JP3507378B2 - High precision tide gauge by GPS - Google Patents
High precision tide gauge by GPSInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、作業船等の位置決
めに使用する、作業船上に設置したＧＰＳアンテナと前
記作業船に固定した水面計とから得られる資料に基づ
き、その海域における潮位を高精度に計測するようにし
た、ＧＰＳによる高精度潮位計に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、作業船上において位置(平面座標)
決め用に設置したＧＰＳアンテナのみから潮位を計測し
ようとする場合には、ケーシングの引抜き・固結サイク
ル等工程の進捗に関係する負荷変動の影響を受けて作業
船に生じるローリング、ピッチングなどのために最大±
１０ｃｍ程度の喫水の変化が生じるので、正確な潮位ま
たは潮位を連続的に計測することができなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、従
来手段に内在する上記不都合を解消し、
位置決めＧＰＳアンテナによって計測した高さ（標
高）を基準にし、
作業船側に固定した水面計により、船体の負荷の変
動に応じて生じる喫水の変化を求め、上記の値を補正す
ることにより、
潮位を高精度に計測するシステム
を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本件発明は、上記目的を
達成するため、次ぎに述べるとおりの各構成要件からな
る。
（１）作業船上の離れた２点にそれぞれ設置したＧＰＳ
アンテナと、作業船に固定した水面計とよりなり、前記
水面計を通る垂線上に仮想した一点の標高を、前記一対
のＧＰＳアンテナの標高を同時に計測することにより割
り出す手段、前記仮想点の標高値から、各ＧＰＳアンテ
ナの標高を検知した時点でのＧＰＳアンテナの平面座標
に対応する基準水面の値、水面計の測定値及び前記仮想
点と水面計固定位置との間の長さを差引くことにより検
出するようにした、ＧＰＳによる高精度潮位計。
【０００５】
【発明の実施の形態】ＧＰＳアンテナの高さ（標高）
は、潮位、波浪、船体のピッチング、ローリングによっ
て変化する。ただし、船体のピッチング、ローリング時
におけるマストの傾斜のみによって変わるアンテナ高さ
の変動は、１．０°程度の船体の傾きでは、無視できる
程度の値（たとえば、アンテナが高さ１０ｍのマスト上
に設置されているとして、その変動値は１．０mm以下）
である。
【０００６】船体のピッチング、ローリングによるＧＰ
Ｓアンテナ取付け高さの変化に対しては、主・副ＧＰＳ
アンテナの中間位置に水面計を設置して、そこを通る垂
線上の仮想点を選定し、前記仮想点を主・副ＧＰＳアン
テナの各計測標高の平均高さとして、可及的に船体のピ
ッチング、ローリングに起因する標高の計測値誤差の発
生を防止する。同時に水面計から船体の喫水を計測する
ことにより、その時の水面高さを算出する。すなわち、
位置決め用ＧＰＳアンテナ高さの平均値を基準にし、水
面計で船体負荷変動による喫水の変化を求め、前記ＧＰ
Ｓ値を補正することにより、潮位を計測する。また、水
面高さを平均することで長周期変化の潮位を求めること
もできる。
【０００７】
【実施例】図１は、本発明ＧＰＳによる高精度潮位計の
模式図で、図中、作業船１上の、相互に隔離して立設し
た２つのマスト上にそれぞれ主ＧＰＳアンテナ２、副Ｇ
ＰＳアンテナ３を設置する。作業船１には、施工位置を
計測するために通常、ＧＰＳアンテナを２つ設備してい
る。本実施例では、それら２つのＧＰＳアンテナの計測
値を利用して潮位を高精度で測定しようとするものであ
る。前記作業船１は、海面に浮かんでいるので、その作
業船の浮力中心付近に水面計４（喫水計）を固定すると
良い。また、前記水面計４の作業船上での固定位置は、
主、副ＧＰＳマストの配置の基部中間であることが望ま
しいが、これら２条件は必ずしも不可欠なものではな
い。
【０００８】ただし、主・副ＧＰＳアンテナ２，３のマ
