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GPS复习资料
1.常见的卫星定位系统有哪些?
p2
2.GPS的特点p3
3.GPS的基本组成、各部分的作用、应用、特点p6
4.坐标系的定义和转换步骤:
天球、天球坐标系、协议天球坐标系、瞬时天球坐标系、平天球坐标系等
5.岁差、章动、极移p13-32
6.时间系统(各种时间系统的定义以及在GPS测量中的应用)p33
7.卫星运动及GPS卫星信号(中心引力、非中心引力、二体问题及其意义)p39
8.开普勒三定律p40
9.无摄运动、轨道参数
10.受摄运动、哪些非中心引力p50
11.卫星星历的分类(预报星历、后处理星历)p60
12.GPS导航电文(内容、组成、格式图3-17)p63
13.GPS卫星信号构成p70
14.载波相位测量涉及的概念:
整周未知数、周跳(整周跳变)p76
15.SA技术、对定位的影响p77
16.绝对定位原理
17.相对定位原理p91
18.差分GPS:
方法、原理、优缺点p100(伪距差分、位置差分、载波相位差分)
19.广域差分
20.GPS误差
21.GPS测量精度标准、分级、用户p133
22.GPS控制点选择、选点原则p150
23.CORS系统原理p233
1、常见的卫星定位系统有哪些?
(1)俄罗斯GLONASS
1982年开始研制,计划发射24颗卫星,均匀分布在3个轨面道上。
轨道平面倾角64.5°,卫星飞行高度19100km,卫星运行周期11小时58分钟,信号频率1600MHZ/1200MHZ。
由于该系统卫星寿命短,信号故障多,且替补卫星不能及时升空,虽然至今原苏联及俄罗斯共发射了70多颗卫星,但在轨卫星数目较少,目前既没有大批量生产接收机,又没有形成市场和建立服务体系。
(2)欧洲Galileo系统
Galileo系统是一种开放式的以民用为主的卫星系统。
Galileo系统在技术构态上将以分布于3个轨道平面上的30颗MEO卫星为核心星座,其空间卫星信号等效于GPSBlock-ⅡF卫星上的信号,具有在L频段上和GPS兼容的多频体制,在无增强情况下可以获得10m的定位精度。
Galileo系统服务的精度指标及其服务邻域:
免费公开服务精度15~20m(单频)、5~10m(双频);商业服务精度5~10m(双频)、局部可达1~10m;公共事业服务精度4~6m(双频)、局部可达1m。
Galileo系统建设时间表。
第一阶段(1999~2001):
定义Galileo系统框架,制定发展计划;第二阶段(2001~2005):
发展阶段;第三阶段(2006~2007):
实施阶段,进行卫星的研制、发射及地面设施建设;第四阶段(2008~2020):
运行应用阶段。
(3)我国的北斗卫星系统
2000年10月31日0时02分,我国自行研制的第一颗导航定位卫星——“北斗导航试验卫星”在西昌卫星发射中心发射;200年12月21日0时20分,第二颗“北斗导航试验卫星”在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”火箭发射升空,并准确入轨。
2007年4月14日,我国成功发射了第一颗北斗导航卫星(COMPASS-G1);2009年4月15日,在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第二颗北斗导航卫星送入预定轨道。
这标志着我国已经拥有自主研制的卫星导航定位系统,在已知一维的大地高的情况下接收两颗卫星的信号,即可得到两维坐标。
北斗导航定位系统由空间部分的两颗同步卫星、地面控制中心站及北斗用户中心三大部分组成;其主要功能包括:
快速定位(精度可达20m)、简短通信(可达120个汉字)和精密授时。
另外,我国自主研制的北斗二号系列卫星目前已进入组网期,预计到2015年形成覆盖全球的卫星导航定位系统,该系统由30多颗卫星构成,可实现不需要通过地面中心站联系和传输信号的无源定位。
2、GPS的特点
为了使GPS具有高精度的连续实时三维导航性能及良好的抗干扰性能,在卫星设计采取了若干重大改进措施。
GPS与NNSS的主要特征比较见表1-1。
表1-1GPS与NNSS的主要特征
系统特征
NNSS
GPS
载波频率/GHz
0.15,0.40
1.23,1.58
卫星平均高度/km
约1000
