martes, 17 de noviembre de 2015

El sistema de gestión de vuelo FMS

<<< Este artículo es muy especializado y solo resultara de relevancia para aquellos que ya estén familiarizados con las radioayudas e iniciados en la navegación de área. En caso contrario se recomienda leer los posts relativos a la PBN con anterioridad>>>


El FMS se puede describir como un complejo sistema integrado que puede ayudar al piloto a tomar la mejor decisión con respecto a muchos parámetros diferentes ya que cuenta con gran cantidad de información proveniente de múltiples sensores y bases de datos internas.

RNAV según la definición en inglés es:

"A method of navigation which permits aircraft operation on any defined flight path within the coverage of referenced navigation aids or within prescribed limits of self contained aids. RNAV operations support navigation in any airspace without the need to fly directly over ground based aids. Aircraft P-RNAV equipment automatically determines aircraft desired flight path by a series of waypoints held in a database".


Básicamente es un equipo capaz de navegar en cualquier dirección dentro del radio de acción de las señales de las radio ayudas terrestres, satelitales o las "self-contained" o auto-contenidas, que no es otra cosa que los sistemas autónomos como el INS/IRS (el sistema Doppler es autónomo también, pero muy antiguo y ya no se usa). Además de esto el sistema puede crear y sobrevolar puntos de posición que normalmente están almacenados en una base de datos para ofrecer la mejor ruta.

Con esta información el sistema puede calcular cosas tan importantes como el gasto de combustible, la posición, la capacidad de ascenso, la potencia de los motores, etc. Además de esto el sistema puede hacer predicciones basadas en datos introducidos por el piloto y puede, gracias a su base de datos, calcular la posición actual del avión, la distancia y tiempo el tiempo a un punto determinado, etc, etc. Como vemos, la característica principal de un moderno gestor de vuelo es la de ayudar al piloto a tomar decisiones en la planificación y ejecución del vuelo.

Con el desarrollo de las nuevas tecnologías, el sistema ha ido mejorando en sus capacidades. La industria lo demanda y se ha incorporado en todas las aeronaves modernas. Hoy en día es un elemento imprescindible que todo piloto de líneas aéreas debe de conocer en profundidad y manejar con soltura. las tres funciones básicas de un moderno sistema de Gestión de Vuelo son:

  • Navegación
  • Planificación de vuelo
  • Cálculo de performance 

LA FUNCIÓN DE NAVEGACIÓN

La navegación con el FMS puede ser lateral LNAV (en el plano horizontal) o navegación en el plano vertical VNAV. En su faceta de gestor de navegación en el plano horizontal, el FMS (Flight Management System) se basa en la integración de diversos sistemas de aviónica para tratar de contestar a dos preguntas básicas:
  1. ¿Dónde estamos?
  2. ¿Dónde queremos ir?
La primera pregunta implica poder fijar nuestra posición en el espacio y es requisito indispensable para poder contestar la segunda, pues difícilmente sabremos como podemos llegar a algún sitio sin saber de antemano donde estamos en este momento. Nótese que estas dos preguntas son la base de lo que llamamos Planificación de vuelo (Flight Planning) y Navegación. Para poder fijar nuestra posición en el espacio podemos emplear distintos métodos. Podríamos empezar por clasificar estos métodos según el alcance de las radioayuda empleadas.

Sistemas de corto alcance (short range):

  • VOR
  • DME

Sistemas de largo alcance (Long range):

  • IRS
  • GPS

Sería posible fijar nuestra posición en el espacio usando muchos otros métodos, como por ejemplo NDB/ADF en corto alcance y LORAN-C, OMEGA, o cualquier otro sistema hiperbólico para largo alcance. Ninguno de estos últimos se usan en los modernos aviones comerciales debido a su baja precisión (NDB) o por resultar obsoletos (OMEGA).

