知識 | 相比GPS ，北斗導航有什麼優點？

《測繪學報》

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測繪地理信息與導航高端論壇 ——《測繪學報》創刊60周年學術研討會通知（第一號）

國際上有一個高大上的俱樂部，它只有四個會員，卻吸引了各國首腦的關注和眾多頂級科學家工程師的研究，這個俱樂部就是GNSS（全球導航衛星系統），四個會員分別是美國GPS、歐洲伽利略GALILEO、俄羅斯格洛納斯GLONASS、北斗COMPASS。

北斗是個新會員，同時也是發展勢頭最猛的會員，北斗是咋回事？對我們的生活有什麼影響？這是一個很有意思的話題。關於北斗，學術期刊上的文章有很多了，但專業文章的術語太多，普通人讀不懂，而且也不會有興趣去讀。

1. 從GPS說起

1957 年10月4日，蘇聯發射了全世界第一顆人造地球衛星，開創了人類的空間世紀。美國對此密切關注，有一位名叫比爾·蓋伊的數學家和一位叫喬治·威芬巴赫的物理學家，他們在霍普斯金的應用物理實驗室里發現了一個現象，那就是這顆衛星的頻率出現了偏移，經研究發現是相對運動引起的多普勒頻移效應。

這兩位科學家對此進行了實驗研究，發現如果在地面上架設多部接收機，就可以根據接收到的信號的不同頻差推算出這個衛星的具體位置，他們很高興地把這個研究成果告訴了實驗室主任弗蘭克。麥克盧爾，說他們已經實現了對蘇聯衛星的多普勒定位跟蹤。

弗蘭克主任當時在做海軍的一項研究，研究內容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學家的彙報后他眼前一亮，既然你們能夠發現衛星在哪裡，如果把問題反過來，衛星就能發現你們在哪裡，海軍軍艦定位的問題有思路了！

GPS系統就按這種思路啟動了，方案中需要解決的第一個問題就是：衛星該採用低、中、高哪種軌道？如果採用低軌道的話，發射成本比較低，精度比較高，但若覆蓋全球的話則需要200顆衛星，這樣浩大工程實在是負擔不起。

如果採用高軌道，理論上三顆衛星就能覆蓋全球，但除了高軌道衛星的發射難度大之外，更主要的是定位精度會很低，原因有兩個：一是軌道太高會導致測量誤差大，二是靜止軌道與地面物體的相對速度很小，不利於使用多普勒頻移的解算方法。

中軌道是比較折衷的方案，覆蓋全球只需要24-36顆衛星，由於軌道是運動的，即使地面的物體不動，但相對衛星的速度也很大，這就可以充分利用多普勒頻移方法了。

基於以上綜合考慮，美國選擇了24顆衛星的中軌道星座，1978年發射了第一顆，全系統在1995年投入運行，現有衛星30顆，分為軍用和民用兩種定位模式，其中民用方式向全球開放。

2. 美國是不是活雷鋒？

GPS是個好東西，對人們生活品質的提升相當大，例如汽車和手機導航就非常重要，人們告別了在紙制地圖上找路的歷史。GPS對於探險航海就更重要了，關鍵時刻可以救命。這麼好的東西，美國又投入了巨資，居然向全世界免費，難道美國政府是活雷鋒？

其實即使GPS不免費那也收不上來錢，為啥這樣說呢？因為GPS是單向通信體制，這跟廣播電視塔類似。廣播電視塔大家都知道，它只管發射信號，到底有1個收音機聽還是1萬個收音機聽，廣播電視塔是不知道的，GPS系統也是如此，30顆衛星只管不停地向地面發信號，具體是誰在接收並使用這些信號，它是根本不知情的，既然不知情，那還怎樣收錢？

通過售賣高價解碼晶元來收錢行不行？答案是不行，因為GPS採用的是只發不收的單向通信機制，這對加密傳輸來說是先天的障礙，即使搞了加密，沒幾天就會被破解了，尤其是民碼還要求簡單易用，接收設備要求成本低廉，這對加密來說就更加困難了。

