多站時差定位技術(shù)提升野戰(zhàn)機(jī)場航管與空情監(jiān)視能力

鄭志娟,劉 建

(上海微波設(shè)備研究所,上海 201802)

0 引 言

前沿野戰(zhàn)機(jī)場是防空作戰(zhàn)與前沿突防攻擊機(jī)的主要基地。防空壓制手段多樣化與野戰(zhàn)機(jī)場抗毀性提升之間一直處于互動發(fā)展?fàn)顟B(tài)。隱身飛機(jī)、多模反輻射導(dǎo)彈和高能微波武器的出現(xiàn),使作為防空系統(tǒng)和野戰(zhàn)機(jī)場航管與空情監(jiān)視的主要傳感器的有源雷達(dá)面臨前所未有的威脅。國外空軍高層預(yù)測:“2025～2030年之間,新一代空中隱身攻擊和反輻射攻擊平臺將使防空雷達(dá)和野戰(zhàn)機(jī)場不堪一擊”。因此,采用無源探測設(shè)備取代有源傳感器,或構(gòu)成無源、有源相結(jié)合的一體化航管、空情監(jiān)視系統(tǒng)已成為提升未來野戰(zhàn)機(jī)場抗毀性的重要途徑或選擇。

1 防空壓制手段多樣化對野戰(zhàn)機(jī)場抗毀性的挑戰(zhàn)

防空壓制一般代表強(qiáng)悍進(jìn)攻方的進(jìn)攻行動。在強(qiáng)勢防空壓制力量與野戰(zhàn)機(jī)場防空作戰(zhàn)的雙方搏弈中,防空作戰(zhàn)往往代表了弱勢守備方的防衛(wèi)行動。更為嚴(yán)峻的是,作為實施防空壓制使命的進(jìn)攻方,在分析了科索沃和伊拉克戰(zhàn)爭中空中打擊的經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,通過綜合論證,已制訂和改進(jìn)了實施防空壓制的一體化戰(zhàn)略,實現(xiàn)了防空壓制手段多樣化。2007年1月25日發(fā)布的美國新版《電子戰(zhàn)條令》明確指出:海軍航空兵和空軍飛機(jī)執(zhí)行的空中電子攻擊(AEA)的共同使命是支持對敵一體化防空系統(tǒng)和野戰(zhàn)機(jī)場的防空壓制和防空摧毀作戰(zhàn)。其中,海軍的任務(wù)是利用艦載或陸基EA-6B電子戰(zhàn)飛機(jī)向?qū)撤揽諌褐谱鲬?zhàn)和信息作戰(zhàn)部隊提供遠(yuǎn)程電子攻擊支持;空軍的AEA任務(wù)是混合使用“擊穿型”和“摧毀性”電子戰(zhàn)設(shè)備對敵方一體化防空系統(tǒng)、野戰(zhàn)機(jī)場航管系統(tǒng)等實施攻擊。敵防空壓制手段的多樣性對我野戰(zhàn)機(jī)場以有源雷達(dá)為主的航管和空情監(jiān)視系統(tǒng)的抗毀性提出了挑戰(zhàn)。

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)作戰(zhàn)形態(tài)下,作為機(jī)場航管和空情監(jiān)視系統(tǒng)主要傳感器的雷達(dá)除了面臨機(jī)載網(wǎng)絡(luò)攻擊系統(tǒng)快速定位的電子攻擊外,還面臨多模反輻射導(dǎo)彈硬摧毀和隱身平臺攻擊的威脅。

1.1 面臨多模尋的反輻射導(dǎo)彈攻擊的威脅

西方空軍人士認(rèn)為,得到戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)鏈和新算法支持,并加裝了毫米波(MMW)尋的頭的新型反輻射導(dǎo)彈已成為第5代戰(zhàn)機(jī)成軍之前對固定和移動雷達(dá)的新殺手。