约20200
卫星数目/颗
5~6
24(3颗备用)
卫星运行周期/min
107
718
卫星钟稳定度
10-11
10-12
GPS相对于其他导航定位系统的特点
从1978年发射第一颗GPS试验卫星至今,人们利用该系统进行了大量的定位及导航研究,其主要特点如下:
1.功能多、用途广
GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时及授时,测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微妙。
其应用领域还将继续扩大。
2.定位精度高
GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置,三维速度及时间信息,其精度如表1-2所示。
随着GPS定位技术及数据处理技术的不断完善,其精度还将进一步提高。
表1-2GPS实时定位、测速与测时精度
采用的测距码
P码
C/A码
单点定位/m
5~10
20~40
差分定位/m
1
3~5
测速/(m/s)
0.1
0.3
测时/ns
100
500
3.实时定位
利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,这样,不但可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳航线。
特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。
GPS定位技术相对于常规测量技术的特点
1.观测站之间无需通视
2.定位精度高
3.观测时间短
4.提高三维坐标
5.操作简便
6.全天候作业
3、GPS的基本组成、各部分的作用、应用、特点
GPS系统主要由三大部分组成,即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
空间星座部分:
24颗卫星提供星历和时间信息
发射伪距和载波信号
提供其他辅助信息
地面监控部分:
中心控制系统
实现时间同步
跟踪卫星进行定规
用户部分:
接收并观测卫星信号
记录和处理数据
提供导航定位信息
空间星座部分
GPS卫星空间星座得分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星可供同时观测,而且卫星信号得传播和接收不受天气影响,因此,GPS是一种全球性、全天候得连续实时定位系统。
在每颗卫星上装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟),它是卫星得核心设备,用来发射标准频率信号,并为GPS定位提供高精度的时间标准。
GPS卫星的基本功能是:
(1)接收和储存有地面监控站发出的导航信息,接收并执行监控站发出的控制指令;
(2)在卫星上设有微处理机,可进行部分必要的数据处理工作;
(3)通过星载铯钟和铷钟提供精密的时间标准;并向用户发送定位信息。
地面监控部分
GPS卫星地面监控部分,由分布在全球的5个地面站组成,包括卫星监测站、主控站和信息注入站三大部分。
1、监测站部分
现有5个地面站均具有监测站的功能。
监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。
站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机及环境数据传感器等。
对GPS卫星进行连续观测,采集相关数据和监测卫星工作状况。
原子钟用来提供时间标准,环境传感器用来采集有关气象数据。
全部观测资料由计算机处理后,储存和传送到主控站,用以确定卫星的轨道。
2、主控站部分
主控站一个,设在美国本土科罗拉多·斯平士的联合空间执行中心CSOC。
主控站除协调和管理地面监控系统之外,其主要任务是:
(1)根据监测站的所有观测资料,计算并编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并将其传送到注入站;
(2)可提供全球定位系统的时间基准。
各测站和GPS卫星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,若不同步,则应测出其间的钟差,并把这些钟差信息编入导航电文,送到注入站;
