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2018年  第44卷  第1期

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2018年, 第44卷, 第1期
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论文
地标自主导航的高精度地标库建立方法
杨博, 张典律, 赵晓涛
2018, 44(1): 1-9. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0021
摘要:

利用地标信息的卫星自主导航方法是通过星载光学摄像机实时拍摄地标景象来计算卫星的位置、速度等参数,具有完全自主的特点,并且适用范围广泛,可用于能够周期性获得地面图像的航天器,但受到地标选取方法以及地标库建立策略的制约,影响到导航精度,阻碍了推广使用。针对上述问题,提出了建立全局及高性能的地标库,即采用全球地标控制点选取的原则选取性能优良的全球地标样本,并自动生成全局地标库。通过计算机仿真验证了该方法的有效性,结果表明,使用全球地标控制点选取地标样本,并自动生成全局地标库,可以快速而准确地为航天器进行高精度的自主导航,导航位置误差约为99 m,速度误差约为0.08 m/s。

考虑单元界面关联特性的微定位平台刚度建模
宫金良, 郑洋洋, 张彦斐
2018, 44(1): 10-17. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0972
摘要:

设计了一种含折叠梁的并联微定位平台,具有大行程、低阻力的特点。采用传递矩阵法求解其刚度,建立各柔性子单元的传递矩阵,利用相邻单元公共结点实现传递性,通过力平衡方程、变形协调方程求解其末端位移与输入力之间的刚度矩阵,并提出了考虑全柔性的弹性折叠梁及弹性移动副刚度的求解方法。将传递矩阵法求解结果与有限元分析结果对比,误差在20.5%以内,在此基础上,考虑到模块化刚度分析方法将各子单元视为独立体,忽略各子单元之间的界面关联特性,提出了一种根据各子单元界面关联特性进行修正的方法,结果表明,该方法使其误差降低到10%以内,更好地满足了实际工程需求。

基于TVP-VAR模型的多模式交通需求耦合分析
马晓磊, 孙硕, 丁川, 王云鹏
2018, 44(1): 18-26. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0010
摘要:

城市交通出行选择多模式条件下多种出行方式之间的出行需求关系密切,为了探讨城市居民对地铁、公交车、私家车3种出行方式出行需求之间的耦合关系及时变特征,采用时变参数向量自回归(TVP-VAR)模型,使用道路拥堵指数近似代表私家车出行量,对2个小区一个月内工作日时间地铁出行量、公交车出行量和道路拥堵指数三者的平均值进行分析。研究结果表明:地铁出行量、公交车出行量、私家车出行量三者相互作用关系针对不同的用地类型,整体影响趋势不会变化太大,影响大小在时间上存在差异;城市交通小区内居民对地铁、公交车、私家车3种出行方式的出行需求之间全天存在相互作用关系,地铁出行需求的增加会减少公交车出行需求,公交车出行需求的增加会增加地铁出行需求,而私家车出行需求的增加会增加地铁出行需求并减少公交车出行需求。研究结果有助于深入认识现阶段中国城市多模式交通出行方式之间的耦合关系,以更好地应对城市交通拥堵问题。

面向高分辨率遥感影像的地形辐射校正方法
丁一帆, 尤红建, 张浩, 陈双军, 许斌, 孙韬
2018, 44(1): 27-35. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0979
摘要:

地形辐射校正对获取准确的地表定量遥感精度意义重大。针对传统地形辐射校正模型不适用于高分辨率遥感影像的问题,提出了一种基于辐射传输模型,同时严控误差源的地形辐射校正方法,以资源三号01星高分辨率全色及多光谱遥感影像为例进行相关实验,实现对高分辨率遥感影像的地形辐射校正,并进行了主客观分析与评价。分析结果表明:本文提出的地形辐射校正模型和方法,能有效解决全色遥感影像在绝对辐射定标系数缺失情况下校正效果差以及如何保持高分辨率遥感影像细节等难点,较传统方法更适用于高分辨率遥感影像。

原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究
周斌权, 郝杰鹏, 梁晓阳, 全伟, 刘刚
2018, 44(1): 36-42. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0964
摘要:

原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。

实时单核和谐周期分区系统时间窗口分配算法
尚利宏, 谭特, 周密
2018, 44(1): 43-49. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0980
摘要:

