02 la navigation-et_applications

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Templatereference:100181658G-EN
Reference of the document
La Navigation par Satellites et ses Applications
M. Monnerat
Thales Alenia Space
1
All rights reserved, 2007, Thales Alenia Space

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Résumé…
Homère, VIIIe siècle avant JC….
Et bien d’autres…
Jusqu’à Navstar….

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Historique de la Navigation
Le Commerce et la Conquête
Peut être les 2 plus grands moteurs de
l’humanité
Ont toujours exigés des moyens de
navigation précis
Avec le développement du commerce dans
l’ancien monde
Les bateaux fournissaient le moyen le plus
simple et efficace de transporter des biens
La navigation servant à atteindre le
prochain port en toute sécurité

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La « Navigation Observée »
La Navigation Côtière:
on se situe par rapport à des points
caractéristiques sur la côte (et non en
coordonnées géographiques).
La Navigation Astronomique
Les phéniciens étaient les premiers a
utiliser l’étoile polaire (fixe au dessus du
pôle nord) – Appelée « La phénicienne »
-3500 1100
Navigation Observée

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Les premiers instruments…
Les Systèmes Magnétiques:
La Boussole: en 1100, les chinois ont créé
la première aiguille magnétique
Le compas: boussole graduée (permet la
mesure d'angles horizontaux par rapport au
nord)
-3500 1100
1300
Magnétique

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Astrolabe
1900
Céleste
Des Instruments de plus en plus perfectionnés…
L’utilisation des mesures sur la position des astres
L’Astrolab…
Puis, Le Sextant
La Mesure: de l’élévation
s L'observation consiste à
«faire descendre» l'image
réfléchie de l'astre sur
l'horizon
-3500 1100
1300
Magnétique
1730 Sextant

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C’est le début des grandes navigations
1471 - Des navigateurs portugais franchissent l'équateur.
1487 - Le portugais Bartolomeu Dias contourne l'Afrique par le sud
1492 – Christophe Colomb découvre les Antilles.
1498 - Le portugais Vasco de Gama atteint les Indes à Calicut, après avoir accompli le
tour de l'Afrique.
Jusqu’au Couac…
Naufrage de l’amiral britannique
Cloudesley Shovell (22 Octobre 1707)
5 Navires de guerre (1700 marins) font naufrage
sur les iles de Scilly pensant être au large d’Ouessan
Déclenche le Longitude Act…

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Le problème de la Longitude…
Il s’agit de déterminer la différence d’angle horaire d’un astre…
Harrison : Remporte le prix du Longitude Act
Il Développe une horloge précise permettant d’embarquer
une référence horaire…
Le problème de la longitude est résolu, en 1764!

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Astrolabe
1900
Céleste
La Nouvelle Ere - La Radio-navigation
Le Principe
La mesure ne se fait plus par rapport à un astre, mais vis à vis d’ émetteurs radio
électriques.
Les points obtenus sont indépendants des conditions de visibilité
Ex : LORAN
-3500 1100
1300
Magnétique
1730 Sextant
Radionavigation

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Et Enfin…
La radio Navigation par satellites….
Astrolabe
1900
Céleste
-3500 1100
1300
Magnétique
1730 Sextant
Radionavigation

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La navigation par satellites - Les principes…
Se Positionner en tout point du globe à tout instant…

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Les Principes : Triangulation
UserUser ∈∈ spheresphere centrcentrééee
sursur sat i et de rayonsat i et de rayon ddii
sati
di
Mesure de distance di
User-Satellite i
Plusieurs mesures %
plusieurs satellites
User ∈Intersection de
spheres
Coordonnées Utilisateur
Si Suffisamment de Satellites
&
Connaissance de leur position

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Position Approx.
Connue
Positionnement 2D
Sans connaissance a priori
Besoin de 3 Satellites en 2D
4 Satellites en 3D
Besoin de 2 Satellites en 2D
3 Satellites en 3D
Positionnement 2D
Avec indication de a priori

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PB nPB n°° 1: Comment1: Comment MesurerMesurer la Distance .....la Distance .....
Principe : Mesure de temps de propagation.
PB : Mon Horloge n’est pas synchronisée avec le satellite!!!
Instant d’émission
du signal
te
Instant de réception
du signal
tr
D=c*(tr-te)

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Les Horloges satellites sont toutes synchronisées, au moyen d’horloges Ultra
stables
Les temps de propagation sont biaisés d’une variable commune
Reception de signaux emis par plusieurs satellites
Chaque signal comporte un top horloge à l’émission dans un même référentiel
Le récepteur date le temps d’arrivée
Au niveau Récepteur
)(),( erk tHtcRxSat −∆+=ρ
4 Satellites Visibles Nécessaires pour une Position 3D.
Le problème comporte 4 Inconnues : (X,Y,Z, ∆H)