(3)调整偏离轨道的卫星,当某颗GPS卫星偏离自己的轨道太远时,能够对它进行轨道修正,使之沿预定轨道运行;
(4)必要时可启用备用卫星,代替失效的工作卫星。
3、注入站
注入站有3个。
注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线,一台C波段发射机和一台计算机。
其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令信息等,注入相应卫星的存储系统,并能监测注入信息的准确性。
在GPS的地面监控部分中,除主控站外均无人值守。
各站间用通讯网络联系,在原子钟和计算机的驱动和精确控制下,实现了各项工作的自动化和标准化。
用户设备部分
GPS的空间部分和地面监控部分,是用户应用该系统进行定位的基础,用户只有利用用户设备,才能实现应用GPS定位的目的。
根据GPS用户的不同要求,所需的接收设备各异,但其主要任务是接收卫星发射的信息。
用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件,以及微处理机和终端设备组成;而GPS接收机的硬件,一般包括主机、天线和电源,主要功能是接收GPS卫星发射的信号,以获得必要的导航和定位信息及观测量,并经简单数据处理而实现实时导航和定位;GPS软件部分是指各种后处理软件包,其主要作用是对观测数据进行精加工,以便获得精密定位结果。
根据GPS用户得要求不同,GPS接收机也有许多不同得类型,一般可分为导航型、测量型和授时型。
4、坐标系的定义和转换步骤:
天球、天球坐标系、协议天球坐标系、瞬时天球坐标系、平天球坐标系等
GPS卫星定位技术是通过安置于地球表面的GPS接收机,同时观测四颗以上GPS卫星信号来测定地面点位置。
由于观测站固定在地球表面,其空间位置随地球自转而变动,而GPS卫星围绕地球质心旋转与地球自转无关。
因此,在卫星定位中,需建立描述卫星运动的惯性坐标系,并找出卫星运动的坐标系与地面点所在坐标系之间的关系,从而实现坐标系之间的转换。
在GPS定位测量中,采用两类坐标系,即天球坐标系与地球坐标系。
天球坐标系是一种惯性坐标系,其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变,用于描述卫星运行位置和状态。
地球坐标系则是与地球相关联的坐标系,用于描述地面点的位置。
协议天球坐标系
天球:
以地球质心M为中心,半径r为任意长的一个假想球体。
天轴与天极:
地球自转轴的延伸直线称之为天轴;天轴与天球的交点Pn和Ps称为天极,其中Pn称为北天极,Ps称为南天极。
天球赤道面与天球赤道:
通过地球质心M并与天轴垂直的平面称之为天球赤道面。
此时天球赤道面与地球赤道面重合。
该赤道面与天球相交的大圆,称为天球赤道,显然天球赤道是一个半径任意大的圆圈。
天球子午面与子午圈:
包含天轴并通过地球上任意一点的平面,称为天球子午面。
天球子午面与天球相交的大圆,称为天球子午圈。
时圈:
通过天轴的平面与天球相交的半个大圆称为时圈。
黄道与黄极:
地球公转的轨道面与天球相交的大圆。
即当地球绕太阳公转时,地球上观测者所见到太阳在天球上运动的轨迹称为黄道。
黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角,约为23.5°。
通过天球中心且垂直于黄道面的直线与天球的交点称为黄极。
其中靠近北天极的交点Πn称为黄北极,靠近南天极的交点Πs称为黄南极。
春分点:
当太阳在黄道面上从天球南半球向北半球运行时,黄道与天球赤道的交点γ称为春分点。
大地经纬度:
大地经度是指通过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角,大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角
天文经纬度:
天文经度是指本初子午面与过观测点的子午面所夹的二面角,天文纬度是指过某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。
赤经:
从春分点沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度
赤纬:
从天赤道沿着天体的时圈至天体的角度
