劉海光,李 偉,張 永
(海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系,山東 青島,266199)
遠(yuǎn)程誘騙型無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)是一種主動(dòng)使用,自主工作,通過模擬潛艇特性,誘騙反潛飛機(jī)、水下監(jiān)聽系統(tǒng)等反潛兵力及裝備,以掩護(hù)或協(xié)同潛艇作戰(zhàn),提升體系作戰(zhàn)能力的新型水下信息戰(zhàn)武器。其與現(xiàn)有自航式誘餌在使命任務(wù)、作戰(zhàn)范圍、指控模式等方面存在顯著區(qū)別[1-2]?,F(xiàn)有自航式聲誘餌主要誘騙水下來襲魚雷,一般以誘騙成功概率為其效能評(píng)價(jià)指標(biāo),其效能分析一般方法為:通過構(gòu)建誘餌與來襲魚雷相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,基于誘餌性能,研究在不同態(tài)勢(shì)情況下誘餌對(duì)來襲魚雷的誘騙概率[3-5]。
遠(yuǎn)程誘騙型 UUV作戰(zhàn)目的是為提升體系作戰(zhàn)能力,其作戰(zhàn)對(duì)象為敵各種反潛平臺(tái),評(píng)價(jià)其作戰(zhàn)效能應(yīng)將其納入作戰(zhàn)體系中,不單考慮其對(duì)反潛兵力的誘騙成功概率,更應(yīng)從作戰(zhàn)整體考慮其所掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)任務(wù)的達(dá)成,因此,現(xiàn)有自航式聲誘餌的效能分析方法不適用于遠(yuǎn)程誘騙型UUV。目前針對(duì)遠(yuǎn)程誘騙型UUV作戰(zhàn)效能方面的研究較少,文獻(xiàn)[6]依據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn),分析遠(yuǎn)程誘餌對(duì)敵反潛體系的影響,應(yīng)用權(quán)重分析法比較了使用與不使用遠(yuǎn)程誘餌 2種情況下潛艇突破封鎖的概率變化,該方法對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)依賴大,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取相對(duì)困難,甚至無法獲取,一定程度上限制了該方法的應(yīng)用。文中結(jié)合遠(yuǎn)程誘騙型UUV掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)的過程及目的,提出遠(yuǎn)程誘騙型UUV對(duì)抗反潛兵力作戰(zhàn)效能指標(biāo),以反潛兵力搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率模型為基礎(chǔ),建立多枚誘餌誘騙反潛兵力的誘騙概率及牽制時(shí)間模型,構(gòu)建典型作戰(zhàn)想定模型,仿真分析其在掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)效能,給出作戰(zhàn)效能影響因素。
遠(yuǎn)程誘騙型 UUV可以主動(dòng)使用,實(shí)施大縱深遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng),通過干擾、欺騙等手段與敵反潛平臺(tái)進(jìn)行信息對(duì)抗,擾亂敵海上偵察特別是反潛探測(cè)體系,調(diào)動(dòng)消耗反潛兵力,從戰(zhàn)役層面協(xié)同掩護(hù)主要兵力(如潛艇)完成作戰(zhàn)任務(wù),其從作戰(zhàn)意圖、作戰(zhàn)時(shí)間和作戰(zhàn)空間等方面具有作戰(zhàn)平臺(tái)屬性。遠(yuǎn)程誘騙型 UUV掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)的基本過程為:通過模擬潛艇特性,隱真示假,在一定時(shí)間內(nèi)將敵反潛兵力誘騙至遠(yuǎn)離己方潛艇所處海域,保證己方潛艇兵力安全突破敵封鎖區(qū),以達(dá)成作戰(zhàn)目的。
這種情況下評(píng)估遠(yuǎn)程誘騙型 UUV的作戰(zhàn)效能,不但要考慮其對(duì)敵反潛兵力的誘騙概率,更應(yīng)從作戰(zhàn)體系整體來考慮潛艇突破成功率,因此,應(yīng)選取潛艇突破封鎖區(qū)成功概率作為遠(yuǎn)程誘騙型UUV掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)效能評(píng)價(jià)指標(biāo)。
由反潛巡邏機(jī)反潛工作方式可知,在反潛巡邏機(jī)巡邏搜索模式下,主要靠雷達(dá)搜索目標(biāo),反潛巡邏機(jī)對(duì)目標(biāo)的搜索發(fā)現(xiàn)概率與遠(yuǎn)程誘騙型UUV誘騙反潛巡邏機(jī)的成功概率屬于對(duì)同一事物不同側(cè)面的描述[7-8]。遠(yuǎn)程誘騙型UUV在一定海域均勻分布時(shí),其成功誘騙反潛巡邏機(jī)的概率按下式計(jì)算[9-10]
