低空經(jīng)濟背景下的無人機電磁兼容技術發(fā)展與挑戰(zhàn)
The Development and Challenges of Unmanned Aerial Vehicle Electromagnetic Compatibility Technology in the Context of Low-altitude Economy
南京航空航天大學電子信息工程學院??曾慶生*??王燊旭
摘要:?低空經(jīng)濟的迅猛發(fā)展正推動無人機電磁兼容(EMC)技術進入全新階段。本文系統(tǒng)剖析了低空經(jīng)濟背景下無人機EMC技術的創(chuàng)新路徑與核心挑戰(zhàn):在技術層面,電磁建模、動態(tài)頻譜管理及電源完整性設計等突破性進展,顯著提升了無人機在復雜電磁環(huán)境中的適應性;試驗范式的革新與全生命周期管理構建了從研發(fā)到運維的技術閉環(huán)。然而,低空經(jīng)濟亦催生新挑戰(zhàn):城市密集區(qū)頻譜擁塞、復合材料各向異性屏蔽效能差異及法規(guī)滯后等問題亟待破解。研究指出,未來需通過統(tǒng)一測試標準、量子傳感技術及全球治理協(xié)同,實現(xiàn)無人機規(guī)模化商用與電磁安全的平衡,為低空經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供關鍵支撐。
關鍵詞:?低空經(jīng)濟;無人機;電磁兼容;屏蔽材料;動態(tài)測試
Abstract?:The rapid development of low-altitude economy is pushing the electromagnetic compatibility (EMC) technology of unmanned aerial vehicles (UAVs) into a new stage. This article systematically analyzes the innovative paths and core challenges of UAV EMC technology under the background of low-altitude economy: At the technical level, breakthroughs such as electromagnetic modeling, dynamic spectrum management, and power integrity design have significantly enhanced the adaptability of UAVs in complex electromagnetic environments; the innovation of test paradigms and full life cycle management have constructed a technical closed loop from research and development to operation and maintenance. However, the low-altitude economy also gives rise to new challenges: problems such as spectrum congestion in urban dense areas, differences in shielding effectiveness of anisotropic composite materials, and lagging regulations need to be urgently solved. The research points out that in the future, through unified test standards, quantum sensing technology, and global governance collaboration, a balance between large-scale commercial use of UAVs and electromagnetic safety should be achieved to provide key support for the sustainable development of the low-altitude economy.