如果GPS免費，則一定會在全球形成巨大的市場，依託這套系統會產生新的國際性產業，同時會形成一股強大的國家軟實力，所以說GPS免費是符合美國國家利益的。

GPS 免費對全世界的民生來說是個福利，但在軍事方面卻是個挑戰，美國敵對國家的軍機戰艦上當然也可以安裝，美國人也禁止不了，這對美國是不是一個威脅呢？其實GPS開放的只是民碼，精度比美國軍方使用的軍碼差了十倍，先天就挫了一大截。更重要的是，萬一跟美國打起了仗，人家把GPS民碼給你一停，你已經很依賴GPS了，甚至連指南針都丟了，這可就抓瞎了。如果美國不給你停GPS，而是發個欺騙碼，瞄準美國的導彈就可能飛到自己的陣地上，這更加可怕。

所以說，他國的軍備絕不能使用美國的GPS，一旦形成依賴就會像吸毒者一樣無法自拔，必須要發展本國的定位導航系統。當然，發展本國的定位導航系統也只是少數大國的權利，至於泰國墨西哥等小國家其實是不必操這個心的，因為全球定位導航系統實在是太浩大，綜合國力微弱的小國家們根本就造不起，還是老老實實地繼續用GPS吧，這倒也省心。

3. 北斗一代的由來

是個有抱負的大國，在定位導航衛星這事上可不能圖省心，實際上從上個世紀70年代就已經開始鬧心了，七五規劃中提出了「新四星」計劃，隨後提出過單星、雙星、三星、三到五顆星的區域性系統方案，以及多星的全球系統設想。研究、論證、再研究、再論證……從來就沒有停止過。

80年代初期，以「兩彈一星」元勛成芳允院士為首的專家團體提出了雙星定位方案，這是當時公認的最優方案，但因經濟條件等種種原因又擱置了十年。1991年是個重大轉折點，海灣戰爭把人打醒了，美國的GPS在作戰中的應用非常成功，決策層深刻意識到以後打仗沒這東西是真的不行，被擱置十年的雙星定位方案於是馬上啟動。

為啥不像美國那樣搞30顆衛星的系統呢？當時的國情是又沒經驗又沒錢，剛起步可得悠著點，從小打小鬧開始吧，上來就玩大的容易搞砸鍋。一定會有網友問，在空間中三個坐標才能定位，兩顆衛星不夠用啊？這是個好問題，雙星定位方案中有個高度儀，用戶需要自測高程，並將結果作為第三個坐標，這就好比是在地球中心裝了一個虛擬的衛星，這就實現了三星定位。那為什麼不幹脆發射三顆衛星呢？原因很簡單，高度儀很便宜，這個方案更省錢。

只有兩顆星，當然不能像美國GPS那樣搞中軌道的，軌道低了覆蓋面就小，兩顆中軌道衛星多數時間會在上空以外的地方飛行，那大陸還咋用呢？因此只能搞高軌道的，而且還得是靜止的，這樣才能妥妥地停在大陸的上空。

靜止高軌道是雙星定位的必須選擇，從技術上講這毫無疑問是正確的，但卻埋下了性能不強的隱患，這就是要談的下一個問題，北斗一代被詬病。

4. 北斗一代被詬病

MH370 失聯后出現了很多科普，令公眾熟悉了多普勒效應這個名詞，那多普勒效應對衛星來說到底是好事還是壞事呢？這要看是哪一種衛星，多普勒效應對導航定位衛星來說是好事，因為衛星相對地面物體被測物體的相對速度越大，多普勒效應越明顯，定位就會更加準確，這甚至是定位導航衛星的核心原理基礎。

但是，多普勒效應對通信衛星來說就是壞事了，因為頻率偏移會導致通信失敗，必須得做修正。例如位於印度洋上空的亞太國際通信衛星就是相對地面固定的，失聯的MH370在最後階段發出的7次探尋信號被這顆衛星測出了頻率偏移，這本來是要被修正掉的數據，沒想到這卻成了推測飛機航跡的唯一證據。用一句話總結就是：用通信衛星幹了定位衛星的活，把本來是壞事的多普勒效應變成了好事。

既然的這兩顆衛星是靜止軌道的，自然可以與國際通信衛星一樣完成通信任務，於是既能定位又能通信就被設計成為了北斗一代的技術特點，而GPS等其它定位導航系統都是不支持通信功能的。

