中国大国重器北斗三号卫星究竟是怎样炼成的？|北斗|导航|北斗卫星_新浪军事_新浪网
中国大国重器北斗三号卫星究竟是怎样炼成的？
　　图表：北斗系统“三步走” 视觉中国供图
　　任何一个大国重器的诞生，似乎都避免不了和发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运，作为要走进寻常百姓家的导航利器，北斗更是如此。11月5日晚，我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后，人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗，究竟能否和GPS一决高下。
　　这可能也是航天活动不近人情的地方，在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后，人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题，至于其背后技术含量、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过，这一点并不完全适用于北斗，因为要真正说清楚它和GPS的区别，一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。
　　毕竟，中国北斗比GPS起步晚了20多年，不仅没能和后者站在同一条起跑线，就是在之后的追赶过程中，也不能说完全跻身到了同一个赛道上。以导航系统的地面站建设为例，美国打造GPS，可以在全世界“布点设站”，而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法，攻坚卫星之间、星座之间的链路技术。
　　这正应了人们常说的那句 “既是挑战，也是机遇”。太空是个大舞台，在这个舞台上亮相的各种卫星，扮演着生旦净末丑不同的“角色”，但是无论什么样的角色，都有其基本功以及独门手艺，北斗也不例外。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家，揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。
　　“大脑”：数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守？
　　作为北斗三号卫星的打造者，中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——
　　如果把卫星类比成人的话，那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”，指挥肢体完成各种工作；卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”，推动肢体完成各种工作；而能源系统相当于人的“血液循环组织”，为大脑和肢体提供能量。
　　而为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备——原子钟，则相当于人的“心脏”，可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术，相当于人的“灵魂”，让人与人远距离之间也能够相互感应，彼此惦记，做到“心有灵犀”。
　　先说“大脑与神经组织”。这关乎不少人的一个疑问，即“数十颗北斗卫星同时在天上漂，他们如何做到不擅离职守？”
　　答案是，他们非常“自律”，知道自己该待在什么地方。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统。
　　按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法，控制系统就是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的“总指挥”，它实时搜集卫星的轨道和姿态信息，一旦发现有所偏离，就指挥自己回到正常状态。
　　高益军说，有了这个北斗三号的控制分系统，就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着，一旦地面测控站出现故障期间，北斗卫星仍能够正常在轨工作。
　　“这样大大减少了对地面站的依赖，成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本，当然这也给卫星控制系统的设计和实现带来了很大的难度。”高益军说。
　　值得一提的是，此次北斗三号研制任务中，控制系统国产化单机达100%，分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据。他说：“控制系统里没有一台进口产品。”
　　至于卫星的“血液循环组织”，有一个重要的组成部分，名为“二次电源”，它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换，并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”，输送到各种电子设备。
　　按照中国航天科技集团五院510所专家的说法，电子设备有什么样的口味，他们就有什么样的“电能菜谱”，让卫星电子设备“大快朵颐”，来完成在太空中的表演。
　　“心脏”：精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟
　　不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统，第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置，又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向？”
　　这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟，导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，时间精度就是卫星导航的“命门”，天地间时间越同步、误差越小，定位精度越高。
　　然而，在北斗导航卫星发展初期，我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说，过去，只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟，但对我国实行严格限制，甚至直接禁运，“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”。
　　直到北斗二号建设时，他国垄断才被彻底打破。如今，北斗三号建设大幕拉开，我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”。
　　所谓“铷原子钟”，是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备，简称“铷钟”。其稳定度，直接关乎导航卫星的定位、测速和授时功能的精度，甚至可以说，直接决定着导航卫星的成败。
　　杨长风说，北斗三号所配备的铷钟，其稳定度达到E-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。
　　中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说，这一技术进步，直接推动了我国全球导航系统定位精度，由之前“区域系统”的10米，跨越到后续“全球系统”米级分辨率，测速和授时精度同步提高一个量级。
　　五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露，当前，中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟，争取未来将导航卫星的定位精度、授时精度再提高一个量级，届时，这种追求精度极致的探索，或将带动新兴产业和新兴社会应用的出现。
　　“灵魂”：离“天地之间万物互联”不远了
　　当然，只有一颗卫星不足以称之为系统。我们常说的北斗，是中国北斗卫星导航系统的简称，不是指一颗卫星，以北斗三号这一代为例，按照计划，要到2020年，完成30多颗组网卫星发射，才能构成全球卫星导航系统，实现所谓的全球服务能力。
　　另一个容易被忽略的细节是，除了空间段这30多颗卫星，整个北斗系统还包括地面段和用户段，前者有地面基准站，后者有用户终端。
　　这就引出一个问题，即我国很难像GPS那样，在全球大范围建立地面站，为解决境外卫星的数据传输通道，似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。
　　这就是说，虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星，但通过北斗卫星的星间链路，同样能和它们取得联系。
　　五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说，星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”，不仅相互间通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，可以减轻地面管理维护压力。
　　当然，星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计，也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键。
　　所谓自主导航，就是指“即使地面站全部失效，30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时，地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”。
　　张立新说，由于北斗导航卫星的地面站较少，地面系统的全球连续完好性监测，和实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”，而卫星上的直接监测预警，仅仅需要几秒钟的时间。
　　在他看来，卫星自主完好性监测，是北斗三号的一项新技术，相较于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统，中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能。
　　此外，北斗三号的星间链路系统，还能与其他类型卫星相关联，联网的数量可达上百颗。张立新说：“这对于构建我国的天基综合信息网，实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用。”
　　他以遥感卫星为例，遥感卫星对全球的地面进行测绘，但只有卫星经过国土境内时，才能将其收集到的图片信息传回地面，而在天基综合信息网中，遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”，实现信息的实时传输，互通天地信息。
