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美俄水下攻防建设、技术装备发展方向分析

2017-09-05 战略前沿技术

来源:高端装备发展研究中心(wwwjixiezbcomcn),作者:太阳谷


(一)美国水下攻防信息网络基础建设



美海军发展水下信息网络可以追溯到美国20 世纪50 年代建设的固定式水下监视系统(SOSUS)。SOSUS系统采用压电式水听器阵列,主要布放于大洋深海,通过海底电缆将信号传输至岸上进行处理和信息分发。目前太平洋海区的SOSUS系统共有三道:一是“海龙”系统,布设于第一岛链的千岛群岛、日本列岛、琉球群岛、菲律宾至巴布亚新几内亚,并含冲绳、先岛群岛两段;二是“海蜘蛛”系统,从美国阿拉斯加沿阿留申群岛向西布设至库页岛以东,向南至夏威夷群岛以南,覆盖白令海和美国本土以西3000海里;三是“巨人”系统,布设于太平洋中部北纬38°附近,西起日本以东,东至西经150°,与“海蜘蛛”系统相切,主要覆盖太平洋中部。

20世纪80 年代后期,美国开始研制和部署采用光纤传输和局域网技术的分布式固定监视系统,主要包括固定式分布系统(FDS)和先进可部署系统(ADS)。FDS系统由水下部分和海岸信息处理系统两大部分构成。采用了光纤传输技术、局域网技术和先进的信号及信息技术,可布放于深海、海峡、浅水濒海地区和其他重要海域,提供威胁目标的位置信息和精确的海上图像,提高了对低噪声潜艇的探测能力。ADS是一种用于濒海浅水水域的水下监视系统,是美海军 “濒海作战舰”(LCS)上的反潜作战任务模块之一。ADS阵列由声学传感器组成。这些传感器部署在海底并由电缆连接,具有不同的配置,使其或者能在广阔区域内进行监视,或者能在一段狭长区域内集中监视,对进入这个区域的船只构成有效的屏障。ADS利用固定的被动监视方式,能够快速部署,不但可以监视潜艇,还可以监视商船和其他小型船只。FDS与 ADS以及舰艇使用的拖曳线列阵声呐相结合,可以较好地为各种平台提供反潜战信息。 

同时,为弥补固定式阵列的不足,美海军先后发展了舰载拖曳阵监视系统(SURTASS)和多功能拖曳阵列(MFTA),装备在水面舰船上,弥补固定式探测阵列无法移动的缺陷。SURTASS全系统包括舰载单元和岸上处理单元,此外系统利用通讯部件将处理数据由舰船发往岸上。舰载单元主要进行信号调节、声信号处理和格式化显示数据。其中声显示数据将在岸上得到分析并与来自其他水下监视传感器的数据融合。SURTASS的使命是对遭遇潜艇进行探测、识别和方位估计。

上述固定式和拖曳式装备共同构成了综合水下监视系统(IUSS)。该系统将海军前沿集团行动区的固定和机动远程水声监视系统、作战指挥及通信系统连接在一起。IUSS系统共同使用统一的情报交换网中各用户(包括远方用户和水下用户)所获水下情报。

由于将各远程水声监视系统——SOSUS (Sound Surveillance System)、FDS (Fixed Distribution System)、ADS (Advanced Deployable System)和SURTASS (SURveillance Towed Array Sonar System)和舰载拖曳系统分散的各部分联网,IUSS系统不仅能确保初步发现目标,还能处理和传递目标参数等信息,用于尔后引导巡逻机、潜艇、反潜舰或反潜直升机。机动反潜兵力的任务是(用自己的水声设备并利用固定系统的情报)二次搜索、发现、跟踪目标,在军事行动过程中必要时摧毁目标。为各种平台提供反潜战信息,大大提高了美军的整体反潜能力。

20世纪90年代开始,由于无线传感器网络的发展,美海军又将水下信息感知的重点聚焦到网络化反潜预警方面,“广域海网”(Seaweb)、“近海水下持续监视网络”(PLUSNet)、可部署自动分布式系统(DADS)就是其中的代表。尤其是进入21世纪,美军提出“水下信息网络中心战”概念,并在SOSUS和IUSS系统基础上,重点发展浅海水下持续监视网络、可部署自动分布式系统、深海主动探测系统、可靠声学通道线列阵系统,进而通过“广域海网”(Seaweb)拓展成为水下信息网络,意在利用多点定位和网络计算方法,大大提高对安静型潜艇的定位和攻击速度,夺取水下战场控制权。