美國GPS不具備北斗這樣的通信功能，這真不能說人家技術落後，因為人家的衛星系統是各司其職的，定位衛星和通信衛星兩套系統的性能都很優異。而北斗一代是身兼兩職，聽起來功能更加全面，其實是把定位衛星打到了通信衛星的軌道上，自然能收穫了通信這個副業。

畢竟定位才是北斗一代的主業，大部分的通道資源都必須讓給定位數據的傳送，所以留給通信的通道資源就很少，它無法完成實時的話音通信，只能完成簡訊功能。

由於這兩顆星的軌道很高，導致了地面被測物體與衛星的相對速度很低，於是多普勒效應就不明顯，其定位精度自然遠遠比不過GPS。因此雖然北斗一代既能通信又能定位是獨特優勢，其實是通信功能比國際海事衛星差得多，定位功能比GPS衛星差得多，通信和定位雖說啥都能幹，但啥性能都不行。

平心而論，北斗一代已經達到了設計指標，工程是非常成功的，畢竟就只有兩顆星嘛，咋能跟幾十顆的海事通信衛星和GPS衛星相比呢，好比是你花了800塊買了部雙卡雙待的山寨機，罵它不如蘋果手機好，這其實並不公平。

不妨做個假設，假如沒有國際海事衛星和GPS衛星的話，那既能定位又能通信的北斗一代就是光芒四射的，但問題是北斗一代問世時，這兩種衛星系統已經相當成熟了，在它們的對比之下，北斗一代簡直就是一坨翔，而且是國家花了大價錢造出的一坨翔，當然是各種被罵，研發人員們灰頭土臉不敢吭氣。

5. 與伽利略計劃的姻緣

北斗一代的使用體驗比較差，那該咋往下走呢？這時看上了歐洲的伽利略計劃，這是歐洲國家聯合搞的全球定位導航衛星系統計劃，因為這個項目實在是太燒錢，歐洲單個國家誰都搞不起，但又不能不搞，雖然歐洲國家跟美國關係很好，但也不能把國家安全都系在美國政府身上。

歐洲有技術但缺錢，於是他們瞄上了土豪，正因為北斗一代不給力而發愁呢，自然是一拍即合，據報道稱加入了伽利略技術，並且很大方的拍了兩個億的入伙費。但越來越覺得不對勁，歐洲居然把日本和印度也拉入伙了，他們出的錢少但權利不少，這不是把當作冤大頭了嗎？多出點錢倒不是問題，關鍵在於這兩個國家本來是我們在軍事上要防備的，難道要跟他們在國防方面使用相同的系統？發現苗頭不對，下定決心后就咔嚓地退出了，退出后自己單幹，開始發展北斗二代。

北斗二代計劃在2020年前發射35顆衛星，形成全球性的定位導航系統，比GPS還多5顆。多出的這5顆是在赤道上空的靜止高軌道衛星，主要是完成簡訊任務的，其它30顆跟美國GPS的30顆一樣，都是中軌道的運動衛星。

北斗二代的規模與GPS相當，申請的軌道和頻率與歐洲伽利略比較一致，這就不可避免地遇到了衛星軌道和頻率爭奪的問題。衛星軌道和空間頻率是人類共有的資源，那該如何分配呢？國際規則是既不按國家來分，也不按人口來分，而是誰先佔了算誰的。

先佔先得的原則是西方發達國家制定的，他們認為這是各國都有同樣機會的公平原則，理由是：你有本事你也打衛星啊，我又沒攔著你，你不打是你自己的事，如果你永遠不打，難道說軌道和頻率還要永遠給你留著？這聽起來也有道理，更關鍵的是，即使你覺得沒道理，你也沒能力阻止發達國家占軌道和頻率。

2005年伽利略計劃的第一顆衛星上天了，但並沒有開通，只是佔了軌道但沒占頻率，為啥沒開通呢？原因是沒錢，開通需要花錢的，歐洲手頭有點緊。北斗二代的第一顆星也隨後上天了，而且上去就開通了，這下就把軌道和頻率都占上了，這為啥呢？這是因為政府不差錢。

歐洲伽利略那邊慢悠悠地搗鼓，而這邊的北斗一個接一個地不停打衛星，後來還搞起了一箭雙星，而伽利略計劃和北斗二代有些頻率是重合的，雙方都在國際電信聯盟組織備案了，誰先佔上就算誰的，的快節奏把歐洲搞急眼了，通過美國給施壓，要求放慢腳步等等歐洲人民。