Los sistemas de corto alcance dan lugar a la combinación de distintas radioayudas para poder calcular la posición de la aeronave. De esta manera podemos usar:


  • VOR/VOR (También llamada navegación Theta-Theta - θ/θ)
  • VOR/DME (También llamada navegación Rho-Theta - ρ/θ)
  • DME/DME (También llamada navegación Rho-Rho - ρ/ρ)

Estos son los sistemas que usamos en la llamada navegación de área (RNAV) y es por ello por lo que nuestro FMS puede ser considerado como un complejo sistema RNAV. No obstante el FMS hace uso de muchos otros sistemas como veremos más adelante, por lo que es considerado mucho más que un sistema RNAV. En las ilustraciones podemos ver las distintas formas re-calcular nuestra posición con sistemas de corto alcance.

La función de navegación lateral del FMS puede hacer cálculos de posición relativos a radioayudas sencillas o combinadas. Con las bases de datos también puede calcular la posición geográfica  



El diagrama polar ed radiación de una estación DME se representa por un círculo, pues es omnidireccional. Cuando se usan dos estaciones DME puede existir cierta ambigüedad, ya que existen dos puntos de corte en los círculos que generan dos posiciones distintas.

Una de las cosas que más importan a la hora de calcular la posición es la buena geometría entre estaciones. En la ilustración inferior se puede ver como el cruce de radiales de dos estaciones VOR (casos A y B) puede generar dos áreas muy diferentes de incertidumbre. El caso B genera un área muy grande de incertidumbre al cortar los radiales seleccionados con un ángulo diferente a 90°. El caso A es el mejor posible ya que ambos radiales (+/- el error) se cruzan ortogonalmente (90°). El caso con menos error sería un cruce ortogonal de dos estaciones DME (caso C), ya que la estación DME tiene menos errores intrínsecos que la estación VOR.
El área coloreada es la incertidumbre debida al error de la radio ayuda utilizada y la forma de obtener la posición.
El sistema FMS está diseñado para poder calcular la posición con las geometrías correctas. Por ejemplo, cuando usamos dos estaciones VOR podríamos cruzar radiales en cualquier punto (B), pero solo hay una posición donde el área de error es mínima (A). El sistema VOR/VOR no se utiliza normalmente como modo de calcular la posición del avión, ya que los errores son muy altos. En su lugar, los modernos aviones comerciales usan una combinación DME/DME cuando sea posible, con la que obtienen el error mínimo (el GPS es todavía más preciso) Según la legislación en vigor (OACI) la precisión del VOR depende de su principio de funcionamiento (puede ser convencional o Doppler mucho más precisa), pero en ningún caso debe de ser mayor de +/-5°, mientras que el sistema DME según la misma legislación, el error debe de ser un máximo de ½ milla náutica o 3% lo que sea mayor.


Si la precisión es buena podemos incluso ordenar al FMS que calcule cualquier otro tipo de ruta alternativa, incluso podemos volar de forma paralela sin ningún tipo de problema (OFFSET), tal como se ve en la ilustración. Esta técnica de volar OFFSET es muy útil cuando la ruta principal que queremos volar se encuentra saturada de trafico.

En el sistema de gestión de vuelo de un moderno avión comercial pueden crear rutas con waypoints introducidos manualmente por los pilotos o bien cargar los datos desde la base de datos de la compañía o cualquier otra base de datos disponible. El formato para introducir los waypoints es diferente en función del tipo de waypoint que se desee crear, pero todos están basados en la filosofía P/B/D (Place/Bearing/Distancce). Eso quiere decir que podremos crear waypoints creados por nosotros mismos siempre y cuando le digamos al sistema el lugar, el rumbo y la distancia.

Si el waypoint es un aeropuerto o cualquier otro waypoint que se encuentre en la base de datos del gestor de vuelo, entonces basta con escribir su identificación. En el caso de los aeropuertos esta identificación consiste en el código ICAO de cuatro letras.

Si deseamos crear un waypoint que no se encuentre la base de datos del sistema entonces podemos hacerlo de varias formas diferentes. Se puede introducir su latitud y longitud en caso de que la sepamos exactamente o bien se puede recurrir al típico formato P/B/D (Place/Bearing/Distance) como se muestra en la ilustración inferior.

El waypoint 1 toma la frecuencia del VOR/DME Alpha (114.0) como lugar "place", el radial 180 como "bearing" y 20 millas náuticas como "distance". La línea magenta muestra como la ruta calculada por el FMS es mucho más corta con esta técnica si la comparamos con la ruta convencional de estación en estación. El primer waypoint es de color magenta sólido porque es el primero de todos los que pretendemos volar.