一體化防空系統(tǒng)的迅速改進(jìn)使防區(qū)內(nèi)防空壓制無效。全球定位系統(tǒng)(GPS)制導(dǎo)的炸彈,諸如聯(lián)合直接攻擊彈藥(JADM)等使戰(zhàn)機(jī)具有對已知目標(biāo)的精確打擊能力提高到5 m的精度,但作用距離僅有5～15 km,實施防空壓制的飛機(jī)必須進(jìn)入到面-空導(dǎo)彈(SAM)的殺傷距離內(nèi),突防飛機(jī)的被毀風(fēng)險劇增。而GPS制導(dǎo)的空地導(dǎo)彈,如海空聯(lián)合防區(qū)外導(dǎo)彈(JSOW)和海軍SLAM-ER導(dǎo)彈雖然可以在防區(qū)外(即SAM導(dǎo)彈射程外)發(fā)射導(dǎo)彈,但該導(dǎo)彈的飛行時間長,有可能在飛行途中就被擊落。

在用于防空壓制使命的足夠數(shù)量的第5代飛機(jī)和武器部署到位前,先進(jìn)反輻射導(dǎo)彈(AARGM)成了在防區(qū)外就能置防空雷達(dá)于死地的新殺手。美海軍計劃在2010年底,將1 750枚AGM-88反輻射導(dǎo)彈改裝為新型的AARGM。對我沿海野戰(zhàn)機(jī)場威脅最大的艦載機(jī)“大黃蜂”飛機(jī)是安裝AARGM的首選平臺,這必將對我前沿機(jī)場以雷達(dá)為主的航管系統(tǒng)構(gòu)成威脅。

1.2 隱身攻擊平臺可長驅(qū)直入

國外空軍高層認(rèn)為,2025～2030年之前,新一代空中隱身攻擊平臺和武器的出現(xiàn)將使地面雷達(dá)系統(tǒng)“不堪一擊”,甚至使防空壓制成為一種不是主要的作戰(zhàn)使命。這種預(yù)測盡管有點危言聳聽,但確實也反映了這樣一個事實,即防空雷達(dá)面臨的新殺手將更致命。

首先到2025～2030年,所有的非隱身飛機(jī)將被諸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隱身飛機(jī)所取代。到那時,防空武器制導(dǎo)雷達(dá)唯一能探測這些隱身飛機(jī)的只是部分低頻段的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)和地基控制的低頻段截獲雷達(dá)。而對這些雷達(dá)中的固定雷達(dá)也可以通過遠(yuǎn)程精導(dǎo)巡航導(dǎo)彈(JASSM)來摧毀。增程型“JASSM-ER”裝備在B-1B,B-2,B-52和F-15,F-16上,可以飛近目標(biāo)輻射源實施非致命性攻擊。只要將這部分低頻段的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)致盲,諸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隱身飛機(jī)就可長驅(qū)直入。

1.3 隱身無人機(jī)載HPM武器將使航管系統(tǒng)癱瘓

目前設(shè)想的基于有源電掃相控陣(AESA)的機(jī)載高功率微波武器(HPM)最有可能首先裝備到隱身無人戰(zhàn)斗機(jī)上,其主要作戰(zhàn)使命除了對抗巡航導(dǎo)彈、抗反輻射導(dǎo)彈外,還可悄悄逼近防空雷達(dá)和機(jī)場航管雷達(dá)等高價值目標(biāo),實施電子攻擊。因為隨著載機(jī)逼近目標(biāo)雷達(dá),HPM系統(tǒng)集中到目標(biāo)的能量是以與目標(biāo)間距的縮短成平方反比提升的,所以,實現(xiàn)上述機(jī)載HPM武器系統(tǒng)電子攻擊的設(shè)想是完全可行的。基于AESA的HPM武器系統(tǒng)將成為聯(lián)合無人空中打擊系統(tǒng)載荷的一部分。

空軍和海軍將在未來10～15年內(nèi)部署裝備有超級干擾機(jī)和空地武器的隱身無人戰(zhàn)斗機(jī)(UCAV)。所以,不久的將來對抗地面雷達(dá)和機(jī)場航管雷達(dá)等的主要武器不是GPS制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈,而是裝備HPM武器的隱身無人戰(zhàn)斗機(jī)。