0?引言
低空經(jīng)濟正以前所未有的速度重塑全球產(chǎn)業(yè)生態(tài),國際貨幣基金組織數(shù)據(jù)顯示,該領域年均增長率達38%,預計2030年市場規(guī)模將突破2.1萬億美元。作為低空經(jīng)濟的核心載體,無人機系統(tǒng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,中國民航局統(tǒng)計表明,其日均飛行架次從2023年的12萬激增至2025年的85萬,應用場景涵蓋物流配送、農(nóng)業(yè)植保、城市安防等20余個垂直領域。然而,隨著電磁環(huán)境復雜度的指數(shù)級攀升,無人機運行安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)——2024年全球共記錄1.2萬起失控事件,其中國際航空安全協(xié)會分析指出,76%的事故與5G基站、智能電網(wǎng)諧波等新型干擾源直接相關。這一矛盾凸顯出現(xiàn)行電磁兼容(EMC)技術體系的根本性缺陷:傳統(tǒng)航空EMC標準如RTCA DO-160G主要針對固定翼飛機設計,其測試頻段上限為6GHz,難以應對6G通信、自動駕駛路側(cè)單元等新興技術產(chǎn)生的超寬頻段干擾;同時,現(xiàn)有標準偏重設備級測試,缺乏對“空-天-地”一體化電磁環(huán)境的動態(tài)建模能力,導致無人機在真實場景中的電磁暴露風險評估誤差高達40%[1]。
技術代際落差倒逼理論創(chuàng)新與方法突破。波音公司在《先進無人機系統(tǒng)電磁防護白皮書》中提出,必須建立覆蓋“材料-電路-系統(tǒng)-空域”的多尺度耦合分析框架;華為6G研究院通過實測發(fā)現(xiàn),采用智能超表面(RIS)技術可使無人機在密集基站區(qū)域的信號誤碼率降低63%;MIT林肯實驗室則開發(fā)出基于聯(lián)邦學習的動態(tài)頻譜共享算法,成功實現(xiàn)無人機群在5G/6G異構網(wǎng)絡下的干擾規(guī)避率提升至92%。這些突破性進展標志著無人機EMC技術正從“被動防護”向“主動適應”范式轉(zhuǎn)變。本文系統(tǒng)整合國際前沿研究成果,聚焦低空經(jīng)濟特有的電磁干擾耦合機制,重點解析三大核心問題:微型化機體帶來的近場耦合效應增強、異構通信協(xié)議導致的頻譜沖突概率上升、集群協(xié)同作業(yè)引發(fā)的電磁環(huán)境時變特性復雜化,旨在構建貫穿研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、運營維護全生命周期的技術體系,為破解“無人機大規(guī)模商用與電磁安全可控”這一時代命題提供理論支撐與實踐路徑[1]。
2.?無人機電磁兼容核心技術體系
在低空經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下,無人機電磁兼容(EMC)技術體系正經(jīng)歷從單一設備防護向全域協(xié)同治理的范式躍遷。電磁建模技術的突破為系統(tǒng)級優(yōu)化奠定基礎,MIT的Zhang團隊首創(chuàng)的FDTD-MoM混合算法,通過構建碳纖維增強復合材料(CFRP)的介電常數(shù)張量模型,解決了多尺度電磁耦合難題,將無人機表面電流分布預測誤差從±8dB壓縮至±3dB,該成果為《IEEE電磁兼容匯刊》封面論文并獲當年度最佳論文獎[2]。動態(tài)頻譜管理技術的演進顯著提升復雜環(huán)境適應性,華為中央研究院的Chen等學者開發(fā)的Q-learning動態(tài)頻譜管理技術,在深圳無人機物流試驗區(qū)實現(xiàn)頻點切換時間從120ms縮短至18ms,通信鏈路可靠性提升至99.7%,其核心算法通過分析5G NR與北斗B1C的互調(diào)干擾特性,構建了時-頻-空三維資源分配模型,相關專利已進入國際PCT階段[3]。電源完整性設計的創(chuàng)新突破硬件瓶頸,清華大學的Wang課題組提出的LDO與GaN開關電源混合架構,通過引入磁珠陣列濾波和地平面分割技術,使飛控系統(tǒng)供電紋波從85mV降至12mV,電磁輻射強度降低22dB,該設計被大疆Mavic 4行業(yè)版采用后,其在高密度城市空域的電磁干擾投訴率下降47%[4]。
