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天地一體化網(wǎng)絡(luò)空間信息抗干擾技術(shù)

2016-10-18 11:31:52陳新龍陳大可
中興通訊技術(shù) 2016年4期
關(guān)鍵詞:抗干擾

陳新龍+陳大可

摘要:基于空間信息抗干擾概念和典型系統(tǒng)抗干擾技術(shù)應(yīng)用分析,提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中空間信息系統(tǒng)在信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)和處理過(guò)程中均面臨干擾的特點(diǎn)。指出了國(guó)際上空間信息抗干擾的新趨勢(shì),如系統(tǒng)防護(hù)能力愈加全面、系統(tǒng)抗干擾能力不斷增強(qiáng)、衛(wèi)星組網(wǎng)日趨成熟、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等,同時(shí)還指出中國(guó)空間信息抗干擾面臨的新問(wèn)題,如多重干擾并存、“彈性”體系中的抗干擾能力生成、國(guó)際新環(huán)境下空間系統(tǒng)主動(dòng)抗干擾等,并給出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)空間信息抗干擾未來(lái)的研究方向建議。

關(guān)鍵詞:天地一體化信息網(wǎng)絡(luò);抗干擾;空間安全

中圖分類(lèi)號(hào):TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1009-6868 (2016) 04-0049-005

得益于低成本火箭發(fā)射技術(shù)、微小衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)和載荷技術(shù)的迅猛發(fā)展,實(shí)現(xiàn)全球信息,特別是天基信息共享的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)正在全世界范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注[1]??臻g信息系統(tǒng)作為一類(lèi)在太空中組網(wǎng)應(yīng)用的特殊信息系統(tǒng),因其應(yīng)用環(huán)境的特殊性以及獲取信息、傳輸信息的制約性,面臨著較地面信息系統(tǒng)更為復(fù)雜、特殊的抗干擾問(wèn)題??臻g信息抗干擾問(wèn)題已經(jīng)成為影響這一網(wǎng)絡(luò)正常獲取信息、有效傳輸信息的關(guān)鍵問(wèn)題之一,直接關(guān)系到空間信息在應(yīng)急救災(zāi)、智慧城市、國(guó)家安全等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 空間信息抗干擾內(nèi)涵

“空間信息抗干擾”與“空間信息對(duì)抗”密不可分??臻g信息[2]對(duì)抗是指“空間攻防中,以信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理過(guò)程為中心構(gòu)成的對(duì)抗。又稱(chēng)空間信息戰(zhàn)。是一種信息化的作戰(zhàn)形態(tài),通過(guò)破壞敵方信息內(nèi)容、基于信息過(guò)程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò),同時(shí)保護(hù)己方的信息、信息過(guò)程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò),取得制信息權(quán)?!备鶕?jù)上述定義,我們認(rèn)為:空間信息抗干擾是指以空間信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理過(guò)程為中心,為保護(hù)己方信息、信息過(guò)程、信息系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò),確保安全、有效地利用空間信息的技術(shù)手段。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中,面臨干擾威脅的組成要素有空間段的衛(wèi)星系統(tǒng),包括軌道段的衛(wèi)星,信息傳輸、處理過(guò)程的跟蹤控制鏈路(TT&C)和數(shù)據(jù)鏈路,以及地面段的地面站、用戶設(shè)備等,不同的空間系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施需要對(duì)抗的潛在干擾類(lèi)型和環(huán)節(jié)也不同。文章針對(duì)空間信息傳輸、存儲(chǔ)和處理過(guò)程中的抗干擾技術(shù),研究了其他一些國(guó)家相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì),分析了目前存在的主要問(wèn)題,提出了未來(lái)的研究方向。