式中:S1為反潛巡邏機(jī)單位時(shí)間內(nèi)搜索面積;ts為反潛巡邏機(jī)搜索時(shí)間;S∑為須搜索的海域面積;Pj為雷達(dá)探測(cè)信號(hào)接觸目標(biāo)概率;dld為雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離;Vss為反潛巡邏機(jī)搜索速度。
反潛巡邏機(jī)使用雷達(dá)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),遠(yuǎn)程誘騙型 UUV可監(jiān)測(cè)到反潛巡邏機(jī)信號(hào),并模擬潛艇實(shí)施下潛規(guī)避??紤]到遠(yuǎn)程誘騙型 UUV目標(biāo)特性較小,反潛巡邏機(jī)很難通過雷達(dá)信號(hào)確定目標(biāo)準(zhǔn)確位置,隨即使用聲吶浮標(biāo)確定目標(biāo)位置,此時(shí)目標(biāo)概略位置已知,使用浮標(biāo)成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率可按下式計(jì)算[8,11]
式中:dfb為浮標(biāo)有效作用距離;Vm為目標(biāo)速度;nfb為浮標(biāo)數(shù)量;Pjs為能接觸到并能識(shí)別的概率;Sd為使用浮標(biāo)搜索面積;tss為反潛巡邏機(jī)使用浮標(biāo)搜索時(shí)間;R0為巡邏開始時(shí)目標(biāo)所處圓的半徑。
使用雷達(dá)與使用浮標(biāo)是 2個(gè)連續(xù)的過程,無論使用浮標(biāo)探測(cè)結(jié)果如何,從作戰(zhàn)效果來說遠(yuǎn)程誘騙型 UUV已經(jīng)成功完成了一次誘騙。因此首次誘騙成功概率P1只與誘騙雷達(dá)成功率有關(guān),即可計(jì)算為
反潛巡邏機(jī)在使用浮標(biāo)探測(cè)目標(biāo)時(shí),一般會(huì)使用主動(dòng)聲吶浮標(biāo)。當(dāng)遠(yuǎn)程誘騙型 UUV探測(cè)到主動(dòng)聲吶浮標(biāo)信號(hào)后,會(huì)降低甚至關(guān)閉模擬信號(hào)并采用戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)匿跡,使得反潛巡邏機(jī)丟失目標(biāo)信號(hào)。遠(yuǎn)程誘騙型UUV在判斷為成功擺脫反潛巡邏機(jī)后,會(huì)再次開啟模擬信號(hào),以便讓反潛巡邏機(jī)再次發(fā)現(xiàn),如此反復(fù)。反潛巡邏機(jī)丟失目標(biāo)后,往往會(huì)再次使用浮標(biāo)搜索,再次搜索發(fā)現(xiàn)概率可按式(3)計(jì)算。
從遠(yuǎn)程誘騙型 UUV被反潛巡邏機(jī)雷達(dá)發(fā)現(xiàn),到反潛巡邏機(jī)使用完一次浮標(biāo)陣的過程稱為遠(yuǎn)程誘騙型 UUV的一個(gè)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗周期Td。戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗周期也就是誘騙型 UUV對(duì)反潛兵力的牽制時(shí)間,由于反潛巡邏機(jī)的機(jī)動(dòng)性很強(qiáng),一個(gè)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗周期的時(shí)間主要是布放浮標(biāo)并進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的時(shí)間。假設(shè)在不同對(duì)抗周期內(nèi)反潛巡邏機(jī)有效識(shí)別假目標(biāo)的概率相等且為Psb,則反潛巡邏機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行再次搜索的可能性可定為1-Psb,則連續(xù)2次誘騙概率為
由此可以得到連續(xù)n次成功誘騙的概率為
遠(yuǎn)程誘騙型 UUV與反潛巡邏機(jī)一次對(duì)抗過程一般會(huì)經(jīng)歷若干個(gè)對(duì)抗周期。在假定每次使用浮標(biāo)陣時(shí)間相同的情況下,則實(shí)施k次誘騙的牽制反潛巡邏機(jī)時(shí)間是kTd,假定一架反潛巡邏機(jī)最多使用浮標(biāo)聲吶的次數(shù)為 4次,在反潛巡邏機(jī)航程滿足要求的情況下,針對(duì)一架反潛巡邏機(jī)的一次任務(wù)中,單枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV對(duì)反潛巡邏機(jī)平均牽制時(shí)間
