月面巡視探測器外場試驗(yàn)方法

賈 陽，王 瓊，王 芳，顧 征，申振榮

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094）

0 引言

月面巡視探測器是一種能夠在月球表面移動，完成探測、采樣、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)的航天器。國外從20世紀(jì)60年代開始研制巡視探測器，其中美國和蘇聯(lián)在月球及行星巡視探測器的研究方面處于世界領(lǐng)先地位。在20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)在探月過程中成功地使用了“月球車1 號”和“月球車2 號”巡視探測器。在火星表面探測中，成功應(yīng)用的巡視探測器包括美國的“索杰納”號、“機(jī)遇”號和“勇氣”號[1]。

在巡視探測器的研制過程中，需要進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)，其中包括巡視探測器系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。針對巡視探測器系統(tǒng)的外場試驗(yàn)一般在野外自然條件下，尋找類似目標(biāo)天體地形地貌的試驗(yàn)場區(qū)進(jìn)行，綜合驗(yàn)證巡視探測器的性能、地面操作控制程序，同時對操作人員進(jìn)行訓(xùn)練。

1 巡視探測器外場試驗(yàn)簡況

1.1 國外情況簡述

在“Apollo”工程實(shí)施中，NASA 建立了室外的月球地貌試驗(yàn)場，用于訓(xùn)練航天員并對月球車進(jìn)行測試。試驗(yàn)場為散布石塊的沙地。

為驗(yàn)證巡視探測器的導(dǎo)航、移動、避障、遙操 作等多方面的性能，美國和俄羅斯于1993年聯(lián)合研制了“Marsokhod”火星巡視探測器地面樣機(jī)，開展了多項地面試驗(yàn)，主要包括：1993年在俄羅斯堪察加半島開展了遙操作控制性能的測試試驗(yàn)，1994年在美國莫哈維沙漠試驗(yàn)驗(yàn)證了大延時情況下的團(tuán)隊配合能力，1995年在美國Kilauea 火山場地試驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)航控制能力，1996年在美國亞利桑那州Painted 沙漠集中驗(yàn)證了敏感器、控制模式選擇、自主控制能力、取樣能力和遙操作下的科學(xué)探測能力，1999年在美國莫哈維沙漠試驗(yàn)驗(yàn)證了科學(xué)探測策略制定方法。

智利北部的阿塔卡馬沙漠是世界上最干旱的沙漠之一，其多石的地貌結(jié)合疏松的沙土構(gòu)成了酷似月球、火星的地貌環(huán)境。“Nomad”是一種四輪驅(qū)動、無人駕駛的巡視探測器，1997年在阿塔卡馬沙漠進(jìn)行了為期45 d 的地面試驗(yàn)，共行駛220 km，創(chuàng)造了自動巡視探測器的穿越距離紀(jì)錄。試驗(yàn)內(nèi)容包括天線指向設(shè)置、地形地貌觀測和路徑規(guī)劃等。

作為2003年發(fā)射的“MER”火星探測巡視任務(wù)的原型機(jī)，“FIDO”于1999—2002年期間進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)，驗(yàn)證將用于“MER”的導(dǎo)航、移動、遙操作等多項技術(shù)。毗鄰Soda 山脈的銀湖盆地被選作試驗(yàn)場地，它在更新紀(jì)冰川時期曾是一個湖泊，現(xiàn)今成了一個干涸的湖床，其表面由大大小小的黏土礦碎粒組成，與美國火星巡視任務(wù)的預(yù)選著陸點(diǎn)類似。試驗(yàn)共持續(xù)了12 d，執(zhí)行了多路徑點(diǎn)的穿越、探測目標(biāo)選擇、樣品采集并送回起始點(diǎn)等多項任務(wù)[2]，以測試FIDO 的各個設(shè)備。

位于華盛頓大學(xué)的FIDO 科學(xué)服務(wù)中心負(fù)責(zé)實(shí)時地將各設(shè)備在試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)傳送給試驗(yàn)隊。而核心操作團(tuán)隊（Core Operations Team，COT）工作在試驗(yàn)現(xiàn)場，包括數(shù)位規(guī)劃工程師和科學(xué)家。