天球坐标系
任意天体s的位置,在天球坐标系中,则可分别用天球空间直角坐标系和天球球面坐标系两种形式来描述。
在天球空间直角坐标系中,天体s的坐标可表示为(x,y,z)。
该系统的定义是:
原点位于地球质心M;z轴指向天球的北极Pn;x轴指向春分点γ;y轴垂直于xMz平面,与x轴和z轴构成右手坐标系统。
在天球球面坐标系中,天体s的坐标可表示为(α,δ,γ)。
该系统的定义是:
天球中心与地球质心M重合;赤经α为过春分点的天球子午面与过天体s的天球子午面之间的夹角;赤纬δ为原点M至天体s的连线与天球赤道面之间的夹角;向径r为原点M至天体s的距离。
由于在上述天球坐标系统在,表达同一天体的位置是等价的,故有如下列转换关系:
以上关于天球坐标系的两种表达形式,都和地球的自转无关,所以对于描述天体或人造地球卫星的运动、位置和状态尤为方便。
IAG/IAU:
2000年1月15日为标准历元
要将协议天球坐标系的卫星坐标,转换到观测历元t的瞬时天球坐标,通常可分为两步,首先将协议天球坐标系中的坐标,换算到瞬时平天球坐标形体;然后再将瞬时平天球坐标系的坐标转换到瞬时天球坐标系统。
(转换:
岁差旋转变换、章动旋转变换)
协议地球坐标系
地球坐标系
由于天球坐标系与地球自转无关,这样,地球上任一固定点在天球坐标系中的坐标将随地球的自转而变化,这在实际应用中极不方便。
为了描述地面固定点的位置,有必要建立一个与地球体相固联的坐标系,即地球坐标系。
该系统也有两种表达形式,即空间直角坐标系和大地坐标系。
因此任一地面点P在地球坐标系中的坐标,可表示为(X,Y,Z)或(B,L,H)。
其换算关系为
X=(N+H)cosBcosL
Y=(N+H)cosBsinL
Z=[N(1-e2)+H]sinB
式中,N为椭球的卯酉圈曲率半径,e为椭球的第一偏心率。
若a、b分别表示所选椭球的长半径和短半径,其关系式为
N=a/W
W=(1-e2sin2B)1/2
e2=(a2-b2)/a2
由空间直角坐标系转换为大地坐标系时,其关系式为
5、岁差、章动、极移
地球的形体接近于一个赤道隆起的椭球体,在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下,地球的自转轴方向不再保持不变,使春分点在黄道面上产生缓慢的西移现象,在天文学中称为岁差。
(岁差─由太阳和月球引起的地球自转轴的长周期变化(春分:
50.71秒),周期为25800年)
在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转,形成椭圆轨迹,其半径约为9.2’’,周期约为18.6年。
这种现象称为章动。
(章动─由太阳和月球引起的地球自转轴的短周期变化(9.2秒),周期为18.6年)
由于地球内部和外部的动力学因素,地球极点在地球表面的位置随时间而变化,这种现象叫做极移。
地球自转轴与地球表面的交点称之为地极;
极移构成:
自由欧拉运动;受迫季节性运动
相关因素:
瞬时极:
随时间而变化的地极为瞬时极
n平极:
某一时期各个瞬时极的平均位置,称为平地极,简称平极
6、时间系统(各种时间系统的定义以及在GPS测量中的应用)
在GPS定位中时间系统的意义
在空间科学技术中,时间系统是精确描述天体和人造天体运行位置极其相互关系的重要基准,也是人类利用卫星进行定位的重要基准。
在GPS卫星定位中,时间系统的重要意义主要表现为:
(1)GPS卫星作为一个高空观测目标,其位置是不断变化的。
在给出卫星运行位置的同时,必须给出相应的时刻。
若要求GPS卫星的位置误差小于1cm时,则相应的时刻误差应小于2.6*10-6s。
(2)GPS定位是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号来确定用户接收机(即观测站)至卫星间的距离,进而确定观测站的位置的。
因此,要精确测定观测站至卫星的距离,就必须精确地测定信号地传播时间。
若要求距离误差小于1cm。
则信号传播时间地测定误差,应不超过3*10-11s。
(3)由于地球的自转,在天球坐标系中,地球上点的位置是不断变化的。
若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm,则时间的测定误差应小于2*10-5s。
时间的概念
时间包含有“时刻”和“时间间隔”两个概念。