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PB NPB N°°2 : Comment2 : Comment triangulertrianguler??
Besoin de connaitre le centre de la sphére….
L’information minimale transmise par le satellite est donc un couple
d’information
(Date TE, Position du satellite à TE)

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Les Principes : Les sources d’erreurs
Position des Satellites Corrections d’horloges Bord
Clock Drift Estimation
Clock Drift
Propagation…
En particulier la
Ionosphère….
Conditions de réception
En particulier les réflexions…

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La Disposition des satellites
aura une conséquence directe sur la précision de la localisation
Une mauvaise géométrie des Satellites en vue
peut accentuer les erreurs de mesures
Et La Géométrie…
Mauvaise Géométrie Bonne Géométrie

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Le Signal :
Vecteur Unique entre le système et l’utilisateur…

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Pb n°1 : L’Accés
Problématique :
Plusieurs satellites transmettent en même temps vers un même utilisateur….
Comment les distinguer?

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Pb n°1 : L’Accés

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Le CDMA : Idéal pour la problématique…
Le CDMA résoud 2 problèmes
s L’accès
s La mesure
d1.{ c1
i}i∈ { 1..N }
Source 1
Source 2d2.{ c2
i}i∈ { 1..N }
Source 3
d3.{ c3
i}i∈ { 1..N }
Réalisation d’une correlation
Avec le code que je cherche…

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Temps
0.30
Émission du Code
Réception du Code
0.00 0.60
Génération de la réplique
Pic de Corrélation
La Mesure – Le Code
Principe de la localisation par Satellites

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Page 24
Temps
0.30
Émission du Code
Réception du Code
0.00 0.60
∆τ=0,4
Corrélation
Pic de Corrélation

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Temps
0.300.00 0.60
Corrélation
∆τ=0,5
Émission du Code
Réception du Code
Pic de Corrélation

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Page 26
Temps
0.300.00 0.60
Corrélation
Émission du Code
Réception du Code
Pic de Corrélation
∆τ=0,6

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Page 27
Temps
0.300.00 0.60
Corrélation
Émission du Code
Réception du Code
Pic de Corrélation
∆τ=0,7
D=c*(0,6)

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Les référentiels :
L’espace et le temps…

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Nécessité de Définir un Référentiel commun utilisateur / Satellites

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Et L’altitude ?
Une Altitude de référence unique

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Et Le Temps…
« Création » du Temps continu, différent du temps sidéral …
Horloge Atomique (théorie quantique)
s un atome dans un état d'énergie E1 passera à un état excité d'énergie E2 par l'absorption d'un
photon de fréquence ν
s En asservissant le quartz pour qu’un maximum d’atomes passent de l’état E1 à E2, on génère
la fréquence correspondant à l’écart d’énergie

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Les Systèmes …

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Le GPS
Programme du DoD US
Missions du programme
s Localisation et Navigation en 3D partout sur le globe
s Estimation de vitesse partout sur le globe
s Fourniture d’une référence horaire
Partout sur le globe
s Avec une forte demande autonomie du système.
Les dates clefs
s Lancement du programme : 1973
s Lancement du 1er satellite : 1978.
s IOC (Initial Operational Capability) : 8/12/93
s FOC (Full Operational Capability) : 27/04/95

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Le GPS
• 24 satellites (31 Aujourd’hui…)
• 6 plans orbitaux , 55° inclinaison
• Orbites Circulaire
•Altitude : 20 200 km
• Periode Orbitale : 11h58min
• Période de constellation : 23h56
• Vitesse Sat : env. 3.9 km/s
Toujours plus de 4 satellites partout sur le globe…

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Le GPS
Les phases du Programme
Développement suivant plsuieurs phases
•14 sat (3 proto)
•SVN 1->11
•3 to 4 autonomy days
•1978 to 1985
•9 Block II (SVN 13->21)
•1985 to 1990
•19 Block IIA (SVN 22->40)
•1990 to 1996
•14 autonomy days ( BII)
•180 autonomy days (BIIA)
•21 sat.
•180 autonomy days
•1996 to 2007
•“Follow on”
•6 sat + option 24.
•12 IIF-Lite
•from 2001
Continuous evolution towards GPS III

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Le GPS - Segment Sol
Un segment sol essentiel
Stations de Réception
Collectent les mesures de distance aux satellites
Puis envoient ces informations au centre de calcul
NB. Ces stations ont fait l’objet d’un positionnement
très précis
Centre de Control
Exploitation des mesures collectés 24h/24.Ce qui
permet d’obtenir
s Une détection des anomalies
s Le calcul des éphémérides
Ces données sont ensuite envoyées à la station
d’émission
Stations d’émission
Envoi des données calculées vers le satellite
Echanges des données de monitoring & control avec le
satellite