“广域海网”是美海军基于“网络中心战”思想建设的“部队网”的水下部分。目的是通过可靠的传输链路,将传感器网络、信息网络与作战网络进行合成,使每一个传感器、每一艘舰艇、每一架飞机都能成为体系中的一个节点;通过可靠的通信链路,各个固定或移动节点均可自由地接入网络,快速准确地发送、接收信息,实现各平台、节点之间的通信,并能在出现故障的情况下自我修复,从而构成跨系统、跨任务、跨平台、跨国的综合性分布自主式水下作战信息网络体系,实现对水下作战信息的广泛获取、自由联通、高度集成融合、交互共享和应用,为浅海复杂环境下对安静型潜艇实施作战提供有力的信息支持,以夺取近海水下作战空间优势。美国的Seaweb网络经过多年的试验,实现了多固定节点的组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能,在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦查网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性。

PLUSNet是一种半自主控制的海底固定+水中机动的网络化设施,由携带半自主传感器的多个潜航器组成。这些潜航器能够互相通信,并在没有人为指令的情况下做出基本决策,从而履行多种功能,包括对温度。水流、盐度、化学成分及其他海洋元素进行取样,密切监视并预测海洋环境。其目的是通过网络化协同工作,对安静型常规潜艇进行探测、分类、定位和跟踪,可在大约10000平方千米的区域内为反潜战提供监视能力。PLUSNet采用的大量关键系统包括“海马”、“金枪鱼”自主无人潜航器,以及奥德赛,“海洋”、斯洛克姆、“x射线”,Liberdade等滑行式自主无人潜航器。它们都装有微型调制解调器,其中“海马”还配备有“大型无人潜航器无源阵列”(LUPA)微型调制解调器。

可部署自动分布式系统(DADS)是美海军研究局联合空间和海战系统司令部研发的未来海军近海防雷反潜作战研究项目。该系统是由布设在海底、可长期自主工作的水声传感器组成的水下监视系统,可以对重要的海域进行较长期的水声目标监视和水声信息采集。美海军在2001年6月进行了DADS应用的舰队作战试验,它由14个固定节点组成,包括2个DADS传感器节点、2个浮标网关节点和10个遥控声纳中继节点,装备Sublink设备的潜艇作为移动节点参加试验,“广域海网”服务器分别部署在潜艇和岸基反潜作战指控中心。

2010年,美国防部在《四年一度防务评审报告》中明确提出“空海一体战”概念,指出要通过海空等力量联合作战,依托美国信息战优势,对敌方潜艇部队进行毁灭性打击,这反映出美国未来近中海反潜战将更加强调信息优势和联合作战。美国从2011年开始建设了信息主导的水下战装备体系,新体系整合了更多的优势资源,加入多种新型装备,使传统装备兵力构成和作战模式发生变化。

目前水下作战体系是一个复杂庞大的体系,主要由水下预警监视系统、指挥通信系统、攻防作战系统、综合保障系统等构成。

水下预警监视系统。主要包括水声监控、太空监控、电磁监控、空中监控等手段。其中,水声监控为主要手段。

指挥通信系统。无人潜航器之间、无人潜航器与潜艇之间主要采用水声通信,未来也可能采用蓝绿激光通信。多无人潜航器以水声链路结合水下光纤网构建水下通信网络。无人潜航器水下—水上通信主要通过通信浮标实现。

水下攻防系统。包括水下力量和空中、水面、岸基反潜力量等。

综合保障系统。包括海洋地理环境、海洋水文气象、海洋工程建设、搜索救援、导航定位、基础数据建设保障等。未来自主导航将成为无人潜航器导航定位的主要方式,滑翔型无人潜航器将成为海洋地理环境测绘的主要工具。