所谓时刻,即发生某一现象的瞬间,在天文学和卫星定位中也称为历元。
时间间隔,系指发生某一现象所经历的过程,是这一过程始末的时刻之差。
对于时间间隔测量,称为相对时间测量,而时刻测量相应地称为绝对时间测量。
时间测量,必须建立一个测量基准,即时间地单位(尺度)和原点(起始历元)。
其中时间的尺度是关键,而原点可以根据实际应用选定,一般来说,任意一个周期运动现象,只要符合以下要求,即可以用来确定时间的基准:
(1)运动应是连续的,具有周期性的;
(2)运动的周期应具有充分的稳定性;
(3)运动的周期必须具有复现性,即任何地方和时间,都可以通过观测和实验,复现这种周期运动。
在GPS导航定位中,通常采用的时间系统主要有三种,即恒星时、力学时和原子时。
世界时系统
世界时系统是以地球自转为基准的一种时间系统。
然而,由于观察地球自转运动时,所选的空间参考点不同,世界时系统又分为恒星时、平太阳时和世界时。
由于地球每天自西向东自转一周,造成了太阳每天早上从东方升起,晚上又从西方落下的自然现象。
因为这种现象是地球自转造成的人的视觉效果,所以天文学上把太阳的这种运动叫做周日视运动。
恒星时(ST):
若以春分点为参考点,由春分点的周日视运动所确定的时间。
假设一参考点视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度,且其在天球赤道上做周年视运动,该参考点称为平太阳。
平太阳时(MT):
以平太阳为参考点,由平太阳的周日视运动所确定的时间。
世界时(UT):
以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。
UT=GAMT+12(h)
世界时系统在GPS测量中主要用于天球坐标系与地球坐标系之间的转换。
原子时(AT)
以物质内部原子运动的特征为基础
原子时秒的定义:
位于海平面上的Cs133原子基态有两个超精细能级,在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒。
该原子时秒作为国际制秒(SI)的时间单位
原子时的原点:
AT=UT2-0.0039(s)
国际原子时(IAT):
国际上大约有100座原子钟,通过相互对比,并经数据处理,推算出的统一的原子时系统
原子时用于精密测定卫星信号的传播时间
力学时
在天文学中,天体的星历是根据天体动力学建立的运动历程而计算的,而运动方程中所采用的独立变量是时间参数T,这个数学变量T被定义为力学时(DT)。
根据所述运动方程和对应参考点的不同,力学时分为两种:
(1)太阳系质心力学时(BDT),它是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。
(2)地球质心力学时(TDT),它是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。
在GPS定位中,地球质心力学时作为一种严格均匀的时间尺度和独立变量,被用于描述卫星的运动。
地球质心力学时(TDT)的基本单位是国际制秒(SI),它与原子时一致。
国际天文学联合会(IAU)决定,于1977年1月1日原子时(IAT)0时与地球质心力学时的严格关系:
TDT=IAT+32.184(s)。
协调世界时
从1972年开始的一种以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷的时间系统,这种时间系统称为协调世界时(UTC),或简称协调时。
协调世界时的秒长,严格等于原子时的秒长,采用闰秒(或跳秒)的办法,使协调时与世界时的时刻相接近,当协调时与世界时的时刻差超过±0.9(s)时,便在协调时中引入一个闰秒(正或负),闰秒一般在12月31日或6月30日末加入。
协调时与国际原子时之间的关系可定义为:
IAT=UTC十1’×n,式中,n为调整参数,其值由IERS发布。
UTC用于时号的播发
GPS时间系统
为了精密导航和测量定位的需要,全球定位系统(GPS)也建立了专用的时间系统。
该时间系统可简写为GPST,由GPS主控站的原子钟控制。
虽然GPST属于原子时,其秒长与原子时相同,但与国际原子时具有不同的原点,所以,GPST与IAT在一瞬间具有一常量偏差,其关系为IAT-GPST=19(s)。
GPST与协调时的时刻,规定于1980年1月6日0时相一致。