以前歐美國家憑藉技術和經濟優勢搶佔資源，技術和經濟不給力只能吃啞巴虧，你們從來就沒謙讓過，現在憑什麼要我謙讓？不理會歐美的抗議，按既定的節奏繼續打衛星。

6. 亞太地區組網

雖然現在還沒有把35顆衛星打全，但亞太地區的北斗二代定位導航網路已經建起來了，並已投入了使用。GPS和北斗的中軌道運動衛星都是30顆，它們各在太空上織就了一張網，GPS網眼最密處是在美國上空，北斗二代網眼最密處在上空，為本土提供服務是第一要務，這個道理當然很好理解。加拿大和墨西哥當然會選擇GPS，而對於亞太國家來說，北斗卻比GPS更有優勢。

亞太國家認識到了北斗的覆蓋優勢，政府也積極推動北斗二代在亞太地區的應用，於是泰國、馬來西亞、汶萊、印度尼西亞、柬埔寨、寮國等國家派出了19名專家，於2014年7月來到考察北斗二代，研究討論合作的事項。

第一站去的是武漢光谷北斗集團，參觀了最大的遙感衛星地面接收站，第二站去的是黃石，參觀了建設中的-東盟北斗示範城，第三站參觀了北斗地球空間產業國際學院，第四站是參加「2014北鬥技術與應用國際培訓班」，在兩院院士李德仁領銜的武漢大學測繪遙感國家生點實驗室里連續學習了半個月。

行程安排是很講究的，先帶他們參觀，行程非常密集不容你思想懈怠，一處更比一處高端大氣上檔次的北斗產業園區，令他們的眼睛瞪得越來越大，在內心受到了震撼后，再由國際知名科學家李德仁院士親自授課，解答你國使用北斗的所有疑問，順便收穫了這些東盟專家的膝蓋。

泰國專家表示，有些GPS衛星的信號泰國收不到，而北斗所有的衛星信號都能接收到，當然要參加北斗的「天眼」計劃，而且泰國現在已建成了首批CORS（連續運行衛星定位服務綜合系統）。馬來西亞緊隨其後，將成為北斗「天眼」的下一個落戶的國家。

7. 在漁業的應用

北斗的首次成功應用是2008年5月12日的汶川地震，甭看我們平時的通信非常方便，電話、簡訊、互聯網等手段很多，但其實都是高度依賴光纖和基站的，當這些基礎設施遭到大面積損壞時，你會發現QQ、微信、微博、簡訊……所有平時很方便的通信手段全都完蛋了，除了靠吼之外簡直就沒有一點辦法。

那時候北斗還是一代系統，雖然因為性能指標比不過GPS和海事衛星而被罵出了翔，但北斗一代在地震時卻發揮出了不受地面影響的優勢，它的定位和簡訊能力充分發揮了作用，成為了救援指揮部隊和前線救援人員最得力的通信助手，最大限度地保證了「72小時黃金搶救時間」的有效利用，彰顯了北斗服務民生的技術優勢。

遠洋漁業是個充滿危險的行當，遇到風險時能得到及時得到救助非常重要，再節省的漁民都會備齊兩樣電子設備，一是GPS二是海事衛星電話，以便遇到風險時能及時求助。

遇到風險需要求救，首先要用GPS定好位，然後用海事衛星電話通知岸上的救援隊，告訴他們我遇險的GPS坐標，以便他們來救我。當然也有用電台的，但電台的可靠性不如海事衛星電話，生死攸關時通不上可就抓瞎了。但是，養一部海事衛星電話是很貴的，但為了關鍵時刻救命又不敢不養，很多漁民對此很糾結。

北斗二代在亞太地區布網后，漁民有了一個新選擇，那就是裝北斗衛星船載終端，北斗的雙向簡訊功能在漁船救險方面得到了完美應用，遇到險情后一鍵求救，終端會自動把附帶著定位信息的求救簡訊通過衛星發給岸上的救援隊，實現了GPS+海事衛星電話的功能，而且更加方便。