ストの配置を、作業船１の船体の浮力中心を挟んで相互
に反対側に設立し、水面計４の固定位置を船体の浮力中
心を通る垂線に近付けて置けば、船体にローリング、ピ
ッチングが生じたときに主・副ＧＰＳアンテナの標高ｈ
１，ｈ２を計測した場合でも、ｈ３は船体のローリン
グ、ピッチングの影響を殆ど受けず、常時、安定した平
均値が得られる。前記水面計４は、電波、超音波等を利
用する水面計とすることができ、船体１の喫水を検出す
るものでもある。
【０００９】今、日本測地座標系（ベッセル楕円体準
拠）を基準にして、海面に浮かぶ作業船１上に設けた、
主ＧＰＳアンテナ２の標高：ｈ１
副ＧＰＳアンテナ３の標高：ｈ２
主・副ＧＰＳアンテナ２，３の基部から水面計４位置までの、それぞれの水平
距離 ：Ｌ１，Ｌ２
水面計４を通る垂線上の仮想点ａの標高：ｈ３
ｈ３＝（ｈ１×Ｌ２＋ｈ２×Ｌ１）／（Ｌ１＋Ｌ２） ……（１）
【００１０】船体に対しては、主・副ＧＰＳアンテナ
２，３の取付け位置及び水面計４の固定位置の相互関係
が固定的であること並びに上記式から割り出して、仮想
点ａの位置は船体に対し固定であるから、
仮想点ａから水面計４取付け位置迄の距離：Ｉ0 ＝一定
水面計４で測定した海水面までの距離：Ｉ1
潮 位：Ｗ
基準水面：Ｇ
とすると、
【００１１】図１を参照して
ＧＰＳ値と潮位との関係式 Ｉ0 ＋Ｉ1 ＋Ｗ＋Ｇ＝ｈ３
すなわち、Ｗ＝（ｈ３−Ｉ1 ）−（Ｉ0 ＋Ｇ） ……（２）
上記（２）式のうち、ｈ３，Ｉ1 値の測定は同一時間帯
に行われなければならず、Ｇは、前記測定をした時間帯
における作業船の作業地域に対応する基準水面である。
ここで、ｈ３は、主・副ＧＰＳアンテナ２，３の標
高の計測により式（１）から求められる。
Ｉ1 は、前記標高の計測時間帯における水面計の値
から求められる。
Ｉ0 は、作業船に装備された施設の配置によって定
まる値である。
Ｇは、前記標高の計測時間帯において作業船の作業
地域によって定まる。
本実施例によれば、ＧＰＳアンテナにより求めた潮位
に、作業船の負荷変動で生じるローリング、ピッチング
による喫水誤差を補正することで、精度の良い潮位が求
めることができる。
【００１２】（ｘ）上記説明のように、仮想点ａの位置
は船体に対し固定であって、Ｉ0 は、実船に装備された
施設の配置に応じ固定値となり、その長さは、船上に装
備された施設の間隔・長さを個々に実測することによっ
て算出することも不可能ではないが、実際には、船上で
他の施設が中間に配置してあって邪魔であったり、施設
に測長手段を近付けることができない等、諸々の事情か
ら、Ｉ0 の正確な測長値が得難い場合には、近くの検潮
場（潮位板）を利用して、次のような手段を用いてＩ
0 ，Ｇを計測することが可能である。
【００１３】すなわち、
ＧＰＳ値と潮位の関係式 ｈ３＝Ｗ＋Ｇ＋Ｉ1 ＋Ｉ
0
Ｉ0 ＋Ｇ＝ｈ３−Ｉ1 −Ｗ
（ｈ３−Ｉ1 ）の移動平均（下表参照）について、
ｈ３，Ｉ1 は同時に計測する。設定時間（１分〜１０
分）での移動平均値を求める。設定時間に達しなくても
集まったデータの平均値を使って計算表示する。
「平均（ｈ３−Ｉ1 ）高」を計測した時の、潮位Ｗ
を検潮板５から読み取り、キーボードにより入力すると
（Ｉ0 ＋Ｇ）が計算、表示される。（Ｉ0 ＋Ｇ）の数個
の平均値を用いて、以後の未知の潮位Ｗを求める。（Ｉ
0 ＋Ｇ）の精度を上げるため、上述測定手続を時間間隔
を置いて複数回行い、下記のような数表を作成して、
（Ｉ0 ＋Ｇ）の平均値を求める。
【００１４】
【表１】
【００１５】なお、数表記載のうち、時刻、平均（ｈ３
−Ｉ1 ）高及び入力潮位Ｗは、何れも測定値である。
【００１６】時間間隔を置いた複数回の測定値（ｈ３−
Ｉ1 ）の平均値、それに対応する検潮板５からの潮位Ｗ
を求めることによって、既知の測定値から（Ｉ0 ＋Ｇ）
の平均値を割り出すことができ、当該数値から検潮板５
座標位置における既知のＧを差し引くことにより、固定
値「Ｉ0 」を算出することができる。Ｉ0 は設備によっ
て定まる一定値で、複数回の測定によって、精度の高い
数値を検出することができ、また、検出することが望ま
しい。