其后,两者之间的差别将表现为秒的整倍数。
GPST与协调时之间的关系可进一步表示为GPST=UTC十1’×n-19’。
7、卫星运动及GPS卫星信号(中心引力、非中心引力、二体问题及其意义)
为了研究卫星运动的基本规律,可jaing卫星受到的作用力分为两类:
一类时地球质心引力,即将地球看作密度均匀并由无限多的同心球层所构成的圆球,它对球外一点的引力等效于质量集中与球心的质点所产生的引力,即中心引力。
它决定着卫星运动的基本规律和特征,由此所决定的卫星轨道,称为理想的轨道,它是研究卫星实际轨道的基础。
另一类是摄动力,也称非中心引力,它包括地球非球形对称的作用力、日月引力、大气阻力、光辐射压力及地球潮汐作用力等。
二体问题:
忽略所有的摄动力,仅考虑地球质心引力来研究卫星的运动。
二体问题下的卫星运动虽然是一种近似描述,但它能得到卫星运动方程的严密解。
二体意义下卫星的运动方程
8、开普勒定律
开普勒第一定律
卫星运动的轨道是一个椭圆,而该椭圆的一个焦点与地球的质心相重合。
卫星绕地球质心运动的轨道方程
式中,r为卫星的地心距离;as为开普勒椭圆的长半径;es为开普勒椭圆的偏心率;fs为真近点角,它描述了任意时刻卫星在轨道上相对于近地点的位置,是时间的函数。
开普勒第二定律
卫星在过地球质心的平面内运动,其向径在相同的时间内所扫过的面积相等。
开普勒第三定律
卫星运行周期的平方,与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量,而该常量等于地球引力常数GM的倒数。
9、无摄运动、轨道参数
as和es确定了开普勒椭圆的形状和大小,称为轨道椭圆形状参数。
Ω为升交点的赤经,即在地球赤道平面上,升交点与春分点之间的地心夹角(升交点,即当卫星由南向北运行时轨道与地球赤道面的一个交点)。
I为轨道面的倾角,即卫星轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
以上两个参数,唯一确定了卫星轨道平面与地球体之间的相对定向,称为轨道平面定向参数。
ωs为近地点角距,即在轨道平面上,升交点与近地点之间的地心夹角,这一参数表达了开普勒椭圆在轨道面上的定向,称为轨道椭圆定向参数。
fs为卫星的真近点角,即在轨道平面上,卫星与近地点之间的地心角距。
该参数为时间的函数,它确定了卫星在轨道上的瞬时位置。
摄动力的作用使卫星的运行偏离理想轨道。
在摄动力的作用下,卫星的运动称为受摄运动。
只考虑地球质心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动
10、受摄运动、哪些非中心引力
(1)地球体的非球性及其质量分布不均匀er引起的作用力,即地球的非中心引力Fnc;
(2)太阳的引力Fs和月球的引力Fn;
(3)太阳光的直接与间接辐射压力Fr;
(4)大气的阻力Fa;
(5)地球潮汐的作用力(包括海洋潮汐和地球固体潮汐所引起的作用力);
(6)磁力及其他作用力等。
11、卫星星历的分类(预报星历、后处理星历)
GPS卫星星历可分为预报星历(广播星历)和后处理星历(精密星历)。
预报星历,是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的,而用户利用接收机接收到的信号,并经过解码便可获得所需要的卫星星历。
后处理星历,是根据地面跟踪站所获得的精密观测资料计算而得到的星历,它是一种不包含外推误差的实测星历,可为用户通过观测时刻的卫星精密星历,其精度可达米级。
12、GPS导航电文(内容、组成、格式图3-17)
GPS卫星导航电文是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括:
卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、卫星工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息是以二进制码的形式按规定格式组成,并按帧播发给用户,因此又称之为数据码(D码)。
导航电文格式
导航电文基本单位叫“帧”。
一帧导航电文长1500bit,包含5个
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