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Le GPS & les services
2 Classes de Service :
PPS : Precise Positioning Service
s Réservé aux applications militaires
s Très précis : 1 à 2 mètres
s Très grande résistance au brouillage
s L’accès au service est contrôlé!.
SPS : Standard Positioning Service
s Service ouvert aux applications civiles
s Moins précis que le PPS (Mais moins de 10m depuis Mai 2000!)
.
Le service SPS n’était pas à l’origine dédié aux applications civiles…

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GPS presentation : Signal Level
SPS & PPS
L2 L1
1227.6 MHz 1575.42 MHz
SPS
PPS
Chaque service basé sur du CDMA
Le code du service PPS est crypté…Code P/Y
Le Service PPS est bi-fréquence : Elimination de l’effet Ionosphérique
Pourquoi le SPS est appelé le Code C/A?

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GPS presentation : Signal Level
PPS Signal : Code P/Y
Contrôle de l’Accès Encryption du code
Code P/Y
PB : Comment se synchroniser ?
Au démarrage, le récepteur
• ne connait pas la date
• ne connait pas sa position
Le récepteur n’a aucun moyen de déterminer quel code écouter…
Il doit chercher toutes les possibilités…
Conception du SPS pour une aide au démarrage
Le code C/A : Coarse Acquisition
Et puis la SA…
1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 ......
0 1 0 0
1ms code

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Le GPS : Vers GPS III
1227 MHz 1575 MHz1176 MHz
P(Y)P(Y)
C/AC/A
P(Y)P(Y)
L5 signal in ARNS
Band for civil
aviation
MM MM
Military signal
code M
C/AC/A
2nd SPS signal
-> bi freq
1228 MHz 1576 MHz

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Les Augmentations du GPS
Les sytèmes d’augmentations
Augmentation : Systèmes additionnels permettant d’améliorer la performance
Plusieurs types d’augmentations :
s Augmentations locales (LAAS)
• Corrections Différentielles locales.
s Augmentation large zone (Wide Area Augmentation)
• SBAS : Satellite Based Augmentation System
• WAAS Américains
• EGNOS européen
• MSAS Japonnais

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EGNOS : Augmentation Large Zone

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Observations:
Un réseau de stations observe les
Satellites GPS
Segment Sol
Principe des Corrections Différentielles Large Zone

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Observations:
Un réseau de stations observe les Satellites GPS
Le Calcul:
Toutes ces observations sont centralisées
Connaissant la position précise de ces stations,
on en déduit une observation des erreurs
On cherche alors les sources de ces erreurs
observées
s Orbite
s Horloge
s Ionosphère
On élabore alors un jeu de corrections
La communication
Ces corrections sont alors transmissent aux
usagers par le biais liaisons satellites
géostationnaires
Segment Sol

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EGNOS : Segment Sol

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GPS Augmentation : EGNOS

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L’approche Européenne
GALILEO: achieve European
sovereignty and service
guarantees through dedicated
system under civil control
EGNOS is an initiative of the European
Commission, Eurocontrol and ESA
EGNOS: provide civil
complement to military
GPS and GLONASS,
operations as of 2005
GALILEO is an initiative of the
European Commission and ESA
1.Step
2.Step

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Galileo
• 27 satellites + 3 spares
• 3 orbital plans with 56° inclination
• Circular orbits
• Altitude : 24 000 km
• Orbital Period : 14h

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Galileo : Richesse des services
Open Access
Commercial
Safety of Life
Search and Rescue
Free to air; Mass market;
Simple positioning
Encrypted; High accuracy;
Guaranteed service
Open Service + Integrity and
Authentication of signal
Encrypted; Integrity;
Continuous availability
Near real-time; Precise;
Return link feasible
Public Regulated
NavigationSAR
EU Transport Council Decision: 09.12.2004

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Galileo Space Segment
Overall Spacecraft:
680 Kg / 1.6 kW class
Launcher Options:
Ariane, Soyuz
Dimensions:
2.7 x 1.2 x 1.1 m3

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Galileo
Quelques Points Clefs
Un signal de Nouvelle génération
s Plus performant vis-à-vis des multitrajet
s Plus performant en milieu contraint
s Plus précis
Une Intégrité globale fournie par le système
Plus de 40 stations nécessaires.
Une part importante de la complexité de Galileo!
Une voie retour au service SAR