2 無源雷達(dá)提升了野戰(zhàn)機(jī)場抗空中電子攻擊的能力

為提高野戰(zhàn)機(jī)場雷達(dá)航管系統(tǒng)對多模反輻射導(dǎo)彈、隱身平臺和高能微波武器攻擊下的抗毀性,北約等西方國家采取3種措施:一是給現(xiàn)有的航管系統(tǒng)構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)綜合防護(hù)系統(tǒng);二是采用偽裝與機(jī)動;三是部署無源雷達(dá),即用下一代技術(shù)構(gòu)建無源航管系統(tǒng)。

其中,給機(jī)場雷達(dá)系統(tǒng)加裝綜合防護(hù)系統(tǒng)是抗AEA攻擊的有效措施之一。例如,針對在第5代隱身攻擊平臺和無人機(jī)載高能定向武器尚未形成防空摧毀主體裝備之前加裝MMW有源尋的頭的反輻射導(dǎo)彈的情況,要有效保護(hù)機(jī)場雷達(dá),首先要構(gòu)建針對MMW有源尋的頭的告警和對抗系統(tǒng)。因為類似AARGM的反輻射導(dǎo)彈在進(jìn)入對目標(biāo)雷達(dá)致命殺傷距離時,為了防止目標(biāo)雷達(dá)關(guān)機(jī)要啟動MMW尋的頭。信噪比很高的MMW信號被雷達(dá)陣地配備的MMW告警系統(tǒng)截獲后,可連鎖啟動MMW干擾系統(tǒng)或啟動其他對抗措施,破壞AARGM“識別系統(tǒng)”的工作、擾亂MMW尋的頭的成像功能、干擾戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)鏈的工作,并擾亂“彈著點評估信息”的形成和傳輸?shù)取Ｍ瑫r還可在機(jī)場雷達(dá)一定距離上部署欺騙彈載“無源尋的頭”(ARH)的有源欺騙干擾誘餌,將導(dǎo)彈引偏到安全區(qū)。

措施之二是利用低頻雷達(dá)來探測空中隱身攻擊平臺。美國空軍人士透露,“目前敵方防空系統(tǒng)中僅有部分工作在低頻段的雷達(dá)才能發(fā)現(xiàn)F-22、F-35和B-2隱身飛機(jī),所以應(yīng)使用增程型 JASSM-ER導(dǎo)彈予以摧毀”。所以,低頻雷達(dá)同樣不安全,而只有無源雷達(dá)才有可能保留下來繼續(xù)探測隱身目標(biāo)。

目前國外更多的是利用無源雷達(dá)來探測隱身目標(biāo)。例如:利用廣播TV調(diào)頻信號的非協(xié)同無源定位系統(tǒng)(沉默的哨兵);利用大氣波導(dǎo)原理的超視距無源探測系統(tǒng);英國利用多個移動通信基站對飛越頂空的隱身目標(biāo)的探測,以及利用低頻段遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)和無源探測系統(tǒng)組合來發(fā)現(xiàn)和跟蹤隱身飛機(jī)等。

無源雷達(dá)的缺點是目標(biāo)必須輻射電磁信號才能工作,對于完全保持無線電沉默的目標(biāo)是無法探測的。但是,在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中,完全無線電沉默的飛機(jī)是難于完成任務(wù)的,即使機(jī)載火控雷達(dá)關(guān)機(jī),通信、導(dǎo)航和指揮設(shè)備、敵我識別(IFF)設(shè)備、地形回避雷達(dá)、機(jī)載氣象雷達(dá)、干擾設(shè)備等都難以同時長時間關(guān)機(jī)。只要目標(biāo)有信號輻射,無源雷達(dá)就能快速確定出輻射源位置。

北約經(jīng)驗表明,部署基于多站TDOA定位體制的無源雷達(dá)是提升野戰(zhàn)機(jī)場航管系統(tǒng)抗反輻射導(dǎo)彈攻擊和加強(qiáng)對隱身平臺探測能力的最有效措施。目前,北約等國的機(jī)場已部署基于無源雷達(dá)的“無源航管系統(tǒng)”。

