DE3248312C2 - Kreiselkompaß für Wasserfahrzeuge - Google Patents
Kreiselkompaß für WasserfahrzeugeInfo
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Description
tationsachse des Gyroskopes horizontal und konstant in
einer Nord-/Südrichtung ausgerichtet was den Kreiselkompaß gegen eine feste Abweichung des Gyroskopes,
die einen nicht bekannten permanenten Fehler des Kurses erzeugt, empfindlich macht
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kreiselkompaß, insbesondere für Wasserfahrzeuge, zu verbessern, wobei
der Kreiselkompaß ein Gyroskop mit geringem kinetischen Moment aufweisen kann, eine Steuerung im
Azimut und zusätzlich in der Höhe erlaubt eine Rotationsachse möglich macht die nicht mehr an die eine
Nord-/Südau5richtung gebunden ist und wobei der Kreiselkompaß be langer Lebensdauer und großer Robustheit
Wirtschaftlich in seiner Herstellung ist
Diese Aufgabe wird bei einem Kreiselkompaß der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung durch
die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs .gelöst.
Aus der DEOS 29 22 412 ist eine gyroskopische Einrichtung
bekannt mit der eine Nordung durchgeführt werden kann, Und zwar bei erdgebundenen, stehenden
Fahrzeugen. Bei dem bekannten Kreiselkompaß werden jeweils drei vorbestimmte Positionen, z. B. entsprechend
einer Position 0c, 90° oder 180°, angenommen, die Messungen durchgeführt und nachträglich hieraus
die Positionen bestimmt, wobei während dieser Meßzeiten die entsprechenden Einrichtungen blockiert sind, um
die Messungen durchführen zu können. Eine derartige Einrichtung ist für Wasserfahrzeuge nicht geeignet, bei
denen ruhende Positionen ohnehin nicht eingenommen werden können.
Eine andere Einrichtung ist aus der US-PS 39 36 948 bekannt, bei der auch eine Nordung am stehenden Fahrzeug
vorgenommen wird, wobei dort das Gyroskop von einem Beschleunigungsmesser gesteuert wird, der sich
auf einem Rahmen befindet der sich in gleichförmiger Geschwindigkeit dreht. Diese Lösung zeigt insbesondere
kein Pendelsystem mit zweifacher kardanischer Aufhängung.
Dank dieser Einrichtung ist es durch eine geeignete Behandlung eines langsamen sinusartigen Signals (z. B.
einem Zykus pro Stunde), welches vom gekoppelten Präzessionsmotor in der Vertikalen des Gyroskopes
hervorgebracht wird, wobei der gekoppelte Motor, der die Horizontale des irdischen Rotationsvektors kompensiert
(die rechtwinklig zur Rotationsachse des Gyroskopes ist), um die Rotationsachse des Gyroskopes in
einer Horizontalebene zu halten, möglich, die Durchgänge vorherzubestimmen, die diese Rotationsachse
über Nord und über Süd durchläuft, und somit permanent den Kurs des Wasserfahrzeuges abzuleiten.
Bei jeder Umdrehung der Rotationsachse des Gyroskopes in der Horizontalebene erhält man zwei Resultate
der Nordbestimmung, z. B. durch synchrone Demodulation des sinusartigen langsamen Signais, welches
vom gekoppelten Präzessionsmotor in der Vertikalen des Gyroskopes auf einem Halbkreis stammt. Diese synchrone
Demodulation ergibt sich aus einer Referenzdemodulation, die z. B. von einem Binär; ähler gebildet
werden kann, der mit einer festen Frequenz /ö ausgestattet ist, die einen Winkel darstellt, von dem die sukzessiven
abnehmenden Werte .τ, -y, -j- — sind, und die in
der gleichen Frequenz folgen, wie die Winkelgeschwindigkeit der Rotationsachse des Gyroskopes in der Hori-/onialcbcnc.
