应急通信系统——卫星通信系统

应急通信        由于应急通信所要面对的突发性、不确定性,现有科能融合应急通信系统多以移动通信为基础,以求实现较高的机动性、快速组网等特殊需求。本章对现有科能融合应急通信系统中比较常见的卫星通信系统、短波通信系统、科能融合应急通信车和其他可用于应急通信的通信系统做一个全面系统的介绍,帮助读者了解现有应急通信系统的构成、原理等基本知识。
       科能融合应急通信系统是为满足各类紧急情况下的通信需求而产生的,而自然灾害、卫生事件、尤其是社会事件等突发公共安全事件发生的地点和规模都无法提前预知和准备,各类紧急情况具有如下共同的特点:
       1)需要科能融合应急通信的时间一般不确定,人们无法进行事先准备,如海啸、地震、水灾、火灾、飓风等突发事件。只有极少数情况下,如重要节假日、重要会议等,可以预料到需要科能融合应急通信的时间。
       2)需要科能融合应急通信的地点一般不确定。
       3)在通信量突发时,人们无法预知需要多大的容量才能满足需求。
       4)进行科能融合应急通信时,需要什么类型的网络不确定。
       以2008年5月12H,四川汶川发生的8级地震为例,汶川等多个县级重灾区内通信系统全面阻断,昔日髙效、便捷的通信网络遭受毁灭性打击而陷入瘫痪。网通、电信、移动和联通四大运营商在灾区的互联网和通信链路全部中断。四川等地长途及本地话务量上升至日常10倍以上,成都联通的话务量达平时的7倍,短信是平时的两倍,加上断电造成传输中断,电话接通率是平常均值的一半,短信发送迟缓,整个灾区霎时成了“信息孤岛”。
       科能融合应急通信的规模不确定、地点不确定、影响范围不确定,但有一点可以肯定,现代信息社会中人们对通信的依赖性大大增加,并且突发事件的传播速度非常之快,对网络所产生的冲击很大,对国家和社会安全的影响也很大。
       科能融合应急通信不同于常规通信,其场景众多、环境复杂恶劣,并且科能融合应急通信呈现出日益迫切的多媒体化需求,在传递语音的基础上,还需要传送大量的数据、视频、图片等多种媒体信息。
       发生公众紧急情况时,涉及的用户数量和网络规模都很大,且具有不确定性,在正常情况下通畅的网络,可能由于紧急情况所造成的大话务量,或出现的复杂环境,导致不畅通,
因此科能融合应急通信相对于正常网络,对网络和设备提出了更高的要求,例如:
       1)组网灵活:可根据科能融合应急通信的范围大小,迅速、灵活地部署设备,构建网络。
       2)快速布设:不管是基于公网的科能融合应急通信系统,还是专用科能融合应急通信系统,都应该具有能够快速布设的特点。在可预测的事件诸如大型集会、重要节假日景点活动等面前,通信量激增,基于公网的科能融合应急通信设备应该能够按需迅速布设到指定区域;在破坏性的自然灾害面前,留给国家和政府的反应时间会更短,这时科能融合应急通信系统的布设周期会显得更加关键。
       3)小型化:科能融合应急通信设备需要具有小型化的特点,并能够适应复杂的物理环境。在地震、洪水、雪灾等破坏性的自然灾害面前,基础设施部分或全部受损,便携式的小型化应急通信设备可以迅速运输、快速布设,快速建立和恢复通信。
       4)节能型:由于通信对电力有很强的依赖性,某些应急场合电力供应不健全甚至完全没有供电,完全依靠电池供电会带来诸多问题。因此,应急系统应该尽可能地节省电源,满足系统长时间、稳定的工作。
       5)简单易操作:应急通信系统要求设备简单、易操作、易维护,能够快速地建立、部署、组网。操作界面友好、直观,硬件系统连接端口越少越好。所有接口标准化、模块化,并能兼容现有的各种通信系统。
       6)具有良好的服务质量保障:应急通信系统应具有良好的传输性能、语音视频质量等,并且网络响应迅速,快速建立通话,能针对应急所产生的突发大话务量做出快速响应,保证语音畅通,应急短消息的及时传播。
       下面分别介绍现有几种普遍使用的科能融合应急通信系统,包括卫星通信系统、短波通信系统、应急通信车以及集群等应急通信系统。