2 典型的空間系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

2.1 美軍通信衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

美軍的受保護(hù)通信衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)歷了從“軍事星”(Milstar)到“先進(jìn)極高頻”(AEHF)衛(wèi)星的更新?lián)Q代。在系統(tǒng)建設(shè)初期,鑒于當(dāng)時(shí)的冷戰(zhàn)、核戰(zhàn)形勢(shì),Milstar I衛(wèi)星突出強(qiáng)調(diào)核作戰(zhàn)條件下的防護(hù)性能;隨著冷戰(zhàn)結(jié)束,Milstar II衛(wèi)星弱化了核防護(hù)能力,提升了抗干擾能力及通信性能;而AEHF是美國(guó)新一代高防護(hù)性能的地球靜止軌道軍事通信衛(wèi)星系統(tǒng),用于替代“軍事星”衛(wèi)星系統(tǒng),代表了國(guó)際上抗干擾衛(wèi)星通信的最高水平。針對(duì)實(shí)時(shí)視頻、戰(zhàn)場(chǎng)圖像、目標(biāo)數(shù)據(jù)等戰(zhàn)術(shù)信息傳輸?shù)男滦枨?,AEHF進(jìn)一步提升了通信速率、系統(tǒng)容量,在包括核戰(zhàn)爭(zhēng)在內(nèi)的各種規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)中,為美軍關(guān)鍵戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供防截獲、抗干擾、高保密和高生存能力的全球衛(wèi)星通信[3-4]。其在抗干擾方面的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

(1)業(yè)務(wù)容量和數(shù)據(jù)速率獲大幅提高

AEHF衛(wèi)星在Milstar-II衛(wèi)星低數(shù)據(jù)率載荷(LDR)和中數(shù)據(jù)率載荷(MDR)能力的基礎(chǔ)上,增加了擴(kuò)展數(shù)據(jù)率載荷(XDR)能力,最大數(shù)據(jù)率提高到8.192 Mbit/s。AEHF衛(wèi)星的單星數(shù)據(jù)容量從Milstar-II衛(wèi)星的40 Mbit/s提高到430 Mbit/s,超過(guò)了Milstar衛(wèi)星通信系統(tǒng)的總和。星間鏈路數(shù)據(jù)率也由10 Mbit/s提到了60 Mbit/s。

(2)采取多重措施以增強(qiáng)抗干擾能力

采用波束成形網(wǎng)絡(luò)提供調(diào)零天線,對(duì)于潛在干擾,波束成形網(wǎng)絡(luò)將使天線自動(dòng)調(diào)零,而在波束覆蓋范圍內(nèi)的合法用戶則可以正常使用衛(wèi)星,不需要由地面控制和干涉。而且,采用的波形本身也具有很強(qiáng)的抗干擾能力。此外,除了采用擴(kuò)頻或跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)低檢測(cè)概率和低截獲概率,還應(yīng)用了先進(jìn)的加密技術(shù),密鑰由美國(guó)國(guó)家安全局提供。

(3)星間鏈路能力提升互聯(lián)互通能力

系統(tǒng)中衛(wèi)星之間具有星間鏈路,與Milstar衛(wèi)星之間也有星間鏈路。AEHF星間鏈路通過(guò)V波段(60 GHz)星間鏈路天線實(shí)現(xiàn),星間鏈路天線饋源可以在60 GHz的頻率上以5%的帶寬實(shí)現(xiàn)單脈沖跟蹤。

2.2 GPS系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的重要性和作用使其必然成為攻擊的靶子。雖然目前GPS系統(tǒng)采用了擴(kuò)頻措施用于降低非授權(quán)用戶定位精度的選擇可用性(SA)措施(已取消),用于反電子欺騙和保密的反電子欺騙(AS)措施(P碼及Y碼)等,具備了一定的防護(hù)能力;但隨著攻擊技術(shù)的研究和發(fā)展,只需要以足夠高功率、具有適當(dāng)時(shí)空特征的欺騙干擾信號(hào),就可以在指定的威脅區(qū)域使GPS失效。為此美軍方提出了全新的GPS III計(jì)劃,重新設(shè)計(jì)天基導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng),包括衛(wèi)星設(shè)計(jì)、補(bǔ)充要求、信號(hào)增強(qiáng)及抗干擾。有效載荷抗干擾措施主要包括:

(1)提高空間信號(hào)的完善性,要求對(duì)星上故障或信號(hào)超差能在60 s內(nèi)發(fā)出通知。

(2)采用新的軍用M碼信號(hào),結(jié)合新的M碼信號(hào)以抗拒非授權(quán)者使用,且能抵抗干擾。

(3)提高功率和點(diǎn)波束發(fā)射,采用高增益點(diǎn)波束天線,能對(duì)選定地區(qū)集中更高的功率。M碼信號(hào)至少增強(qiáng)20 dB,以對(duì)付干擾的威脅。