Vv, isc'hcn den beiden Augenblicken des Durchganges
der Rotationsachse des Gyroskopes durch Nord und durch Süd, ist der Kurs dank der gleichförmigen Winkelgeschwindigkeit
die wiederum von der Rotationsachse des Gyroskopes bekannt ist und daiJc des Winkelpositionsdetektors
des Kardans im Azimut bekannt
Der Vorteil eines solchen Kreiselkompasses in bezug auf bekannte Kreiselkompasse besteht in der Tatsache, daß die Nordbestimmung unabhängig von jeder festen Abweichung des Gyroskopes ist
Der Vorteil eines solchen Kreiselkompasses in bezug auf bekannte Kreiselkompasse besteht in der Tatsache, daß die Nordbestimmung unabhängig von jeder festen Abweichung des Gyroskopes ist
Dank dieser Tatsache kann das eingesetzte Gyroskop sehr niedrige Leistungen aufweisen, was die Stabilitätsabweichungen betrifft woraus sich ein Gyroskop zu
mäßigem Preis und langer Lebensdauer ergibt (leichter Kreisel).
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei die Erfindung nachstehend anhaad
der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert ist Dabei zeigt die
F i g. 1 dieser Zeichnungen eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kreiselkompasses,
Fig.2 und 3 Schnittansichten, entsprechend zweier rechtwinkliger Ebenen des Gyroskopes des Kreiselkompasses nach F i g. 1,
Fig.2 und 3 Schnittansichten, entsprechend zweier rechtwinkliger Ebenen des Gyroskopes des Kreiselkompasses nach F i g. 1,
F i g. 4 ein vektorielles Schema,
Fig.5 eine sinusartige Kurve, die die Entwicklung
eines Signals zeigt welches von dem Kreiselkompaß verarbeitet wird,
F i g. 6,7 und 8 Blockdiagramme und
F i g. 9 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kreiselkompasses, ausgebildet nach einer Variante
der Erfindung.
Wenn man sich auf die F i g. 1 und 9 bezieht ist das Wasserfahrzeug durch seine Longitudinalachse 1 schematisch
wiedergegeben.
Ein Pendelmechanismus 2 wird unter Zwischenschaltung von zwei Festlagern 3 von einer festen Struktur
des Wasserfahrzeuges getragen (nicht dargestellt).
Dieser Pendelmechanismus 2 trägt ein gegen Rollen ausgeglichenes Kardan 4, welches in den beiden Festlagern
3 montiert und ein gegen Stampfen ausgeglichenes Kardan 5, welches in zwei Lagern 6 montiert ist, die auf
dem Roll-Kardan 4 vorgesehen sind.
Das Stampf-Kardan 5 wirkt mit einer Vertikalgabel 7 zusammen.
Diese Vertikalgabel 7 kann aufgehängt sein an dem Stampf-Kardan 5 und dreht frei in einem Lager 8, welches
auf dem Stampf-Kardan 5 vorgesehen ist (F i g. 1).
Gemäß einer Variante der Erfindung kann diese Vertikalgabel 7 im Inneren des Stampf-Kardans 5 vorgesehen
sein und frei drehbar in einem Lager 8, welches auf dem Stampf-Kardan 5 vorgesehen ist, welches dann ein
wesentliches Ballastelement 5a trägt (F i g. 9).
An dem unteren Ende dieser Gabel 7 ist ein Höhenkardan 9 vorgesehen, welches in zwei Lagern 10 montiert
ist, die an deren äußeren Enden vorgesehen sind.
Ein Gyroskop 11 mit zwei Freiheitsgraden ist auf dem Höhenkardan montiert, derart daß
Ein Gyroskop 11 mit zwei Freiheitsgraden ist auf dem Höhenkardan montiert, derart daß
— eine seiner beiden Empfindlichkeitsachsen, die Achse Gz, vertikal ist,
— die andere Empfindlichkeitsachse, die Achse Gy,
parallel zur Achse des Höhenkardans 9 ist, wobei diese Achse durch die beiden Lager 10 definiert ist,
— und seine Rotationsachse Sborizontal ist.
Ein Detektor der Horizontalität 12 ist in gleicher Weise auf dem Höhenkardan montiert, derart, daß seine
Empfindlichkeitsachse P parallel zur Rotationsachse 5 des Gyroskopes 11 ist.