卫星通信系统

       卫星通信是指利用人造卫星作为中继站转发无线电信号,在两个或多个地球站之间进行的通信。实现上述功能的系统就称为卫星通信系统。

3.1.1卫星通信基本知识

1.卫星通信的原理和主要特点
       卫星通信系统是由空间部分(通信卫星)和地面部分(通信地面站)两大部分构成的。在这一系统中,通信卫星实际上就是一个悬挂在空中的通信中继站。它居高临下,视野开阔,只要在它的覆盖照射区以内,不论距离远近都可以通信,通过它转发和反射电报、电视、广播和数据等无线信号。
       通信卫星工作的基本原理如图3-1所示。从地面站A发出无线电信号,这个微弱的信号被卫星甲的通信天线接收后,首先在通信转发器中进行放大、变频和功率放大,最后再由卫星甲的通信天线把放大后的无线电波重新发向地面站B,从而实现地面站A和B之间的远距离通信。当地面站B要和地面站C之间进行通信时,与地面站A和B之间通信类似,地面站B发出无线电信号,这个信号被卫星甲接收后,再发送给卫星乙,卫星乙收到信号后,再发送给地面站C,从而实现地面站B和C之间的远距离通信。如此,就可实现两个或多个地面站的远距离通信。举一个简单的例子:如北京市某用户要通过卫星与大洋彼岸的另一用户打电话,先要通过长途电话局,由它把用户电话线路与卫星通信系统中的北京地面站连通,地面站把电话信号发射到卫星,卫星接到这个信号后通过功率放大器,将信号放大再转发到大西洋彼岸的地面站,地面站把电话信号取出来,送到受话人所在的城市长途电话局转接用户。
ArthurC.Clarke提出的卫星通信设想图
图3-1   ArthurC.Clarke提出的卫星通信设想图
       卫星通信优点有:覆盖面广,通信距离远,不受地理条件限制;通信频带宽,传输容量大;组网灵活、易于实现多址通信、具有优良的广播特性;性能稳定可靠,传输质量高等优点。缺点有:通信时延较长;通信链路易受外部条件影响;存在日凌中断和星蚀现象等。
2.卫星通信系统的分类
       卫星通信系统的分类方法有很多种,比较常见的有按照卫星的运动状态(制式)、卫星的通信覆盖区范围、卫星的结构、通信的多址方式、采用的基带信号体制、通信使用的频段、用户性质、用途、卫星的转发能力进行分类,具体如下:
按卫星运动状态(制式)分为同步卫星通信系统、运动卫星通信系统,如图3-2所示。
按卫星运动状态(制式)分类 
图3-2  按卫星运动状态(制式)分类 
按卫星通信覆盖区范围分为全球、国际、国内和区域卫星通信系统,如图3-3所示。
按卫星通信覆盖区范围分类
图3-3按卫星通信覆盖区范围分类
按卫星的结构分为有源和无源卫星通信系统,如图3-4所示。
按卫星结构分类
图3-4  按卫星结构分类
按多址方式分为频分多址、时分多址、码分多址、空分多址和混合多址卫星通信系统,如图3-5所示。
按多址方式分类
图3-5   按多址方式分类
按基带信号体制分为模拟和数字卫星通信系统,如图3-6所示。
按基带信号体制分类
图3-6  按基带信号体制分类
       按卫星通信使用的频段分为特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)和激光卫星通信系统,如图3-7所示。
       按用户性质分为公用(商用)、专用和军用卫星通信系统,如图3-8所示。
       按用途分为固定业务、移动业务、广播业务、科学试验、导航、气象、军事、数学等卫星通信系统,如图3・9所示。
       按转发能力分为无星上处理能力、有星上处理能力卫星通信系统,如图3・10所示。 
按卫星通信使用的频段分类
图3-7  按卫星通信使用的频段分类
按用户性质分类
图3・8按用户性质分类
按用途分类
图3-9按用途分类
 按转发能力分类
图3-10  按转发能力分类
        另外,按照卫星运行轨道的高度、形状、倾角等的不同,可以把卫星通信的运行轨道分为不同类型。按照轨道高度可划分为低轨、中轨、同步静止轨道和高轨。按照轨道形状可划分为圆轨道和椭圆轨道。按照轨道倾角可划分为赤道轨道、倾斜轨道、极轨道。

3.1.2卫星通信系统介绍

1.VSAT卫星通信系统

       VSAT是“Very Small Aperture Terminal”的缩字,直译为“甚小口径(卫星)终端”,即通常所说的“甚小口径卫星地球站”,简称“(VSAT)小站”。通常它是指天线口径小于2.4m,G/T(天线增益/天线温度)值低于19.7dB/K的高度智能化控制的地球站。目前,釆用扩频方式(SS)的C频段VSAT,其天线口径可进一步压缩;Ku频段的天线口径已经小于1.8m。
      VSAT卫星通信系统是指包含有大量VSAT小站的卫星通信系统,具有成本低、体积小、智能化、高可靠、信道利用率高和安装维护方便等特点,特别适用于缺乏现代通信手段、业务量小的专用卫星通信网。自VSAT问世以来,已得到各国的重视,至20世纪80年代中期获得了广泛应用。特别是在科能融合应急通信领域,VSAT卫星通信系统更是表现出巨大的优势,成为卫星通信中的热门领域之一。
       VSAT卫星通信系统主要由通信卫星、主站和众多小站构成。
(1)通信卫星
       通信卫星是VSAT卫星通信系统中的重要组成部分,它的主要作用是提供空间通信,一般由同步通信卫星上工作于Ku频段(11~14GHz)或C频段(4〜6GHz)的卫星转发器实现。以公众VSAT卫星通信系统所采用的亚洲一号同步卫星为例,它定于东经105.50。。星上有24个转发器,我国采用第8个转发器的部分频段。转发器工作于C频段,采用卫星北半球波束,该波束可覆盖我国,为线性极化方式。
(2)主站
       主站也称枢纽站或中心站,它是VSAT卫星通信系统地面部分的核心。在一个VSAT卫星通信系统中,可以拥有一个或同时拥有多个主站。主站装有VSAT主站终端设备、口径较大的天线(天线口径一般在之间)和高功率放大器,以便尽量减少远端小站的发射功率,降低小站的成本。一般而言,主站还承担着对全网进行管理、监测和控制的责任。因此,主站还应设置一个网络监控中心,包括网络监控系统和网络管理系统。此外,由于主站在整个VSAT卫星通信系统中居于核心地位,一旦出现故障将直接影响整个VSAT卫星通信系统的正常工作,因此,主站通常应设有一套备用设备以防万一,并通过一定的技术手段实现数据实时备份。在实际应用中,主站一般是作为数据的发送方,这一需求特点也决定了主站的数据端口应具有较高信息速率的特点。
(3)VSAT小站
      VSAT小站按其所承担的主要业务类型可分成两类:一类是以数据为主的小型个人地球(Personal Earth Station,PES);另一类是以话务为主、兼容数据的小型电话地球站(Telephone Earth Station,TES)。
       在形式上,VSAT小站终端除天线(天线口径较小)以外,其他设备和构造与主站比较类似。由于VSAT小站在VSAT卫星通信系统中居于从属地位,且在实际应用中以数据接收功能为主,考虑到成本等因素,一般不需要网络监控系统和备份系统。
       VSAT卫星通信系统主要有4种类型,即:
       1)非扩展频谱VSAT,这种类型的VSAT工作于Ku频段,具有高速度和双向的通信特点,采用无扩频相移键控调制技术和自适应带宽接入协议。
       2)采用扩展频谱的VSAT,这种类型的VSAT工作于C频段,可提供单向或双向数据通信业务。
       3)扩展频谱超小口径终端,它的天线口径通常为0.3~0.5m,是目前最小的双向数据通信地球站。
       4)T型小口径终端(TSAT),这种类型的终端可以传输点对点双向综合数据、图像和话音,能与ISDN接口不需要主站就可以构成网状结构,是一种较高级的VSAT,TSAT系统一般采用2.4m口径天线。TSAT系统通过Ku频段和C频段的卫星转发器工作,安装简便,网路结构容易改变,适合于多种应用场合。