整個試驗(yàn)的路徑和任務(wù)規(guī)劃是基于衛(wèi)星圖像、模擬降落相機(jī)圖像以及導(dǎo)航和全景相機(jī)圖像進(jìn)行的。科學(xué)目標(biāo)的選擇主要依據(jù)全景相機(jī)和紅外點(diǎn)分光計的數(shù)據(jù)，對每一個科學(xué)目標(biāo)（如巖石），先由顯微成像儀、穆斯堡爾分光計進(jìn)行成像分析，然后由巖芯取樣器鉆取巖芯后返回。

2004年，美國制定了“新太空計劃”，預(yù)計于2015年重返月球建立基地。為配合該計劃的實(shí)施，NASA 研制了一系列的月面工作設(shè)備，并開展了大量地面驗(yàn)證試驗(yàn)。

Desert RATS（Desert Research And Technology Studies，沙漠調(diào)查和技術(shù)研究）是NASA 開展的一系列試驗(yàn)，用于驗(yàn)證未來月球和火星探測所使用的技術(shù)及儀器設(shè)備。較近的一次試驗(yàn)于2007年9月在亞利桑那州沙漠的Cinder Lake 附近開展。此次試驗(yàn)持續(xù)2 周，測試了包括月球前哨站、用于航天員和設(shè)備在月面運(yùn)輸?shù)拇笮腿匦我苿悠脚_（All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer，ATHLETE）、“Centaur” 半人型機(jī)器人（上半部與人相似，下半部是機(jī)器車）、裝有電子牽引的挖掘機(jī)、新研制的航天服和“SCOUT”（Science, Crew, Operations and Utility Testbed）巡視車在內(nèi)的新設(shè)備。

1.2 國內(nèi)情況簡述

中國空間技術(shù)研究院為了考核巡視探測器原理樣機(jī)在野外自然環(huán)境下移動和環(huán)境感知的能力，于2006年7月進(jìn)行了原理樣機(jī)外場試驗(yàn)。試驗(yàn)場位于寧夏、甘肅交界的騰格里沙漠邊緣，并利用沙漠的沙土模擬了月表的地形地貌特征[3]。外場試驗(yàn)重點(diǎn)驗(yàn)證了整車的移動、導(dǎo)航定位、運(yùn)動控制、依據(jù)視覺的路徑規(guī)劃、特定條件下局部自主避障、遙操作、科學(xué)探測等功能。試驗(yàn)中利用外場附近的通信線路，遙端通過ADSL 寬帶建立了測控鏈路，實(shí)現(xiàn)了北京、湖北對野外試驗(yàn)場上原理樣機(jī)的遙操作控制[4]。

2 外場試驗(yàn)的目的和內(nèi)容

外場試驗(yàn)的目的是：檢驗(yàn)巡視探測器在未知、復(fù)雜、多變的環(huán)境下，按照工作程序完成既定任務(wù)的能力；按照既定的工作程序，訓(xùn)練和檢驗(yàn)地面操作人員相互配合、正確操作的能力；演練巡視探測器的任務(wù)過程，檢驗(yàn)和完善其工作程序。

巡視探測器外場試驗(yàn)的內(nèi)容包括以下幾個方面：

1）任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)

巡視探測器與任務(wù)支持子系統(tǒng)在模擬著陸點(diǎn)成像（即根據(jù)衛(wèi)星圖像、降落相機(jī)圖像和巡視探測器相機(jī)圖像）的支持下進(jìn)行其初始狀態(tài)分析和信息融合，生成覆蓋試驗(yàn)場的地圖產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上結(jié)合星歷、光照、通信、巡視探測器狀態(tài)（包括著陸點(diǎn)位置、能源狀況、溫度水平）及科學(xué)探測目標(biāo)點(diǎn)（即任務(wù)規(guī)劃終點(diǎn)）進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，并將處理結(jié)果輸出；地面人員根據(jù)對試驗(yàn)環(huán)境的掌握情況對生成的任務(wù)行為序列進(jìn)行綜合評價，驗(yàn)證任務(wù)規(guī)劃處理能力。