Das Gyroskop 11 umfaßt, wie in den Fig.2 und 3
gezeigt,
— einen Rahmen 13,
— einen Rotor 14, welcher von einer Welle 15 über ein
Hooksches Gelenk 16 getragen wird, wobei die Welle 15 in den Lagern 17 gehalten ist,
— einen Elektromotor 18, der die Einheit aus der Welle 15 und dem Rotor 14 antreibt.
Zwei Positionsdetektoren D1 sind vorgesehen, um mit
dem Rotor 14 zusammenzuwirken und die Auslenkungen in bezug auf die vertikale Empfindlichkeitsachse Gz
des Gyroskopes (F i g. 2) zu messen.
Zwei andere Positionsdetektoren Dasind vorgesehen,
um mit dem Rotor 14 zusammenzuwirken und die Lagerveränderungen in bezug auf die Sensibilitätsachse
Cy des Gyroskopes 11 (F i g. 3) zu messen.
Ein Motor, der von der Präzession in der Vertikalen Mv geschaltet wird, ist vorgesehen, um mit dem Rotor 14
zusammenzuwirken und eine vertikale Präzession des Gyroskopes 11 (F i g. 2) hervorzurufen.
Ein anderer Motor, der von der Präzession in der Horizontalen Mh geschaltet wird, ist vorgesehen, um
mit dem Rotor 14 zusammenzuwirken und eine horizontale Präzession des Gyroskopes 11 (F i g. 3) hervorzurufen.
Die Vertikalgabel 7 trägt einen Stabilisierungsmotor 19 und einen Detektor der Winkelposition 20.
Das Höhenkardan 9 trägt einen Stabilisierungsmotor
21.
Es sind somit folgende Steuerungen (Steuergeräte) vorgesehen:
— der Steuermotor 19 der Vertikalgabel 7 wird, den
Azimut betreffend, gesteuert von den Positionsdetektoren D1 der vertikalen Empfindlichkeitsachse
Gz des Gyroskopes 11,
— der Steuermotor 21 des Höhenkardans 9 wird gesteuert durch die Positionsdetektoren Dy der Empfindlichkeitsachse
Gy des Gyroskopes 11.
Der gekoppelte Motor der Präzession in der Horizontalen MH des Gyroskopes 11 wird gesteuert durch
entsprechende Steuermittel 22, derart, daß die Rotationsachse 5 des Gyroskopes 11 sich in einer Horizontalebene
mit einer gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit ändert.
Der gekoppelte Motor der Präzession in der Vertikalen My des Gyroskopes 11 empfängt von einer entsprechenden
Kompensationseinrichtung 25, die ais Eingang ein elektrisches Signal entsprechend der Pendelneigung
hat, und (über eine entsprechende Rechenfunktion) ein Hilfssignal zur Kompensation der irdischen Rotation
ausarbeitet, ein Steuersignal, welches dafür bestimmt ist,
die Rotationsachse des Gyroskopes 11 in einer Horizontalebene
zu halten.
In der F i g. 4 ist die Rotationsachse Sdes Gyroskopes
11, die EmpFindlichkeitsachse Gy des Gyroskopes 11 und
die Nordrichtung (Horizontale Nord) wiedergegeben.
Der Vektor I? cos L ist auf die Nordrichtung projiziert (J9 bezeichnet die irdische Rotation und L die geographische
Breite). Der Winkel, der von der Nordrichtung
und der Rotationsachse 5 des Gyroskopes gebildet wird, ist gleich mit
(ü)c bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit der Achse
der Rotation Sin der Horizontalebene und / die Zeit).
Der gekoppelte Motor der Präzession der Vertikalen Mv des Gyroskopes 11 liefert ein Signal
Ω cos L sin cot,
dies ist die Projektion des Vektors i?cos L auf die Empfindlichkeitsachse
Gy des Gyroskopes 11.