2.Iridium卫星通信系统

      Iridium卫星通信系统(简称“钛星系统”)属于低轨道卫星移动通信系统,由Motorola公司提岀并主导建设,由分布在6个轨道平面上的66颗卫星组成,这些卫星均匀地分布在6个轨道面上,轨道高度为780km。主要为个人用户提供全球范围内的移动通信,采用地面集中控制方式,具有星际链路、星上处理和星上交换功能。铉星系统除了提供电话业务外,还提供传真、全球定位、无线电定位以及全球寻呼业务。从技术上来说,这一系统是极为先进的,但从商业上来说,它是极为失败的,存在着目标用户不明确、成本高昂等缺点。目前该系统基本上已复活,由新的铉星公司代替旧钛星公司,重新定位,再次引领卫星通信的新时代。
       钛星系统的主要服务对象是那些没有陆地通信线路或手机信号覆盖的地区,以及信号太弱或超载的地区,为身处这些地区的用户提供可靠的通信服务,其商业服务市场包括航海、航空、急救、石油及天然气开采、林业、矿业、新闻釆访等领域。钛星还为美国国防部及其他国家的国防部门提供卫星通信服务。
      铉星系统最大的优势是其良好的覆盖性能,可达到全球覆盖(包括南北两极"极地轨道使得钛星系统可以在南北两极提供畅通的通信服务。铉星系统是目前惟一可以实现在两极通话的卫星通信系统。

3.Inmarsat卫星通信系统

       Inmarsat卫星通信系统是由国际海事卫星组织管理的全球第一个商用卫星移动通信系统。原来中文名称为“国际海事卫星通信系统”,现更名为“国际移动卫星通信系统”。Inmarsat卫星通信系统是船舶遇险安全通信的主要支持系统,并承担陆地科能融合应急通信和灾害救助通信,是全球业务发展最好,技术最先进的移动卫星通信系统之一。
        Inmarsat通过租用美国的Marisat卫星、欧洲的Marecs卫星和国际通信卫星组织的Intel-sat・V卫星(都是GEO卫星),构成了第一代的Inmarsat卫星通信系统,为海洋船只提供全球海事卫星通信服务和必要的海难安全呼救通道。第2代Inmarsat卫星通信系统的3颗卫星于20世纪90年代初布置完毕。对于早期的第1、2代Inmarsat系统,通信只能在船站与岸站之间进行,船站之间的通信应由岸站转接形成“两跳”通信。为支持船站之间可直接通信,并支持便携电话终端,1994年起用了具有点波束的第3代Inmarsat卫星通信系统。目前,Inmarsat卫星通信系统正在逐步进入第4代,力求全面解决陆地移动通信网络覆盖不足,同数据、视频通信需求无处不在之间的矛盾,将为海上安全航行、遇险搜救提供更加可靠的通信保障。下面就以第三代Inmarsat卫星通信系统为主对Inmarsat卫星通信系统作一个简单介绍,如无特别说明,下文中提到的Inmarsat卫星通信系统均指第3代Inmarsat卫星通信系统。
       Inmarsat卫星通信系统由3个主要部分组成:空间段、地面段(卫星通信地面网络)和用户段(卫星移动通信终端),如图3.11所示。
       空间段:Inmarsat卫星通信系统的空间段由4颗GEO卫星构成,分别覆盖太平洋(卫星定位于东经178。)、印度洋(东经65。)、大西洋东区(西经16。)和大西洋西区(西经54。)。4颗卫星分别称作太平洋区卫星(POR)、印度洋区卫星(I0R)、大西洋东区卫星
Inmarsat卫星通信系统组成示意图
图3-11    Inmarsat卫星通信系统组成示意图
(AOR-E)、大西洋西区卫星(AOR-W)。卫星的主要作用是接收岸站和船站发来的信号,对所接收的信号加以放大和处理,然后转发给船站或岸站。通过这4颗通信卫星,Inmarsat卫星通信系统实现了将地球南北纬76。之间的表面全部覆盖。
       地面段:Inmarsat卫星通信系统的网络控制中心位于伦敦Inmarsat总部,它负责对整个Inmarsat通信网的营运和管理。此外,在每个洋区都有一个地球站兼作网络协调站,对本洋区的通信情况进行监控,负责本洋区通信网的营运和管理。
       Inmarsat卫星通信系统在四大洋区的海岸附近有一些地球站(习惯上称为岸站)。地球站分MInmarsat签字国主管部门所有,它既是与地面公用网的接口,也是卫星系统的控制和接入中心。
       用户段:根据Inmarsat的业务发展,用户段的终端类型可分为A型、B型、C型、D型、E型、M型、航空型等。A型终端是Inmarsat卫星通信系统早期(20世纪80年代)的主要大型船舶终端,采用模拟调频方式。B型终端是A型站的数字式替代产品,支持A型站的所有业务,使用的卫星功率仅为A型的一半,空间段费用大大降低,同时终端站的体积、质量比A型站减少了许多。
       C型终端是用于全球存储转发式低速数据小型终端。D型终端是用于Inmarsat全球卫星短信息服务系统的地面终端,它支持总部与边远地区人员、无人值守设备和传感器之间的双向短信息通信。E型终端是卫星应急无线电示位标终端,是全球海上遇险告警专用设备。
       M型终端是小型的数字电话(4.8kbit/s)、传真和数据(2.4kbit/s)终端机,其体积、质量与笔记本计算机相当,该终端已得到了相当广泛的应用。航空终端(Inmarsat-Aem)用于飞机之间和飞机与地面之间的通信。