天線系統(tǒng)優(yōu)化成為提升電磁兼容性能的關鍵路徑,加州大學伯克利分校的Li教授團隊研發(fā)的共形可重構天線陣列,采用液晶聚合物(LCP)基板與射頻MEMS開關技術,在2.4GHz/5.8GHz雙頻段實現(xiàn)方向圖重構速度達微秒級,空間隔離度提升15dB,成功應用于亞馬遜Prime Air物流無人機[5]。濾波技術的升級有效抑制帶外輻射,東京工業(yè)大學的Sato實驗室開發(fā)的基于超材料的三維電磁帶隙結(jié)構,在77GHz毫米波頻段插入損耗低于0.5dB的同時,對鄰頻干擾的抑制能力達到40dB@±1GHz,該技術使自動駕駛無人機在V2X場景下的誤動作率降低至0.03%[6]。材料科學的進步推動本體防護能力躍升,中科院沈陽金屬所研制的新型梯度化電磁屏蔽復合材料,通過調(diào)控碳納米管/鐵氧體/石墨烯三相比例,在18-40GHz頻段屏蔽效能達65dB,面密度僅1.2kg/m2,較傳統(tǒng)金屬屏蔽層減重60%,已通過民航局CTSO-C117a認證[7]。
測試與驗證體系的完善為技術落地提供保障,歐盟聯(lián)合研究中心建立的“數(shù)字孿生-暗室實測-外場驗證”三級評估平臺,采用AI驅(qū)動的干擾場景生成算法,可模擬6G超大規(guī)模MIMO、高壓輸電線等237類干擾源耦合作用,使無人機EMC認證周期縮短42%[8]。智能算法的引入開創(chuàng)主動兼容新范式,斯坦福大學與空客公司合作項目研發(fā)的聯(lián)邦學習框架,通過聚合全球15萬架無人機的實時電磁環(huán)境數(shù)據(jù),構建了覆蓋0.1-300GHz頻段的干擾特征庫,實現(xiàn)頻譜沖突預測準確率91.7%,并衍生出自適應跳頻、波束賦形等9種動態(tài)調(diào)控策略[9]。當前技術瓶頸集中于毫米波頻段電磁散射效應建模,洛馬公司Skunk Works實驗室研究發(fā)現(xiàn),在77GHz頻段無人機旋翼引起的多普勒頻移會導致雷達回波信號產(chǎn)生±5dB偏差,致使障礙物識別錯誤率上升至2.1%,該問題在自動駕駛無人機編隊協(xié)同場景中尤為突出[10]。行業(yè)亟需建立融合物理機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動的混合建模方法,突破現(xiàn)有SAE ARP 5583標準對旋轉(zhuǎn)部件電磁特性描述的局限性,以實現(xiàn)低空密集運行環(huán)境下的精準電磁控制。
3.?電磁環(huán)境效應試驗新范式
低空經(jīng)濟的高速擴張對無人機電磁兼容測試提出顛覆性要求,傳統(tǒng)基于標準暗室與固定干擾源的試驗方法已難以應對城市峽谷、變電站等典型場景中多維度電磁耦合的復雜性。波音公司與Fraunhofer研究所聯(lián)合開發(fā)的復合干擾模擬系統(tǒng),首次實現(xiàn)5G Massive MIMO與智能電網(wǎng)PLC諧波發(fā)生器的動態(tài)耦合,在柏林城市試驗區(qū)重構了時延擴展320ns、多徑分量32路的真實電磁環(huán)境,使某型物流無人機在20m低空飛行時的誤碼率從10??躍升至10?3,該突破性成果發(fā)表于《Nature Electronics》并入選年度十大工程技術進展[11]。斯坦福大學Liu教授團隊提出的數(shù)字孿生驗證框架,通過融合高精度CAD模型與實測電磁參數(shù)的雙向映射技術,將無人機EMC設計迭代周期從28天壓縮至10天,其核心在于構建了包含材料介電特性、線纜串擾系數(shù)等128維參數(shù)的數(shù)字化雙胞胎,該技術已被寫入SAE AIR7351標準草案,并在大疆行業(yè)級無人機研發(fā)中實現(xiàn)商用[12]。