In der F i g. 5 ist dieses Sinus-Kurvensignal
In der F i g. 5 ist dieses Sinus-Kurvensignal
Ω cos L sin tut
aufgezeichnet, wobei die Abszisse die Zeit ist und die
Ordinate den Lauf des gekoppelten Präzessionsmotors der Vertikalen Mv des Gyroskopes 11 angibt
Diesem Signal überlagert sich eine unbekannte Konstante, die das Abweichen des Gyroskopes darstellt.
Die Zeiten /( und h entsprechen dem Nord- und dem
Süddurchgang der Rotationsachse Sdes Gyroskopes 11.
Der Horizontalitätsdetektor 12 sendet ein Signal aus, welches in F i g. 6 dargestellt ist, welches in einem Verstärker
25 verstärkt und dann in einer Demodulationseinrichtung 26 demoduliert wird. Das demodulierte Signal
wird durch einen Filter 27 gefiltert, von wo das Ausgangssignal parallel auf zwei Operationsverstärker
28 und 29 geführt wird.
Der Operationsverstärker 28 liefert ein kontinuierliches Signal der Präzession, welches in dem Motor, der von der Präzession gegenüber der Vertikalen M, des Gyroskopes 11 gesteuert wird, ausgewertet wird. Der Operationsverstärker 29 liefert ein kontinuierliches Signal, welches nach folgender Formel ausgebildet ist:
Der Operationsverstärker 28 liefert ein kontinuierliches Signal der Präzession, welches in dem Motor, der von der Präzession gegenüber der Vertikalen M, des Gyroskopes 11 gesteuert wird, ausgewertet wird. Der Operationsverstärker 29 liefert ein kontinuierliches Signal, welches nach folgender Formel ausgebildet ist:
A X?cos L ■ sin (ωΐ+ Φ),
oc · t
wobei A den Verstärkungskoeffizienten darstellt und Φ
die Phasenverschiebung aufgrund der Filterung (F ig-5).
Es ist durch eine entsprechende Behandlung in einer Auswerteinheit 24 des Signals daher möglich, welches
vom gekoppelten Präzessionsmotor der Vertikalen Mv
des Gyroskopes 11 hervorgerufen wird, die Durchgänge
der Rotationsachse des Gyroskopes 11 durch Nord und durch Süd vorherzubestimmen und daher permanent
den Kurs des Fahrzeuges daraus abzuleiten.
Wie in Fig.7 dargestellt, wird das Signal, welches vom gekoppelten Präzessionsmotor der Vertikalen Λ/, des Gyroskopes 11 hervorgerufen wird, in einem Integrator 36 mit drei Eingängen mit entgegengesetzt kalibrierten Impulsen kombiniert, die in Schwellendetektoren, nämlich dem positiven Schwellendetektor 30 und dem negativen Schwellendetektor 31, aufbereitet wurden.
Wie in Fig.7 dargestellt, wird das Signal, welches vom gekoppelten Präzessionsmotor der Vertikalen Λ/, des Gyroskopes 11 hervorgerufen wird, in einem Integrator 36 mit drei Eingängen mit entgegengesetzt kalibrierten Impulsen kombiniert, die in Schwellendetektoren, nämlich dem positiven Schwellendetektor 30 und dem negativen Schwellendetektor 31, aufbereitet wurden.
Zwei Inkrementationseinrichtungen 32 und 33 vervollständigen
die Behandlung des Signals, welches dann unter Zwischenschaltung einer Umwandlereinrichtung
34 in einen Zähler/Abzieher 35 geschickt wird.
Diese Umwandäereinrichtung34 wird ausgelöst durch
den Durchgang der Rotationsachse 5 des Gyroskopes
11 bei -γ- und bei —j-, wobei vom Inhalt des Zählers
(Fig. 8) einen Anstieg (Inkrement) in einer festen Frequenz
abgezogen wird. Dies ist eine Berücksichtigung der Verschiebung der Rotationsachse des Gyroskopes
11 gegenüber der Nordrichtung.
In l·' i g. 8 ist der Zähler 36 dargestellt, der eine feste
Frequenz F0 empfängt, deren abnehmende Werte -y.