使用多枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV對(duì)反潛巡邏機(jī)實(shí)施誘騙時(shí),為增大誘騙成功概率,多枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV在同一海域平均分布,且間距較大,不會(huì)發(fā)生2枚以上遠(yuǎn)程誘騙型UUV被同時(shí)發(fā)現(xiàn),且遠(yuǎn)程誘騙型UUV間完全獨(dú)立,至少有1枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率可按下式計(jì)算
式中:n為使用遠(yuǎn)程誘騙型UUV的數(shù)量;Psn為使用雷達(dá)發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程誘騙型UUV的概率。
在遠(yuǎn)程誘騙型 UUV的間隔大于浮標(biāo)與反潛巡邏機(jī)通信距離的情況下,不會(huì)發(fā)生 2枚以上遠(yuǎn)程誘騙型 UUV被同時(shí)定位,通過以上分析可知,發(fā)生1枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV被成功定位的概率
依據(jù)單枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV的情況分析,則使用n枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV時(shí),首次誘騙反潛巡邏機(jī)成功概率為
在遠(yuǎn)程誘騙型 UUV技術(shù)狀態(tài)不變或相同環(huán)境下,連續(xù)k次誘騙成功后的牽制時(shí)間是kTd,假設(shè)敵反潛巡邏機(jī)每次有效識(shí)別假目標(biāo)的概率為Psb。反潛巡邏機(jī)在判斷為假目標(biāo)后,放棄使用浮標(biāo)聲吶搜索,繼續(xù)使用雷達(dá)搜索,假定反潛巡邏機(jī)使用浮標(biāo)定位搜索的次數(shù)最大為 4次,平均牽制時(shí)間Tk平均有表1所示的8種情況,其中L表示使用雷達(dá)搜索,F表示使用浮標(biāo)搜索,出現(xiàn)概率表示當(dāng)前情況發(fā)生的概率。
根據(jù)現(xiàn)有資料分析,在一定的海洋環(huán)境下,水下監(jiān)聽系統(tǒng)對(duì)處于其作用范圍內(nèi)的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率是時(shí)間的函數(shù),時(shí)間越長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)概率越大[12],文中只考慮時(shí)間對(duì)發(fā)現(xiàn)概率的影響,假定發(fā)現(xiàn)概率與目標(biāo)處于有效范圍的時(shí)間成正比,在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)處于其作用區(qū)域的目標(biāo)概率為a,則水下監(jiān)聽系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率
表1 多枚遠(yuǎn)程誘騙型無人水下航行器平均牽制時(shí)間Table 1 Average diversion time of multiple long-range decoy unmanned undersea vehicles(UUVs)
式中,t為遠(yuǎn)程誘騙型UUV處于水下監(jiān)聽系統(tǒng)有效作用區(qū)域的時(shí)間。
作戰(zhàn)想定:如圖1所示,航道A、B為潛艇2條突破航道,敵方在航道外圍布設(shè)有水下監(jiān)聽系統(tǒng),同時(shí)反潛巡邏機(jī)沿航道外圍進(jìn)行不間斷巡邏偵察。當(dāng)監(jiān)聽系統(tǒng)檢測(cè)到潛艇信號(hào)后,將信息傳遞給反潛巡邏機(jī),反潛巡邏機(jī)隨即實(shí)施應(yīng)召反潛。遠(yuǎn)程誘騙型UUV規(guī)劃從A航道模擬潛艇通過,誘騙敵反潛巡邏機(jī)前往,與此同時(shí)潛艇擇機(jī)從B航道突破。
圖1 掩護(hù)潛艇想定圖Fig.1 Scenario sketch map of covering submarine
在沒有應(yīng)召信息的情況下,反潛巡邏機(jī)沿著巡邏線飛行,并以自身發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)為依據(jù)實(shí)施反潛。如果同時(shí)有 2個(gè)目標(biāo)信息,反潛巡邏機(jī)采用就近原則實(shí)施反潛作業(yè)。反潛巡邏機(jī)在執(zhí)行應(yīng)召反潛任務(wù)的過程中,在判明當(dāng)前目標(biāo)性質(zhì)之前,不再執(zhí)行新的反潛任務(wù)。