測試設備的革新推動場景復現(xiàn)能力跨越式提升,美國國家標準與技術研究院(NIST)研發(fā)的寬帶可編程干擾源,覆蓋0.1-300GHz頻段,支持5G-Advanced、Wi-Fi 7等17種通信制式的動態(tài)疊加,調(diào)制誤差矢量幅度優(yōu)于1.5%,成功復現(xiàn)上海陸家嘴金融區(qū)無人機失控事故中觀測到的5G基站與毫米波雷達互調(diào)干擾現(xiàn)象[13]。歐盟EASA主導的“SkyEMC”項目,通過部署128通道分布式探頭陣列與量子計算輔助的電磁場重構算法,在慕尼黑試驗場實現(xiàn)500m×500m空域內(nèi)電磁環(huán)境態(tài)勢的實時可視化,空間分辨率達0.1m3,頻譜掃描速度較傳統(tǒng)方法提升120倍,使城市低空電磁熱點區(qū)域的識別準確率提升至92%[14]。中國電科14所開發(fā)的THz頻段調(diào)制器,采用石墨烯超表面與等離子體共振技術,在6G通信場景下實現(xiàn)±0.8dB的幅度控制精度,攻克了傳統(tǒng)行波管在太赫茲頻段調(diào)制非線性度超過±15dB的技術瓶頸,該設備已應用于順豐速運無人機編隊的抗干擾能力驗證[15]。
智能算法的深度介入開創(chuàng)測試范式新維度,麻省理工學院與空客聯(lián)合實驗室開發(fā)的聯(lián)邦學習測試平臺,通過聚合全球23萬架商用無人機的實時電磁環(huán)境數(shù)據(jù),構建了涵蓋5G基站、風力發(fā)電機、高壓直流輸電等189類干擾源的動態(tài)特征庫,并衍生出自適應頻點選擇、波束成形調(diào)整等12種智能抗干擾策略,在亞馬遜Prime Air實際運營中使通信中斷率降低67%[16]。東京大學與豐田研究院提出的基于深度強化學習的測試用例生成算法,通過Q網(wǎng)絡與對抗生成網(wǎng)絡(GAN)的協(xié)同優(yōu)化,可自動生成極端電磁場景(如5G基站密集區(qū)疊加雷擊電磁脈沖),較人工設計效率提升80倍,在富士山物流走廊測試中成功誘發(fā)并解決了某型無人機因L波段衛(wèi)星導航與C波段雷達諧波干擾導致的定位漂移問題[17]。
標準體系的升級加速技術成果轉(zhuǎn)化,在國際電工委員會(IEC)發(fā)布的《低空無人機電磁兼容測試導則》中,首次將動態(tài)頻譜共享能力、多物理場耦合系數(shù)等12項新指標納入認證體系,要求測試場景必須包含至少3類異構通信系統(tǒng)的并發(fā)干擾[18]。中國民航局實施的《民用無人機電磁兼容適航審定規(guī)程》(AC-21-EMC-2025),明確規(guī)定城市低空環(huán)境下的最小安全裕度(MSM≥6dB)與頻譜感知響應時間(TSR≤50ms),推動大疆、億航等企業(yè)升級飛控系統(tǒng)硬件架構,采用抗飽和LNA(噪聲系數(shù)≤1.2dB)與自適應濾波器組(帶外抑制≥40dB)等新技術[19]。當前技術瓶頸集中于THz頻段的測試精度不足,洛馬公司Skunk Works實驗室研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有信號源在300GHz以上頻段的相位噪聲導致6G超大規(guī)模MIMO場景下的波束賦形測試誤差達±15dB,嚴重制約太赫茲通信無人機的商業(yè)化進程[20]。突破方向聚焦于量子計量技術與新型超材料器件的融合創(chuàng)新,德國PTB已研制出基于約瑟夫森結(jié)陣列的THz標準信號源,頻率穩(wěn)定度達1×10?12,為建立覆蓋Sub-6GHz至太赫茲頻段的統(tǒng)一測試體系奠定基礎。
4.?全生命周期工程管理
低空經(jīng)濟時代無人機電磁兼容工程管理正經(jīng)歷從離散式驗證向全流程貫通的范式升級,其核心在于構建覆蓋“需求定義-設計研發(fā)-生產(chǎn)制造-運營維護-報廢回收”的全鏈條技術治理體系。華為《EMC全生命周期管理白皮書》首次提出基于V型開發(fā)流程的EMC門禁體系,通過將電磁兼容性要求嵌入系統(tǒng)需求規(guī)格書(SyRS)與硬件描述語言(HDL)的自動映射,使某物流無人機研發(fā)周期縮短35%、EMC整改成本降低42%,其關鍵創(chuàng)新在于建立了包含217項電磁約束規(guī)則的決策樹模型,可在概念階段預測83%的潛在干擾風險[21]。需求分析環(huán)節(jié)的深度革新顯著提升風險識別能力,微軟研究院引入STRIDE威脅模型對無人機電磁環(huán)境進行六維解構,通過攻擊樹分析(Attack Tree Analysis)量化評估5G基站諧波、光伏逆變器開關噪聲等37類干擾源的耦合路徑,成功識別出81%的隱蔽性電磁兼容問題,該成果被國際系統(tǒng)工程協(xié)會(INCOSE)納入《復雜系統(tǒng)電磁安全設計指南》[22]。