【００１７】（ｙ）さきにも述べたとおり、固定値「Ｉ
0 」の長さは設備によって定まる一定値であるから、Ｌ
１，Ｌ２及び水面計４の取付け位置から、それぞれ主Ｇ
ＰＳアンテナ２迄のマストの高さ、副ＧＰＳアンテナ３
迄のマストの高さを計測することが可能であれば当該数
値を利用して、直接的にＩ0 の値を算出することができ
る。この場合は、必ずしも、潮位板５（検潮場）を必要
としない。すなわち、図１において、作業船に搭載され
た水面計４の位置が主・副ＧＰＳアンテナ２，３のマス
トの基部を結ぶ直線上の一点にあるとして、主ＧＰＳア
ンテナ２基部と水面計４との間の距離をＬ１、副ＧＰＳ
アンテナ３のマストの基部と水面計４との間の距離をＬ
２とし、主・副ＧＰＳアンテナ２，３を結ぶ直線と水面
計４を通る垂線との交点をａ（仮想点）とすれば〔この
条件は前記（ｘ）の場合と同じ〕、
【００１８】
Ｉ0 ＝（主ＧＰＳアンテナ２のマストの高さ×Ｌ２＋副ＧＰＳアンテナ３の
マストの高さ×Ｌ１）／（Ｌ１＋Ｌ２） ……（３）
ただし、主・副ＧＰＳアンテナ２，３のマストの基部と
水面計４とは、同一水平面上にあるとする。（３）式
は、長さＬ１と主ＧＰＳアンテナ２とを含む平面、長さ
Ｌ２と副ＧＰＳアンテナ３とを含む平面を、水面計４を
通る垂線を軸として相互に折曲げた場合も、成立する。
上述の条件から逸脱しない限り、作業船上の水面計４の
配置は主ＧＰＳアンテナ２と副ＧＰＳアンテナ３のマス
トの基部を結ぶ直線上にあることを要しない。
【００１９】潮位の記録
かくして、Ｉ0 を既知数として、主ＧＰＳアンテナ２及
び副ＧＰＳアンテナ３の複数回計測による作業船の作業
地域が決定すれば、日本測地座標系（ベッセル楕円体準
拠）を基準にして、海面に浮かぶ作業船１におけるＧが
自ずと定まり、また、その間における主ＧＰＳアンテナ
２及び副ＧＰＳアンテナ３の標高を計測することができ
れば、その数値に基づいてｈ３を得ることが可能であ
る。当該時間内での水面計４で測定した海水面までの距
離Ｉ1 を測定することによって、その時刻における潮位
Ｗ＝（ｈ３−Ｉ1 ）−（Ｉ0 ＋Ｇ）
を測定することができる。
【００２０】上記作業は、さきに述べた潮位板５を利用
して（Ｉ0 ＋Ｇ）検出したプロセスと略、同様で、その
際に示した表を使用することができるが、この場合は逆
に（Ｉ0 ＋Ｇ）が既知で、Ｗを求める作業となる。上述
のプロセスを時間間隔を置いて複数回、実施することに
より、時間軸に対して、潮位の変化を記録することがで
きる。
【００２１】潮位表示値を記録する。
日 付 潮 位
１９９９．１．２４． １３：２１ −３．１４
…… …… １３：２２ −３．１５
…… …… ……… …………
【００２２】
【発明の効果】本発明は、以上のとおりであるから、
ＧＰＳにより求めた潮位に、作業船の負荷変動で生
じるローリング、ピッチングによる喫水誤差を補正する
ことで、精度の良い潮位が求められる。
施工現場での潮位を、リアルタイムで把握すること
ができる。
岸壁から離れた遠海でも、潮位の計測が可能であ
る。
常設の検潮場が不要となる。
等々、従来手段には期待することができない、各別の作
用、効果を奏することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is obtained from a GPS antenna installed on a work boat and a water gauge fixed to the work boat, which is used for positioning a work boat or the like. The present invention relates to a high-accuracy tide gauge using GPS, which measures tide in the sea area with high accuracy based on data. 2. Description of the Related Art Conventionally, a position (planar coordinate) on a work boat is known.
