趙 娜，劉春霞，孫 妍，李曉飛

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094）

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要通過衛(wèi)星來測定用戶的位置，它可以解決任何時(shí)間任何地點(diǎn)的“何時(shí)？何地？何速度？”問題。最早建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS系統(tǒng)。為了對(duì)抗美國，俄羅斯軍方建立了GLONASS。伽利略系統(tǒng)是歐洲對(duì)未來全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，中國正在建設(shè)第一代區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所包含的軟硬件設(shè)備類型復(fù)雜、數(shù)量繁多、規(guī)模龐大，同時(shí)集成度和復(fù)雜度較高，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的不斷擴(kuò)展和深化，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行面臨著越來越大的困難和壓力。系統(tǒng)健康管理技術(shù)，即故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)，可以利用盡可能少的傳感器來采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能推理算法來評(píng)估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修。通過論述衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成和運(yùn)行現(xiàn)狀，鑒于PHM技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用，提出將PHM技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)過程中，以提高系統(tǒng)的維護(hù)效率、降低系統(tǒng)管理費(fèi)用，增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、控制段和用戶段組成。

1）空間段

為了提供連續(xù)的導(dǎo)航定位服務(wù)能力，每個(gè)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的星座均包含足夠數(shù)量的衛(wèi)星，以確保在每個(gè)站點(diǎn)可同時(shí)觀測至少四顆衛(wèi)星（GPS／GLONASS／伽利略／北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息比較如表1所示）。同時(shí)，每顆衛(wèi)星都配有一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)裝載原子鐘、無線電收發(fā)設(shè)備、微處理設(shè)備和各種操控系統(tǒng)的輔助設(shè)備。

表1 GPS／GLONASS／伽利略／中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息比較列表

2）控制段

控制段由控制中心、監(jiān)測站和地面天線組成。

控制中心主要負(fù)責(zé)收集各個(gè)監(jiān)測站的跟蹤數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘參數(shù)等注入信息，并規(guī)劃調(diào)度地面天線向衛(wèi)星進(jìn)行注入，控制中心還負(fù)責(zé)衛(wèi)星監(jiān)控和系統(tǒng)管理。通常，控制中心由數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、時(shí)間頻率系統(tǒng)和系統(tǒng)管理控制系統(tǒng)組成。

監(jiān)測站主要負(fù)責(zé)對(duì)所有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為系統(tǒng)軌道測定、電離層計(jì)算等數(shù)據(jù)處理提供觀測數(shù)據(jù)。主要由衛(wèi)星監(jiān)測終端、原子鐘、數(shù)據(jù)處理設(shè)備及數(shù)據(jù)通信設(shè)備組成。

地面天線主要根據(jù)控制中心的規(guī)劃調(diào)度向衛(wèi)星發(fā)送控制指令和注入信息，同時(shí)接收衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)。主要由發(fā)射鏈路、接收鏈路和回路驗(yàn)證設(shè)備組成。

3）用戶段

用戶段主要由用戶終端組成，主要負(fù)責(zé)將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供的導(dǎo)航信號(hào)和信息轉(zhuǎn)化為用戶關(guān)心的服務(wù)。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從GPS獨(dú)霸天下到四大系統(tǒng)并存、相互促進(jìn)發(fā)展的GNSS時(shí)代，它不僅在最近幾次戰(zhàn)爭中的精確打擊和聯(lián)合作戰(zhàn)方面發(fā)揮著越來越重要的作用，其拓展應(yīng)用更是滲透到國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、社會(huì)和人民生活的方方面面，形成了大量的新興產(chǎn)業(yè)[1]。今后，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要包括：

1）系統(tǒng)現(xiàn)代化改造

在對(duì)星座進(jìn)行不斷的補(bǔ)網(wǎng)、組網(wǎng)的同時(shí)，不斷提高導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)及調(diào)制技術(shù)的綜合性能，強(qiáng)化抗干擾、反欺騙等安全措施，增強(qiáng)導(dǎo)航作戰(zhàn)能力。

2）系統(tǒng)間兼容互操作

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷增多，不論應(yīng)用潛力有多大，不同系統(tǒng)間總存在某些“地方隔閡”，制約著GNSS應(yīng)用的長期拓展。因此，解決不同系統(tǒng)間的兼容互操作問題，是未來必須面對(duì)和解決的一大挑戰(zhàn)。

3）用戶接收機(jī)的高度集成化

為了解決“城市峽谷”的信號(hào)阻擋和其他極端環(huán)境下的信號(hào)接收問題，作為GNSS信號(hào)和編碼數(shù)量的日益增多的一個(gè)必然結(jié)果，更小、更輕、更多功能的高度集成化用戶接收機(jī)是未來發(fā)展的一大主題。