潛艇突破水下監(jiān)聽系統(tǒng)的距離大于1.5倍的反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn)距離后,沒有被反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn),可以認(rèn)為潛艇成功突破,在此之前若反潛巡邏機(jī)發(fā)現(xiàn)潛艇,則認(rèn)定潛艇突破失敗。
反潛巡邏機(jī)沿南北長(zhǎng)300 n mile航線直線往復(fù)搜索,巡邏線距離水下監(jiān)聽系統(tǒng)15 n mile。反潛巡邏機(jī)巡航速度為 300 kn/h,雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)程誘騙型UUV的最大發(fā)現(xiàn)距離為5 n mile,單個(gè)浮標(biāo)作用距離為2 n mile。水下監(jiān)聽系統(tǒng)對(duì)潛艇和遠(yuǎn)程誘騙型UUV的有效作用距離為15 n mile。假定在1 h內(nèi)水下監(jiān)聽系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)處于其作用區(qū)域的目標(biāo)概率為 0.4,反潛飛機(jī)有效識(shí)別假目標(biāo)的概率為0.3。
根據(jù)上述作戰(zhàn)想定,構(gòu)建模型如圖2所示。
潛艇與遠(yuǎn)程誘騙型UUV初始位置橫坐標(biāo)為0,潛艇初始位置縱坐標(biāo)在0~100 n mile隨機(jī)選取,遠(yuǎn)程誘騙型UUV初始位置縱坐標(biāo)在200~300 n mile隨機(jī)選取;潛艇及遠(yuǎn)程誘騙型UUV航向與X軸夾角為0。當(dāng)遠(yuǎn)程誘騙型UUV橫坐標(biāo)大于150 n mile時(shí),開始誘騙反潛巡邏機(jī)。水下監(jiān)聽系統(tǒng)陣列位置:X為150 n mile處,沿Y軸方向分布。每段長(zhǎng)度100 n mile,2段間隔100 n mile。
反潛巡邏機(jī)巡邏線位置:X為165 n mile處,沿Y軸分布,航線長(zhǎng)度為300 n mile。反潛巡邏機(jī)沿監(jiān)聽陣外沿往返飛行,初始位置隨機(jī)確定。
1)使用單枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV協(xié)同突破
基于以上作戰(zhàn)想定及計(jì)算模型,使用單枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV,在遠(yuǎn)程誘騙型 UUV和潛艇選擇不同航速情況下,利用蒙特卡洛法進(jìn)行仿真,潛艇突破成功概率與潛艇及遠(yuǎn)程誘騙型 UUV航速的關(guān)系如圖3所示。
2)使用2枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV協(xié)助突破
為提高潛艇突破概率,模擬同時(shí)使用 2枚遠(yuǎn)程誘騙型UUV實(shí)施誘騙,2枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV起始點(diǎn)隨機(jī)分布,且間距大于反潛飛機(jī)的發(fā)現(xiàn)距離,兩誘餌縱坐標(biāo)間距大于 2倍的反潛飛機(jī)發(fā)現(xiàn)距離,突破成功概率與潛艇及遠(yuǎn)程誘騙型 UUV航速的關(guān)系如圖4所示。
圖3 突破概率與潛艇及單枚UUV航速關(guān)系Fig.3 Relations of breakthrough probability with speeds of submarine and single UUV
圖4 突破成功率與潛艇及2枚UUV航速關(guān)系Fig.4 Relations of breakthrough probability with speeds of submarine and two UUVs
3)防守相對(duì)不嚴(yán)密情況下的突破
將想定條件改變?nèi)缦?2條監(jiān)聽線長(zhǎng)度改為200 n mile,間隔為200 n mile,敵反潛巡邏機(jī)航線長(zhǎng)為600 n mile。潛艇初始位置縱坐標(biāo)在0~200 n mile內(nèi)隨機(jī)選取,遠(yuǎn)程誘騙型 UUV初始位置縱坐標(biāo)400~600 n mile內(nèi)隨機(jī)選取。使用2枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV,在其他條件不變情況下突破成功概率與潛艇及遠(yuǎn)程誘騙型 UUV航速的關(guān)系如圖5所示。
圖5 防守不嚴(yán)密情況下突破概率與潛艇及2枚UUV航速關(guān)系Fig.5 Relations of breakthrough probability with speeds of submarine and two UUVs in the case of untight defense