那這個終端貴嗎？政府大力推廣，將之列為安全機械設備，享受農機補貼政策，政府額外拿出了1個億，免費為遼寧、山東、浙江、海南的1萬艘漁船安裝的北斗終端，後續再安裝的直接補貼九成，漁民只需要象徵性的出一成的錢就可以安裝。

海事衛星電話很貴，那北斗衛星簡訊貴不貴呢？答案是一條三毛！這是有史以來最便宜的衛星簡訊了，為啥這麼便宜，有政府補貼唄，其實根本就沒考慮成本，收費是象徵性的。本來有專家建議免費，但怕漁民們沒事就發段子，過於浪費衛星通道資源，乾脆就定一條三毛吧。

北斗衛星的簡訊功能非常受歡迎，根據浙江省2011年的統計，浙江漁民利用北斗衛星發簡訊1300萬條，其中船與船互通604萬條，船與手機互通696萬條。

漁業省份在岸上大建基於北斗二代的漁業信息服務基礎設施，通過衛星給漁船發送實時的天氣、海浪、赤潮、魚汛消息，甚至還有當日漁市價格，幫助漁民決定捕撈哪種魚，漁民在海上就可以把漁獲信息傳到岸上，提前聯繫好了賣家。

8.「兩客一危」與地基增強系統

「兩客一危」指的是從事道路班線客運、旅行包車、危險貨物運輸車，這些都必須安裝電子定位裝置，並將運行信息及時接入到全國的聯網聯控系統中。在交通管理部門的監控大屏幕上，車輛的運動狀態一目了然，超速闖禁行等違規駕駛行為會自動報警，這是一項保護人民生命安全的法規。

「兩客一危」的範圍還在擴展，警車、公務車、校車也正在被納入到衛星定位監控系統之中，不僅僅是為了行車安全，還要監控公車私用，車輛行駛路線清清楚楚，數據妥妥地存在資料庫里，由不得司機遮掩狡辯。

這種對特種車輛的衛星監控，以前要求使用GPS，現在被政府明令要求必須使用北斗二代。有些人為此質疑過政府，以前基於GPS的系統本來就能完成任務，現在為了推廣國產北斗就來硬的，這不是勞民傷財嗎？

這真不是功民傷財，而是有著長遠規劃的必要措施。正在籌劃搞北斗二代的地基增強系統，在路燈桿、信號塔等地方架設北斗設備，形成北斗的地基增強系統，與天基的衛星相互配合，可達到米級以下的實時定位精度。

北斗二代的天基系統和地基系統一旦成功結合，那大貨車就再也不敢長期佔用超車道了，而以前的GPS定位精度是10米，是無法區分車道的。給孩子戴的定位手錶會更加精準和靈敏，定位信息不再是「在某地附近」，而是精確到孩子站在哪塊地板磚上。

地基增強系統是要與天基系統密切配合的，如果把這個遍及全國的國字型大小系統搭建在美國GPS的基礎之上，那萬一人家收費了呢？或者把底層數據屏蔽了，那我們就被會卡了脖子。我們已經有了完全自主產權的北斗二代，自家的地基增強系統當然要跟自家的北斗二代配對。

9. 形變監測與自動駕考

北斗二代的用途非常非常多，據統計有200多項，例如有一項就是形變監測，專門對水壩、大橋、高速公路等巨大建設物的沉降和變形做測量。網友們一定會疑問，北斗與GPS的精度都是10米，咋能搞如此細緻的活計呢？這源於差分演算法技術。

任何測量都是會有誤差的，而把多次測量后的結果統計平均，就會有效地減少誤差。衛星定位的差分演算法也是這個道理，一次定位的精度是10米，但把成千上萬次的定位數據進行合併處理，就有可能得到更加精準的結果，甚至精確到毫米以下。

很顯然，測量的次數越多和時間越長則精度就越高，而建築物的沉降和變形是緩慢的，正好可以利用這些特點來進行高精度測量。把北斗設備固定在建築特上面，令它自動地接收定位信息，攢足了一個月的海量定位數據後進行差分計算，精度在毫米以下的定位數據就算出來了，這比人工測量方便和準確的多。

很多偏遠監測點是沒有手機信號的，基於GPS的形變監測必須得人工採集，而使用北斗進行形變監測還有個好處就是數據可以直接通過北斗簡訊功能傳回基地，給它安個太陽能板就齊活了，定位、差分解算、數據回傳全部自動化。