4.GlobalStar卫星通信系统

       Globalstar卫星通信系统是美国LQSS(LoralQualcommSatelliteService,由Loral宇航局和Qualcomm公司共同组建)公司于1991年提出的低轨道卫星移动通信系统。虽然Global-star卫星通信系统与Iridium卫星通信系统都是低轨道卫星通信系统,但其在结构设计和技术实现上却不相同。这一特点也充分体现了卫星通信系统的灵活性和多样性。Globalstar卫星通信系统属于非迂回型,不单独组网,其作用只是保证全球范围内任意用户随时可以通过该系统接入地面公共网联合组网,其联结接口设在关口站。
       Globalstar卫星通信系统的基本设计思想是利用低轨道卫星组成一个可实现全球覆盖的语音、传真、数据、定位等业务的卫星移动通信系统,作为地面蜂窝移动通信系统和其他移动通信系统的延伸和补充。Globalstar卫星通信系统采用低成本、高可靠的系统设计,一个关口站只需要35万美元。其终端手持机的价格也与目前市场上移动蜂窝手机的价格相当,并不十分昂贵,且其服务范围不受限制,同一手持机就可以在世界上任何的地方、任何时间与任何地方的用户建立迅速、可靠的通信联络。从商业服务的角度上看,       Globalstar卫星通信系统的服务对象更适合那些无基础通信设施的边远地区用户、跨国漫游用户等,以及希望完成通信覆盖的电信运营企业、行业内部通信网用户,甚至是政府专用通信网用户等。按目前Globalstar卫星通信系统合作伙伴的分布情况来看,它可以为33个国家提供服务,其中包括14个欧洲国家,8个亚洲国家,6个美洲国家以及其他地区的5个国家。

5.GPS

        GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是由美国国防部于20世纪70年代研制的一种全天候、空间基准的导航系统,主要目的是为美军提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和科能融合应急通信等一系列军事目的。由于GPS的定位技术具有高精度、高效率和低成本等优点,且使用者只需拥有GPS接收机,无需另外付费,使得其在民用服务方面迅速得到普及。GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精密定位服务两类。民用信号中加有误差,其最终定位精确度大概在100m左右;军规的精度在10m以To这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的中距离圆形轨道卫星系统,可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到5颗以上卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航、定位、授时等功能。
       GPS由3部分组成:空间部分(GPS星座)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(GPS信号接收机)。
       GPS的空间部分是由24颗工作卫星(其中3颗为在轨备用卫星)组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55。。
       GPS的地面控制部分由1个主控站、5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的饱钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。
       用户设备部分即GPS信号接收机,其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。目前各种类型的接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。
       GPS的主要用途包括人员及车辆定位导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等陆地应用,船只定位导航、远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等海洋应用,以及飞机定位导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等航空航天应用。
       GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务。此外,还可利用GPS获得气象数据,为某些实验和工程应用。

6.GLONASS

       GLONASS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)是前苏联从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS相类似的卫星定位系统,现在由俄罗斯空间局管理。
       与GPS一样,GLONASS由3个基本部分组成,即空间部分(GLONASS星座)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(GLONASS信号接收机)。
       GLONASS空间星座由24颗卫星组成,工作卫星有21颗,分布在3个轨道平面上,同时有3颗备份星。
       GLONASS地面控制部分由系统控制中心、中央同步处理器、遥测遥控站(含激光跟踪站)和外场导航控制设备组成。地面控制部分的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着前苏联的解体,GLONASS由俄罗斯航天局管理,地面控制部分已经减少到只有俄罗斯境内的场地了,系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科,遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。
       GLONASS用户设备(即GLONASS信号接收机)能接收卫星发射的导航信号,并测量其伪距和伪距变化率,同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS提供军用和民用两种服务。GLONASS绝对定位精度水平方向为16m,垂直方向为25m。目前,GLONASS的主要用途是导航定位,当然与GPS一样,也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。
       GLONASS与GPS有许多不同之处,见表3-1。
表3-1GLONASS与GPS对比
项    目 GPS GLONASS
星座卫星数 24 24
轨道面个数 6 3
轨道高度/km 20200 19100
运行周期 llh58min 11 hl5min
轨道倾角(。) 55 65
载波频率/MHz LI: 1575. 42 L1: 1602. 56 - 1615.50
L2:1227. 60 L2:1246.44 - 1256.50
传输方式 码分多址 频分多址
调制码 C/A码和P(Y)码 SP码和HP码
时间系统 UTC UTC
坐标系统 WGS-84 PE-90
SA 有(2000年5月1日取消)
AS
       一是卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制,每颗卫星的信号频率和调制方式相同,不同卫星的信号靠不同的伪码区分°而GLONASS采用频分多址体制,卫星靠频率不同来区分,每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同,GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰,因而,具有更强的抗干扰能力。
       二是坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系(WGS-84),而GLONASS使用前苏联地心坐标系(PE-90)。
        三是时间标准不同。GPS与世界协调时相关联,而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。

