデータの差分値は、GPS衛星に対する衛星時計差分値および衛星位置差分値を含むことができる。本発明によれば、SBAS信号に含まれている軌道力データとアルマナックデータの差分値を利用して初期位置確認時間を短縮させることで、現在の位置および時刻情報をより速く、正確に獲得できる。【選択図】 図3
Description
本発明は、GPS受信装置、GPS受信装置の制御方法、GPSシステムに関し、さらに詳細には、SBAS衛星から伝送されるSBAS信号を利用して初期位置確認時間を短縮させることができるGPS受信装置、GPS受信装置の制御方法、GPSシステムに関する。
一般に、無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle:UAV)は、操縦士なしに指定された任務を遂行するために事前に入力されたプログラムに従って飛行するか、または飛行体が自ら周囲環境(障害物または航路)を認識して自律的に飛行できる飛行体をいい、ドローン(drone)とも呼ばれる。
このような無人航空機は、一般の飛行体とは異なり、操縦士のための空間と安全装置を別に備えないため、小型化および軽量化が可能であり、人の接近が難しい所の情報収集と偵察のために広く利用される。一例として、無人航空機は、気象観測、接近の難しい災難および災害地域の空中映像を獲得するか、または電力線検査などの様々な目的のために用いられている。
無人航空機の飛行のためには、航法装備が必要であるが、航法装備は、姿勢制御を担当する慣性航法装置(inertial navigation system)と、経路誘導を担当するGPS(Global Positioning System)とからなる。無人航空機は、GPSを利用して現在の位置を把握することができるが、従来は、無人航空機の初期離陸時、GPS信号を受信して現在の位置を把握するために必要となる時間である初期位置確認時間(TTFF:Time To First Fix)が長くかかる問題点があった。
GPS受信装置は、最新のアルマナック(Almanac)データを通してどのような衛星の信号が受信できるかを予め把握し、最新の軌道力(Ephemeris)データを受信した衛星のうち1つの衛星から信号を受けて衛星との時刻同期(Clock Synchronization)をなし、他の3つ以上の衛星から信号を受けて各衛星までの距離を測定し、自己位置を把握することとなる。
GPS受信装置の電源を入れた後、アルマナックデータと軌道力データの受信の有無によって、Factory Start、Cold Start、Warm Start、Hot Startなどに区分し、TTFFが変わり得る。この中で、GPS受信装置の電源を切った後、数分以内にまた用いる場合と、GPS受信機の使用中、障害物(建物、トンネル等)により一時的にGPS衛星信号が受信できない場合であるHot Startを除き、アルマナックデータと軌道力データの受信が必要な場合は、略30秒〜15分程度のTTFFが必要となった。
このように、TTFFによって無人航空機が動作する時間がかなり遅延する問題点があった。
そこで、無人航空機の動作時間を減らし、非常時に無人航空機の位置を迅速に把握するために、初期位置確認時間を短縮させることができる技術の開発が必須的に求められている。もちろん、無人航空機の他にも、GPS受信装置の電源を入れたとき、現在の位置を把握する時間を短縮することが必要な分野などでも、関連技術の開発が必須的に求められている。
従って、本発明が解決しようとする技術的課題は、軌道力データとアルマナックデータの差分値を含むSBAS信号を利用して初期位置確認時間を短縮させることで、現在の位置および時刻情報をより速く、正確に獲得できるGPS受信装置、GPS受信装置の制御方法、GPSシステムを提供することである。
また、本発明は、明示的に言及された目的以外にも、後述する本発明の構成から達成できる他の目的も含む。
上述した技術的課題を解決するための本発明の実施例に係るGPS受信装置の制御方法は、SBAS衛星からSBAS信号を受信するステップ、そして、前記受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出するステップを含む。
前記SBAS信号は、前記GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれていてよい。
前記軌道力データとアルマナックデータの差分値は、GPS衛星に対する衛星時計差分値および衛星位置差分値を含むことができる。
前記GPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値は、数1により計算できる。
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星時計差分値(satellite clock difference value)、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計アルマナックデータであり、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星位置差分値、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置アルマナックデータであってよい。
数3により、前記GPS衛星の衛星時計軌道力データを計算できる。
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星時計アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値であり、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星位置アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値であり、t0は、衛星位置差分値が地上局で計算された時間であってよい。
前記SBAS信号は、4基以上のGPS衛星に対する位置の差分値および時刻補正値の差分値を1秒当たり50ビット以内で含むことができる。
本発明の他の実施例に係るGPS受信装置は、SBAS衛星からSBAS信号を受信する受信部、そして、前記受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出する制御部を含む。
本発明の他の実施例に係る地上局は、GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を算出し、前記算出された差分値をSBASメッセージに含ませてSBAS衛星に伝送する。