目前航空电子系统正快速朝着综合模块化方向发展。为了防止同一计算平台上的应用相互干扰,IMA软件普遍采用分区机制。由于时间分区的引入,传统的实时周期任务可调度性分析已经不再适用。为此研究了一类特殊的分区系统——和谐周期分区系统在单处理器下的可调度性。给出了和谐周期分区系统的形式化定义以及系统中任务可调度性的充分必要条件,并基于此提出了一种分区时间窗口分配算法。该算法为每个分区在主时间帧内分配多个时间窗口,并且保证只要和谐周期分区系统在理论上可调度,该算法就一定能生成一个可行的调度表,使得当全局调度器按照此调度表周期地调度分区时,各个分区中的任务不会超时。本文提出的算法可以运用在实际的工程中。

共轴刚性双旋翼非定常气动干扰载荷分析
谭剑锋, 孙义鸣, 王浩文, 林长亮
2018, 44(1): 50-62. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0033
摘要:

共轴刚性双旋翼系统提高直升机最大前飞速度,但旋翼振动载荷明显增大。为研究高速共轴刚性双旋翼系统振动载荷特性,须首先分析共轴刚性双旋翼气动干扰下的非定常气动载荷。基于非定常面元法建立满足桨叶前缘和后缘边界条件的旋翼反流区气动模型以体现高速共轴刚性双旋翼后行边反流区影响,且增加共轴刚性双旋翼桨尖涡-桨叶气动干扰模型以体现共轴刚性双旋翼非定常气动干扰影响,并结合基于黏性涡粒子法的共轴刚性双旋翼尾迹模型,构建高速共轴刚性双旋翼气动干扰下的气动载荷分析方法。通过计算前飞状态下的X2共轴刚性双旋翼特征剖面非定常气动载荷时间历程,并与PRASADUM以及基于NASA OVERFLOW和CREATE AV Helios的CFD/CSD计算结果对比,验证本文共轴刚性双旋翼非定常气动载荷分析方法的有效性。相比于PRASADUM,本文分析更好地体现上、下旋翼在前行边和后行边非定常气动载荷的变化特性,并与CFD/CSD计算结果更吻合。分析X2上、下旋翼气动干扰对共轴刚性双旋翼桨叶非定常气动载荷的影响,以及单旋翼与共轴刚性双旋翼非定常气动载荷差异。分析表明,低速状态下的共轴刚性双旋翼非定常气动载荷受双旋翼桨尖涡干扰显著,而高速前飞状态受双旋翼桨叶干扰明显,且表现出桨叶片数整数倍的辐射状干扰特征。

基于抛物方程的低空空域监测雷达城市环境地杂波强度分布建模
雷鹏, 冉志强, 王俊, 刘晓敏
2018, 44(1): 63-70. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0037
摘要:

地杂波强度是影响雷达低空空域监测性能的重要因素之一。尤其在城市环境下,高层建筑和大气结构将使雷达信号传播及地表电磁散射特性产生复杂变化。提出一种基于抛物方程(PE)的城市环境地杂波强度分布建模方法,能够为低空空域监测雷达系统性能预估、站址选择和杂波特性分析提供理论基础。首先,通过宽角PE模型,预测城市高层建筑及大气结构引起的雷达信号反射、绕射、折射和多径效应;其次,将宽角PE模型扩展到三维空间,结合雷达方程,实现各杂波单元的强度计算;最后,利用仿真结果分析了不同建筑外形和高层建筑群对雷达信号传播和地杂波强度的影响。

基于分布式动力的翼身融合飞机整流罩气动设计
项洋, 吴江浩, 熊峻江
2018, 44(1): 71-81. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0027
摘要:

整流罩设计对基于分布式动力的翼身融合(BWB)飞机气动特性会产生显著影响。为了揭示在边界层吸入(BLI)效应下整流罩的设计参数对飞机气动特性的影响及其原因,采用计算流体力学(CFD)方法和Morris敏感度分析法对此布局飞机气动特性进行了详细研究,得到了整流罩主要设计参数对飞机气动特性影响的敏感度和耦合关系,并对典型设计参数下的流动特性进行分析。结果表明:对飞机气动特性影响较大的参数是整流罩特征截面2和3的最大厚度,这是因为其增大了当地截面的厚度和弯度,进而影响了整流罩表面的压力分布;在流量系数减小和进气边界弦向位置前移时,最大厚度增大会造成背风面发生局部分离;整流罩特征截面2和3的最大厚度对气动特性具有较强的耦合影响。

频率步进SAR虚拟阵列模型成像方法
冉达, 尹灿斌, 贾鑫
2018, 44(1): 82-88. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0943
摘要:

针对频率步进合成孔径雷达(SAR)采用经典逆傅里叶变换成像方法时距离向无模糊测绘带宽度有限的问题,提出一种将频率步进SAR脉冲串信号等效为沿航迹分布的虚拟阵列雷达信号的模型及成像处理方法,并利用改进的后向投影方法实现对目标的无模糊成像。建立了频率步进SAR虚拟阵列模型,给出了基于该模型的高分辨距离像合成方法,并通过在原始后向投影方法的基础上引入距离偏移校正和二次相位补偿,实现了对目标的精确二维成像。结果表明:频率步进SAR虚拟阵列模型成像方法不受频率步进雷达无模糊测绘带宽度的理论限制,可以实现较宽测绘带内各目标的无模糊、快速成像。

飞翼无人机机动飞行非线性鲁棒控制方法
李继广, 陈欣, 李亚娟, 张榕
2018, 44(1): 89-98. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0014
摘要:

针对飞翼布局无人机操纵能力不足的特点,提出了结合流体矢量(FTV-E)控制技术控制策略。设计了内环补偿器以消除系统不利的耦合项,外环控制器采用了反步跟踪算法,并采用粒子群优化(PSO)补偿器补偿各种扰动和不可建模的耦合项的控制方案,证明了控制结构的稳定性。在传统反步控制方法的基础上,增加了内环补偿器。该内环补偿器保留了对飞行有利的气动阻尼项,降低外环控制器的保守性,方便工程实现。仿真结果显示,该控制方案是有效的。

液氮贮箱常压停放实验与数值仿真
李佳超, 梁国柱
2018, 44(1): 99-107. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0016
摘要:

为研究低温推进剂的常压停放过程,设计了可视化液氮贮箱实验系统。实验中研究充填率和环境温度对液氮汽化量的影响,并测量贮箱内流体和贮箱外壁面的温度随时间和位置的变化。实验得出贮箱常压停放过程,相变主要在壁面和气液界面产生,并且气枕区存在温度分层,距出口位置越近温度越高;而液体区温度基本一致,处于饱和状态。贮箱外壁面在轴向的温度分布显著不同,处于液体区壁面温度低。运用分子动力学推导出的Hertz-Knudsen公式作为气液相变的传热传质源项,并据实验测得温度边界条件,采用混合物模型对贮箱常压停放状态进行30 min的数值仿真。仿真得到结果显示体积汽化速率与实验数据的偏差在5%以内,液体区的温度仿真与实验的偏差在0.15 K左右。

星载GNSS-R辅助海洋盐度探测方法
王峰, 杨东凯
2018, 44(1): 108-116. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0018
摘要:

全球导航卫星系统反射计(GNSS-R)是近年来兴起的一种被动式遥感手段,可用于提高海洋盐度(SSS)反演精度。首先,在回顾辐射计亮温模型和GNSS-R散射功率模型,并建立星载仿真场景的基础上,研究了GNSS-R辅助辐射计探测海洋盐度的性能,使辐射计工作于GPS L1频点1 575.42 MHz时,通过共用天线和射频前端可以降低星载设备的质量和功耗,但对海洋盐度大于25 psu的条件下,垂直和水平极化的亮温对海洋盐度的灵敏度分别下降约0.1和0.08 K/psu;其次,分析了GPS L1反射信号对辐射计的干扰,发现在仿真场景下当辐射亮温变化1 K时,GPS L1反射信号引入了小于2.5×10-4 K的误差;再者,讨论了不同入射角情况下定义的垂直和水平极化的GNSS-R观测量对亮温校正量的灵敏度,结果表明随入射角增大,水平、垂直极化信号的观测量对亮温校正量的灵敏度分别呈现下降和上升趋势;最后,分析了定义的GNSS-R观测量对亮温校正量的灵敏度与空间分辨率之间的关系,得出了高灵敏度、高空间分辨率反演算法的研究对星载GNSS-R辅助辐射计海洋盐度探测至关重要的结论。

一种增量并行式动态图异常检测算法
韩涛, 兰雨晴, 肖利民, 刘艳芳
2018, 44(1): 117-124. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0019
摘要:

图结构异常检测可以发现金融欺诈行为、网络入侵和可疑的社交行为。针对当前检测图异常算法的计算复杂度高、不能处理大规模动态图的缺点,研究并提出了一种增量并行式的算法以便更有效地发现和检测大规模动态图中的异常。该算法使用时间滑动窗口对图进行划分,在初始化阶段选取N个子图,使用最小描述长度(MDL)原理并行检测正常模式和异常模式,并行迭代地检测其他子图中的正常结构和异常结构。在多个大规模图数据集上的实验结果表明,检测动态图结构异常准确率达到96%,召回率达到85%,运行时间减少了一个数量级。同时还讨论了滑动窗口大小和并行数量对算法运行时间的影响。

GNSS海面反射信号的三维建模方法
祁永强, 张波, 杨东凯, 张彦仲, 张健敏
2018, 44(1): 125-131. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0023
摘要:

全球导航卫星系统反射(GNSS-R)技术应用中需GNSS-R信号模拟器来测试反射信号接收机,以降低成本。为此,提出了一种基于双基雷达原理的全球导航卫星系统(GNSS)海面反射信号建模方法。首先,分析了GNSS-R双基雷达遥感原理,根据延迟和多普勒频率在海面的分布特点,选择海面的反射点,并计算相应反射单元的面积;然后,对散射系数进行了计算;最后,对多条反射信号的合路信号进行相关的仿真验证。验证结果表明:模拟的海面反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.92,能够有效地用于GNSS海面反射信号的生成。

纠错输出编码的留一误差界估计
薛爱军, 王晓丹
2018, 44(1): 132-141. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0031
摘要:

纠错输出编码(ECOC)作为分解框架,将多类分类问题转化为二类分类问题,是解决多类分类问题的有效手段。为了提高ECOC的泛化性能,对ECOC基分类器的设计问题进行了研究。解决这一问题的关键是对ECOC的泛化性能进行估计。留一(LOO)误差作为泛化性能的无偏估计,研究了ECOC留一误差界的估计问题。先给出了ECOC留一误差的定义,基于此定义,再给出了基分类器为支持向量机(SVM),解码方法为线性损失函数解码时,ECOC留一误差的上界和下界。在人工数据集和UCI数据集上的实验表明,ECOC留一误差的上界可以指导基分类器的参数选择,通过基分类器设计可以提高ECOC的泛化性能。此外,ECOC的训练误差可以作为ECOC留一误差的下界,对ECOC留一误差下界的研究可以作为未来的研究方向。

纤维金属层板金属层应变测量及应力预测方法
孟维迎, 谢里阳, 胡杰鑫, 吕骁, 秦波, 王博文
2018, 44(1): 142-150. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0035
摘要:

纤维金属层板作为一种新型复合材料,已开始应用于航空航天领域。脱离传统应变测量方法,应用一种新测量方法——数字化光学应变法,实现了层板中金属层应变的测量;同时以子层刚度理论获得层板的等效刚度矩阵,修正经典层板理论中整体刚度矩阵的求解方法,实现了金属层应力的更准确预测。以纤维增强铝锂合金2/1及3/2层板为例,使用光学应变法测量其金属层应变进而计算金属层应力,利用有限元仿真分析、经典层板理论及修正方法分别对其进行金属层应力预测。通过对比光学应变测量结果和有限元仿真结果,2/1及3/2层板光学应变测量结果与仿真结果最大误差分别为2.12%和3.68%,验证了新测量方法的准确性及实用性;通过对比光学应变测量结果和层板理论预测结果,2/1及3/2层板模型修正后结果比修正前准确率分别提升了2.91%和5.83%,验证了修正模型的有效性及先进性。

基于傅里叶域卷积表示的目标跟踪算法
朱日东, 杨小远, 王敬凯
2018, 44(1): 151-159. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0038
摘要:

针对目标跟踪问题,提出基于傅里叶域卷积表示的目标跟踪算法,将目标跟踪问题转化为卷积表示模型,通过求解最优滤波器,得到对目标函数的最佳表示,可以实现快速鲁棒的跟踪。多通道卷积表示模型在傅里叶域等价于求解线性方程的最佳近似解。首先,通过广义逆理论求得该方程的最优通解,给出一般滤波器的表示形式;然后,利用前一时刻的滤波器和当前特征模板生成当前滤波器,利用满秩算法快速求解广义逆;最后,在位移和尺度上更新、应用该滤波器。在目标跟踪基准(OTB)数据库中的大量实验表明,本文算法比当前部分较为先进的跟踪算法具有更好的表现,并提供了更加灵活多样的滤波器设计。

基于CT的泡沫铝三维细观模型重建及应用
李侯贞强, 张亚栋, 张锦华, 姜春琳
2018, 44(1): 160-168. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0959
摘要:

为了建立更加真实的闭孔泡沫铝三维细观分析模型,提出了一种基于计算机层析成像(CT)的有限元模型构建新方法。首先,对CT扫描得到的泡沫铝试件的扫描图像进行Otsu算法分析,确定了区分基体材料和空气的灰度最佳阈值。其次,基于映射网格思想直接从扫描图像生成了试件的有限元分析模型,实现了泡沫金属三维细观分析模型的重建。最后,以此为基础进行了泡沫铝试件准静态压缩和动态冲击试验的数值模拟,结果表明,准静态压缩下泡沫铝的内部变形随机分布于整个试件,且与其三维结构密切相关;而动态冲击下变形在冲击端附近首先发生,体现出显著的局部化效应。本文方法能真实地描述泡沫金属内部的细观结构,实现了对泡沫铝试件在准静态压缩和动态冲击作用下的受力、变形与破坏过程更加详细的模拟分析。

