KR20160126999A - 단일 플랫폼 도플러 지오로케이션 - Google Patents
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Abstract
이미터의 지오로케이션을 얻을 수 있는 소형 UAV를 만들기 위해, 저가, 저전력, 경량 및 소전력 무선 수신기가 최소한도로 도플러 주파수를 수신하고 추적한다. 크기, 중량 및 전력(SWAP)을 최소화하기 위해, 단일 수신 엘리먼트 어레이가 사용된다. 단일 및 다수의 UAV 수신 플랫폼을 갖는 지오로케이션 성능 분석이 고려된다. 미지의 중심 주파수를 갖는 도플러 주파수를 측정하는 단일 UAV 플랫폼에 의해, 10 내지 100 미터 정도의 위치결정의 정확도가 2분 안에서, 또는 타겟 범위의 약 1 내지 5 퍼센트에서 가능하다.
Description
본 발명은 일반적으로 차량 장착 지오로케이션 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전자기파의 이미터의 위치를 알아낼 때 적은 전력을 소비하는 소형 및 경량의 시스템에 관한 것이다.
전장에서, 군대는 적군의 통제하에 통신하고 및/또는 장비를 제어하기 위해 신호를 방출하는 적의 방출기의 위치를 알아낼 수 있는 군대 통제되는 효과적인 전략 자산을 갖고 있지 않다. 도달 시간차(time difference of arrival, TDOA) 또는 도달 주파수차(frequency difference of arrival, FDOA) 기술을 사용한 지오로케이션은 보통 플랫폼 사이의 차이가 계산될 수 있도록 시간 또는 주파수를 동기화한 다수의 플랫폼을 필요로 한다. 보통, 이러한 동기화는 원자 시계 또는 동기화된 안정 로컬 오실레이터에 의해 이루어진다. 동기화는 또한 지속성 필요조건을 유지하고 비행 제어 안정도를 유지하면서 소형 무인 항공기에 의해 운반될 수 있는 것보다 많은 전력을 소비하고 보다 무거운 전자장치를 필요로 한다. 단일 플랫폼으로부터의 지오로케이션을 위한 다른 대안은 타겟 각도 로케이션을 결정하기 위해 신호의 도달의 각도를 결정하도록 다수의 엘리먼트 안테나를 필요로 한다. 이러한 솔루션은 단순한 방위각 정보를 제공하지만, 범위에 대한 임의의 정보를 제공하도록 제공하는데 실패할 수 있다. 보다 복잡한 어레이가 범위 및 방위각을 결정하는데 사용될 수도 있는 방위각 및 고도를 제공할 수도 있을 것이다. 그러나, 복잡한 어레이는 보정을 필요로 하고 전력을 소비한다. 또한, 복잡한 어레이의 중량은 보다 무겁고 잠재적으로 공기역학에 영향을 주어 소형 전략 UAV의 비행 제어 시스템 성능을 떨어뜨린다. 그래서, 이러한 솔루션은 단지 최종 사용자(전장의 군대)의 통제하에 있지 않은 보다 큰 플랫폼에 통합될 수 있고, 반송파 위상 레벨 아래에서 시간에 있어서 엄격히 동기화되지 않음에도 불구하고, 유용하다면, 다수의 항공 플랫폼을 사용하여 이용될 수 있을 뿐이다.
지오로케이션 시스템이 이동 비행체에 의해 관리되는, 이미팅 소스의 로케이션을 식별하기 위한 지오로케이션 시스템이 개시되어 있다. 이러한 지오로케이션 시스템은 이미팅 소스에 의해 방출되는 소스 신호를 수집하는데 사용된 전방향 안테나를 포함하고 있다. 신호 프로세서가 이러한 안테나와 전기 통신하고 이러한 안테나에 의해 수집된 소스 신호를 수신한다. 이러한 신호 프로세서는 이러한 소스 신호로부터 주파수 데이터를 추출한다. 주파수 추정기는 신호 프로세서에 전기적으로 접속되어 있다. 이러한 주파수 추정기는 소스 신호의 중심 주파수 또는 주파수 드리프트 레이트에 관계없이 소스 신호의 주파수를 추정한다. 이러한 주파수 추정기 출력에 기초하여 이미터 소스의 로케이션을 제어기가 계산한다.
도 1은 종래 기술의 지오로케이션의 사시 환경도이다.
도 2는 항공기에 의해 관리되는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 지오로케이션 시스템의 사시 환경도이다.
도 3은 본 시스템의 하나의 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 주파수 추정기의 블록도이다.