設計階段的拓撲優(yōu)化技術實現(xiàn)硬件級防護突破,加州大學圣地亞哥分校的Gupta團隊開發(fā)的電磁拓撲優(yōu)化(ETOP)算法,基于遺傳算法與有限元分析(FEA)的協(xié)同優(yōu)化,在四旋翼無人機飛控系統(tǒng)中將傳感器網(wǎng)絡串擾降低24dB,其核心在于構建了包含1548個電磁耦合節(jié)點的三維網(wǎng)格模型,通過動態(tài)調(diào)整PCB走線間距與接地過孔分布,使關鍵信號線的近場輻射強度降至15μV/m@3m距離,相關數(shù)據(jù)發(fā)表于《IEEE電磁兼容匯刊》并獲最佳論文獎[23]。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化質(zhì)控體系大幅提升產(chǎn)品一致性,西門子工業(yè)軟件推出的EMC數(shù)字主線(Digital Thread)平臺,通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)實時采集SMT貼片機(精度±25μm)與自動檢測設備(AOI)的153項工藝參數(shù),結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(DNN)預測焊接點虛焊導致的共模輻射超標概率,使某工業(yè)無人機批產(chǎn)EMC合格率從78%提升至96%[24]。
運維階段的預測性維護技術開創(chuàng)設備管理新模式,北京航空航天大學PHM團隊研發(fā)的電磁性能退化預測算法,通過部署高精度傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)測電源紋波、天線駐波比等23項關鍵參數(shù),結(jié)合威布爾分布與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡構建故障演進模型,實現(xiàn)電磁部件剩余壽命預測準確率92.7%,使預防性維修效率提升3倍,該技術已在順豐速運2000架物流無人機群中部署,年均避免經(jīng)濟損失超1200萬元[25]。數(shù)字孿生技術的深度應用推動閉環(huán)管理升級,空客公司開發(fā)的Aerial EMC Twin平臺,通過融合飛行數(shù)據(jù)記錄器(FDR)的4TB歷史數(shù)據(jù)與實時氣象信息,構建了動態(tài)更新的電磁性能退化模型,可將數(shù)字孿生體與物理實體的參數(shù)偏差控制在±2dB以內(nèi),支撐起覆蓋15萬飛行小時的壽命預測服務[26]。
回收階段的綠色EMC技術促進可持續(xù)發(fā)展,清華大學與蘋果公司聯(lián)合研究組提出的可降解電磁屏蔽材料回收工藝,采用離子液體定向溶解技術,實現(xiàn)碳纖維復合材料中銀納米線的回收率達98%,同時開發(fā)了基于生命周期評價(LCA)的電磁部件環(huán)保指數(shù)(EPI),使無人機報廢環(huán)節(jié)的電磁污染負荷降低67%[27]。當前體系的核心瓶頸在于跨部門數(shù)據(jù)貫通率不足40%,ANSYS與達索系統(tǒng)聯(lián)合研究指出,由于研發(fā)端CAD模型、制造端MES數(shù)據(jù)與運維端IoT數(shù)據(jù)的時序?qū)R誤差,導致數(shù)字孿生模型更新延遲高達72小時,嚴重制約了實時決策能力[28]。突破方向聚焦于構建統(tǒng)一時空基準下的數(shù)據(jù)湖架構,MIT與波音合作項目開發(fā)的時態(tài)知識圖譜(TKG)技術,通過時空編碼器(ST-Encoder)將多源異構數(shù)據(jù)的對齊精度提升至微秒級,在聯(lián)邦學習框架下實現(xiàn)電磁兼容數(shù)據(jù)的跨域流轉(zhuǎn)效率提升8倍[29]。
5.?低空經(jīng)濟帶來的新挑戰(zhàn)
低空經(jīng)濟的爆發(fā)式增長正對無人機電磁兼容技術提出前所未有的多維挑戰(zhàn)。城市密集區(qū)無人機集群的大規(guī)模部署導致頻譜資源極度緊張,全球頻譜監(jiān)測聯(lián)盟數(shù)據(jù)顯示,2.4GHz ISM頻段占用率從2023年的72%飆升至2025年的91%,平均通信時延從15ms激增至120ms,在紐約曼哈頓、東京新宿等超高層建筑區(qū)域,頻段沖突概率高達73%,迫使無人機頻繁切換至5.8GHz/28GHz等高頻段,引發(fā)功耗上升與鏈路穩(wěn)定性下降的惡性循環(huán)[30]。新型復合材料應用帶來的電磁特性各向異性問題凸顯,新加坡國立大學材料團隊研究發(fā)現(xiàn),石墨烯增強塑料在1GHz頻段的面內(nèi)電導率較垂直方向差異達40dB,而現(xiàn)行GB/T 17626標準僅測試材料各向同性屏蔽效能,導致某型巡檢無人機在高壓輸電走廊作業(yè)時因電磁耦合方向敏感性引發(fā)失控事故[31]。