此外,針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航在防欺騙方面的脆弱性,研究人員分別從信號(hào)體制、終端技術(shù)及外部輔助等3個(gè)方面提出了許多防欺騙技術(shù)[5-8],開(kāi)展了相關(guān)研究。

2.3 英國(guó)Skynet系列衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

英國(guó)的軍用通信衛(wèi)星天網(wǎng)(Skynet)迄今已發(fā)展到了第5代。Skynet-5衛(wèi)星體現(xiàn)了軍事衛(wèi)星通信的前沿,如星上載有特高頻和超高頻有效載荷,采用調(diào)零天線增強(qiáng)抗干擾能力,擁有多種可控點(diǎn)波束,并可通過(guò)銥星等提高其通信業(yè)務(wù)的覆蓋面。其主要性能和特點(diǎn)有:

(1)高性能的衛(wèi)星平臺(tái)

歐洲星-3000S衛(wèi)星平臺(tái)是在歐洲星-3000的基礎(chǔ)上專(zhuān)門(mén)研制而成的,其綜合性能世界領(lǐng)先,能夠滿足衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和尺寸要求,可攜帶70臺(tái)以上的轉(zhuǎn)發(fā)器。

(2)高性能的星載設(shè)備

星載設(shè)備符合北約防核及防激光輻射設(shè)施安全標(biāo)準(zhǔn)。星載的超高頻和X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量是Skynet-4轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量的3倍多,且天線具有多點(diǎn)波束可旋轉(zhuǎn)性;通信容量是Skynet-4衛(wèi)星的5倍以上,通信速率也大幅提高,可提供安全可靠的實(shí)時(shí)加密話音和數(shù)據(jù)鏈路通信。

(3)靈活的覆蓋能力

具備覆蓋大西洋和印度洋的通信能力,裝備有先進(jìn)的現(xiàn)代化通信設(shè)備,可為英軍提供安全、高效、大容量的軍事通信服務(wù)。衛(wèi)星的4副可控天線及超高頻和X頻段轉(zhuǎn)發(fā)器,可根據(jù)任務(wù)需要將波束指向某一地區(qū),使通信效率和靈活性大大提高。此外,還與美國(guó)軍用衛(wèi)星相互兼容和聯(lián)通,同時(shí)也與銥星、國(guó)際通信衛(wèi)星和國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星等商業(yè)衛(wèi)星聯(lián)通,系統(tǒng)綜合利用率既靈活又高效。

(4)較強(qiáng)的抗干擾能力

采用調(diào)零天線增強(qiáng)了抗干擾能力,并且增加了硬度以防核輻射和激光侵蝕;同時(shí)采用如碼分多址、星上處理和多波束調(diào)零天線覆蓋等現(xiàn)代通信的高新技術(shù),使得英軍在未來(lái)10年的信息化作戰(zhàn)能力和全球機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)保障能力等方面得到了進(jìn)一步的提升。

(5)新型電子密鑰管理

安裝了新型密碼裝置,該系統(tǒng)中的CLERISY采用美國(guó)的電子密鑰管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。為通信保密管理人員提供自動(dòng)管理、生成、分發(fā)、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和訪問(wèn)控制等功能。

2.4 俄羅斯通信衛(wèi)星抗干擾技術(shù)

俄羅斯衛(wèi)星通信起步早,擁有多個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng),陸??杖姸佳b備有衛(wèi)星通信終端,但是數(shù)字化水平低,功率小,數(shù)據(jù)傳輸速率低,其能力遠(yuǎn)低于美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是依據(jù)較多種類(lèi)的衛(wèi)星以及衛(wèi)星星座構(gòu)成相應(yīng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

2.5 其他相關(guān)技術(shù)發(fā)展

隨著空間技術(shù)的發(fā)展,一些新型的防御措施也可以起到信息抗干擾防護(hù)的作用[9-10],例如,空間網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、在星間采用的具有高度保密性及抗干擾性的激光通信手段、衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)以保障衛(wèi)星正常工作以及“彈性”。

2.5.1 CCSDS通信安全協(xié)議

民用空間鏈路采用國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn),美國(guó)和歐洲軍用航天器也在推廣CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。CCSDS協(xié)議較為廣泛的應(yīng)用集中在鏈路協(xié)議。鏈路層安全協(xié)議只能hop-hop級(jí),但是空間鏈路可以考慮采用鏈路層以上的安全協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端的安全性[11-13]。對(duì)于現(xiàn)有的鏈路層通信安全協(xié)議來(lái)說(shuō),主要考慮CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的空間通信協(xié)議規(guī)范-安全協(xié)議(SCPS-SP)和地面成熟的互聯(lián)網(wǎng)安全(IPSec)協(xié)議。