4）應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展

在憧憬美好前景的同時(shí)，我們必須清楚的認(rèn)識(shí)到，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展時(shí)間跨度長、經(jīng)費(fèi)投入大，自首顆衛(wèi)星發(fā)射到系統(tǒng)正式運(yùn)行都至少經(jīng)歷了十幾年左右的歷程（如表1所示）。隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的逐步增長，衛(wèi)星及地面系統(tǒng)各類軟硬件設(shè)備將逐步接近使用壽命，設(shè)備的長期損耗和老化，是威脅系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要因素之一。為了確保系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)所有軟硬件設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，不但可以大大降低維護(hù)成本，同時(shí)可以為系統(tǒng)的長期戰(zhàn)略發(fā)展提供保障條件。

3 PHM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

PHM的關(guān)鍵技術(shù)主要包括先進(jìn)的傳感器技術(shù)、嵌入式測試診斷技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與信息融合技術(shù)、健康評(píng)估與故障預(yù)測技術(shù)和智能推理與決策支持技術(shù)[2]。它對(duì)裝備維修保障具有重要意義，主要包括：

1）基于PHM的視情維修方式可以很好地解決盲目修理或失修問題。

2）PHM系統(tǒng)可依靠其強(qiáng)大的狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)測能力，事先做出維修決策，減少維修次數(shù)，縮短維修時(shí)間，提高裝備的維修保障效率和戰(zhàn)備完好率。同時(shí)，可降低維修保障費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3）通過對(duì)裝備狀態(tài)的健康評(píng)估，實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行狀況，及時(shí)處理存在的問題，可極大地降低執(zhí)行任務(wù)過程中故障引起的風(fēng)險(xiǎn)，提高遂行任務(wù)的能力。

4）在健康評(píng)估和故障預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過PHM系統(tǒng)中的決策支持系統(tǒng)可協(xié)同各個(gè)相關(guān)部門，優(yōu)化資源配置，簡化工作流程，解決傳統(tǒng)維修保障模式“小而散”和保障效率低下的問題。

目前在國外尤其是美國，各種PHM系統(tǒng)已經(jīng)逐步得到應(yīng)用。在早期，PHM技術(shù)首先在陸軍裝備的直升機(jī)上得到了應(yīng)用，形成了健康與使用監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS）。在航天領(lǐng)域，則早于20世紀(jì)70年代就提出了航天器綜合健康管理（IVHM）的概念。在國防部門和各軍種，隨著故障監(jiān)測和維修技術(shù)的迅速發(fā)展，先后開發(fā)應(yīng)用的有飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（ACMS）、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)（EMS）、綜合診斷預(yù)測系統(tǒng)（IDPS）以及海軍的綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（ICAS）等。在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)可靠性工程研究所較早地開展了PHM系統(tǒng)方法和技術(shù)應(yīng)用方面的相關(guān)研究。

4 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的健康管理框架

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的空間段（即衛(wèi)星系統(tǒng)）和控制段（運(yùn)行控制系統(tǒng)）是生成和發(fā)播導(dǎo)航服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，只有在衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下，用戶才能享用到系統(tǒng)提供的各類導(dǎo)航服務(wù)。因此，主要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)的健康管理框架的建立進(jìn)行討論。

4.1 設(shè)備健康狀態(tài)分類

衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)所包含的分系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量巨大，工作頻段跨度大，工作原理和功能各不相同，但從健康管理的角度可統(tǒng)一分為：正常、錯(cuò)誤、異常、故障和損壞5種情況[3]。

1）正常

設(shè)備按預(yù)定方式運(yùn)行，按規(guī)定性能指標(biāo)完成全部預(yù)定功能。

2）錯(cuò)誤

錯(cuò)誤是設(shè)備或程序在運(yùn)行中偶發(fā)的、非常駐的、非預(yù)定狀態(tài)，錯(cuò)誤可由于瞬時(shí)環(huán)境因素超限（如外部強(qiáng)干擾）引起，或由級(jí)聯(lián)故障引起。這是一種短時(shí)間的非穩(wěn)恒的狀態(tài)，在消除引發(fā)錯(cuò)誤的環(huán)境因素或級(jí)聯(lián)故障后，設(shè)備能自動(dòng)恢復(fù)預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)，或通過復(fù)位、重啟等方式實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。