-^-, ... — sind, die nachfolgend ein Modul von 2 π in
derselben Frequenz, wie dasjenige der Winkelgeschwindigkeit der Rotationsachse des Gyroskopes 11 in der
Horizontalebene, entwickeln.
Ein Zähler-Abzieher 37 (Referenz von Synchron-Demodulation)
erlaubt es den Wert ωΐΛ-ΔΚ herauszufinden,
bei welchem ΔΚ den Kursfehler darstellt, wobei das Ergebnis nach einem Halbzyklus des Zählens vom Zähler-Abzieher
35 erhalten wird.
Unter Berücksichtigung der konstruktiven Einzelheiten muß darauf hingewiesen werden, daß das Gyroskop
11 mit seinen zwei Freiheitsgraden gebildet sein kann
— entweder von einem »trockenen« Gyroskop mit zwei gekoppelten Achsen,
— oder von einem »Flüssigkeits-Gyroskop« mit zwei Freiheilsgraden und zwei gekoppelten Achsen.
Was den Detektor der Horizontalität 12 betrifft, so kann dieser gebildet sein
25
— von einem gedämpften Pendel
— oder von einer Wasserwaage
— oder von einem Beschleunigungsmesser mit einer gekoppelten Masse.
30
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
35
40
45
50
55
60
65
Claims (5)
1. Kreiselkompaß für Wasserfahrzeuge, der die 6. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche
nachfolgenden Elemente umfaßt: 5 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor der
Horizontalität (12) von einem Beschleunigungsmes-
— einen Pendelmechanismus (2) der eine Vertikal- ser mit einer gekoppelten Masse gebildet ist
gabel (7) enthält, die an zwei Kardanen aufge- 7. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche hängt ist, d.h. ein Roll-Kardan (4) und ein 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gabel (7) frei Stampf-Kardan (5), io am Stampf-Kardan (5) aufgehängt ist
gabel (7) enthält, die an zwei Kardanen aufge- 7. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche hängt ist, d.h. ein Roll-Kardan (4) und ein 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gabel (7) frei Stampf-Kardan (5), io am Stampf-Kardan (5) aufgehängt ist
— ein Höhenkardan (9), welches von der Gabel (7) 8. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche
getragen ist, 1—6, dadurch gekennzeichnet daß die Gabel (7) im
— ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden (11), Inneren des Stampf-Kardans (5) angeordnet ist welwelches von dem Höhenkardan (9) derart getra- ches demzufolge ein Gegengewicht (5a) trägt
gen ist daß eine seiner beiden Empfindlichkeits- 15
achsen (GJ vertikal und die andere Empfind-
lichkeitsachse (Cx) parallel zur Achse des Hohenkardans (9) und seine Rotationsachse (S) ho
rizontal ausgerichtet sind, Die Erfindung richtet sich auf einen Kreiselkompaß
— einen Detektor der Horizontalität (12), der von 20 für Wasserfahrzeuge gemäß Oberbegriff des Hauptandem
Höhenkardan (9) derart getragen ist, daß Spruches, insbesondere für Handelsschiffe, d. h. für zivile
seine Empfindlichkeitsachse (P) parallel zur Ro- Anwendungen, bei denen die Fragen des Preises eine
tationsachsefS^des Gyroskopes (11) ausgerich- gewisse Wichtigkeit haben (im Gegensatz zu militäritet
ist sehen Aßwendungen).
25 Man kennt bereits Kreiselkompasse, die einen Pen-
dadurchgekennzeichnet, daß delmechanismus mit zwei Kardanen aufweiter., d. h. ei
nem Roll-Kardan und einem Stampf-Kardan, wobei die-
— die Vertikalgabel (7) durch die Lagedetektoren se Pendelmechanismen ein innen aufgehängtes Kardan
(Dx)) von der vertikalen Empfindlichkeitsachse tragen.