　　如此，也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了。（中国青年报·中青在线记者 邱晨辉）北斗一号、北斗二号和北斗三号导航系统的关系？_百度知道
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我国第一代导航卫星北斗一号与第二代导航卫星北斗二号以及第三代导航卫星北斗三号在工作原理上有明显不同之处。北斗一号卫星导航系统是通过采用卫星无线电测定业务方式来确定用户的位置。在平时，地面中心站经2颗北斗一号地球静止轨道卫星不断向用户询问是否需要定位的信号，而用户终端一般只处于光收听不发信息的状态。当需要定位时，用户终端分别经2颗北斗一号地球静止轨道卫星向中心站发送需要定位的申请信号。这时，地面中心站通过测量信号的往返时间来算出用户终端分别到每颗卫星的距离。由于卫星的位置是已知的，所以可以用这2个距离测量数据进一步推算出用户位置。最后，地面中心站将该定位信号经1颗卫星传给用户终端。采用这种方式的优点所需卫星少，只要2颗卫星就行；具有导航定位、发短报文和精密授时等多种功能。但其定位精度不高，系统用户容量有限。北斗二号和北斗三号卫星导航系统在国际首次实现了采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务相结合的集成体制方式来为用户导航定位。所谓卫星无线电导航业务，就是用户被动测量来自至少4颗在卫星时钟控制下的导航卫星连续发送的无线电导航信号，并根据这些卫星信号的不同传输时间，来测定用户到这些卫星的不同距离，然后通过用户终端的数学运算得到用户的三维坐标与速度。
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解码北斗三号：和前两代卫星相比，它有何不同？
日 05:08　来源：北京日报 　
  来源：央视新闻
　　解码北斗三号
　　新闻背景
　　11月5日，我国第三代导航卫星――北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空，它标志着我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。那么，北斗三号与前两代“北斗”导航卫星，即北斗一号、北斗二号有什么不同？它都采用了哪些新技术？
11月5日，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，以“一箭双星”方式成功发射第24颗、第25颗北斗导航卫星。发 王玉磊 摄
　　11月5日，我国第三代导航卫星――北斗三号的首批组网卫星(2颗)以“一箭双星”的发射方式顺利升空，它标志着我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。那么，北斗三号与前两代“北斗”导航卫星，即北斗一号、北斗二号有什么不同？它都采用了哪些新技术？
　　几种卫星导航系统
　　要搞清我国三代“北斗”导航卫星的异同，首先应了解以下几种卫星导航系统，看看北斗一号、二号和三号分别是属于哪一种。
　　至今，卫星导航技术已先后发展了两大类：一类卫星导航系统是采用多普勒测速原理，即利用测量导航信号的多普勒频移来求出距离变化率进行导航定位，但由于这种方式存在不能连续实时导航等一些缺点，所以采用这种原理的卫星导航现已基本没有了。另一类卫星导航系统采用时间测距原理，即利用测量导航信号传播时间来求出距离进行导航定位，目前大多数卫星导航系统都采用这种方式，包括三代“北斗”导航卫星，但即使这样，它们仍各不相同。
　　因为卫星导航系统又可分有源(主动式)和无源(被动式)两种。我国北斗一号卫星导航系统采用有源方式，即用户进行导航定位时要主动向卫星发送信号，北斗二号和北斗三号卫星导航系统采用无源和有源相结合的方式，进行无源卫星导航时，用户只需接收导航卫星信号。美国的“全球定位系统”、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”等卫星导航系统都采用无源方式。
　　根据导航卫星的信号覆盖范围，卫星导航系统还可分为区域性卫星导航系统和全球性卫星导航系统，我国的北斗一号、二号卫星导航系统以及日本、印度的卫星导航系统等属于前者，美国、俄罗斯、欧洲和我国的北斗三号卫星导航系统属于后者。
　　另外，导航卫星还可根据卫星的轨道高度，分成近地轨道、地球中圆轨道、倾斜地球同步轨道和地球静止轨道导航卫星几种。我国北斗一号为地球静止轨道导航卫星，而北斗二号和三号导航星座都由地球中圆轨道导航卫星、倾斜地球同步轨道导航卫星和地球静止轨道导航卫星组成。目前，美国、俄罗斯和欧洲的导航卫星都运行在地球中圆轨道，印度和日本的导航卫星星座均由倾斜地球同步轨道导航卫星和地球静止轨道导航卫星组成。
　　有其他卫星导航系统不具备的性能
　　目前，卫星导航已成为当今社会重要的空间信息基础设施，其应用只受想象力的限制，具有广泛的社会、经济、科技和国防意义。因此，我国很重视卫星导航系统的建设，并分三个阶段实施发射，即先建造有源区域卫星导航系统，再建造无源与有源相结合的区域卫星导航系统，最终建造无源与有源相结合的全球卫星导航系统。
　　2000年10月至12月为第一阶段。我国先后发射了4颗北斗一号导航卫星(后两颗为备份)，它们运行在经度相距60°的地球静止轨道，从而建成了世界首个有源区域卫星导航系统。该系统不仅可提供区域导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授时，特别适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户。其服务范围为国内；定位精度为20米；授时精度为100纳秒；短信字数每次为120个字。