3）異常

異常是產(chǎn)品偏離預(yù)定運(yùn)行方式或規(guī)定功能范圍的狀態(tài)，表現(xiàn)為功能降級(jí)。異常多由于設(shè)備內(nèi)部某些電路器件在某些臨界外部條件（如溫度）的作用下偏離預(yù)定工作狀態(tài)所致，是敏感于相應(yīng)條件并在該條件下會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的狀態(tài)。

在引發(fā)異常的外部因素消除后，設(shè)備多能自動(dòng)恢復(fù)預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)。為保證設(shè)備在規(guī)范要求的范圍內(nèi)可靠地工作，應(yīng)及時(shí)對(duì)出現(xiàn)異常的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或采取維修措施。

4）故障

故障是產(chǎn)品不能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)，表現(xiàn)為功能喪失。故障雖然可能以環(huán)境因素為誘因，但其內(nèi)在原因主要是設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷，或運(yùn)行中電子器件因不能承受外部應(yīng)力而發(fā)生內(nèi)部硬件損傷或固件失憶?？刹扇」收辖d、余度、容錯(cuò)等設(shè)計(jì)措施使系統(tǒng)或設(shè)備在出現(xiàn)故障時(shí)保持工作能力。為保證設(shè)備今后可靠地工作，必須對(duì)出現(xiàn)故障的設(shè)備進(jìn)行檢測和維修，排除故障。

5）損壞

損壞是產(chǎn)品中故障部件不可恢復(fù)的、不能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)。損壞的產(chǎn)品可能通過更換故障部件等維修措施加以修復(fù)，也可能無法修復(fù)而報(bào)廢。

根據(jù)以上定義，認(rèn)為狀態(tài)1）和2）屬于健康，3）屬于亞健康，4）和5）屬于疾病。

4.2 系統(tǒng)健康管理框架組成

基于PHM的管理概念，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的健康管理框架主要由系統(tǒng)健康監(jiān)測模塊、系統(tǒng)健康評(píng)估和管理兩大模塊組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)框架

4.2.1 系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)

衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)的健康監(jiān)測主要包括歷史信息數(shù)據(jù)庫、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)三大模塊。

1）歷史信息數(shù)據(jù)庫

歷史信息主要包括設(shè)備基本信息、設(shè)備維護(hù)記錄以及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的健康問題等。

設(shè)備基本信息主要來自設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的表征設(shè)備正常／故障狀態(tài)的技術(shù)數(shù)據(jù)，主要用于界定設(shè)備的健康狀態(tài)。

設(shè)備維護(hù)記錄為設(shè)備正式上線運(yùn)行后，歷次維護(hù)過程中記錄的相應(yīng)狀態(tài)信息，可以用來評(píng)估設(shè)備的健康狀態(tài)、預(yù)測可能出現(xiàn)的故障問題，為設(shè)備后期維修計(jì)劃的提供決策依據(jù)。

對(duì)于運(yùn)行過程中出現(xiàn)的健康問題，詳細(xì)記錄其故障現(xiàn)象、排查流程、機(jī)理分析和解決措施，及時(shí)進(jìn)行分類收集、共性分析和歸納整理，建立故障快速診斷系統(tǒng)，不但可以大大縮短故障排除和狀態(tài)恢復(fù)的時(shí)間，同時(shí)可以針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障給出預(yù)警信息，以便系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行視情維修。

根據(jù)系統(tǒng)組成和設(shè)備類型，衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)分別建立相應(yīng)的歷史信息數(shù)據(jù)庫后，需要不斷根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和維護(hù)，使其更加準(zhǔn)確、全面的表征系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)。

2）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，各關(guān)鍵設(shè)備的主要參數(shù)分別由其內(nèi)部傳感器負(fù)責(zé)采集和輸出，經(jīng)過數(shù)據(jù)匯總處理，給出相應(yīng)的告警信息。重點(diǎn)監(jiān)測參數(shù)主要根據(jù)各系統(tǒng)（設(shè)備）的功能和健康特性進(jìn)行選定。衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)行控制系統(tǒng)需要重點(diǎn)監(jiān)測的系統(tǒng)（設(shè)備）及其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 重點(diǎn)系統(tǒng)（設(shè)備）及其關(guān)鍵參數(shù)實(shí)例列表

3）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要完成空間電磁環(huán)境監(jiān)測、地面干擾監(jiān)測和氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測?？臻g電磁環(huán)境監(jiān)測主要由空間環(huán)境監(jiān)測專用設(shè)備完成，可以借用專項(xiàng)研究中心的結(jié)果，提取出對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)正常工作可能產(chǎn)生影響的信息，進(jìn)行預(yù)報(bào)監(jiān)測。地面干擾監(jiān)測系統(tǒng)需與運(yùn)行控制系統(tǒng)并置建立，主要對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測主要對(duì)溫度、振動(dòng)、濕度進(jìn)行監(jiān)測，