도 5는 본 방법의 블록도이다.
도 6은 본 방법의 하나의 실시예의 논리 순서도이다.
도 2는 항공기에 의해 관리되는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 지오로케이션 시스템의 사시 환경도이다.
도 3은 본 시스템의 하나의 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 주파수 추정기의 블록도이다.
도 5는 본 방법의 블록도이다.
도 6은 본 방법의 하나의 실시예의 논리 순서도이다.
항공기가 존재하는 대부분의 경우에 전략적인 정찰에 항공기가 사용되어 왔다. 기술이 변함에 따라, 정보가 수집되는 방법은 물론 수집된 정보의 타입도 변하였다. UVA의 출현과 함께, 덜 영구적인 속성을 갖는 타겟의 위치를 알아내는 것이 보다 수월해졌다. 이것은 UAV가 발견되지 않고 타겟에 보다 더 근접할 수 있기 때문이다.
도 1에, 본 발명의 이전에 UAV가 사용된 방법이 도시되어 있다. 이러한 상황에서, 타겟(10)은 위성 안테나처럼 도면에 도시되어 있고 휴대형 무선 송수신기와 같이 단순한 임의의 타입의 이미터를 대리하고 있다. 미지의 이미터가 영구 구조부에 부착될 수 있거나 이동하는 이미팅 디바이스일 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다. 타겟 안테나에 의해 전송된 신호는 도면에 화살표 12, 14로 표시되어 있다. 신호(12, 14)는 복수의 UVA(16)에 의해 관리되는 안테나(도시되지 않음)에 의해 수신된다. 또한, 지상 수신국(18) 역시 타겟(10)에 의해 방출된 신호(20)를 수신할 수 있다. 복수의 UAV(16)로부터의 정보는 지상 수신국(18)에 전송된다(번개 부호(22, 24)로 도면에 표시되어 있다). 복수의 UAV(16)에 의해 전송된 정보와 함께 그리고 지상 수신국(18)에 의해 수신된 신호(20)에 더해, 지상 수신국(18)은 타겟 안테나(10)의 위치를 계산할 수 있다. 이러한 시스템은 UAV(16)를 제어하고 동작하는데 필요한 인원을 갖는 것은 물론 모든 복수의 UAV(16)의 동기화를 필요로 한다는 점에서 번거롭다.
도 2에서, 본 발명의 어셈블리의 하나의 실시예가 일반적으로 26에 표시되어 있다. 도 1에 도시된 종래 기술의 복수의 UAV(16)와 같이, UAV(28)는 타겟 안테나(10)로부터 전자기파의 신호(30)를 수신한다. UAV(28)가 신호(30)를 수신한 후에, 타겟 안테나(10)의 위치를 계산하는 지상 수신국(34)에 (도면에 번개 부호(32)로 표시된) 신호를 전송한다. UAV(28)는 타겟 안테나(10)로부터 신호(30)를 수신하도록 설계된 단순한 전방향 소자 어레이로 구성된 단일 단극 안테나(36)를 포함하고 있다. 전방향 소자 어레이는 하나의 평면에서 모든 방향으로 신호를 균일하게 수신하는 안테나이다. 이러한 전방향 소자 어레이는 단극 또는 쌍극 안테나일 수 있다. 단순한 전방향 소자 어레이를 사용함으로써 지오로케이션 시스템(26)의 크기, 무게 및 전력(SWAP)을 감소시킬 수 있다. 단일, 단극 안테나(36)의 설계는 이후에 전방향 안테나(36)로 부를 것이다. UAV(28)의 동작은 이어서 보다 상세하게 설명할 것이다. UAV(28)로서 개시된 비행기는 본 발명이 임의의 이동 플랫폼과 함께 사용될 수 있으므로 임의의 타입의 비행기 또는 차량일 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다.
도 3에는 본 발명의 어셈블리(26)의 블록도가 대략적으로 도시되어 있다. 지오로케이션 시스템은 도 2에서 UAV(28)에 의해 관리되는 항공 센서(38) 및, 도 2에서 지상 수신국(34)으로 도면에 표시된 컴퓨터 지상 처리국(40)을 포함하고 있다. 항공 센서(38)는 디지털 수신기(42)를 사용하여 신호(30)를 수신한다. 이러한 신호는 아날로그 또는 디지털일 수 있고, 지속적이거나 간헐적일 수 있다. 통신속도는 낮을 수 있고 지오로케이션 시스템(26)은 낮은 통신속도를 처리할 것이다. 전방향 안테나(36)로부터 디지털 수신기(28)에 의해 수신된 신호는 잡음 밀도 추정기(44) 및 주파수 추정기(46) 모두에 전송된다. 잡음 밀도 추정기(44)는 신호-잡음 비(SNR)를 측정하고, 측정된 SNR을 주파수 추정기(46) 및 지상 처리국(40) 모두에 전송한다. 항공 센서(38)는 또한 네비게이션 시스템(48)을 포함하고 있다. 이러한 네비게이션 시스템(48)의 출력은 수신된 출력을 처리할 적어도 하나의 컴퓨터를 관리하는 지상 처리국(40)으로 전송된다.