　　2007年至2012年为第二阶段。我国陆续发射了16颗北斗二号导航卫星，最终建成了由14颗北斗二号(5颗静止轨道导航卫星＋5颗倾斜地球同步轨道导航卫星＋4颗中圆地球轨道导航卫星)组成的、采用无源与有源卫星导航方式相结合的区域卫星导航系统。如果说GPS只能告诉用户什么时间、在什么地方，“北斗”还可以将用户的位置信息发送出去，让其他人可以知道用户的情况，较好地解决了何人、何事、何地的问题。其服务范围为亚太地区；定位精度为10米；测速精度为0.2米/秒；授时精度为50纳秒；短信字数每次为120个字。
　　2017年至2020年为第三阶段，我国将先后发射35颗北斗三号导航卫星(5颗静止轨道卫星＋3颗倾斜地球同步轨道卫星＋27颗中圆轨道卫星)，建成采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。其服务范围为全球；定位精度为2.5至5米；测速精度为0.2米/秒；授时精度为20纳秒；每次短信字数也增加了。它将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务，并且将为付费用户提供更高精度等级的服务。随着“北斗”地基增强系统提供初始服务，它还可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米级的服务，届时，“北斗”的定位精度将与美国GPS相媲美。
　　建成后的北斗全球导航系统将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务。
　　具有高精度、高可靠、高保险、多功能的“北斗”全球卫星导航系统有一些美国、俄罗斯和欧洲全球卫星导航系统不具备的性能和特点，例如，其空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，且与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，因此抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能特点更为明显；北斗三号可提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度；该卫星系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。
　　北斗三号亮点多多
　　由于北斗三号导航卫星需采用许多新技术，为此，我国在2015年至2016年陆续发射了5颗北斗三号试验卫星，验证了以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷关键技术，以轻量化、长寿命、高可靠为典型特征的卫星平台关键技术，基于星地链路、星间链路、全新导航信号体制的导航卫星运行控制关键技术，以及98%的国产化器件，关键器件均为“中国造”。
　　从日发射首批北斗三号(2颗)地球中圆轨道导航卫星起，我国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。与北斗二号相比，除了服务区域由区域覆盖扩大到全球覆盖外，北斗三号在精度和可靠性上都有很大的提高。其单星设计寿命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保证服务不间断”指标。
　　另外，还有以下重大技术创新或改进。北斗三号中圆地球轨道卫星采用了新型的导航卫星专用平台，它具有功率密度大、载荷承载比重高、设备产品布局灵活、功能拓展适应能力强等技术特点，可为系统后续功能和需求拓展提供更大的适应能力，将实现卫星导航系统的定位、授时和导航的服务业务，兼容天基数据传输、新业务载荷的在轨应用，能作为天基数据传输网络的广播节点。作为世界上唯一的由3种轨道卫星构成的导航系统，北斗三号未来还将按照国际标准增加全球搜救、全球位置报告、星基增强等拓展服务。
　　北斗三号地球静止轨道卫星与倾斜地球同步轨道卫星采用大型卫星平台，它能集成多种载荷，兼容实现天基增强、可动点波束功率增强、短报文通信与位置报告等系统；成为天基数据传输网络的中心节点。
　　北斗三号卫星星座首次配备了相控阵星间链路(在卫星之间搭建的通信测量链路)，解决了境外监测卫星的难题，成为一大特色。这样能实现对运行在境外的卫星进行监测、注入功能，并可实现卫星之间的双向精密测距和通信，从而能够进行多星测量，自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统，大大减少对地面站的依赖，提高整个系统的定位和服务精度。星间链路是“北斗”实现自主导航的关键，不仅实现了北斗卫星相互间的通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，减轻地面管理维护压力。所谓自主导航，就是指即使地面站全部失效，30多颗“北斗”导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时，地面用户通过手机等终端接收导航卫星的信号，仍旧能进行定位及导航。