2）過夜停靠點(diǎn)試驗(yàn)

過夜停靠點(diǎn)試驗(yàn)演練巡視探測器月夜休眠前尋找過夜停靠點(diǎn)的過程。對巡視探測器在100 m×100 m范圍內(nèi)找到合適停靠點(diǎn)的可能性和用時長短進(jìn)行摸底，并完善其工作程序安排。

測試前需消除巡視探測器的初始姿態(tài)誤差。巡視探測器從某一指定起始點(diǎn)開始進(jìn)行周圍地形感知，選擇可能停靠點(diǎn)的位置，并根據(jù)指導(dǎo)移動到該位置；在移動過程中進(jìn)行動態(tài)姿態(tài)測量，將測量結(jié)果反饋給地面操作人員；地面操作人員根據(jù)遙測信息判斷該停靠點(diǎn)是否滿足要求。試驗(yàn)中，過夜停靠點(diǎn)的要求為：巡視探測器前端方向朝南，其本體俯仰角在0°～15°之間，側(cè)傾角在-1°～1°之間。

如不滿足要求，則再次通過環(huán)境感知判斷可能的停靠點(diǎn)，巡視探測器移動過去并進(jìn)行靜態(tài)姿態(tài)測量，確定停靠位置是否滿足要求。如不滿足，須進(jìn)一步調(diào)整，直至滿足要求，同時記錄找到一次合適停靠點(diǎn)所用的時間和行駛的里程。

3）短距離移動探測試驗(yàn)

巡視探測器短距離移動探測試驗(yàn)是在100 m×100 m 范圍內(nèi)，按照在軌運(yùn)行的真實(shí)情況進(jìn)行移動、導(dǎo)航和探測，地面進(jìn)行全程的任務(wù)支持。地面人員對試驗(yàn)過程中任務(wù)和路徑規(guī)劃的合理性、巡視探測器導(dǎo)航控制的效果，以及執(zhí)行指令的正確性、科學(xué)探測的效果、系統(tǒng)的處理速度、工作流程安排的合理性、團(tuán)隊配合的默契程度等進(jìn)行評價，驗(yàn)證巡視探測器和任務(wù)支持子系統(tǒng)的綜合能力。

4）任務(wù)過程綜合演練

在所有單項測試項目完成后，外場試驗(yàn)將進(jìn)入任務(wù)過程綜合演練階段，巡視探測器進(jìn)行長距離、大范圍（1 km2以上）的移動探測，在過程中演練移動、感知、探測、充電、月晝轉(zhuǎn)月夜等工作模式。除了驗(yàn)證巡視探測器的綜合性能外，該試驗(yàn)還可以訓(xùn)練和檢驗(yàn)地面人員的操作技能和團(tuán)隊配合能力，完善地面任務(wù)支持的工作流程，提高器地配合能力。

3 外場試驗(yàn)系統(tǒng)組成

外場試驗(yàn)系統(tǒng)主要由巡視探測器、試驗(yàn)場子系統(tǒng)、試驗(yàn)監(jiān)控子系統(tǒng)、試驗(yàn)輔助子系統(tǒng)、試驗(yàn)總控子系統(tǒng)、任務(wù)支持子系統(tǒng)和試驗(yàn)保障子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 外場試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig.1 Block diagram of the field test system