도 4에 컴퓨터 주파수 추정기(46)가 보다 상세하게 도시되어 있다. 상술된 바와 같이, 주파수 추정기(46)는 디지털 수신기(42) 및 잡음 밀도 추정기(44)로부터 입력을 수신한다. 품질 추정기(50)가 잡음 밀도 추정기(44)의 출력을 수신한다. 품질 추정기(50)의 출력은 신호 데이터 버퍼(52)에 의해 수신된다. 신호 데이터 버퍼(52)는 또한 디지털 수신기(42)의 출력을 수신한다. 변조 검출기(54)는 디지털 수신기(42)에 의해 수신된 신호가 변조되는 방법을 검출한다. 이것은 지오로케이션 시스템(26)이 미지의 주파수의 신호를 검출할 필요가 있을 것이기 때문에 필요하다. 변조 검출기(54)의 출력에 기초하여, 추정기 실렉터(56)는 도면에 스위치(58)에 의해 표시된 바와 같이 복수의 추정기(60) 사이에 선택하여, 디지털 수신기(42)에 의해 수신된 신호(30)를 위한 적절한 추정기를 선택한다. 3개의 추정기(60)가 도 4에 도시되어 있지만, 디지털 수신기(42)에 의해 수신된 신호(30)의 주파수를 추정하는데 임의의 수의 추정기가 사용될 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다. 주파수 추정기(46)의 출력은 도 4에서 지오로케이션 처리로 표시된 컴퓨터 지상 처리국(40)으로 전송된다.
다시 도 3에서, 지상 처리국(40)은 항공 센서(38)의 출력 모두를 수신하는 이미터 로케이션 프로세서(62)(이러한 프로세서는 표시된 바와 같이 공중 플랫폼 또는 지상 처리국의 일부일 수 있다)를 포함하고 있다. 이미터 로케이션 프로세서(62)는 복수의 항공 센서(38, 하나가 도시되어 있다)로부터 출력을 수신할 수 있고 다수의 플랫폼 동기화를 필요로 하지 않는다(0.1 초 정도의 타이밍만 필요하다).
로케이션 프로세서(62)는 잡음 밀도 추정기(44), 네비게이션 시스템(48), 및 주파수 추정기(46)로부터 출력을 수신한다. 디지털 지상고도 데이터(64)를 통합하는 데이터베이스와 함께, 지상 처리국(40)이 타겟(10)의 로케이션을 식별할 수 있다. 디지털 지상고도 데이터(64)는 필수는 아니지만, 지오로케이션 고도 추정이 향상될 수 있다.
도 5에서, 지오로케이션 시스템(26)에 의해 사용된 방법을 위한 데이터 흐름이 66에 대략 도시되어 있다. 신호 처리가 68에서 발생하여 특정 신호(30)에 대한 도달 주파수를 추출한다. 이러한 신호 처리는 네비게이션 시스템(48)으로부터 수신된 정보를 포함한다. 도달 주파수 정보 및 네비게이션 시스템(48)로부터의 플랫폼 위치 및 속도 정보는 타겟 이미터(10)의 로케이션을 식별하는 지오로케이션 알고리즘(70)으로의 입력으로서 통합된다.
도 6에 본 방법의 하나의 실시예가 순서도로 도면에 도시되어 있다. 이러한 방법은 102에서 시작한다. 방법(100)의 제1 단계는 전방향 안테나(36)를 104에서 패턴을 통해 이동시키는 것이다. 이러한 패턴은 도 2의 도면에 원(106)으로서 도시되어 있다. 수집되는 신호의 상태 또는 타입에 따라, 패턴(106)은 원 패턴 이외의 다른 것일 수 있다. 패턴의 형상에 관계없이, 패턴(106)은 반복될 수 있거나 패턴의 일부만이 사용될 수 있다. 성능은 데이터 수집의 시간 간격에 대한 특정 플랫폿-이미터 기하학적 구조에 의존한다.