(GJdes Gyroskopes (11) gegnüber dem Azimut 30 Dieses innen aufgehängte Kardan trägt ein freies Gy-
gesteuert wird, roskop, welches geschützt in einer wasserdichten Hülle
— das Höhenkardan (9) durch die Lagedetektoren im Inneren einer äußeren Hülle angeordnet ist, die mit
(Dy) der horizontalen Empfindlichkeitsachse einer Auftriebsflüssigkeit gefüllt und fest mit dem innen
(Gy) des Gyroskopes (11) gegenüber der Hö- aufgehängten Kardan verbunden ist
henlage gesteuert wird, 35 Die Zentrierung der wasserdichten Hülle in der äuße-
— der Detektor der Horizontalität (12) nur den ren Hülle kann durch elektrische Mittel vorgenommen
gekoppelten Präzessionsmotor gegenüber der werden (Einrichtungen mit Rückstoßspulen), durch hy-Vertikalen
(Mv) des Gyroskopes (U) zur Hori- drostatische Mittel (Auftriebsflüssigkeiten mit einer unzontaleinstellung
der Rotationsachse des Gyro- terschiedlichen Dichte) oder durch mechanische Mittel
skopes steuert 40 (Torsionsstangen).
— der gekoppelte Präzessionsmotor gegenüber In ali diesen Fällen weist die äußere Umhüllung eine
der Horizontalen (Mh)des Gyroskopes (11) der- vertikale Rotationsachse in bezug auf ihre Aufhängung
art gesteuert ist daß die Rotationsachse (S) des auf, durch die Zwischenschaltung des inneren Kardans,
Gyroskopes (11) sich in einer Horizontalebene am Pendelmechanismus; diese äußere Umhüllung wird
mit einer Winkelgeschwindigkeit verlagert, die 45 gesteuert um im Azimut der Richtung der Rotationsgleich
gegenüber einem festen Ausgangspunkt achse des Gyroskopes zu folgen.
ist. Die benutzten freien Gyroskope sind Gyroskope mit
— eine Auswerteinheit (24) ein sinusförmiges Si- zwei Freiheitsgraden, die zugleich eine freie Rotationsgnal
empfängt welches vom gekoppelten Prä- möglichkeit im Azimut zwischen dem Gyroskop und der
zessionsmotor der Vertikalen (M,) des Gyro- 50 äußeren Umhüllung, die die Flüssigkeit enthält, haben
skopes (11) hervorgeworfen wird, dieses Signal (die Rotationsmöglichkeit ist mitunter auf Grade limizur
Bestimmung der Durchgänge der Rota- tiert), und eine Rotationsmöglichkeit in der Höhe (die
tionsachse (S) des Gyroskopes (11) durch Nord Rotationsmöglichkeit ist im allgemeinen kleiner/gleich
und durch Süd verarbeitet und permanent den 20°); gleichwohl existiert allein eine Winkeidelektion im
Kurs des Fahrzeuges leitet. 55 Azimut zwischen den beiden, wodurch eine Steuerung
der Umhüllung im Azimut möglich gemacht wird. Das
2. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch ge- Gyroskop verhält sich daher halb wie ein freies Gyrokennzeichnet,
daß das Gyroskop (11) ein Trockengy- skop und halb findet es sich insbesondere allen horizonroskop
mit zwei gekoppelten Achsen ist. talen Störmomenten unterworfen, und zwar in bezug
3. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch ge- 60 auf die Reibungen und Höhenbewegungen der äußeren
kennzeichnet, daß das Gyroskop (11) ein flüssig- Umhüllung, die sich im Rollen und im Stampfen pcnclelkeitsgelagertes
Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden artig verhält.
und zwei gekoppelten Achsen ist. Man ist daher gezwungen, einem solchen Gyroskop
4. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche ein stark erhöhtes kinetisches Moment /u verleihen, in
—3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor der hr>
der Größenordnung von 10'' c.g.s., damit es diesen hori·
llori/onlaliläl (12) von einem gedämpften Pendel zontalen Störmomenten widerstehen kann: Dies führt
gebildet ist. zu Gyroskopen, deren Rotoren erhöhte Massen aufwei-
5. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche sen (wenigstens 500 g). Darüber hinaus verbleibt die Ro-
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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