4 外場選址

根據(jù)月面地形地貌特點(diǎn)和外場試驗(yàn)的主要內(nèi)容，確定外場選址的要求如下：

1）試驗(yàn)場面積不小于3 km×3 km；

2）試驗(yàn)區(qū)場景單調(diào)，無明顯植被覆蓋，無較大的對比度差異；

3）試驗(yàn)場應(yīng)為野外開闊地，表層土壤干燥，具有一定的石塊、風(fēng)化的碎石和塵土，地形地貌與月表地形地貌分布盡量接近；

4）試驗(yàn)區(qū)域周圍含有人工試驗(yàn)場布置所需的各種規(guī)格的沙和礫石；

5）試驗(yàn)區(qū)域氣候條件干燥，年平均降水量低于10 mm；

6）每月風(fēng)力低于4 級的天數(shù)不少于20；

7）試驗(yàn)區(qū)域邊緣距離國家二級公路的直線距離不超過10 km；

8）緊急醫(yī)療需要時，試驗(yàn)現(xiàn)場至當(dāng)?shù)囟夅t(yī)院用時不超過2 h；

9）試驗(yàn)場地具備合法使用的條件；

10）試驗(yàn)場位于氣象雷達(dá)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，能夠進(jìn)行及時準(zhǔn)確的瞬時天氣預(yù)報；

11）能夠保證海事衛(wèi)星電話信號的穩(wěn)定暢通；

12）試驗(yàn)場內(nèi)不存在具備攻擊性的野生動物；

13）試驗(yàn)場附近人口密度低，便于試驗(yàn)保密。

在對地形地貌、氣候等多方面資料分析的基礎(chǔ)上[5]，組織選址考察隊對多個可能地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場勘察，包括甘肅省武威市民勤縣巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠沿線、敦煌庫姆塔格沙漠沿線、哈密西部五堡鄉(xiāng)等。根據(jù)與技術(shù)要求的符合情況，確定選擇敦煌西北207 km 的庫姆塔格沙漠邊緣作為試驗(yàn)場（位于羅布泊地區(qū)的東部，雅丹地貌西側(cè)）。

5 試驗(yàn)工況及結(jié)果

巡視探測器外場試驗(yàn)包括任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)、過夜停靠點(diǎn)試驗(yàn)、短距離移動探測試驗(yàn)、任務(wù)過程綜合演練共4 類12 個工況。

1）任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)

任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)根據(jù)環(huán)境特征是否豐富，選擇了2 個著陸點(diǎn)位置來設(shè)計2 種試驗(yàn)工況（A1 和A2），其中A1 為環(huán)境特征明顯工況，A2 為環(huán)境特征不明顯工況。

按照大綱和細(xì)則的要求，任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)需要有試驗(yàn)場的衛(wèi)星圖像和模擬降落相機(jī)圖像作為試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中利用了美國Geoeye 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，影像覆蓋范圍為2 km×2 km，分辨率為1.5 m（將分辨率為0.5 m 的原圖像進(jìn)行了降分辨率處理而得）。模擬月面著陸過程降落相機(jī)所拍攝的圖像，采用無人直升機(jī)進(jìn)行了航拍，獲得了著陸過程高度由1 200 m 至距地面4m 過程中的圖像序列。

全景相機(jī)在云臺俯仰角為0°、-12°、-24°、-36°時，均旋轉(zhuǎn)360°等間距地拍攝了28 對圖像，共拍攝圖像112 對。導(dǎo)航相機(jī)在云臺俯仰角為-20°和-40°時，均旋轉(zhuǎn)360°拍攝了18 對圖像，共拍攝圖像36 對。

綜合上述圖像信息，根據(jù)巡視探測器的設(shè)計約束，考慮能源、熱控、通信的限制，按照月球星歷模型計算確定了巡視探測器11 d 的工作程序安排，其輸出的行駛路線在DEM 上的顯示如圖2所示。

圖2 A1 工況任務(wù)規(guī)劃結(jié)果Fig.2 Mission planning result of case A1

2）過夜停靠點(diǎn)試驗(yàn)

以其中B1 工況為例進(jìn)行介紹。在該工況中，巡視探測器起始姿態(tài)為俯仰-1.205°、滾動-1.167°、偏航-167.483°，均不滿足過夜停靠的要求。巡視探測器先進(jìn)行環(huán)境感知，共拍攝7 對導(dǎo)航相機(jī)圖像（云臺俯仰-30°，偏航-60°～60°，間隔20°）。任務(wù)支持子系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航相機(jī)圖像進(jìn)行了全局路徑規(guī)劃，生成的控制策略如下：