2010年海军研究局指出,如果没有精确的导航和计时技术作为GPS的替代,军事行动可能会面临风险。海军研究局导航和计时技术项目旨在为海军飞机、水面战舰、潜艇、无人潜航器和固定设施开发一种不依赖GPS信号的导航技术,提供更加精确、可靠和持续的低成本系统。2012年起宾夕法尼亚州立大学的研究人员为美国海军设计基于声纳的水下导航系统,该系统将使潜艇和无人潜航器可根据已知的海床地貌特征安全地进行水下定位。该技术被称为基于声纳的测深导航技术,原理是将声纳探测到的潜艇下方海床地貌图像与已知大洋海底地貌地图进行匹配,与飞机驾驶员通过比对航空地图和实时景物进行目测飞行类似。

2015年1月22日,美国战略与预算评估中心(CSBA)发布《水下战新纪元》报告(以下简称"报告")。"报告"认为非声探测技术的出现和扩散使未来水下作战环境更为复杂,给美国水下安全带来巨大威胁。为继续保持水下优势,美国正在加快研发新兴技术,建设信息主导的水下战装备体系,新体系将整合更多的优势资源,加入多种新型装备,传统装备兵力构成和作战模式将发生重大变化。

2016年国防高级研究计划署(DARPA)选择BAE系统公司开发一种水下导航系统,旨在增强美国海军在深海的精确全球定位能力。在DARPA深海导航定位系统项目下,BAE系统公司领导的团队将开发一种定位、导航和计时系统,通过在水下固定位置使用多个、集成的、远距离水声信号源使航行器一直潜在水下。

另外,美国在水声通信、光通信、射频通信等传统水下通信领域的传输速率和组网能力方面的研究不断取得进展,在新兴的磁感应通信领域的传输速率和安全性方面取得较大进步,为美军未来建设水下无人作战部队奠定了重要的技术基础。

当前,美军现役水声通信设备的声波传输速度约为1500米/秒,传输距离可达数千米,但是传输速率仅能够达到千比特/秒(kb/s)量级,且容易受到水温、水压、盐分、多普勒效应、水下噪声等多种因素的影响,因而仅能够传输语音信号,完全无法适应复杂战场态势,且易被敌方声纳侦察设备探测到,目前通常作为水下远距离通信的辅助手段使用。

当前,美军在部分无人作战单元上装载了近距离光通信终端,其传输速率可以达到兆比特/秒(Mb/s)量级,传输距离约可达到100米,适用于水下编队的点到点传输和组网。其不足之处在于容易受到光散射和背景光污染的影响,且光源易被敌方的可视侦察手段探知,因而通信的隐蔽性较差,但是信号难以被破译。

水下微波通信以电磁波为载体,原本设计用于水下单元浮出水面后与预警机、卫星等通信。在水下使用时,与光通信具有相似的性能和参数,受到传输介质和多径效应的影响,其传输距离约为10米,传输速率可以达到兆比特/秒量级,通信隐蔽性好于光通信,通常用于水上通信以及与水面的中继通信。

磁感应通信是近两年研究的新型通信手段,采用磁场为载体,通过改变磁场强度进行信息传输,兼顾了光通信与电磁波通信的优势,其传输距离可达100米,速率可达兆比特/秒量级,且具有极强的隐蔽性,现有侦测设备的精度难以发现,得到美国自然科学基金委和DARPA的高度重视。


美国当前面临越来越多国家的“反介入/区域拒止”威胁,美海军执行情报搜集和力量投送任务很大程度上依赖水下优势。为在21世纪保持水下优势,美海军必须加快水下战的创新。在水下作战网络方面,新型远程传感器及新兴水下通信能力将使水下火控网络行动变得与使用无线电通信的水上火控网络行动类似。水下战术网络也能使无人潜航器群协调执行监视或攻击行动。

2016年9月,美海军水下战首席技术官签署发布了《水下战科学与技术目标》。该文件以《2015年海军科学与技术战略》为基础,对2013年版的文件内容进行更新,提出了10个重点领域的科学与技术目标。其中,第5个重点领域与科学技术目标是信息优势与网络。信息优势与网络的整体目标:寻找可靠的水下指挥与控制、高数据率通信,显著提升水下部队的战场空间感知能力;确保水下部队拥有防御网络攻击的能力、对抗以及实现网络效果的能力。具体包含以下目标:(1)提升深水区域传输战术信息/数据的能力和规模;(2)加强水下设备的稳定性、战术响应、跨域指挥与控制;(3)研究网络脆弱性评估工具,使水下作战人员获知敌方水下系统的入侵;(4)研发网络安全脆弱性评估工具;(5)研发电子攻击及电子防护能力,降低敌人破坏已方信息战目标的能力,同时削弱地方的信息战能力。