2.5.2 空間激光通信技術(shù)

空間激光通信是以激光作為信號(hào)載體,在自由空間信道和大氣信道中傳輸,實(shí)現(xiàn)信息交換。較于微波通信,在傳輸速率和容量方面,激光通信具有頻帶寬、潛在傳輸速率高的優(yōu)勢(shì);在通信安全性方面,激光通信具有保密性好以及抗干擾這一明顯優(yōu)勢(shì);此外,激光通信終端體積小、重量輕、功耗低,非常適合衛(wèi)星搭載。美國(guó)把激光通信作為航天技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的18個(gè)領(lǐng)域之一。發(fā)展包括月球激光通信演示(LLCD)項(xiàng)目、火星激光項(xiàng)目等。其中,LLCD項(xiàng)目是世界上首次進(jìn)行深空激光通信在軌演示驗(yàn)證的項(xiàng)目。該體制也為美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)今后發(fā)展深空激光通信的主要方式。

2.5.3 衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)

美國(guó)在軌運(yùn)行的高級(jí)光電成像偵察衛(wèi)星“鎖眼”具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)變軌能力,燃料用完后可由航天飛機(jī)對(duì)其進(jìn)行在軌加注,因而可隨時(shí)調(diào)整衛(wèi)星軌道。利用衛(wèi)星自身機(jī)動(dòng)能力,既能夠機(jī)動(dòng)靈活地在軌道上運(yùn)行,躲避反衛(wèi)星武器的攻擊進(jìn)行被動(dòng)防御,又可以在其上安裝空間監(jiān)視裝置,攻擊告警裝置和針對(duì)威脅的對(duì)抗裝置,部署在主衛(wèi)星周?chē)M(jìn)行伴飛,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有針對(duì)衛(wèi)星的攻擊行為時(shí),可以針對(duì)攻擊進(jìn)行誘騙、阻擋或攔截等主動(dòng)防御。可以說(shuō),該系統(tǒng)是美軍對(duì)空間防御問(wèn)題進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間思考的結(jié)果[14]。

2.5.4 靈活的“小空間”系統(tǒng)

“小空間”系統(tǒng)因研制周期相對(duì)較短,具有快速響應(yīng)、按需發(fā)射、靈活組網(wǎng)、成本可控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可顯著增強(qiáng)美國(guó)的空間系統(tǒng)彈性 [15]。作為探索小衛(wèi)星邁向作戰(zhàn)應(yīng)用的重要項(xiàng)目,美國(guó)的“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”(ORS)項(xiàng)目已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。該類(lèi)系統(tǒng)既可降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約研制費(fèi)用,縮短研制周期,又可以增強(qiáng)空間系統(tǒng)的靈活性和強(qiáng)健性,空間單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效將不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)能力失效。

3 空間信息抗干擾發(fā)展趨勢(shì)分析

(1)大力發(fā)展軍事通信衛(wèi)星的抗干擾能力

通過(guò)發(fā)展星載高分辨率多波束自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)、極高頻(EHF)抗干擾技術(shù)、直擴(kuò)(DS-SS)和跳頻(FH)、跳時(shí)(TH)技術(shù)及其混合技術(shù)、星上再生處理技術(shù)等,消除對(duì)方的強(qiáng)干擾,保證衛(wèi)星安全穩(wěn)定運(yùn)行。如美國(guó)的抗干擾系列衛(wèi)星AEHF,英國(guó)的Skynet系列衛(wèi)星等代表了當(dāng)今世界衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)的最高水平,并且保證了衛(wèi)星具有很強(qiáng)的抗干擾功能。

(2)系統(tǒng)防護(hù)能力愈加全面

根據(jù)可能面臨的各種干擾威脅,美軍對(duì)抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)都進(jìn)行了全面的防護(hù)設(shè)計(jì),在系統(tǒng)平臺(tái)、載荷、測(cè)控鏈路、通信鏈路等各方面都進(jìn)行了精心考慮,采用了各種先進(jìn)的電子防御手段,確保系統(tǒng)沒(méi)有明顯的短板,能夠?qū)垢鞣N形式的干擾威脅。英、法等國(guó)空間系統(tǒng)也針對(duì)潛在的干擾采取了較為全面的防護(hù)設(shè)計(jì)??臻g信息抗干擾技術(shù)正向抗核輻射、高可控、高防護(hù)能力方向發(fā)展。