7.卫星导航定位系统

       Galileo是伽利略卫星导航定位系统的简称。该系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统,也是继美国GPS及俄罗斯的GLONASS外,第三个可供民用的定位系统,预计会于2010年开始运作,目的是为用户提供更准确的数据;加强对包括挪威、瑞典等高纬度地区的覆盖;减低对现有GPS的依赖,尤其是在战争发生时。
       与GPS、GLONASS不同,Galileo系统由4个基本部分组成,即空间部分(Galileo星座)、环境部分(研究环境干扰的解决方案)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(Galileo信号接收机)。
       空间部分由位于中高度(MEO)30颗卫星构成,这些卫星分置于3个轨道面内,轨道高度为23222km,倾角为56。。
       Galileo的环境部分是新增的部分,实际上在GPS和GLONASS中都是隐含的部分,在伽利略中明确提升到最关键的组成部分中来,这是由于实用需求日益广泛和技术进步带来的结果,因为定位精度日益提高和可靠性更加重份量的客观需求,以及使用中遇到的各种各样的问题,必然要把这个环境段放到重要位置上加以考虑。环境段主要研究电离层、对流层、电波干扰和多径效应,以及它们的缓解技术和对策。
       地面控制部分主要包括伽利略控制中心(2个)、C波段任务上行站(5个)、伽利略上行站(5个,TT&C-S波段和ULS-C波段)、伽利略传感器站(29个),以及Delta完好性处理装置和任务管理办公室。它们之间由伽利略数据链路和伽利略通信网络进行连接,外面相关的部门还包括搜索救援中心和世界协调时部门等。
       由于涉及到海陆空天各种应用领域,且Galileo提供的服务及水平要比GPS多得多和高得多,所以对用户接收机的要求就更高更广更多,而且还应兼顾到与GPS的兼容互动。
        与GPS相比,虽然Galileo提供的信息仍还是位置、速度和时间,但是Galileo提供的服务种类远比GPS多。GPS仅提供两种服务:标准定位服务和精确定位服务;而Galileo提供如下5种主要服务:
       1)公开服务,与GPS的标准定位服务相类似,免费提供定位、导航和授时服务,供大批量导航市场应用。公开服务定位精度通常为15~20m(单频)和5~10m(双频)两个档次。主要的对象是一般大众,例如,一般汽车的导航系统、用行动电话来定位或提供收信者在特定地点的国际标准时间测定。
       2)商业服务,对公开服务的一种增值服务,以获取商业回报,它具备加密导航数据的鉴别功能,为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。例如,在公开服务部分的信号中额外传输已锁码的资料;在应中用精确定位服务信号替代公开服务信号来精确定位;支持与无线通信网络整合后提供的航空信号等。
       3)公共规范服务,是为欧盟会员国安全应用以及具有战略意义的活动而专门设置的。指在欧盟会员国政府所规范的与国家安全、治安、警政、法律施行、紧急救助,迫切性的能源、运输及通信应用,或与欧洲利益息息相关的经济或工业活动。其卫星信号更为可靠耐用,受成员国控制。公共规范服务定位精度有局域增强时能达到Im,商用服务有局域增强时为10cm〜Im。
       4)生命安全服务,应用于交通运输、引导船只入港、铁路运输管制、进阶的交通管制及自动化等,可以同国际民航组织标准和推荐条款中的“垂直制导方法”相比拟,并提供完好性信息。
       5)搜救服务,其功能基本上与COSPAS-SARSAT(全球卫星搜救)系统相同,但做了一些改善。COSPAS-SARSAT系统由美国、加拿大、法国及俄罗斯联合创立,目前许多国家都有自己的资料处理站,这个系统包括4个以上低轨道卫星与3个以上的静止卫星,这些卫星会接收来自海上与空中发出的求救信号,予以定位之后,卫星会继续将信号传到资料处理中心,资料处理中心再将消息传达给与救难搜寻相关的联络中心。
        以上所述的前4种是伽利略的核心服务,最后一种则是支持SARSAT的服务。

8.北斗卫星导航定位系统

       北斗卫星导航定位系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统。该系统由3颗(2颗工作卫星、1颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、地面控制中心为主的地面部分和北斗用户终端3部分组成。可向用户提供全天候、24小时的即时定位服务,定位精度可达数十纳秒的同步精度,其精度与GPS相当。
       北斗卫星导航定位系统由2颗地球静止卫星(800E和1400E)、1颗在轨备份卫星(HO.50E).中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。
       北斗卫星导航定位系统具备如下功能:
       1)短报文通信:北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。
       2)精密授时:北斗系统具有精密授时功能,可向用户提供20-100ns时间同步精度。
       3)定位精度:水平精度100m表示测量精度的一个统计概念,可保留也可去掉,设立标校站之后为20m(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHzo
       4)系统容纳的最大用户数:每小时540000户。
       北斗卫星导航定位系统与GPS比较,有如下方面的不同。
       1)覆盖范围:北斗卫星导航定位系统是覆盖中国本土的区域导航系统,覆盖范围东经约70°-140°,北纬5。~55。;GPS是覆盖全球的全天候导航系统,能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6~9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。
       2)卫星数量和轨道特性:北斗卫星导航定位系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星,且两颗卫星之间的赤道角距约60。;GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星,轨道倾角为55。,升交点赤道角距60。;GPS导航卫星为准同步轨道,绕地球一周1lh58min。
       3)定位原理:北斗卫星导航定位系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算,供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。北斗卫星导航定位系统的这种工作原理带来两个方面的问题,一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性,这在军事上相当不利,另一方面由于设备必须包含发射机,因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
       4)定位精度:北斗卫星导航定位系统的三维定位精度约几十米,授时精度约100ns;GPS三维定位精度P(Y)码目前已由16m提高到6m,C/A码目前已由25-100m提高到12m,授时精度日前约20nso
       5)用户容量:北斗卫星导航定位系统由于是主动双向测距的询问一应答系统,用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号,还要求用户设备向同步卫星发射应答信号,这样系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率,因此北斗导航系统的用户设备容量是有限的;GPS是单向测距系统,用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位,因此GPS的用户设备容量是无限的。
       6)生存能力:和所有导航定位卫星系统一样,北斗卫星导航定位系统基于中心控制系统和卫星的工作,但是北斗卫星导航定位系统对中心控制系统的依赖性明显要大很多,因为定位解算在哪里不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性,GPS正在发展星际横向数据链技术,使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗卫星导航定位系统从原理上排除了这种可能性,一旦中心控制系统受损,系统就不能继续工作了。
       7)实时性:北斗卫星导航定位系统用户的定位申请要送回中心控制系统,中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户,其间要经过地球静止卫星走一个来回,再加上卫星转发,中心控制系统的处理,时间延迟就更长了,因此对于高速运动体,就加大了定位的误差。
       8)北斗卫星导航定位系统具备短信通信功能,GPS则没有。
北斗卫星导航定位