本発明によれば、SBAS信号に含まれている軌道力データとアルマナックデータの差分値を利用して初期位置確認時間を短縮させ、GPS受信装置が現在の位置および時刻情報をより速く、正確に獲得することで、速い運営を可能とする長所がある。そして、GPS受信装置でSBAS信号を受信することができるため、別途の受信装備が不要であり、SBAS信号が及ぶ全ての空間で使用可能であるため、空間的な制約事項がない長所がある。
さらに、無人航空機の分野では、初期離陸時に求められる現在の位置および時刻情報をSBAS信号を通して速く、正確に獲得でき、無人航空機の精密な制御が可能な長所がある。これと共に、位置および時刻情報が求められる様々な分野で適用可能な長所がある。一方、本発明の効果は、上述のものに限定されず、後述の本発明の構成から導き出され得る他の効果も本発明の効果に含まれる。
それでは、添付の図面を参考にして、本発明の実施例について、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例に係るGPSシステムの概略的な構成図を示す。
図1に示したように、GPSシステム1は、地上局100、SBAS衛星200およびGPS受信装置300を含んで構成される。
地上局100は、基準局(図示しない)、中央局(図示しない)、衛星通信局(図示しない)などを含むことができる。具体的には、広い地域に分散された基準局でそれぞれGPS信号を受信し、航法データおよび距離測定値を生成して中央局に伝達できる。中央局は、基準局で収集された情報を活用してGPS受信装置300で位置計算に利用するGPS衛星に対する軌道および時計誤差、電離層遅延誤差補正のための補正情報を生成し、GPS信号の異常の有無を判断するための無欠性情報などを生成することができる。中央局で生成された補正情報および無欠性情報は、SBASメッセージに含まれて衛星通信局に伝達され得る。すると、衛星通信局は、SBASメッセージを含むSBAS信号をSBAS衛星200に送信できる。
ここで、SBAS(Satellite Based Augmentation System)は、GPS信号の誤差を補正し、静止軌道衛星を通して正確な位置情報を提供する衛星基盤補正システムをいう。SBASは、GPS誤差を略1m級に補正できる。
地上局100は、複数のGPS衛星(図示しない)に対してそれぞれの軌道力(Ephemeris)データとアルマナック(Almanac)データの差分値を計算できる。そして、地上局100は、GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値をSBASメッセージに含ませてSBAS衛星200に伝送することができる。
GPS衛星の軌道力データは、GPS衛星の非常に精密な軌道および時計補正情報を示し、略5時間毎に新たに更新され得る。GPS衛星は、軌道力データを略30秒間で伝送完了し、持続的にこれを再伝送する。
GPS衛星のアルマナックデータは、GPS衛星の概略的な軌道パラメータ情報を示し、数ヶ月に一回ずつ更新され得る。GPS衛星は、アルマナックデータを略30秒間で伝送完了し、持続的にこれを再伝送する。
地上局100は、GPS衛星から軌道力データとアルマナックデータを受信し、受信されたデータに基づいて該当GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を計算できる。
GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値は、衛星時計差分値と衛星位置差分値を含むことができる。
GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値は、下記数5により計算できる。
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星時計差分値(satellite clock difference value)、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計アルマナックデータである。
GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値は、下記数6により計算できる。
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星位置差分値、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置アルマナックデータである。
SBAS衛星200は、地上局100から伝送されたGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を含むSBASメッセージをSBAS信号に含ませてサービス領域内のGPS受信装置300に対して伝送することができる。
GPS受信装置300は、GPS衛星から受信されたGPS信号と、SBAS衛星200から受信されるSBAS信号を利用して精密に自己位置を把握できる。
特に、本発明に係るGPS受信装置300は、電源が入った後、GPS衛星からGPS信号を受信し、軌道力データおよびアルマナックデータを獲得する前にも自己位置を計算できる。
GPS受信装置300は、GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値をSBAS信号から獲得できる。そして、GPS受信装置300は、獲得された軌道力データとアルマナックデータの差分値を既に保有していたアルマナックデータに対して適用することで、GPS衛星の軌道力データを獲得できる。これについては、下記において詳細に説明する。
図2は、図1に示したGPS受信装置の詳細構成図である。
GPS受信装置300は、受信部310、制御部330および格納部350を含むことができる。
受信部310は、アンテナを通してSBAS衛星200からSBAS信号を受信することができる。
制御部330は、受信されたSBAS信号を利用して、GPS衛星の衛星時計軌道力データおよび衛星位置軌道力データを算出することができる。アルマナックデータは、GPS受信装置300で既に保有している情報を利用できる。
さらに詳細には、制御部330は、SBASメッセージに含まれているGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を利用して、該当GPS衛星の衛星時計情報および衛星位置情報を算出することができる。
下記数7は、GPS受信装置300でのGPS衛星の衛星時計軌道力データの計算を示したものである。
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星時計アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値であり、t0は、衛星時刻差分値が地上局で計算された時間である。