If the tide level is to be measured only from the GPS antenna installed for the purpose of determination, the rolling and pitching of the work boat will be affected by the load fluctuations related to the progress of the process such as the pulling out and consolidation cycle of the casing. Up to ±
Since a draft of about 10 cm occurred, accurate tide level or tide level could not be continuously measured. [0003] Accordingly, the present invention solves the above-mentioned disadvantages inherent in the conventional means, and based on the height (elevation) measured by the positioning GPS antenna, the water surface fixed to the workboat side. It is an object of the present invention to provide a system for measuring the tide level with high accuracy by calculating a draft change that occurs in accordance with a change in the load on a hull by a gauge and correcting the above value. [0004] The present invention comprises the following constituent elements in order to achieve the above object. (1) GPS installed at two separate points on the work boat
Means for determining an elevation of a virtual point on a vertical line passing through the water gauge, comprising an antenna and a water gauge fixed to the work boat, by simultaneously measuring the elevations of the pair of GPS antennas, an elevation of the virtual point; From the value, subtract the value of the reference water surface corresponding to the plane coordinates of the GPS antenna at the time of detecting the elevation of each GPS antenna, the measured value of the water gauge, and the length between the virtual point and the fixed position of the water gauge. High-accuracy tide gauge using GPS. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS GPS antenna height (elevation)
Varies with tide, waves, hull pitching and rolling. However, the variation of the antenna height, which is changed only by the mast inclination during pitching and rolling of the hull, is negligible at a hull inclination of about 1.0 ° (for example, when the antenna is mounted on a mast having a height of 10 m). (If it is installed, its fluctuation value is 1.0mm or less)
It is. [0006] GP by pitching and rolling of the hull
For the change of the S antenna mounting height, the primary and secondary GPS
Install a water gauge at the middle position of the antenna, select a virtual point on a vertical line passing through it, and use the virtual point as the average height of each measurement elevation of the main and sub GPS antennas, pitching the hull as much as possible In addition, it is possible to prevent the occurrence of an error in the measured value of the altitude caused by rolling. At the same time, by measuring the draft of the hull from the water level gauge, the water level at that time is calculated. That is,
Based on the average value of the positioning GPS antenna heights, the water level gauge determines the change in draft due to fluctuations in the hull load,
The tide level is measured by correcting the S value. Also, by averaging the water surface height, the tide level of the long-period change can be obtained. FIG. 1 is a schematic view of a high-precision tide gauge using the GPS of the present invention. In FIG. 1, main GPS antennas are respectively mounted on two masts standing on a work boat 1 and separated from each other. 2. Deputy G
The PS antenna 3 is installed. The work boat 1 is usually equipped with two GPS antennas for measuring the construction position. In this embodiment, the tide level is measured with high accuracy by using the measured values of the two GPS antennas. Since the work boat 1 is floating on the sea surface, a water gauge 4 (draft gauge) may be fixed near the center of buoyancy of the work boat. The fixed position of the water gauge 4 on the work boat is as follows:
It is desirable that the primary and secondary GPS masts are located at the middle of the base, but these two conditions are not necessarily essential. However, the masts of the main and sub GPS antennas 2 and 3 are arranged on opposite sides of the buoyancy center of the hull of the work boat 1, and the water level gauge 4 is fixed at the center of the buoyancy of the hull. If the hull rolls and pitches when placed close to the passing vertical line, the altitude h of the primary and secondary GPS antennas
Even when 1 and h2 are measured, h3 is hardly affected by rolling and pitching of the hull, and a stable average value is always obtained. The water level gauge 4 can be a water level gauge using radio waves, ultrasonic waves, or the like, and also detects a draft of the hull 1. Now, based on the Japanese geodetic coordinate system (based on Bessel ellipsoid), the altitude of the main GPS antenna 2 provided on the work boat 1 floating on the sea surface: h1 The altitude of the sub GPS antenna 3: h2 Horizontal distances from the bases of the GPS antennas 2 and 3 to the position of the water gauge 4: L1, L2 Altitude of a virtual point a on a perpendicular passing through the water gauge 4: h3 h3 = (h1 x L2 + h2 x L1) / (L1 + L2) (1) For the hull, the mutual relationship between the mounting positions of the main and sub GPS antennas 2 and 3 and the fixing position of the water gauge 4 is fixed, and it is determined from the above formula, and Since the position of the point a is fixed to the hull, the distance from the virtual point a to the mounting position of the water gauge 4: I 0 = the distance from the sea level measured by the constant water gauge 4: I 1 tide level: W Reference water level : G, then: Figure 1 Referring to equation I 0 + I 1 + W + G = h3 between the GPS values and tidal by i.e., W = (h3-I 1 ) - (I 0 + G) ...... (2) (2) of the formula , H3, and I 1 values must be measured in the same time zone, and G is a reference water surface corresponding to the work area of the work boat in the time zone in which the measurement was performed. Here, h3 is obtained from the equation (1) by measuring the altitude of the main and sub GPS antennas 2 and 3. I 1 is determined from the value of the water level gauge in the measurement time period of the elevation. I 0 is a value determined by the arrangement of facilities equipped on the work boat. G is determined by the work area of the work boat during the altitude measurement time zone. According to this embodiment, an accurate tide level can be obtained by correcting a draft error due to rolling and pitching caused by a load fluctuation of the work boat to the tide level obtained by the GPS antenna. (X) As described above, the position of the virtual point a is fixed with respect to the hull, and I 0 is a fixed value according to the arrangement of facilities equipped on the actual ship, and its length is It is not impossible to calculate by actually measuring the intervals and lengths of the facilities equipped on the ship, but in reality, other facilities are arranged in the middle on the ship and are obstructive, etc. can not be brought close to measuring means in the facility, from various circumstances, if accurate measured values of I 0 is inaccessible utilizes the nearby Kenshiojo (tide plate), following means With I
0 and G can be measured. That is, a relational expression between the GPS value and the tide level h3 = W + G + I 1 + I
0 I 0 + G = h 3 −I 1 −W (h 3 −I 1 )
h3, I 1 is measured at the same time. Set time (1 minute to 10
Min) to determine the moving average. Calculate and display using the average value of the collected data even if the set time is not reached. At the time of measuring the "average (h3-I 1) high", tide level W
Is read from the tide plate 5 and input by a keyboard, (I 0 + G) is calculated and displayed. An unknown tide level W is obtained by using several average values of (I 0 + G). (I
In order to improve the accuracy of 0 + G), the above-mentioned measurement procedure is performed a plurality of times at time intervals, and the following numerical table is created.