다방향 안테나(36)가 패턴을 통해 이동됨에 따라, 소스 신호는 108에서 이미팅 소스 또는 타겟(10)으로부터 수신된다. 이러한 시스템은 또한 110에서 네비게이션 시스템으로부터 로케이션 데이터를 수신한다. 112에서 잡음 밀도는 이미팅 소스(10)로부터 수신됨에 따라 소스 신호로부터 계산된다.
이러한 소스 신호의 주파수는 114에서 추정된다. 다방향 안테나(36)가 이미팅 소스 또는 타겟 안테나(10)의 지오로케이션을 식별하는데 사용되기 때문에, 114에서의 신호의 주파수의 추정은 다방향 안테나(36)의 로케이션 및 이동에 기초하여 도플러 주파수 시프트에 의해 영향을 받는 신호 소스의 주파수의 식별이 필요하다. 이를 위해, 도플러 시프트 자체가 시변이기 때문에 시간 지체가 계산되어야 한다. 진폭 변화를 무시하면, 전송된 신호와 수신된 신호 사이의 관계는 다음과 같다.
여기에서, 문자 c는 파장 전파의 속도이고, τ(t)는 이동 시간 값이고 및 는 전송기 및 수신기 각각의 위치 벡터이다. 시간 지체에 더해, 동일한 기간 동안의 평균 도플러 주파수 시프트가 계산되어야 한다. 이것은 다음의 등식을 사용하여 이루어진다.
고정 이미터(10)의 경우를 생각할 때, 평균 도플러 시프트는 평균값에 대한 시간 간격의 시작과 끝에서 수신기의 위치에 대한 스케일 범위 차이 측정값(scaled range difference measurements)(또는 TDOA)에 상응한다. 등가 시간차는 다음과 같다.
이러한 관찰은 여기에 실행되는 도플러 이미터 위치 알아내기가 합성 개구에 대한 범위 차이(range difference) 처리에 기초하기 때문에 중요하다. 여기에서 하나의 실시예에서 사용된 방법은 단일 플랫폼에 대해서도 완전히 선형인 TDOA 또는 범위 차이 솔루션이다. 이러한 선형 공식은 추가 비선형 등식을 포함함으로써 반복적 보정을 위한 시작점으로서 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 평균 도플러 시프트를 사용하여, 이미터 로케이션이 선형 등식의 규격 TDOA 중복결정된 세트를 사용하여 계산될 수 있다. 이러한 단순한 공식에서, 범위 차이의 사용은 f0 또는 λ가 공지되어 있다고 가정한다. 이것은 필수는 아니고 본 방법은 미지의 중심 주파수 및 미지의 주파수 드리프트 모두를 추정하기 위해 또는 대안으로 등식 세트를 재공식화하여 이들을 성가신 파라미터(nuisance parameter)로서 제거하기 위해 수정된다.
중심 주파수도 주파수 드리프트 레이트도 알려져 있지 않을 때, 정확한 솔루션 근방의 소수의 반복으로 에러가 감소된다. 이러한 솔루션을 보정하기 위해, 비선형 등식의 야코비안이 계산되어야 한다. 미지의 주파수 및 드리프트 레이트를 갖는 주파수 모델은 다음과 같다.
야코비안 계산의 세부사항을 발견할 수 있다. 순시 t i 에서 샘플림하면, 주파수 측정에 대한 벡터 등식은 다음과 같다.
근사 선형 등식은 다음과 같이 쓸 수 있다
n의 코우베어리언스는 R로 표시되고 n은 독립적인 동일하게 분산된 컴포넌트를 가져서,
여기에서, A#는 A의 의사역행렬이다. 초기값 는 보정하거나 향상시킬 시작점으로써 선형 지오로케이션 알고리즘에 의해 제공된다. 등식 13은 에 대한 가우스-뉴턴 솔루션이다. 등식 13을 수정함으로써, 정교한 수렴을 얻는다. 보다 구체적으로, 등식 13에서의 (로부터 까지) 스텝 크기는 특정 적용 및 관점에 기초하여 검사를 위한 제한 또는 최대 스텝 크기를 분명하게 놓도록 수정된다. 이러한 수정은 지오로케이션 시스템(26)에 구축되어 자동 수렴 행렬을 허용한다. 그래서, 다수의 조정된 소스, 안테나 어레이, 엄격한 수신기 동기화, 또는 펄스 신호의 필요 없이 수렴이 얻어진다.