(二)俄罗斯水下攻防信息网络建设



俄罗斯海上电子信息战基础 

目前俄海军主要使用卫星、飞机、舰船等海空平台收集海洋电子情报。在前苏联解体后,大约有300 个太空星体落入俄罗斯之手,其中有96%的卫星是军用卫星。在军用卫星中,用于电子情报收集的卫星不仅数量多,而且种类齐全,质量上乘。这些情报卫星包括:海洋监视卫星、雷达探测卫星、无线电侦察卫星等。除此之外,俄罗斯凭借世界一流的空间技术,不但有能力随时在感兴趣的海洋上空部署电子情报卫星,使海军及时获取重要的海洋电子情报,以便对海上突发事件采取相应的对策,并且有能力发射和操控杀伤卫星摧毁敌方的情报卫星。其次,俄海军还可调用数以百架的各型情报侦察飞机和几十艘海上情报收集船,到相应的海域,收集有关国家的海空电子情报,以便不断充实和更新海军的电子威胁数据库,为电子战装备的使用和新武器的研制提供保证。在海空电子情报收集方面,冷战虽然结束,但是俄海军并没有放松对美国和日本等国海军海上活动情报的收集。2017年初俄罗斯国防部开始开发一种新的卫星空间无线电情报系统,升级Liana电子情报计划(ELINT)系统-将能够定位来自静止和移动物体的地面无线电信号发射,从而提供关于敌人军事活动的有价值的信息。

俄海军的航母编队通过强有力的指挥、控制系统,能够统一指挥数百种的机载和舰载电子战设备在较大范围的海(空)域实施强大的电磁干扰,进行以敌方海战区C3I 系统为打击对象的大规模电子攻击战,并且有效地协调编队各舰(机)进行积极地防空电子防御战。

在光电对抗技术领域,俄罗斯现在居于世界领先地位,尤其是在激光对抗技术方面。这种技术优势,主要受益于前苏联70年代大力开发军用电视、红外和激光跟踪探测设备,并且在80年代以高于美国7 倍的投资研制战略与战术激光武器。目前新型光电对抗设备的使用,使俄海军舰用光电对抗设备的种类和质量发生了较大的变化。俄海军不仅有了更先进的舰射式红外和激光诱饵弹,而且已拥有西方发达国家中现在尚不多见的舰用红外干扰机和激光告警系统。

俄海军在水声对抗技术领域拥有相当大的实力。在水声摧毁硬武器方面,俄海军拥有非声手段的反声纳探测技术和主动声纳技术先进性的新武器,在水下声波屏蔽和水声干扰方面,俄海军不仅广泛采用在潜艇的外壳涂敷吸声材料的方法来削弱敌方自导鱼雷的探测能力,而且还大量使用气幕弹进行声屏蔽。此外,俄海军还广泛使用非自航式自控噪声干扰器和自航式自控噪声干扰器来干扰敌方的水声探测设备。

虽然俄罗斯海军的水面作战力量不足以和美国海军想抗衡,但是其潜艇部队的作战实力除了美国之外无人能敌。所以,其水下作战实力还是相当强悍的。

2016年7月,美国智库战略与国际研究中心发表了题为《北欧水下战》的研究报告,认为冷战后俄罗斯和北约的水下战能力均有所下降,但近年来俄罗斯水下作战能力正逐步恢复,目前,俄海军已初步建设成水面、水下、太空和岸上多维联合信息空间。一体化信息网络有助于缩短决策时间,提高指令传达有效性,同时具备一定的抗干扰能力。未来,俄海军将不断改进、完善一体化信息空间建设,逐步实现跨兵种联合作战能力。

俄罗斯声呐“对话”通信系统

2016年12月,位于俄西南部伏尔加格勒市专门研发声呐通信技术的“静稳”科研所研制了一种能将通信信息与声波相互转换的新系统,能把在海面下活动的潜艇、深海载人潜水器、无人潜航器和潜水员用一个通信系统联系起来,起名为“对话”系统。