4.2.2 系統(tǒng)健康評(píng)估和管理系統(tǒng)

系統(tǒng)健康評(píng)估和管理系統(tǒng)包括告警信息綜合處理模塊、健康評(píng)估模塊、故障預(yù)測模塊和自動(dòng)推理決策模塊。

1）告警信息綜合處理模塊

告警信息綜合處理模塊主要對(duì)系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)給出的各類告警信息進(jìn)行分析、整理和匯集。

2）健康評(píng)估模塊

根據(jù)各分系統(tǒng)（設(shè)備）的告警信息，健康評(píng)估模塊判別其對(duì)應(yīng)的健康狀態(tài)。

3）故障預(yù)測模塊

根據(jù)不同設(shè)備的故障產(chǎn)生機(jī)理，分別采用不同的預(yù)測方法。

基于性能參數(shù)的預(yù)測：該方法適用于主要性能指標(biāo)具有連續(xù)變化范圍的設(shè)備。在設(shè)備性能指標(biāo)給出額定值和容限的基礎(chǔ)上，通過加速失效試驗(yàn)，建立參數(shù)變化與故障（參數(shù)與壽命）的定量關(guān)系，用于故障預(yù)測。

基于基本工作狀態(tài)的預(yù)測：該方法適用于基本工作狀態(tài)數(shù)據(jù)可以反映健康狀況的設(shè)備。例如，衛(wèi)星系統(tǒng)的星載鐘，當(dāng)燈電壓參數(shù)超限時(shí)，即說明目前該星載鐘的工作處于異常狀態(tài)，需要進(jìn)行衛(wèi)星鐘切換操作。

基于健康狀態(tài)的預(yù)測：根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)給出的設(shè)備健康狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合設(shè)備的工作特性進(jìn)行故障預(yù)測。該方法適用于處于亞健康狀態(tài)時(shí)仍能繼續(xù)工作的設(shè)備。該類設(shè)備在這種狀態(tài)下工作不穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增長其健康狀態(tài)將繼續(xù)惡化，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。故障預(yù)測模塊需要根據(jù)設(shè)備從亞健康到故障隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的故障預(yù)測。

基于預(yù)警元件的預(yù)測：根據(jù)系統(tǒng)的長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或充分的驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)某項(xiàng)性能參數(shù)超過特定范圍或設(shè)備工作狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，將預(yù)示某設(shè)備、系統(tǒng)即將出現(xiàn)故障或性能出現(xiàn)下降。對(duì)于該類參數(shù)或設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，制定合理的預(yù)警時(shí)間和預(yù)警范圍，可以及時(shí)、有效的避免故障發(fā)生。

基于壽命的預(yù)測[4]：對(duì)于電子器件，例如電池、指示燈等，在其產(chǎn)品指標(biāo)中有明確的壽命限制或動(dòng)作次數(shù)限制。對(duì)這些電子器件，可使用卡爾曼濾波模型對(duì)基于多狀態(tài)信息的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，在器件使用到壽命后期時(shí)及時(shí)做出故障預(yù)報(bào)，予以更換。該方法在濾波理論的基礎(chǔ)上，借助于概率統(tǒng)計(jì)理論，通過剩余壽命預(yù)測模型的建立及參數(shù)估計(jì)，有助于維修管理人員從定量的角度根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)信息確定其剩余壽命。

4）自助推理決策模塊

自助推理決策模塊接收來自告警信息綜合處理模塊、健康評(píng)估模塊和故障預(yù)測模塊處理的數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)工程建設(shè)任務(wù)安排，以系統(tǒng)可靠性最優(yōu)、維修成本最小等目標(biāo)做出維修決策，確立最佳維修時(shí)機(jī)。

5 結(jié) 論

隨著PHM技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，世界各國對(duì)PHM技術(shù)的興趣日漸濃厚。各國衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在不斷升級(jí)換代、逐步追求技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展的同時(shí)，作為涉及領(lǐng)域廣、設(shè)備組成復(fù)雜的工程系統(tǒng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的逐漸增長穩(wěn)定運(yùn)行將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。借鑒PHM概念和技術(shù)，構(gòu)建了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的健康管理框架，為實(shí)現(xiàn)智能化的系統(tǒng)健康評(píng)估和管理維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

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