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Galileo
Galileo Frequency Plan
Particularity : Pilot tone on each signal : dataless channels
ARNS
ARNS

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Galileo et GPS
Galileo n’est pas le Concurrent de GPS!
Galileo est pleinement interopérable avec GPS
Référentiels identiques
GPS III et Galileo s’engage sur une définition commune de la forme d’onde
Même fréquence centrale
Tout est fait pour favoriser des récepteurs duaux, pour le bien de
l’utilisateur final
GPS Seul, 3 satellites visibles GPS & Galileo, 7/8 satellites visibles
30° de Masquage

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GLONASS
• 24 satellites (Today 20 sat)
• Life span : 2 years (original plan)
• 3 Orbital plans , Inclination : 64.8°
• Circular orbits
• Altitude : 19 100 km
• Orbital Period : 11h15
• 2 frequency bands :
•1602 MHz
•1246 MHz
• 2 codes
•C/A : Civil
•P code : Military
•FDMA + Spread spectrum
To cover high
latitude countries

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St petersburgSt petersburg
Moscou Enisesk
Utan-Ude
Ussuriysk
Petropavlovsk
Yakutsk
Vorkuta
GLONASS
1602MHz1246MHz
C/A & PP
GLONASS Frequency Plan
GLONASS Ground stations

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Overall Spectrum

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D’autres Systèmes pour de la localisation…
Argos…

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Argos

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Les Performances

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GPS + EGNOS = Submetrique

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Page 61
Les Applications

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Page 62
Un large panorama d’applications
Transports
Positionnem
ent
des
satellites
Applications
GrandPublic
Synchronisation
Hauteprécision
Militaire &
Sécurité Civile

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Les Applications Futurs: Espace
Produits
s Satellites
Environnement Spatial
Problématique
s Peu de signaux
s Atténuation des signaux à forte distance
(i.e. voyages spatiaux)
Applications
s Missions Scientifiques
s Vol en Formation
s Observation

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LBS Services
Emergency Services
Locate emergency call
(E112 in Europe)
• Routing the call to the closest emergency center
and dispatching it to the most appropriate emergency
response teams
• Guidance of Rescue teams
Tailored Advertising
Location sensitive billing
•Variable billing according to subscribers
location
(Home zone, Office zone)
Tracking services
Tracking of children or person
with special needs (the elderly, ill, …)
Fleet tracking, field force management, …
Enterprise Resource Planning, Logistics
Worker protection (building sites, …)
Navigation services
Navigation and orientation
to find public places
(send directions, maps),...
Real Time distribution of road traffic
information

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Evolution des segments de marché
• Le marché est tiré
par la
convergence
GNSS /
Telephone
Mobile.

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Enhanced-AGPS Technology
– GPS data is
broadcast slowly
— GPS
measurements
Wireless
Network
— On demand assistance
data is sent
instantaneously
˜ GPS
measurements
are done once
data received
™ GPS position
is computed
– GPS and EGNOS
data are collected
permanently
GPS position is
computed
GPS
EGNOS
GPS
Standalone GPS Enhanced Assisted-GPS

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Static Test: Accuracy and TTFF
Light indoor
Urban canyon
Standalone Assisted
Accuracy
(m)
5m 1,4m
TTFF (s) 57 s 12 s
Tracking
Outdoor
Availability
(%)
100 100
Accuracy
first fix (m)
186,8m 54,6m
TTFF (s) 60 s 12s
Light
Indoor
Availability
(%)
90,5 100
Accuracy
first fix (m)
- 34,3
TTFF (s) - 16 s
Acquisition(ColdStart)
Urban
Canyon
Availability
(%)
0 100

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Aided Carrier phase positioning
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-5
0
5
10
15
mRTK demo
Eas t / cm
North/cm
True trajectory
mRTK
Text height: 12 cm Text w idth: 85 cm

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Date
Le futur…
Des Solutions Hybrides.

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Date
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Indoor Challenge
INDOOR = New Key challenge
Hybridisation required …
Material Description Width [m] Attenuation [dB]
Foam Concrete Siporex 0,3 4,53
Concrete Dry without Steel 0,2 6,50
Concrete Typical 0,3 13,97
Brick Typical 0,15 5,32
Plaster Board /
Sheetrock
Heavy 0,01 1,98
Wood Heavy 0,1 4,14
Wood Medium 0,07 2,42
Wood light 0,2 1,00
Glass Typical 0,005 1,70
Plastic Typical 0,01 1,20
Polystyrene Typical 0,1 13,37

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Page 71
Des Technologies en Mutation
Utilisation des
réseaux de
téléphonie mobile
Signaux
d’opportunité
Micro Inertie MEMS

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