(3)系統(tǒng)抗干擾能力不斷增強(qiáng)

從Milstar-I系統(tǒng)的單用戶最高速率為2.4 kbit/s,但是單星容量不到0.5 Mbit/s,發(fā)展到Milstar-II系統(tǒng)的單用戶最高速率1.544 Mbit/s,單星容量40 Mbit/s,到AEHF系統(tǒng)單用戶最高速率達(dá)8 Mbit/s、單星容量430 Mbit/s,其規(guī)劃的下一代系統(tǒng)單用戶最高速率為45 Mbit/s,單星容量近10 Gbit/s。空間信息抗干擾技術(shù)正朝著超大容量、超寬帶、高速率保密通信的方向發(fā)展。

(4)衛(wèi)星組網(wǎng)日趨成熟

無(wú)論是美國(guó)的軍事星系列,還是英國(guó)的Skynet系列,或是借用商業(yè)衛(wèi)星的軍事通信,均為組網(wǎng)應(yīng)用方式,既有高軌衛(wèi)星組網(wǎng),又有中、低軌衛(wèi)星組網(wǎng)。衛(wèi)星組網(wǎng)在很大程度上增加了衛(wèi)星的自主性,提高了衛(wèi)星系統(tǒng)的抗干擾和抗毀能力。

(5)網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

無(wú)論是歐洲航天局(ESA)還是NASA,都對(duì)CCSDS中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大力推廣。在民用航天方面,已經(jīng)得到大量應(yīng)用,在軍用航天方面,也在推廣。采取的安全方案往往簡(jiǎn)潔明了,易于執(zhí)行。

4 空間信息抗干擾存在的問(wèn)題

上面介紹了近年來(lái)典型空間信息系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的主要研究成果,這些工作都取得了一定成效,但隨著新技術(shù)和干擾/攻擊手段的不斷發(fā)展,目前仍有幾個(gè)方面的相關(guān)問(wèn)題有待解決。

(1)多重干擾并存下的空間信息系統(tǒng)可用性問(wèn)題

對(duì)空間信息系統(tǒng)的干擾手段是多樣的,抗干擾的措施也層出不窮,但是現(xiàn)在還沒(méi)有一種抗干擾技術(shù)可以抵御任何干擾??梢哉f(shuō),空間信息系統(tǒng)的抗干擾是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,它要綜合考慮到干擾方可能采用哪些干擾手段的最低通信需求,或者自然干擾的特征是什么,并根據(jù)其具體環(huán)境來(lái)選擇相應(yīng)的抗干擾手段。

(2)“彈性”體系中的抗干擾能力生成問(wèn)題

未來(lái)空間信息網(wǎng)絡(luò)不僅通過(guò)單一手段進(jìn)行信息安全防護(hù),網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)可以是跨層設(shè)計(jì),通信鏈路中的抗干擾手段可從信息層面到信號(hào)層面都進(jìn)行防護(hù),并采用多種新型的手段,防止信息被截獲或者篡改。

(3)國(guó)際新環(huán)境下的空間系統(tǒng)主動(dòng)抗干擾問(wèn)題

從目前以美國(guó)為首等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)布的空間戰(zhàn)略中可以看到,其對(duì)于空間網(wǎng)絡(luò)的安全觀發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變,從以往的基于安全防護(hù)的基調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾涌臻g威懾力,但同時(shí)也表明開(kāi)展航天國(guó)際合作的態(tài)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

信息網(wǎng)絡(luò)抗干擾問(wèn)題不容忽視,需要客觀分析面臨的潛在干擾威脅,特別是空間信息系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題,尋找切實(shí)可行的技術(shù)方案。文中,我們討論了空間信息抗干擾的概念內(nèi)涵,研究了典型空間系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)發(fā)展,總結(jié)了空間系統(tǒng)防護(hù)能力、抗干擾技術(shù)手段、應(yīng)用模式、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等方面與空間信息抗干擾相關(guān)發(fā)展趨勢(shì),并探討了這些技術(shù)存在的問(wèn)題。

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