An average value of (I 0 + G) is obtained. [Table 1] In the table, the time, average (h3
-I 1 ) The high and input tide W are both measured values. A plurality of measurement values (h3-
Average value of I 1 ) and the corresponding tide level W from tide plate 5
From the known measurement, (I 0 + G)
Of the tide plate 5
The fixed value “I 0 ” can be calculated by subtracting the known G at the coordinate position. I 0 is a constant value determined by the equipment, and a highly accurate numerical value can be detected by a plurality of measurements, and it is desirable to detect it. (Y) As described above, the fixed value "I
Since the length of " 0 " is a fixed value determined by the equipment, L
1, L2 and water gauge 4
Height of mast up to PS antenna 2, sub GPS antenna 3
If it is possible to measure the height of the mast up to this point, the value of I 0 can be calculated directly using the numerical value. In this case, the tide plate 5 (tidal station) is not necessarily required. That is, in FIG. 1, it is assumed that the position of the water gauge 4 mounted on the work boat is at one point on a straight line connecting the bases of the masts of the main and sub GPS antennas 2 and 3, and the base of the main GPS antenna 2 and the water gauge 4 Distance between L1 and secondary GPS
The distance between the base of the mast of the antenna 3 and the water gauge 4 is L
2, if the intersection of a straight line connecting the main and sub GPS antennas 2 and 3 and a perpendicular passing through the water gauge 4 is assumed to be a (virtual point) [this condition is the same as in the case of the above (x)]. I 0 = (mast height of main GPS antenna 2 × L2 + mast height of sub GPS antenna 3 × L1) / (L1 + L2) (3) where mast bases of main and sub GPS antennas 2 and 3 And the level gauge 4 are on the same horizontal plane. Equation (3) is also obtained when a plane including the length L1 and the main GPS antenna 2 and a plane including the length L2 and the sub GPS antenna 3 are mutually bent around a vertical line passing through the water gauge 4 as an axis. To establish.
The arrangement of the water gauge 4 on the work boat does not need to be on a straight line connecting the bases of the masts of the main GPS antenna 2 and the sub GPS antenna 3 as long as the above conditions are not deviated. If the work area of the work boat is determined by measuring the main GPS antenna 2 and the sub GPS antenna 3 a plurality of times with I 0 as a known number, the Japanese geodetic coordinate system (based on Bessel ellipsoid) is used. As a reference, if G in the work boat 1 floating on the sea surface is naturally determined, and if the elevations of the main GPS antenna 2 and the sub GPS antenna 3 can be measured in the meantime, h3 can be obtained based on the numerical values. is there. By measuring the distance I 1 to the sea surface, as measured by the water meter 4 in the corresponding time, the tide level W = (h3-I 1) at that time - (I 0 + G) can be measured. The above operation is almost the same as the process of detecting (I 0 + G) using the tide plate 5 described above, and the table shown at that time can be used. (I 0 + G) is already known, and this is an operation for obtaining W. By performing the above process a plurality of times at time intervals, a change in tide level can be recorded with respect to a time axis. Record the tide reading. Date Tidal level 1999.1.24. 13:21 -3.14 ... 13:22 -3.15 ... ... ... ... The effect of the present invention is as described above. Correcting the draft error due to rolling and pitching caused by the load fluctuation of the work boat to the obtained tide level enables accurate tide level to be obtained. The tide level at the construction site can be grasped in real time. The tide level can be measured even in distant seas away from the quay. There is no need for a permanent tide gauge. For example, different functions and effects that cannot be expected from the conventional means can be obtained.
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明ＧＰＳによる高精度潮位計測装置の模
式図を示す図である。
【符号の説明】
１ 作業船
２ 主ＧＰＳアンテナ
３ 副ＧＰＳアンテナ
４ 水面計
５ 潮位板BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a schematic diagram of a high-accuracy tide level measuring device using the GPS of the present invention. [Description of Signs] 1 work boat 2 main GPS antenna 3 sub GPS antenna 4 water gauge 5 tide plate
Claims (1)
たＧＰＳアンテナと、作業船に固定した水面計とよりな
り、前記水面計を通る垂線上に仮想した一点の標高を、
前記一対のＧＰＳアンテナの標高を同時に計測すること
により割り出す手段、前記仮想点の標高値から、各ＧＰ
Ｓアンテナの標高を検知した時点でのＧＰＳアンテナの
平面座標に対応する基準水面の値、水面計の測定値及び
前記仮想点と水面計固定位置との間の長さを差引くこと
により検出するようにした、ＧＰＳによる高精度潮位
計。(57) [Claims] [Claim 1] It consists of GPS antennas installed at two separate points on a work boat and a water gauge fixed to the work boat, and is imagined on a vertical line passing through the water gauge. Elevation of one point,
Means for determining by simultaneously measuring the altitude of the pair of GPS antennas;
Detection is performed by subtracting the value of the reference water surface corresponding to the plane coordinates of the GPS antenna at the time of detecting the altitude of the S antenna, the measured value of the water gauge, and the length between the virtual point and the fixed position of the water gauge. High accuracy tide gauge by GPS.
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