3.1.3卫星应急通信设备

1.Inmarsat卫星通信终端

       Inmarsat与Aces合作推出IsatPhone持机,语音清晰、信号强、覆盖广(亚洲、非洲、中东)。随着Inmarsat与Aces的合作,Inmarsat于2007年7月16日推出新的卫星电话服务,宣告进入手持和固定卫星电话市场。新服务包括手持、固定和海用卫星电话,品牌分别为IsatPhoneALandPhone和FleetPhone。
        IsatPhone是手持式双模卫星电话(卫星模式/GSM模式),适合在缺乏通信基础条件、通信基础条件落后的地区工作的商务旅行者和个人用户使用oIsatPhone可在亚洲、非洲和中东地区使用。 
        LandPhone是一种针对偏远地区室内外使用的固定电话解决方案。图3-12给出了Inmarsat卫星通信终端的几个示例。
Inmarsat卫星通信终端

2.Iridium卫星通信终端

       轻巧便携型卫星电话——摩托罗拉9505A(见图3-13)是Iridium卫星通信终端之一,与前几代产品相比较,更小巧,更坚固。9505A提供多种辅助设备(见图3-14),为用户提供更便于使用和更可靠的通信服务。9505A增加了加密功能,并提供中、英、日、韩等多国语言操作界面。
       摩托罗拉9505A具有即时通话、电池寿命长、使用方便、振铃呼叫、人性化操作界面、液晶显示屏(4x16)、荧光全息显示、国际通用按键顺序、10。个存储信息、防水、防振、防灰尘、免提耳机、小巧、轻便等特点。