① 按曲率0.666 7 右轉(zhuǎn)前進(jìn)0.9 m；

② 按直線前進(jìn)3.34 m；

③ 按曲率-0.16 左轉(zhuǎn)前進(jìn)1.55 m；

④ 原地左轉(zhuǎn)彎32°；

⑤ 前進(jìn)直行1.5 m。

按照控制策略完成的巡視探測器移動仿真路線圖如圖3所示。

由總控子系統(tǒng)根據(jù)生成的控制策略制作指令塊，并注入巡視探測器。

圖3 B1 工況巡視探測器移動仿真路線Fig.3 Lunar rover route obtained by simulation of case B1

巡視探測器按照指令進(jìn)行移動，在執(zhí)行到最后一項指令并行駛至1 m 左右時，若姿態(tài)遙測滿足休眠條件，停止移動后仍然滿足條件，則B1 工況成功完成。

巡視探測器最終的姿態(tài)為：俯仰0.65°，滾動0.62°，偏航-177.36°。尋找月夜休眠點(diǎn)共行駛了約7.1 m；尋找過夜停靠點(diǎn)總耗時約53 min，其中導(dǎo)航相機(jī)成像時間9 min，任務(wù)支持子系統(tǒng)規(guī)劃時間30 min，總控子系統(tǒng)生成指令塊時間10 min，移動并找到過夜停靠點(diǎn)的時間約4 min。

3）短距離移動探測試驗(yàn)

短距離移動探測試驗(yàn)分為兩類，其中C1～C3有衛(wèi)星圖像和降落相機(jī)圖像支持，需要任務(wù)規(guī)劃，并按照任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果進(jìn)行探測；C4～C6 無衛(wèi)星圖像和降落相機(jī)圖像支持，由試驗(yàn)指揮在全景相機(jī)或?qū)Ш较鄼C(jī)圖像上指定科學(xué)探測目標(biāo)點(diǎn)。

C2 工況中，巡視探測器的起始位置為（28.421 m, 29.756 m），科學(xué)探測目標(biāo)點(diǎn)的位置為（43.36 m, 44.28 m）。巡視探測器首先進(jìn)行環(huán)境感知，導(dǎo)航相機(jī)共成像14 對。任務(wù)支持子系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航相機(jī)圖像進(jìn)行了三維重建和全局路徑規(guī)劃，生成的控制策略如下：

① 按曲率-0.011 7 左轉(zhuǎn)前進(jìn)10 m；

② 按曲率-0.011 7 左轉(zhuǎn)前進(jìn)9.9 m。

在全景相機(jī)成像完畢后，進(jìn)行了紅外成像光譜儀探測，獲得了目標(biāo)區(qū)域的紅外光譜數(shù)據(jù)和100 幅可見光圖像；隨后進(jìn)行了避障相機(jī)支持下的機(jī)械臂的展開和收攏；完成了環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、移動和科學(xué)探測后，C2 工況結(jié)束。

4）任務(wù)過程綜合演練

在任務(wù)過程綜合演練（D1 工況）中，巡視探測器開展了5 個科學(xué)探測點(diǎn)的探測和長距離雷達(dá)探測，并進(jìn)行了充電、出入測控弧段、太陽高度角大于33°時的輔助熱控、尋找過夜停靠點(diǎn)等多個模式的演練。

D1 工況首先進(jìn)行的是巡視探測器充電模式的演練。任務(wù)支持子系統(tǒng)根據(jù)巡視探測器的姿態(tài)和器上時間，得出太陽翼最優(yōu)角為127.55°，對應(yīng)的太陽高度角為86.40°；巡視探測器按照指令控制太陽翼的運(yùn)動。接著在第四次導(dǎo)航規(guī)劃移動完成后，進(jìn)行了第一次出入測控弧段演練，任務(wù)支持子系統(tǒng)根據(jù)巡視探測器的姿態(tài)和器上時間，生成第一次出測控弧段前巡視探測器的控制策略。