　　众所周知，导航卫星上的原子钟性能对整个卫星导航系统的性能有重要影响。北斗三号卫星采用我国新型高精度铷原子钟和氢原子钟。与北斗二号卫星采用的原子钟相比，北斗三号上的原子钟在产品体积、重量方面大幅降低，每天的频率稳定度提高了10倍，综合指标达到国际领先水平。其上的氢原子钟精度将比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。铷原子钟天稳定度为每1万秒误差10－14秒量级，氢原子钟天稳定度为每1万秒误差10－15秒量级。原子钟技术的进步，直接推动了“北斗”系统的定位精度由10米量级向米级跨越，测速和授时精度同步提高一个量级。
　　北斗三号进一步提升了连续性、稳定性和可用性的指标，采用多项新技术提高了卫星的抗干扰能力，非计划中断指标为每年0.4次，达到国际先进水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增强系统的保险系数。比如，系统建成后运行卫星数量大于服务必需卫星数，即卫星有备份；配备了多台铷原子钟，形成“双保险”一起提供服务；还采用了软件冗余、故障自我诊断和故障自我修复等多项措施，可保证系统可靠性。
　　该卫星还在世界上首次实现了卫星的在轨自主完好性监测功能，这一功能对民航、自动驾驶等生命安全领域用户来说，具有极强的实用价值。它将增加性能更优的互操作信号，即与世界其他卫星导航系统兼容性更好的信号B1C和B2a信号。其全新的导航信号体制和强大的在轨重构功能，也将极大地提升用户体验，因为通过兼容互操作技术，可为用户能在终端上接收多个信号奠定基础，给用户提供多种选择方案。
　　根据计划，2018年前后完成18颗北斗三号卫星发射，届时将面向“一带一路”国家和地区提供基本服务。到2020年前后，北斗三号系统面向全球提供全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。“北斗”发展蓝图是构建国家综合定位、导航和授时体系建设，以“北斗”系统为核心，建成天地一体(包括太空、地面、水下、室内)、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合定位、导航和授时体系。
　　延伸阅读
　　北斗卫星是怎么导航定位的
　　我国第一代导航卫星北斗一号与第二代导航卫星北斗二号以及第三代导航卫星北斗三号在工作原理上有明显不同之处。
　　北斗一号卫星导航系统是通过采用卫星无线电测定业务方式来确定用户的位置。在平时，地面中心站经2颗北斗一号地球静止轨道卫星不断向用户询问是否需要定位的信号，而用户终端一般只处于光收听不发信息的状态。当需要定位时，用户终端分别经2颗北斗一号地球静止轨道卫星向中心站发送需要定位的申请信号。这时，地面中心站通过测量信号的往返时间来算出用户终端分别到每颗卫星的距离。由于卫星的位置是已知的，所以可以用这2个距离测量数据进一步推算出用户位置。最后，地面中心站将该定位信号经1颗卫星传给用户终端。
　　采用这种方式的优点所需卫星少，只要2颗卫星就行；具有导航定位、发短报文和精密授时等多种功能。但其定位精度不高，系统用户容量有限。
　　北斗二号和北斗三号卫星导航系统在国际首次实现了采用卫星无线电测定业务和卫星无线电导航业务相结合的集成体制方式来为用户导航定位。所谓卫星无线电导航业务，就是用户被动测量来自至少4颗在卫星时钟控制下的导航卫星连续发送的无线电导航信号，并根据这些卫星信号的不同传输时间，来测定用户到这些卫星的不同距离，然后通过用户终端的数学运算得到用户的三维坐标与速度。
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　　目前，国产北斗芯片累计销量突破5000万片，高精度OEM板和接收机天线已分别占国内市场份额30%和90%。北斗发展步入新时代，北斗二号持续稳定运行，北斗三号2018年底，建成基本系统；2020年底，建成世界一流...
卫星导航试验系统。
　　2006年《中国航天白皮书》正式宣布第二代北斗卫星导航系统即将部署，2007年发射第一颗“北斗二号”卫星，我国开始正式组网第二代北斗卫星导航系统。在“第二步”发展战略中，我国建成了由14颗组网卫星和32个地面站天地协同组网运行的北斗二号卫星导航系统。
　　“第三步”的目标是到2020年前后，建成由30颗左右卫星组成的北斗全球卫星导航系统，即北斗三号。
北斗与GPS信号...
技智慧路灯杆以及会垃圾捡识的机器人等。
& & 而昨日下午，会上还发布了2017年18项代表性的领先科技成果，其中微软的人工智能小冰、“滴滴大脑”等多项成果与人工智能相关，显示出人工智能产业已经逐渐从技术突破阶段，向商业应用阶段加速迈进。其它科技成果还包括：Arm公司最新的平台安全架构、新一代北斗三号全球系统、光量子计算机等。
& & 对此，有市场人士表示...
）晓译翻译机、阿里无人超市、中电科技智慧路灯杆以及会垃圾捡识的机器人等。
& & 而昨日下午，会上还发布了2017年18项代表性的领先科技成果，其中微软的人工智能小冰、“滴滴大脑”等多项成果与人工智能相关，显示出人工智能产业已经逐渐从技术突破阶段，向商业应用阶段加速迈进。其它科技成果还包括：Arm公司最新的平台安全架构、新一代北斗三号全球系统、光量子计算机等。
卫星定位已经广泛应用于我们的生活之中，尤其是北斗三号全球组网卫星预计11月份发射，将进一步提高北斗系统的定位精度！但是卫星定位有其局限性，由于室内建筑物的遮挡，卫星信号很难对室内进行有效覆盖，无法获知室内人员/物资的精准位置。那么一旦到了室内环境，我们应该如何解决定位难题呢？近几年越来越多的室内定位技术加入到位置服务市场的行业竞争之中，例如蓝牙定位、钛准定位、WiFi定位、UWB定位、RFID...
北斗三号视频
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