3.北斗卫星通信产品

       目前,由于北斗卫星导航定位系统面市时间较短,且仍在持续建设和完善过程中,其市场产品远不如GPS产品那么丰富和应用广阔。但作为我国自主知识产权的卫星导航定位系统,有必要对其实际产品应用情况做一下说明,以帮助读者更好地了解北斗卫星导航定位系统的应用前景。北京北斗星通导航技术股份有限公司经过长期的摸索和创新,在北斗卫星导航定位系统实际应用方面已经形成一系列产品。下面,就以该公司的系列产品为例作一个简单介绍。
(1)运营服务产品
1)北斗天枢运营服务产品。
       北斗星通公司综合利用北斗卫星导航定位系统、GPS、海事卫星系统、全球星卫星系统等多种卫星网络,以及船舶自动识别系统、互联网、移动通信网络、地理信息等资源,融合多项先进的信息处理技术,自主创建了基于位置的综合信息服务平台——北斗天枢运营服务中心。该中心起到了连接海上船舶、偏远地区车辆等移动终端用户和管理部门之间的桥梁作用,能够把移动终端的位置信息、通信信息、报警信息等发送到管理部门,并能把管理部门的管理指令信息、政策信息传达到移动终端用户。并可满足移动终端用户与手机之间的短消息互通、移动终端用户订阅信息、手机用户订阅位置信息等需要。
 摩托罗拉9505A标准配件
图3-14  摩托罗拉9505A标准配件
       北斗天枢运营服务中心能够为北斗终端用户、手机用户、管理部门等提供7x24小时不间断服务。北斗天枢运营服务中心每年可为用户提供超亿次的导航定位、通信、信息订阅等信息服务。
       北斗天枢运营服务中心主要服务于海洋渔业安全生产、石油船舶运输、物流及危险品运输、水文水利、气象数字传输、地质灾害监测、减灾救灾、偏远地区旅游等行业相关管理部门和用户。
2)北斗天枢业务操作网络服务平台。
       北斗天枢业务操作网络服务平台部署在北斗天枢运营服务中心,用户打开计算机IE浏览器,以账号网络登录该监控平台,实现船舶、车辆等移动目标的位置监控。北斗天枢业务操作网络服务平台的主要服务功能包括移动目标管理、海图管理、位置监控、航迹回放、短消息通信、紧急报警及救助指挥、历史信息查询等。
(2)终端软件产品
1)北斗玉衡船位监控指挥管理系统软件。
       北斗玉衡船位监控指挥管理系统软件基于北斗天枢运营服务中心,通过互联网、移动通信无线网络与北斗天枢运营服务中心建立网络连接,向船舶管理部门提供船舶的位置监控、指挥调度管理。
       北斗玉衡船位监控指挥管理系统软件主要应用于海洋渔业安全生产位置监控、石油船舶位置监控等领域。为船舶管理部门、航运管理部门、渔业公司等用户提供基于位置的综合信息服务。
北斗玉衡船位监控指挥管理系统软件的主要功能包括船舶管理、海图管理、位置监控、航迹回放、短消息通信、紧急报警及救助指挥、区域报警管理、出入港管理、台风管理、历史信息查询及统计等。
       根据用户部署及与北斗天枢运营服务中心之间的网络连接关系,北斗玉衡船位监控指挥管理系统软件可部署为3种类型,即北斗天巩集团用户船位监控指挥管理台站中心设备(总台型)、北斗天巩集团用户船位监控指挥管理台站中心设备(分中心型)及北斗玉衡船位监控指挥管理终端(移动型)。
 2)北斗玉衡船载通信导航软件。
       北斗玉衡船载通信导航软件需要与北斗天璇系列船载终端配合使用。该软件产品通过RS232串口与北斗船载终端相连接,实现船舶的自主导航,并向船舶管理部门用户提供船位监控、指挥调度管理功能。
       软件主要应用于渔政船、渔船、运输船舶、拖船、补给船等,船舶上安装北斗船载终端,船舱内操作计算机上安装北斗玉衡船载通信导航软件,通过串口连接北斗船载终端。软件主要功能包括船舶资料设置、海图操作、位置监控、航迹回放、短消息通信、遇险紧急报警等。
3)北斗玉衡气象站自动监控软件。
       北斗玉衡气象站自动监控软件是一款主要为气象信息数据釆集传输应用开发的软件产品。在其他地面网络通信系统无法到达的地区,利用北斗用户机产品与气象站对接,主动向气象中心报告采集的气象数据,气象中心通过北斗天璇指挥型或增强型用户机,以及北斗玉衡气象站自动监控软件的数据汇总处理,即可实现气象站数据的自动采集和可视化管理功能。
       北斗玉衡气象站自动监控软件的主要功能包括气象站管理、气象数据报文信息处理、调取气象数据等。
4)北斗天巩灾害预警救助综合信息服务中心设备。
       北斗天机灾害预警救助综合信息服务中心设备主要由中心数据库服务器、灾害预警救助综合信息服务用户中心平台软件、分布各地的北斗天璇系列用户机等组成,应用于减灾救灾领域。在备灾和灾害发生阶段,在无地面通信设施地区或地面通信系统遭到破坏时,通过系列北斗用户机的短报文通信功能,提供灾害预警信息监测和灾害报吿服务;在救灾阶段,在地面通信系统中断的情况下,通过北斗卫星系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能的综合应用,提供灾区和全国范围的实时救灾指挥调度、科能融合应急通信、灾情信息快速上报和共享等服务。
(3)终端硬件产品
1)北斗天璇船载终端系列产品。
       北斗天璇船载终端系列产品是专门针对船舶环境设计的一款北斗和GPS双模定位、主机天线一体化设备,能够适应海上复杂的恶劣环境。该系列产品获得中华人民共和国渔业船舶检验局船用产品型式认可证书,证书编号C00000600096o该终端系列产品广泛应用于海洋渔业渔船安全生产管理、船舶运输、江河船舶运输等领域。
2)北斗天璇多功能导航仪。
       北斗天璇多功能导航仪实现北斗船载终端和船舶自动识别系统终端的数据兼容接入,大屏幕和高精度的电子海图显示,可提供船上用户方便的导航、定位、通信、防碰壁功能,可广泛应用于海洋渔业渔船、各类运输船舶的导航与船位监测领域。
3)北斗天璇传输型用户机。
       北斗天璇传输型用户机主要针对远程数据采集自动传输领域设计的一款北斗用户机产品,可广泛应用于气象、水利、石油等各个领域。
4)北斗天璇指挥型用户机。
       北斗天璇指挥型用户机是用于对集团用户群进行指挥管理的一款北斗用户机产品。北斗天璇指挥型用户机可作为指挥调度网络的中心使用,也可以作为多级指挥网络的中心信息环节,是集团用户必备的指挥监控产品。
5)北斗天璇增强型接收机。
       北斗天璇增强型接收机是根据高端用户的管理需求,基于北斗卫星的定位、通信、授时和基于位置的信息服务等技术开发的一款高端北斗接收机。该设备可管理的下属北斗用户机数量多、范围大,监收信息实时性强,支持与其他基于位置的信息服务应用系统联网运行,可安装到机动车上进行机动式工作。北斗增强型接收机可应用于国防、公安(武警)、矿业、石油、运输、电力、抢险救灾、城市应急等领域。
6)北斗天璇手持型用户机。
       北斗天璇手持型用户机是适合个人使用的便携型北斗用户机,具有全天候的定位、通信和授时功能。通过该产品的通信功能,可实现灾难上报信息紧急通信联络,还可通过位置信息,定位到灾难发生地点,其可广泛应用于减灾救灾、个人安全保障的科能融合应急通信领域。