巡視探測器按照指令移動到科學(xué)探測點(diǎn)后，開始科學(xué)探測。首先進(jìn)行全景相機(jī)成像，云臺俯仰0°和-12°時分別360°旋轉(zhuǎn)成像28 對，共成像56 對。接著進(jìn)行了紅外成像光譜儀探測，獲得了目標(biāo)區(qū)域的紅外光譜數(shù)據(jù)和100 幅可見光圖像。隨后進(jìn)行了避障相機(jī)支持下的機(jī)械臂的展開和收攏。在第四個科學(xué)目標(biāo)點(diǎn)探測完成后，進(jìn)行了長距離測月雷達(dá)探測，共發(fā)射了1 411 道雷達(dá)脈沖并獲得相應(yīng)的探測數(shù)據(jù)。

在第五個科學(xué)目標(biāo)點(diǎn)探測完成后，進(jìn)行尋找月夜休眠點(diǎn)測試：實(shí)測巡視探測器姿態(tài)為滾動0.8°、俯仰-1.78°、偏航-127°，其中滾動滿足要求，而俯仰和偏航均不滿足。按照地面規(guī)劃結(jié)果控制巡視探測器移動，到達(dá)過夜停靠點(diǎn)時，巡視探測器動態(tài)定姿結(jié)果為滾動0.79°、俯仰0.88°、偏航-178.8°，靜態(tài)定姿結(jié)果為滾動0.79、俯仰0.91°、偏航-178.9°，均符合要求，共行駛了4.1 m。尋找過夜停靠點(diǎn)總耗時約45 min。

在整個外場試驗(yàn)過程中，巡視探測器行駛里程約1 410 m，進(jìn)行了25 次導(dǎo)航規(guī)劃，開展了11 個目標(biāo)的科學(xué)探測，雷達(dá)探測距離880 m，全景相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、紅外光譜儀共拍攝了近3 200幅圖像，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

通過對國外行星表面巡視探測器試驗(yàn)情況的調(diào)研以及我國月球巡視探測器所開展的外場試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）從工程的角度，巡視器的外場試驗(yàn)主要側(cè)重對巡視器移動和導(dǎo)航控制性能的驗(yàn)證。

2）試驗(yàn)條件建立過程中需要考慮試驗(yàn)場地形、溫度、氣候、光照、通信帶寬、通信窗口、數(shù)據(jù)量等方面的限制，盡可能模擬任務(wù)的真實(shí)條件。

3）在外場試驗(yàn)中還包括對地面操作控制系統(tǒng)的考核和操作人員的訓(xùn)練。對巡視器的操作控制盡可能模擬真實(shí)任務(wù)狀態(tài)。試驗(yàn)開始前，操作控制人員不能對試驗(yàn)場有先驗(yàn)知識；試驗(yàn)開始后，利用巡視器獲得的感知信息，進(jìn)行路徑規(guī)劃，指導(dǎo)巡視器探測。

4）外場試驗(yàn)條件模擬對試驗(yàn)場選址提出了較高要求，除了模擬地形要求之外，還需要考慮其他因素（如通信、交通、醫(yī)療等）。

5）由于受通信窗口、時延的限制，優(yōu)化巡視探測器的工作流程和提高團(tuán)隊配合的默契程度對于高效地完成探測任務(wù)非常重要。

根據(jù)外場選址的要求，將敦煌西北庫姆塔格沙漠地區(qū)選定為試驗(yàn)場并進(jìn)行了月面巡視探測器的試驗(yàn)，進(jìn)行了任務(wù)規(guī)劃試驗(yàn)、過夜停靠點(diǎn)試驗(yàn)、短距離移動探測試驗(yàn)、任務(wù)過程綜合演練共4 類試驗(yàn)，開展了任務(wù)規(guī)劃、環(huán)境感知成像、路徑規(guī)劃、巡視探測器操作控制、絕對定位、相對定位、載荷探測、機(jī)械臂規(guī)劃等方面的驗(yàn)證工作，優(yōu)化了工作程序，鍛煉了操作控制隊伍，為巡視探測器的研制及在軌高效安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

（References）

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