下記数8は、GPS受信装置300でのGPS衛星の衛星位置軌道力データの計算を示したものである。
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星位置アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値であり、t0は、衛星位置差分値が地上局で計算された時間である。
制御部330は、上述した方式で計算されるGPS衛星の衛星時計軌道力データと衛星位置軌道力データを利用して、GPS受信装置300の現在の位置および時刻情報を算出することができる。
制御部330は、算出されたGPS受信装置300の現在の位置および時刻情報を格納部350に格納するか、またはGPS受信装置300と連結された装置(例えば、無人航空機の制御手段)に伝送することができる。
格納部350は、GPS衛星から受信したアルマナックデータを格納し、制御部330でSBAS信号に含まれた差分値を利用して軌道力データを計算する時に提供することができる。
一方、4〜5基以上のGPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの差分値をSBASメッセージに1秒当たり50ビット以内で含ませて提供することができる。
さらに詳細には、SBAS衛星200から伝送されるSBAS信号の伝送速度(SBASメッセージの伝送速度)は、1秒当たり250ビットであり、この中で、プリアンブルとメッセージIDを除くデータフィールドは212ビットである。現在、標準SBASメッセージフォーマットでGPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの差分値に利用できる容量は、1秒当たり50ビットである。4基以上のGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を1つのSBASメッセージに入れれば、5秒毎に伝送できるため、初期位置確認時間を略5秒程度に短縮させることができるようになる。
初期位置確認時間を短縮させる技術は、無人航空機の分野またはGPS受信装置を用いて位置および時刻情報の提供を受ける全ての技術分野で適用可能である。無人航空機の分野では、初期離陸時に求められる位置および時刻情報をSBAS信号を通して速く、正確に獲得して無人航空機の精密制御を可能とし、Ready to Fly Mode、Return HomeまたはWaypointなどのように位置および時刻情報が求められる様々な機能の性能向上が可能である。
そして、位置情報が提供される科学分野などで活用可能であるが、例えば、クジラなどのような動く海洋生態などを調査するために位置情報が必要であるが、クジラが海に潜水した時は位置情報を把握できないので、海水面に浮上する略30秒の時間の間位置情報を獲得し、その位置を送出しなければならない。
そこで、初期位置確認時間を短縮して位置情報獲得時間を短縮できれば、より精密にクジラの動きなどを追跡し、正確な生態調査ができるようになる。
以下においては、本発明の一実施例に係る制御システムの制御方法について説明する。
図3は、本発明の一実施例に係るGPSシステムの動作過程を説明するための図である。
図3に示したように、地上局がGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を算出して伝送できる(S300)。
さらに詳細には、地上局は、GPS信号を常時観測して生成されたGPS衛星情報に基づいてGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータを差分した値を算出してSBASメッセージに含ませ、SBAS衛星に伝送することができる。
ステップS300で地上局は、SBASメッセージのデータフィールドに1秒当たり50ビット以内で4〜5基内のGPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの差分値を含ませて伝送することができる。
次に、SBAS衛星は、GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれたSBASメッセージをSBAS信号に含ませて伝送することができる(S310)。
すると、GPS受信装置は、SBAS衛星からGPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれたSBASメッセージを受信することができる(S320)。ステップS320は、GPS受信装置の電源が入った後、GPS衛星からGPS信号を受信して軌道力データを獲得する前になされ得る。
次に、GPS受信装置は、受信されたSBASメッセージに含まれた軌道力データとアルマナックデータの差分値を利用し、上で説明した数3や数4を利用してGPS衛星の軌道力データを獲得でき、それを利用して自己位置および時刻情報を算出することができる(S330)。
本発明の実施例は、様々なコンピュータで具現される動作を遂行するためのプログラム命令を含むコンピュータで読み取り可能な媒体を含む。この媒体は、先に説明したGPS受信方法を実行させるためのプログラムを記録する。この媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独で、または組み合わせて含むことができる。このような媒体の例には、ハードディスク、フロッピーディスクおよび磁気テープのような磁気媒体、CDおよびDVDのような光記録媒体、フロプティカルディスク(floptical disk)と磁気−光媒体、ロム、ラム、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を格納し、遂行するように構成されたハードウェア装置などがある。プログラム命令の例には、コンパイラにより作られるような機械語コードだけでなく、インタプリタなどを用いてコンピュータにより実行され得る高級言語コードを含む。
以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は、これに限定されるものではなく、下記の請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の種々の変形および改良形態もまた本発明の権利範囲に属するものである。
100…地上局、200…SBAS衛星、300…GPS受信装置。
Claims (15)
- SBAS衛星からSBAS信号を受信するステップ、そして
前記受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出するステップを含み、
前記SBAS信号は、
前記GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれている、GPS受信装置の制御方法。 - 前記軌道力データとアルマナックデータの差分値は、