这一系统的核心部件是一种采用特殊计算程序的调制解调器,能将语音和用二进制编码记录的数字化信息转换成水下声波并向外发送。当通信对象也用这种方法传来内含信息的声波后,调制解调器还能将声波“翻译”成语音和数字化信息,完成情报传递。

海中测试显示,“对话”系统通信的水平距离可达35公里,最大通信深度为海面下6公里。即使在天气和水文地理条件不佳的情况下,系统的信息传输码率不会低于每秒68千比特,此时音频质量已高于部分地面广播。此外,该系统的10个通信频道还可供多个水下战斗单位进行“会议连线”。

“对话”系统已在俄3台深海载人潜水器、一种无人潜航器和一种潜水员使用的移动通信装置上接受了测试,目前俄海军的一支舰队已经启用这一通信系统。

俄专家表示,“对话”系统的水下通信深度目前仍不及美军的水下声波通信系统,后者由美国L-3通信公司研发,通信深度可达海面下11公里,而这一深度只位于全球最深处——太平洋的马里亚纳海沟。“对话”系统足以满足俄海军在其活动海域内的通信需求。

俄罗斯水下高速互联网络

俄海军在“对话”系统的基础上部署了水下高速互联网络,用于深水器、潜水艇、机器人和潜水员的通信。水下互联网系统由伏尔加格勒科研所“施季利”研制,通过“水下调制解调器”进行信息传输,解调器可以把二进制码转换成声波信号并发送到接收方。借助相同算法,接收方可以将所接收信息解码。

此前,水下声学通信设备的数据传输速度不超过每秒3到10千比特,只能确保较小音频信息的稳定交换。而“对话”首次使用多信道传输:信息被分解为几个数据包,同时从10个信道传出。得益于这种解决方案,就算是在最恶劣的天气和水文地理条件下,传输速度也不会低于每秒68千比特。

与借助电磁波传输数据的无线电信道不同,水下信道借助的是声波。而周围都是水的环境会增大传输难度:多普勒效应和多路径传播可能让最初的信息严重变形。

克服上述现象,设计者运用了独特的数据处理方法。这样一来,尽管水下通信存在种种困难因素,水下互联网能让用户在水下随心所欲地“通电话”,传递数据包,而且不仅能使用俄罗斯的,还能使用北约舰船的通信频段。

水下通信和导航实验室的负责人阿尔土尔·阿别连采夫说,俄罗斯正稳步弥补苏联解体后在研发军用和民用水声学通信系统上出现的差距。

俄罗斯水下“格洛纳斯”系统

2016年12月,俄罗斯圣彼得堡海洋设备公司研制出独一无二的定位器——水下导航和通讯系统,能帮助在北极冰盖下数公里处工作的俄无人潜航器精确定位到毫米,以及与空中、水上和陆上的控制站保持实时联络。目前该系统在俄罗斯北极大陆架地区铺设中。

定位器系统由水下自主无人航行器、带有“信使-D1M”卫星通讯设备的指向标系统和“格洛纳斯”全球导航卫星系统构成。无人潜航器最深可在水下8公里的区域巡游,依靠设置在大陆架海底的水声学指向标来定位。指向标还能向海面传送信息。

定位器系统需要利用几种指向标:水下指向标、浮标和冻在冰里的指向标。指向标的附属设备包括无线电声学模块和水声学模块,它们合用一个塑料外壳的供电器。两种声学模块内设超短波无线电台、“格洛纳斯”系统接收器、“信使-D1M”卫星通讯组件和与无人潜航器进行通讯的组件。

三种指向标的工作机制各不相同。水下指向标通过卫星通信渠道获得信息,并根据无人潜航器的需求传递信息。浮标通过超短波帮助岸上、空中和海上的控制站与无人潜航器实时通信。这种信息交流不仅能获知无人潜航器的方位及其正在处理的任务,还能不间断地操纵无人潜航器。冻在冰里的指向标工作机制最简单:无人潜航器确实绝对自主行动,只是借助指向标调整航向;唯有在出现紧急情况时,无人潜航器会向指向标发出求救信号。