3 無源雷達(dá)使航管系統(tǒng)功能更完善

目前,北約開始在所管轄的野戰(zhàn)機(jī)場部署基于TDOA技術(shù)的多站空中目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng),和原有的以二次雷達(dá)和IFF系統(tǒng)為主的航管和空情系統(tǒng)協(xié)同工作,大大提高了系統(tǒng)對空中目標(biāo)的識別能力,并提高了機(jī)場抗反輻射攻擊的能力。有的野戰(zhàn)機(jī)場還完全采用無源航管系統(tǒng)取代原來的有源雷達(dá)航管系統(tǒng)。

3.1 用作航管系統(tǒng)的VERA無源雷達(dá)

目前被美國SRA國際公司全資收購的捷克ERA公司,為其盟友國家提供廣泛用作“電子情報偵察系統(tǒng)”(ELINT)和電子偵察(ESM)系統(tǒng)的VERA-E系統(tǒng)。同時,在此基礎(chǔ)上開發(fā)出“基于TDOA的多基線定位”核心技術(shù)的3種型號無源航管系統(tǒng),分別應(yīng)用于從飛機(jī)起飛至降落全過程的機(jī)場航管監(jiān)視系統(tǒng)。

其中,VERA-AP遠(yuǎn)程多基線監(jiān)視系統(tǒng)(如圖1所示)通過對機(jī)載應(yīng)答信號、IFF信號和數(shù)據(jù)鏈等信號的無源截收和定位,用于對機(jī)場上空和450 km范圍的空情監(jiān)視;“多基線3-D二次雷達(dá)”(P3D)系統(tǒng)對機(jī)場上空飛機(jī)進(jìn)行精確定位,大大加強(qiáng)了原航管系統(tǒng)對空中目標(biāo)的識別和定位跟蹤能力;模式S機(jī)場表面監(jiān)視系統(tǒng)能對地面飛機(jī)和車輛的運動情況以及其所在位置進(jìn)行精確定位,大大提高了對機(jī)場地面機(jī)動目標(biāo)的識別和調(diào)度能力。

圖1 VERA-AP遠(yuǎn)程多基線監(jiān)視系統(tǒng)對機(jī)載二次雷達(dá)應(yīng)答信號定位示意圖

這種系統(tǒng)既不是傳統(tǒng)意義上的雷達(dá)系統(tǒng),也不是傳統(tǒng)意義上的電子偵察系統(tǒng),而是在電子偵察系統(tǒng)基礎(chǔ)上結(jié)合雷達(dá)的“點跡相關(guān)”和“航跡跟蹤”等技術(shù)發(fā)展起來的新型對空情報探測手段。它通過截獲和處理目標(biāo)的電磁信號,對空中目標(biāo)進(jìn)行實時探測、識別和定位跟蹤,直接作為防空情報源使用,提供了對有源雷達(dá)的互補(bǔ)性。

3.2 無源航管系統(tǒng)比二次雷達(dá)具有更多優(yōu)點

無源航管系統(tǒng)與二次航管雷達(dá)相比,有其優(yōu)點:

(1)不存在目標(biāo)識別模糊,目標(biāo)發(fā)出的應(yīng)答信號被多個接收站接收,在測得時間差的同時,將目標(biāo)發(fā)出的信息解碼,得到目標(biāo)的識別信息。相比之下,航管二次雷達(dá)只用1個接收機(jī)接收目標(biāo)信息;

(2)定位精度高,目前二次雷達(dá)采用筆狀波束,測角精度為0.05°,距離測量精度為30 m(450 km內(nèi)),二次雷達(dá)的測距精度高,但方位誤差隨著距離的增大導(dǎo)致目標(biāo)位置誤差急速增大,而無源航管系統(tǒng)采用時差測量,方位精度優(yōu)于0.03°,位置誤差隨距離的增大而緩慢增加;

(3)數(shù)據(jù)更新率高,無源航管系統(tǒng)的全向天線,超外差接收機(jī)時刻都在接收全空域信號,數(shù)據(jù)率同天線的轉(zhuǎn)速無關(guān),只同應(yīng)答信號的發(fā)射周期關(guān)聯(lián);

(4)不需要高精度的方位校準(zhǔn);