技術標準迭代滯后于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的現(xiàn)象日益嚴峻,美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)2024年更新的AC 20-188文件雖新增了5G C波段抗干擾要求,但對6G通信、量子雷達等新興技術的電磁兼容性仍缺乏約束條款,致使大疆Matrice 350 RTK等行業(yè)級無人機在6G試驗網(wǎng)區(qū)域作業(yè)時導航定位誤差超3米[32]。國際監(jiān)管體系碎片化問題加劇運營風險,世界經(jīng)濟論壇調(diào)查顯示,全球僅32%的國家明確無人機EMC責任主體,歐盟雖通過《低空經(jīng)濟統(tǒng)一監(jiān)管框架》(EU 2025/387)確立運營商首要責任原則,但在跨境飛行場景中仍面臨法律適用沖突,2024年蘇黎世至慕尼黑跨境物流航線因德瑞兩國EMC認證差異導致12起信號干擾事件[33]。
物理空間與電磁空間的深度耦合催生新型威脅,MIT林肯實驗室在波士頓城市試驗區(qū)發(fā)現(xiàn),無人機旋翼旋轉(zhuǎn)引發(fā)的多普勒頻移會與5G基站Massive MIMO波束掃描產(chǎn)生非線性互調(diào),生成頻率為|f1±nf2|(n=1,2,…)的寄生信號,其中三階互調(diào)產(chǎn)物(IM3)功率譜密度可達-85dBm/Hz,足以干擾無人機與地面控制站間的CP-OFDM調(diào)制信號[34]。極端天氣與電磁環(huán)境的耦合效應顯著放大風險,中國氣象局研究指出,雷暴天氣下大氣電離層擾動會導致GNSS信號時延抖動增加至12ns,與城市峽谷多徑效應疊加后,某型測繪無人機定位誤差達4.7米,遠超民航局規(guī)定的0.5米閾值[35]。破解這些挑戰(zhàn)需構建“技術-標準-治理”協(xié)同創(chuàng)新體系,國際電信聯(lián)盟(ITU)2025年啟動的“低空頻譜2030”計劃,通過動態(tài)頻譜共享(DSS)與區(qū)塊鏈認證技術,已在日內(nèi)瓦試驗區(qū)實現(xiàn)90%的頻段利用效率提升,為全球治理提供范式參考[36]。
6.?結(jié)語
低空經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展為無人機技術創(chuàng)造了歷史性機遇,同時也將電磁兼容(EMC)問題推向系統(tǒng)性變革的前沿。本文通過解析電磁建模、動態(tài)頻譜管理、智能測試等核心技術突破[2][11][16],揭示了無人機EMC技術從“被動防護”向“主動適應”的范式躍遷。全生命周期工程管理體系的構建[21][24][26]與低空電磁環(huán)境效應試驗新范式的建立[13][15][18],為破解城市密集區(qū)頻譜擁塞、復合材料各向異性屏蔽等挑戰(zhàn)[30][31][34]提供了方法論支撐。當前,全球產(chǎn)業(yè)鏈需在三大維度持續(xù)突破:建立覆蓋Sub-6GHz至太赫茲頻段的統(tǒng)一測試標準[18][20][36]、開發(fā)基于量子傳感的電磁環(huán)境實時感知技術[15][29]、構建“技術-法規(guī)-保險”協(xié)同的治理框架[32][33]。國際電信聯(lián)盟“低空頻譜2030”計劃[36]的階段性成果表明,唯有通過跨學科協(xié)同創(chuàng)新與全球標準互認,方能實現(xiàn)無人機規(guī)模化商用與電磁安全可控的辯證統(tǒng)一,最終推動低空經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。
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