俄罗斯研制依靠格洛纳斯工作的水下导航系统

2016年,俄圣彼得堡海洋仪器康采恩完成新型水下导航定位系统的研制任务,这种“定位”系统能在北极冰层以下工作,综合运用超短波通信和水声通信等方式,可与空中、水面和陆地的控制中心实时交换信息,并借助深海浮标,为无人潜航器提供米级以下的高精度导航定位服务。

俄罗斯新型水下导航系统由“格洛纳斯”导航系统、声呐浮标、无人潜航器组成,将布设在俄罗斯北冰洋大陆架上。

其中,声呐浮标由无线电水声仪和电源系统组成,无线电水声仪集成了超短波无线电台、“格洛纳斯”信号接收机、与“信使-D1M”卫星通信的系统,以及与无人潜航器通信的水下通信系统。

无线电水声仪是一种高精度坐标定位仪,定位深度最深可达水下8千米,UUV接收声呐浮标的水声中继信息后可进行精确定位。

声呐浮标有三种工作模式:一是接收和存储来自通信卫星的信息,并通过水声通信方式将信息中继给UUV;二是“对话”,岸上、空中和海上控制中心首先借助超短波通信与浮标交换信息,然后通过浮标的水声中继系统实现与UUV的实时通信,这种工作模式可用于了解UUV的位置和将要完成的任务,还能不间断地对UUV进行控制;三是UUV完全自主执行任务,只利用浮标提供的水声信息调整坐标和航向,紧急情况下,UUV还可以发出SOS信号,请求暂停深水任务。

俄罗斯计划以上述新型水下导航系统为基础,建立水下监控和服务于油气开采的全球信息网络中心系统。俄军事科学院教授瓦季姆·科久林透露,该系统将于2018年试运行。

俄新型水下导航系统未来一旦服役可在确保水下平台生存能力的同时,提升水下精确作战能力。这种系统虽然不是一种全新的系统,但它综合集成和改进了现有通信导航技术,在其运用上进行了创新,仍然将具有革命性意义。

俄罗斯“和声”海上监视系统

2016年11月,俄罗斯国防部已经开始部署一套名为“和声”(Harmony)的水下声纳跟踪系统,该系统能够使所部署的海区变得“透明”,能够“看见”该地区所有的船舶、潜艇,甚至能跟踪低空飞行的飞机和直升机。

“和声”系统的核心是特殊的水下机器人系统,这些水下机器人系统由潜艇发射到海底,部署功能强大的水声监测站。水声监测站收集的信息通过卫星传送到指挥中心。“和声”系统的个别部分已经开始工作,整个系统会在2020年年底之前协同工作,全面运转。

俄罗斯联邦特种建造局根据代号为“和声一s”计划,已经开始在北摩尔曼斯克的欧克尔纳亚湾建立特殊工厂,用来制造监视世界海洋的机器人产品。与此同时,代号为“和声一NZ”的控制中心也已经在新地岛的Belushya Guba村开始建设。联邦特种建造局的建造计划,其完成日期尚未透露。“和声”系统主要由Komet特种空间系统公司负责开发,该公司是“阿尔玛兹一安泰”航空航天和防务集团的一部分。Malakhit中央设计局和Istochnik电池研究设计和技术研究所也参与了相关计划。

 “和声”系统的关键部分是由特种潜艇秘密安装在海床上的机器人自主海底站  (ASS)。当ASS在海底就位之后,它就展开固定多元的软管型声纳天线,天线的长度为数米。这些ASS可以进行被动声纳探测,就是仅仅通过监听周围的声音来探测特征噪音成分和发现船只和飞机。ASS也能够主动发射特殊的电子信号声,来探测和分类水面和水卜的各种目标。在一个覆盖数百平方千米的区域里,多个ASS组合在一起构成单一网络来显示整个区域水下和水面的态势。ASS拥有处理所接收的声纳信息并且将处理过的信息传送到指挥中心的设备,该设备具有特殊的弹出式浮标,用来通过通信卫星传送数据资料。接到控制中心的指令之后,ASS的天线可以折叠、通信浮标可以下降并返回ASS海底站。

ASS的电源由独特的铿聚合物电池提供,电池所具有控制和监测系统用来为海底站提供必须的电力。电池的长度约为30多厘米,标称容量为28安时,标称电压为58-80伏,工作温度为-10℃至+45℃。

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