추정된 신호의 주파수에 의해 추정된 주파수에 기초하여 그리고 시간에 따라 측정됨에 따라 116에서 미지의 소스의 로케이션이 계산된다.
이러한 설명은 본 발명을 제한하기 보다는 청구범위에 언급된 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 설명은 배타적인 설명이고 이에 제한되지 않는다. 상술된 것으로부터 본 발명을 수정하는 것이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 청구범위의 범위에서, 상술된 것 이외의 방식으로 본 발명을 실시할 수 있다.
Claims (20)
- 이미팅 소스의 로케이션을 식별하고 이동 비행기에 의해 관리되는 지오로케이션 시스템에 있어서,
상기 이미팅 소스에 의해 방출된 소스 신호를 수집하도록 사용되는 전방향 안테나;
상기 안테나에 의해 수집된 소스 신호를 수신하고 상기 소스 신호로부터 주파수 데이터를 추출하도록 상기 안테나와 전기 통신하는 신호 프로세서;
상기 신호 프로세서에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 소스 신호의 중심 주파수 및 주파수 드리프트 레이트에 관계없이 상기 소스 신호의 주파수를 추정하는 주파수 추정기; 및
상기 이미팅 소스의 로케이션을 계산하기 위한 이미터 로케이션 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 전방향 안테나가 소스 신호를 수집하는 동안 상기 이동 비행기에 대한 플랫폼 로케이션을 식별하기 위한 네비게이션 서브시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 신호 프로세서는 상기 소스 신호에서 잡음을 추정하기 위한 품질 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 신호 프로세서는 변조 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 신호 프로세서는 상기 소스 신호의 주파수를 추정하기 위해 복수의 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 신호 프로세서는 상기 복수의 추정기에 의해 생성된 추정값에 기초하여 상기 복수의 추정기중 하나를 선택하기 위해 추정기 실렉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 안테나가 상기 소스 신호를 수집하는 동안 플랫폼 위치 및 속도를 공급하는 플랫폼 네비게이션 서브시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 신호 프로세서에 전기적으로 접속된 상기 주파수 추정기는 상기 소스 신호의 중심 주파수를 알 수 없고 상기 소스 신호의 주파수 드리프트 레이트를 알 수 없을 때 상기 신호 소스의 중심 주파수 및 주파수 드리트프 레이트에 관계없이 상기 소스 신호의 주파수를 추정하는 것을 특징으로 하는 지오로케이션 시스템.
- 이미팅 소스가 소스 신호를 방출하는 동안 상기 이미팅 소스의 위치를 알아내기 위한 방법에 있어서,
이동 비행기를 사용하여 패턴을 통해 전방향 안테나를 이동시키는 단계;
상기 전방향 안테나를 사용하여 상기 이미팅 소스로부터 상기 소스 신호를 수신하는 단계;
상기 소스 신호를 상기 전방향 안테나로부터 컴퓨터 주파수 추정기로 전송하는 단계;
스텝 사이즈 수렴을 위해 가우스-뉴턴 계산을 채용하는 컴퓨터 주파수 추정기를 사용하여 상기 안테나가 이동하는 기간 동안 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계; 및
컴퓨터 지오로케이션 프로세서를 사용하여 시간에 따라 측정된 주파수에 기초하여 상기 이미팅 소스의 로케이션을 알아내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법. - 제9항에 있어서, 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계는 상기 이미팅 소스에 의해 방출된 소스 신호에 대한 중심 주파수에 관계없이 실행되는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계는 상기 이미팅 소스에 의해 방출되는 소스 신호에 대한 주파수 드리프트에 관계없이 실행되는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 소스 신호 신호의 주파수를 계산하는 단계는 상기 소스 신호에 대한 중심 주파수를 알 수 없을 때 실행되는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계는 상기 소스 신호에 대한 주파수 드리프트를 알 수 없을 때 실행되는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 주파수를 측정하는 단계는 상기 소스 신호의 도플러 주파수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 전방향 안테나가 상기 소스 신호를 수신하는 동안 상기 전방향 안테나의 위치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 전방향 안테나를 이동시키는 단계는 반복될 수 있지만 반드시 반복될 필요는 없는 패턴 또는 플랫폼 궤적을 통해 상기 전방향 안테나를 이동시키는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제16항에 있어서, 반복 패턴은 원인 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 전방향 안테나는 단순 옴니 단일 엘리먼트 어레이(simple omni single element array)인 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계는 비선형 등식을 사용하여 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 소스 신호의 주파수를 계산하는 단계는 선형 등식을 사용하여 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미팅 소스의 위치를 알아내는 방법.
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