脉冲星角位置对脉冲模板的影响及其削弱策略
信世军, 郑伟, 王奕迪
2018, 44(1): 169-175. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0958
摘要:

构建脉冲模板是X射线脉冲星导航的一项关键技术,其精度与脉冲星角位置精度密切相关。基于脉冲模板构建的基本原理,推导得到了脉冲星角位置误差对脉冲模板构建影响的系统误差的年化平均值以及任意弧段积分的解析表达式,分析了脉冲星角位置误差对脉冲模板构建的影响。在此基础上,给出了削弱脉冲星角位置误差影响的方法。通过理论推导和仿真分析,验证了误差削弱方法的有效性,可以为优化X射线脉冲星的观测任务以及X射线脉冲模板的构建提供理论支持。

无人机室内视觉/惯导组合导航方法
王亭亭, 蔡志浩, 王英勋
2018, 44(1): 176-186. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0965
摘要:

针对室内无卫星定位下的无人机自主导航问题,提出了一种融合惯导、光流和视觉里程计的组合导航方法。在速度估计上,采用基于ORB特征的光流法,该方法可以实时地估计出无人机的三轴线速度信息。方法采用基于特征点的稀疏光流,对金字塔Lucas-Kanade光流法进行了改进,采用前后双向追踪和随机采样一致的方法提高特征点追踪精度。在位置估计上,采用视觉/惯导融合的视觉里程计,以人工图标法为主,融合视觉光流信息和惯导数据实现无人机定位。通过与运动捕捉系统的定位信息、Guidance和PX4Flow导航模块的测速信息进行对比,以及实际的飞行测试,验证本文方法的可行性。

孔边倒角裂纹当量初始缺陷尺寸的确定方法
孙晓娜, 贺小帆, 李玉海
2018, 44(1): 187-195. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0985
摘要:

孔边倒角裂纹是含孔下陷细节的常见裂纹形态,为进行含孔下陷细节的经济寿命评定,需要确定倒角裂纹的原始疲劳质量(IFQ)。首先,为探究倒角对裂纹前缘应力强度因子的影响,进行了有、无倒角2种情况下应力强度因子的有限元分析。计算表明倒角对相对小裂纹的应力强度因子影响显著。其次,为合理表征该种裂纹的IFQ,将初始缺陷当量为萌生于倒角和试件表面交点,前缘为圆弧的初始裂纹,以萌生点到裂纹前缘沿孔径向的距离作为裂纹特征尺寸。最后,采用相对小裂纹扩展方程描述倒角裂纹的扩展规律,反推得到倒角裂纹的当量初始缺陷尺寸(EIFS)分布。统计分析表明,采用本文定义的裂纹特征尺寸得到的EIFS分布参数与应力水平无关。

基于空间混联机构的人体肩部骨骼运动模型
聂超, 宋智斌, 戴建生
2018, 44(1): 196-204. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0941
摘要:

为了描述人体肩部骨骼系统的运动特征,将肩胛骨与胸廓的相对运动关系定义为类似于圆柱-平面副的运动约束,建立了肩部骨骼系统的空间混联机构模型。首先定义了肩部复合体各关节的类型,并完成了肩带部分和整个肩部机构的自由度分析。然后通过定义附着于各骨骼上的局部坐标系,以齐次坐标变换矩阵和矢量法建立机构的运动分析方程,求得其关节位置的闭合解。最后为了验证该模型,以获得自肩部运动实验的骨骼姿态数据反向驱动该机构模型,从而得到肩胛骨姿态的计算结果,并与测量结果进行对比。结果表明:该机构模型能够反映肩部骨骼的运动约束关系。同时,该模型可以通过缩放处理从而用于适应不同个体的骨骼几何特征。

随机优化的改进交叉熵方法
任超, 张航, 李洪双
2018, 44(1): 205-214. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0017
摘要:

随机优化的交叉熵方法具有高效性和自适应性的特点,在高维和非线性等复杂优化问题中具有巨大的开发潜力。针对传统交叉熵优化方法精度不足的缺点,提出使用“当前精英样本”和“全局精英样本”构建新的参数更新策略,以充分提取迭代历史中的有用信息。采用自适应的平滑策略和变异操作进一步提升计算性能。通过3个计算实例证明,改进后的方法比传统交叉熵方法具有更高的计算精度和更强的全局搜索能力。

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