GPS衛星に対する衛星時計差分値および衛星位置差分値を含む、請求項1に記載のGPS受信装置の制御方法。 - 前記GPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値は、数1により計算でき、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星時計差分値(satellite clock difference value)、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計アルマナックデータであり、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星位置差分値、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置アルマナックデータである、請求項2に記載のGPS受信装置の制御方法。 - 前記受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出するステップにおいて、
数3により前記GPS衛星の衛星時計軌道力データを計算し、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星時計アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値であり、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星位置アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値であり、t0は、衛星位置差分値が地上局で計算された時間である、請求項3に記載のGPS受信装置の制御方法。 - 前記SBAS信号は、
4基以上のGPS衛星に対する位置の差分値および時刻補正値の差分値を1秒当たり50ビット以内で含む、請求項1に記載のGPS受信装置の制御方法。 - SBAS衛星からSBAS信号を受信する受信部、そして
前記受信されたSBAS信号を利用してGPS衛星の衛星時計および衛星位置を算出する制御部を含み、
前記SBAS信号は、
前記GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値が含まれている、GPS受信装置。 - 前記軌道力データとアルマナックデータの差分値は、
GPS衛星に対する衛星時計差分値および衛星位置差分値を含む、請求項6に記載のGPS受信装置。 - 前記GPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値は、数5により計算でき、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星時計差分値(satellite clock difference value)、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計アルマナックデータであり、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星位置差分値、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置アルマナックデータである、請求項7に記載のGPS受信装置。 - 前記制御部は、
数7により前記GPS衛星の衛星時計軌道力データを計算し、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星時計アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値であり、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星位置アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値であり、t0は、衛星位置差分値が地上局で計算された時間である、請求項8に記載のGPS受信装置。 - 前記SBAS信号は、
4基以上のGPS衛星に対する位置の差分値および時刻補正値の差分値を1秒当たり50ビット以内で含む、請求項6に記載のGPS受信装置。 - GPS衛星の軌道力データとアルマナックデータの差分値を算出し、前記算出された差分値をSBASメッセージに含ませてSBAS衛星に伝送する、地上局。
- 前記軌道力データとアルマナックデータの差分値は、
GPS衛星に対する衛星時計差分値および衛星位置差分値を含む、請求項11に記載の地上局。 - 前記GPS衛星に対する軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値は、数9により計算でき、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星時計差分値(satellite clock difference value)、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星時計アルマナックデータであり、
は、複数のGPS衛星のうちj番目のGPS衛星に対して地上局で時間(t0)に計算された衛星位置差分値、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星の衛星位置アルマナックデータである、請求項12に記載の地上局。 - 数11により前記GPS衛星の衛星時計軌道力データを計算し、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星時計軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星時計アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星時計差分値であり、
は、j番目のGPS衛星に対して時間(t)に計算された衛星位置軌道力データ、
は、j番目のGPS衛星に対してGPS受信装置が時間(t)に保有していた衛星位置アルマナックデータ、
は、j番目のGPS衛星に対してSBASメッセージから獲得した軌道力データとアルマナックデータの衛星位置差分値であり、t0は、衛星位置差分値が地上局で計算された時間である、請求項13に記載の地上局。 - 前記SBAS信号は、
4基以上のGPS衛星に対する位置の差分値および時刻補正値の差分値を1秒当たり50ビット以内で含む、請求項11に記載の地上局。
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