1)潛艇速度與遠(yuǎn)程誘騙型 UUV速度差別較大時(shí)(相當(dāng)于不使用遠(yuǎn)程誘騙型 UUV)潛艇突破概率較低,在遠(yuǎn)程誘騙型UUV掩護(hù)下,潛艇成功突破概率有了明顯提升。
2)使用單枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV,由于牽制反潛巡邏機(jī)的時(shí)間相對(duì)較短,當(dāng)潛艇速度和遠(yuǎn)程誘騙型UUV速度相當(dāng)時(shí),即當(dāng)遠(yuǎn)程誘騙型UUV與潛艇幾乎同時(shí)到達(dá)封鎖線時(shí),突破成功概率較高,而當(dāng)潛艇速度小于或大于遠(yuǎn)程誘騙型 UUV速度時(shí),即當(dāng)兩者不同時(shí)到達(dá)封鎖線時(shí),突破成功率明顯下降,因此,這種情況下,遠(yuǎn)程誘騙型 UUV和潛艇需要相互配合,實(shí)現(xiàn)幾乎同時(shí)通過封鎖區(qū)域,此時(shí)遠(yuǎn)程誘騙型 UUV被發(fā)現(xiàn)后才能牽制敵反潛巡邏機(jī),兩者到達(dá)水下監(jiān)聽系統(tǒng)的時(shí)間差越大,潛艇突破成功率就越低。
3)使用 2枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV,隨著牽制反潛巡邏機(jī)時(shí)間變大,突破成功概率明顯提高。突破概率的最高點(diǎn)集中在遠(yuǎn)程誘騙型 UUV速度略高于潛艇速度情況下,表明當(dāng)牽制時(shí)間變大時(shí),可以讓遠(yuǎn)程誘騙型 UUV首先達(dá)到封鎖區(qū),將反潛巡邏機(jī)吸引到遠(yuǎn)程誘騙型 UUV工作區(qū),潛艇再擇機(jī)突破。因此在戰(zhàn)術(shù)使用時(shí),可根據(jù)遠(yuǎn)程誘騙型UUV使用數(shù)量決定突破戰(zhàn)術(shù)。
4)在敵防守嚴(yán)密的情況下,不使用遠(yuǎn)程誘騙型UUV,潛艇成功突破的可能性較低。在敵防守不嚴(yán)密,潛艇單獨(dú)突破的成功概率較高時(shí),在保證隱蔽性的情況下,潛艇應(yīng)選擇以較高的速度突破。
5)在使用遠(yuǎn)程誘騙型UUV掩護(hù)突破時(shí),當(dāng)遠(yuǎn)程誘騙型UUV牽制反潛巡邏機(jī)時(shí)間小于潛艇突破反潛封鎖帶時(shí)間時(shí),應(yīng)讓遠(yuǎn)程誘騙型 UUV與潛艇同時(shí)到達(dá)封鎖線;當(dāng)遠(yuǎn)程誘騙型UUV牽制反潛巡邏機(jī)時(shí)間大于潛艇突破反潛封鎖帶時(shí)間時(shí),應(yīng)讓遠(yuǎn)程誘騙型 UUV先到達(dá)封鎖線,產(chǎn)生誘騙效果,潛艇再擇機(jī)突破,遠(yuǎn)程誘騙型UUV牽制反潛巡邏機(jī)的平均時(shí)間相較潛艇突破反潛封鎖帶的時(shí)間越大,遠(yuǎn)程誘騙型UUV先到達(dá)封鎖帶時(shí)間就可以越早;同時(shí)應(yīng)盡可能加大潛艇的突破速度。
文中通過分析遠(yuǎn)程誘騙型 UUV掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)目的及過程,提出了遠(yuǎn)程誘騙型 UUV掩護(hù)潛艇突破反潛封鎖作戰(zhàn)效能評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了單枚及多枚遠(yuǎn)程誘騙型 UUV誘騙不同反潛兵力概率模型和牽制時(shí)間模型,構(gòu)建了遠(yuǎn)程誘騙型 UUV協(xié)助潛艇突破反潛巡邏機(jī)與水下監(jiān)聽系統(tǒng)所組成的反潛體系作戰(zhàn)效能模型。根據(jù)典型作戰(zhàn)想定,對(duì)使用遠(yuǎn)程誘騙型 UUV掩護(hù)潛艇作戰(zhàn)進(jìn)行了仿真,檢驗(yàn)不同條件下潛艇突破成功概率,潛艇突破島鏈成功率與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、遠(yuǎn)程誘騙型 UUV的使用數(shù)量、敵防守兵力、采用的突防戰(zhàn)術(shù)等因素有關(guān),并提出了提升潛艇突破成功概率的方法和措施。仿真結(jié)果表明,所建模型對(duì)效能影響因素表達(dá)較為全面,對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)依賴較少,具有較高的適用性。但是,文中只分析了反潛巡邏機(jī)、水下監(jiān)聽系統(tǒng)2種反潛兵力聯(lián)合反潛情況下遠(yuǎn)程誘騙型 UUV掩護(hù)潛艇突破封鎖的作戰(zhàn)效能,尚沒有研究遠(yuǎn)程誘騙型 UUV誘騙反潛水面艦艇、反潛直升機(jī)等其他反潛兵力的作戰(zhàn)效能,有待進(jìn)一步展開研究,便使研究結(jié)論更具普遍性,更符合戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際。
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