在地面設施的配合下，北斗的實時定位精度已經遠遠高於GPS，現在已經達到了80公里/小時情況下2厘米的精度，這就給另一種業務提供了技術手段，那就是基於北斗二代系統的無考官駕考。

現在的倒車入庫等駕考項目已經有電子監控了，壓線就會報警，但路考還得有考官。以後的全部駕駛課目考試可能被北斗系統全面取代，在考試車上安裝北斗接收機，無論是倒庫還是路考，系統都會精確實時記錄車輛軌跡，並自動評分，會比考官更嚴格和公正。

10. 北斗二代的政府推廣

北斗二代是國字型大小工程，政府當然會推廣，但推廣的路子跟以前很不一樣了。大約七八年前吧，手機上有了Wi-Fi功能，而政府覺得這個技術標準不好，於是出了國家自主知識產權的WAPI標準，試圖以此取代Wi-Fi。其實並不是只有這麼干，韓國也推出了自己的技術標準並抵制Wi-Fi。

Wi- Fi技術簡潔便於推廣，這也是它風靡全球的重要原因，但它也有死穴，那就是單向的安全機制並不可靠。前陣子3.15晚會上有帶眼罩的網路安全人員現場表演了劫持觀眾手機信息，媒體也經常刊登手機用戶接入免費Wi-Fi導致損失的報道，這都是Wi-Fi先天技術缺陷所致。

的WAPI標準是雙向安全認證的，的確比Wi-Fi更安全，政府為了推廣它而把行貨手機的Wi-Fi功能閹割了，想要Wi-Fi功能的話只能買水貨手機。此舉引來很多人的不滿，但最終也沒擋著Wi-Fi的流行，後來就低調放開了，行貨手機上也有了Wi-Fi，而WAPI並沒有推廣開，現在只是在軍隊等有保密要求的場所使用。韓國政府抵制Wi-Fi的行動也同樣地失敗了。

政府在推廣北斗二代方面顯然有了新的思路，不再用行政力量去限制其競爭技術了，而是採用免費或補助的方式來利誘，事實證明這招更加有效。例如漁船安裝北斗設備，政府並不禁止漁民繼續使用GPS和海事衛星電話，而在給北斗設備提供大量補助，衛星簡訊也只是象徵性地收費，明顯北斗方案更划算，漁民當然會裝北斗而棄用GPS和海事衛星電話。

北斗二代有200多項應用，需要全社會的高科技企業去研究開發，不斷提供更好的北斗產品，這樣才能把北斗產業做大做強。已經有了不少搞定位導航的高科技企業，它們大多是搞GPS起家的，政府的科技部門請這些老總來開會，講話言簡意賅：歡迎各位繼續搞GPS的研究開發，政府絕不會限制和干擾，但如果搞北斗二代項目的話，會享受高科技企業的免稅政策，還會從某處得到支持資金。

北斗二代的技術體制與GPS差不多，由GPS轉向北斗並不難，政府劃下道了，企業老總都是人精，紛紛表態要改道搞北斗項目。被請來開會的還有高校教授，政府有一筆北斗科研的經費，歡迎教授們來立項，教授們也紛紛表示要申請北斗科研項目，誰忒么還傻乎乎地繼續研究GPS啊，美國政府又不給錢。

企業有資金設備的優勢，高校有人材技術的優勢，不如強強聯手，把教授帶的研究所放在企業去做北斗科研，由企業出場地出設備出資金，研究所搞出的成果除了供他們畢業拿學位，還可作為該企業的技術創新。企業老總和高校教授都覺得這個主意不錯，於是在政府牽線下紛紛結起了對子，領導管這個叫作北斗產業推廣聯盟。

政府推廣新產業的路子變了，不再像推WAPI那樣強行閹割Wi-Fi了，而是使用了利益槓桿，企業老總和高校教授都得了利，政府出面組建了產業聯盟也是政績，三方都很高興。

政府對北斗二代的決心很大，搞這種國字型大小工程的財力很足，對內的推廣政策很有成效，對外積極談合作已有成果，還有國際電信聯盟的支持，佔盡了天時地利人和，預計5000億的新產業正在浮出水面，北斗二代的前景非常樂觀。

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