(5)目標(biāo)盲區(qū)小,二次雷達(dá)單站發(fā)射,接收目標(biāo)信號易受地形遮蔽的影響,而無源航管系統(tǒng)的多站分布式系統(tǒng)大大降低了信號遮蔽的概率。

3.3 基于無源雷達(dá)的無源航管系統(tǒng)一般配置

美國SRA公司采用原捷克ERA公司的基于多站TDOA定位技術(shù)的VERA系列無源航管系統(tǒng)和其它機(jī)場航管設(shè)備構(gòu)成了下一代機(jī)場監(jiān)視與飛行跟蹤系統(tǒng)“多站和自動獨立監(jiān)視廣播系統(tǒng)”。在此系統(tǒng)中,一般采用5個接收站和1個中心處理站。每個接收站由二次全向接收天線、接收機(jī)、通信設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成。接收站將應(yīng)答信號通過天線接收后處理成視頻信號送到中心處理站,中心處理站中的測量單元完成信號檢測、信號到達(dá)時間測量和信號解碼工作,并將處理數(shù)據(jù)送目標(biāo)處理單元,完成信號識別和目標(biāo)跟蹤。

4 無源航管系統(tǒng)的核心技術(shù)

4.1 長基線時差定位原理

采用長基線時差定位技術(shù)構(gòu)成的兩坐標(biāo)或三坐標(biāo)測量體制(如圖2所示)對空中、地面或海上目標(biāo)的輻射源進(jìn)行定位、識別和跟蹤,這些輻射源包括雷達(dá)、干擾機(jī)、二次雷達(dá)/敵我識別應(yīng)答信號、塔康/測距儀問答信號和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)的通信信號等。

長基線時差定位的原理是:利用兩站的長基線系統(tǒng)測出目標(biāo)信號的1條雙曲線軌跡,再利用一旋轉(zhuǎn)天線的指向與雙曲線相交定出目標(biāo)位置。當(dāng)輻射源輻射的脈沖分別被3個站截獲時,左、右站接收的脈沖再傳到中站,與中站相比接收脈沖的時間差分別為:

上述兩方程分別對應(yīng)2條曲線,其交點即為目標(biāo)位置。

圖2 無源雷達(dá)三坐標(biāo)定位體制原理圖

這種系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵技術(shù)是:多目標(biāo)及多徑干擾情況下的信號分選脈沖配對;高精度的時差測量;目標(biāo)識別數(shù)據(jù)庫及電磁信號參數(shù)的準(zhǔn)確測量;對多目標(biāo)實時跟蹤和航跡形成技術(shù)。

同時,對于不同頻段的信號,無源系統(tǒng)采用不同的天線形式與極化。例如,對二次雷達(dá)和塔康為扁平(二坐標(biāo)時)或無方向性的垂直極化天線;(1～2,2～4)GHz為錐形螺旋圓極化天線;(4～8,8～18)GHz為喇叭斜極化天線;(0.1～1)GHz為1組振子天線。

4.2 時差測量方式選擇與脈沖配對技術(shù)

轉(zhuǎn)發(fā)方式是時差定位體制無源多站系統(tǒng)采用的較為普遍的方法,它將某個接收站的信號通過固定信道轉(zhuǎn)發(fā)到處理中心,信號傳輸?shù)臅r間延遲是固定的,可以進(jìn)行標(biāo)定,并在系統(tǒng)中消除。轉(zhuǎn)發(fā)方式將不必進(jìn)行各站間的時統(tǒng)校對而將測量轉(zhuǎn)化到單站的時間測量,巧妙地回避了時間同步問題。

要確保將各站接收機(jī)接收到的來自同一輻射源的同一個脈沖的信號在處理中心進(jìn)行到達(dá)時間差處理,其關(guān)鍵是進(jìn)行準(zhǔn)確的“脈沖配對”處理。具體地說,就是給接收到的來自同一輻射源的信號一個信號預(yù)處理時標(biāo),然后通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)至信號處理中心(CSP),通過軟件對脈沖配對進(jìn)行時間補(bǔ)償。

4.3 二次應(yīng)答信號目標(biāo)識別技術(shù)