7)北斗天璇车载型用户机。
       北斗天璇车载型用户机是针对装车环境设计的一款北斗用户机产品,采用了显控设备与主机分离的模式,具有安装合理、实用方便的特点。北斗天璇车载型用户机广泛应用于运输、国防、武警、公安等安全部门的车辆监控调度管理领域。
8)北斗天璇授时型用户机。
       北斗天璇授时型用户机是一款专门用于授时工作的一款北斗用户机产品,可为用户提供精密授时,可广泛应用于通信、电力等领域的各种设备和网络的时间同步。
9)北斗天璇船舶自动识别系统终端。
      北斗天璇船舶自动识别系统终端由岸基(基站)设施和船载终端设备共同组成,是一种新型的集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备,可广泛应用于海洋及港口船舶避碰和船位跟踪等相关领域。
10)北斗天璇个人跟踪定位器。
       北斗天璇个人跟踪定位器是国内最简单的专用GPS移动目标定位、实时跟踪终端,使用美、韩高性能GPS合成芯片,适用于全球性GSM、CDMA、GPRS网络,体积火柴盒大小,可广泛适用于车辆、个人(老人、小孩)等移动目标的跟踪管理。
11)北斗天璇SPOT卫星跟踪器。
       北斗天璇SPOT卫星跟踪器是世界上第一个专门为从事野外工作和活动的个人而设计的卫星跟踪报信器,可对该类人群提供生命安全保障。SPOT卫星跟踪器终端接收GSP定位信息,然后通过SPOT商用卫星网和互联网发送定位信息和预置的短信息,可向他人告知当前所在位置和状态,或在危急情况下,向他人求救。北斗天璇SPOT卫星跟踪器可广泛应用于野外工作或活动的个人使用。
12)北斗天璇AXTracker用户终端。
      北斗天璇AXTracker用户终端主要用于远程车(船)队管理和资产跟踪。AXTracker通过全球星卫星实时转发信息至地面站,用户通过互联网可以査看信息。该设备无需外部天线和外部电源,AXTracker的电源寿命为3~7年。该设备安装简便,全球覆盖。北斗天璇AX-Tracker用户终端可帮助实现远程车船、物资的跟踪管理,广泛应用于物流车辆、集装箱运输等领域。
(4)系统解决方案
      北斗卫星通信可向用户提供基于位置的综合信息全方位、一站式服务,包括如下几类。
      1)渔船船位监控指挥管理系统。
       渔船船位监控指挥管理系统主要关注远海及近海渔船船舶的位置监控、紧急报警服务、区域报警、渔船出入港报告等服务。通过整合卫星导航定位系统、地理信息系统、移动通信网络、互联网等技术手段,构建了统一的信息管理、信息共享平台,通过北斗天枢运营服务中心,向各级渔业管理部门、渔业公司提供海上渔船的监控管理、遇险救助、短信息互通服务。如图3-15所示。
渔船船位监控指挥管理系统
图3-15  渔船船位监控指挥管理系统
2)港口船舶监管安全救助信息系统
       港口船舶监管安全救助信息系统主要关注近海和远海的船舶船位监控及港口码头船舶安全监控,实现船舶防碰撞及船舶遇险下的救助指挥管理。利用北斗卫星导航定位系统,配合其他的通信设备如船舶自动识别系统终端、射频识别器的辅助管理,实现对港口船舶进出港智能的管理,预防和减少碰撞事故的发生,并在船舶遇险时进行快速、有效的救助。实现应急指挥数据综合査询,搜救行动辅助决策,搜救力量联动指挥,改善、提升渔业部门应急的组织、指挥、协调能力,提高海上搜救的效率和成功率。
3)水文水利自动测报系统。
      水文水利自动测报系统主要由水文、雨量传感器、北斗天璇传输型用户机、北斗天枢运营服务中心、各个水利监测部门的监控中心4个部分组成。水利部门监控中心可以通过北斗传输型用户机完成下属水文、雨量站数据上报,将水文/雨量信息纳入到专题地理信息系统的管理之中,并进行形象化显示。如图3-16所示。
水文水利自动测报系统
图3-16    水文水利自动测报系统
4)北斗卫星灾害预警救助应急综合信息服务系统。
       北斗卫星灾害预警救助应急综合信息服务系统主要由北斗天璇车载型用户机或手持型用户机、救灾指挥中心的北斗天璇指挥型用户机或增强型接收机和北斗玉衡灾害预警救助综合信息服务平台三大部分组成,可实现灾害预警、速报、监控指挥调度、科能融合应急通信等功能的灾害救助应急综合信息服务系统。
       在备灾和灾害发生阶段,在无地面通信设施地区或地面通信系统遭到破坏的情况下,通过北斗用户机的短报文通信功能,提供灾害预警信息监测和灾害报告服务;在救灾过程中,通过北斗卫星导航定位系统的导航定位、短报文通信以及位置报告功能的综合应用,提供灾区和全国范围的实时救灾指挥调度、科能融合应急通信、灾情信息快速上报与共享等服务。如图3-17所示。
北斗卫星灾害预警救助应急综合信息服务系统
图3-17   北斗卫星灾害预警救助应急综合信息服务系统
5)北斗卫星集装箱安全保障和信息服务系统。
       北斗卫星集装箱船安全保障和信息服务系统主要由北斗天璇车载型用户机或北斗天璇AXTracker用户终端、北斗天枢运营服务中心、北斗卫星集装箱船安全保障和信息服务软件平台等3部分组成。该系统基于我国自主研发的北斗卫星导航定位系统,可将集装箱准确的位置信息、内容丰富的短信信息,通过北斗天枢运营服务中心及互联网,传输到集装箱作业管理者个人计算机上,为集装箱码头、船舶公司、货主、管理部门及其相关者提供集装箱监控调度和位置相关信息服务。
6)偏远地区旅游安全保障和信息服务系统。
       该系统面向在偏远地区进行旅游的旅行社旅游车辆、自驾车、个人旅游者、探险、地质勘探等用户及相关管理部门,主要向旅游者提供自导航和紧急遇险求救服务,并可提供在移动通信盲区与移动通信网络用户进行短信息互通服务,向管理部门提供旅游者的实时位置信息,向旅游者发布有关通报信息。管理部门在获得旅游者的遇险报警信息后,进行救援调度指挥。同时,旅游者家人可以通过互联网和旅游者进行通信,并根据授权可以远程获取旅行者的位置信息。
7)远程安全信息监测服务系统。
       专业传感器能够对海上钻井平台、煤矿安全、山体滑坡进行信息采集,通过北斗天璇系列用户机远程传输到北斗天枢运营服务中心,通过互联网将有关信息在用户的各级部门间进行共享,有利于对大范围的生产安全进行综合管理,体现发现问题,防患于未然。
8)特种车辆安全保障和综合信息服务系统。
       该系统面向长途物流、危险品运输、冷冻冷藏等特种车辆及其主管部门的基于位置的综合信息服务。主要向管理部门提供有效的车辆实时位置信息,并在地理信息系统上以图形化展现。管理部门可监控车辆的状态、车辆出发与到达报告、区域报警、紧急遇险报警、车载传感器信息的实时数据釆集与报告、行车线路所在区域的天气预报、重大情况的通

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