由于無源雷達(dá)自身不發(fā)射信號,僅靠接收目標(biāo)信號進(jìn)行定位,因此對于基于無源雷達(dá)的航管系統(tǒng)來說,如何識別出A/C碼是目標(biāo)識別的關(guān)鍵。

對二次應(yīng)答信號的識別要根據(jù)其應(yīng)答模式、框架脈沖、信息脈沖及代碼名稱等不同特點來判斷。其中,應(yīng)答模式分為2種:A模式,應(yīng)答識別和監(jiān)視,共有4 096個有效代碼;C模式,應(yīng)答氣壓高度報告,共有2 048個有效代碼。應(yīng)答碼既可以表示識別,也可以表示高度,具體由詢問模式而定。

框架脈沖:應(yīng)答功能將使用1個包含2個框架脈沖的信號作為最基本的代碼,框架脈沖間隔為20.3 μ s。

信息脈沖:信息脈沖從第1個框架脈沖開始以1.45μ s為增量間隔,所有的應(yīng)答脈沖寬度都為0.45 μ s±0.1 μ s,信息脈沖的標(biāo)志和位置如圖 3所示。

圖3 A/C模式的應(yīng)答脈沖序列

特殊位置脈沖SPI僅是人工(飛行員)選擇的結(jié)果,SPI脈沖在A模式應(yīng)答的最后一個框架脈沖以4.35 μ s 間隔發(fā)射 。

代碼名稱:識別信息碼從高位到低位的排列順序為:A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4;高度信息碼從高位到低位的排列順序為:D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4。

二次應(yīng)答信號經(jīng)過接收機(jī)輸出應(yīng)答編碼信號,根據(jù)框架脈沖可以對應(yīng)答信號進(jìn)行解碼,但是由于A/C碼的框架脈沖格式是相同的,信號脈沖的標(biāo)志和位置也是相同的。對于無源定位系統(tǒng)來說,接收到A/C應(yīng)答碼后,無法知道是高度碼還是識別碼。

也可以利用A/C碼產(chǎn)生的特定點采用排除法對A/C碼進(jìn)行判別,順序如下:

(1)將信息碼按照A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4的順序排列。

(2)接收到特殊編碼7700,7600,7500代表危急信息,不作為識別碼,也不作為高度碼。

(3)判別在框架脈沖后是否有SPI脈沖,有則是識別碼;沒有可能是高度碼,也可能是識別碼。

(4)根據(jù)高度編碼規(guī)則,當(dāng)D1為1時,對應(yīng)的高度大于100 000英尺(約30 000 m),目前的民航飛機(jī)還達(dá)不到此海拔高度,所以,D1必須為0。因此,接收到的信息碼D組為1,3,5,7,是識別碼;0,2,4,6可能是高度碼,也可能是識別碼。在實際應(yīng)用中,綜合來看D組為1,2,3,5,6,7,是識別碼,0,4可能是高度碼,也可能是識別碼。

(5)在高度編碼中,C組碼是“5周期循環(huán)碼”,連續(xù)遞增5次,標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)碼遞增1次,因而在高度碼中,接收到的信息碼C組尾數(shù)為1,2,3,4,6,可能是高度碼,也可能是識別碼,即說明信息碼C組為0,5,7時是識別碼。通過這樣的方式,A/C碼的判別準(zhǔn)確率為90%。

5 結(jié)束語

面對隱身飛機(jī)、多模反輻射導(dǎo)彈和高能定向武器的出現(xiàn)和投入使用,野戰(zhàn)機(jī)場航管雷達(dá)面臨被獵殺的挑戰(zhàn)是嚴(yán)峻的?；诙嗾?TDOA定位技術(shù)的無源雷達(dá)能使原有源雷達(dá)航管系統(tǒng)功能更完善,并能和地面詢問系統(tǒng)配合使用,還能獨立構(gòu)成無源航管系統(tǒng)。這是一項新興系統(tǒng)工程,應(yīng)加大研發(fā)力度,使之成為提升我野戰(zhàn)機(jī)場抗空中電子攻擊能力的實戰(zhàn)性裝備。

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