En la ilustración se muestra el ejemplo de tres estaciones VOR y tres waypoints creados con el formato estándar P/B/D. En la ilustración siguiente se pueden ver los cálculos que produce el FMS para determinar la posición del avión con respecto a la estación.



El waypoint creado es la estrella de cuatro puntas azul. Este waypoint en este caso está definido por la estación y los cálculos son realizados por el FMS automáticamente.
Estos cálculos se pueden realizar con cualquier tipo de estación o cualquier waypoint. Nuestro waypoint de referencia no tiene por que ser necesariamente una estación VOR para poder volar un radial determinado. Podremos volar incluso un radial de un aeropuerto por ejemplo. Es más nuestro sistema FMS en el EMBRAER esta diseñado de forma que no es posible volar radiales VOR de forma automática (con el piloto automático). En su lugar, el avión trata estas radioayudas como si fueran waypoints o puntos geográficos, con lo que se evitan los errores inherentes a las ses de radio asociadas a estos transmisores.

Esto puede resultar en principio chocante, cuando no se conoce el por qué, pero la lógica detrás del sistema es la siguiente:

Dado que el sistema de posicionamiento global (GPS) o el calculo de posición DME/DME junto con el sistema IRS es muchísimo mas exacto que el de la navegación VOR, el sistema produce un cálculo de posición basado en estos sistemas. El resultado es que obtenemos un fijo de una exactitud extraordinaria, esta precisión en el cálculo se vería deteriorada si la navegación se llevara acabo siguiendo radiales VOR. En la ilustración inferior se muestra el tamaño del error (área gris) que se produce volando una sola estación VOR de forma convencional con un sistema de navegación de área.

Como se puede apreciar el error máximo se obtiene al volar directamente hacia un waypoint desplazado 100 NM. Incluso en el mejor de los casos si volamos hacia el VOR siguiendo el radial 090 (TO) tendremos un error que se incrementa de forma considerable con la distancia a la estación (+/- 5.5 NM a lo largo del radial 180). Recuérdese que el error del sistema VOR dependiendo de si se trata de un VOR convencional o de un VOR del tipo Doppler (mas moderno) esta entorno a los +-5° según la legislación. Esto no es aceptable en un sistema como el del EMBERAER donde la precisión es fundamental.


Para evitar estos errores el avión trata a la estación VOR simplemente como un waypoint (todos los VOR se encuentran en la base de datos del FMS) y no vuela las emisiones de VHF que se emiten desde la estación. La avionica simplemente vuela “radiales virtuales” creados por el sistema de gestión de vuelo (FMS). Estos “radiales” virtuales son el resultado de calcular la posición casi exacta del avión con respecto a la estación-waypoint. El resultado es que podremos volar estos radiales de forma casi milimétrica incluso a grandes distancias. Otra ventaja de volar radiales creados por el FMS es que estos no sufren de ningún tipo de anomalía basada en la emisión de la estación o cualquier otro tipo de errores propios de la navegación VOR (Escaloping, reflection, etc.)

Por supuesto también es posible sintonizar una estación VOR de forma manual y seguir sus emisiones de forma convencional, pero en este caso debemos volar el avión también manualmente o con el piloto automático conectado y el modo HDG (Heading activo). En el mejor de los casos con este procedimiento volaremos nuestro avanzado EMBRAER exactamente igual que una Cessna o una Piper de los años 50.

INPUTS Y OUTPUTS DEL SISTEMA FMS

Como se puede apreciar en la ilustración inferior el sistema FMS es controlado por el piloto, quien usa la unidad MCDU para poder comunicarse con el software. En cualquier fase de vuelo el piloto decide cual es el nivel de automatismo necesario utilizando el GP (Guidance Panel). En su versión más extrema el FMS se haría cargo de volar la ruta definida por el piloto, respetando los límites de altura y las velocidades correspondientes.

En el diagrama se puede ver la representación del sistema de gestión de vuelo. En realidad el sistema FMS en el EMBRAER no existe de forma física como en otros aviones, donde se distingue un computador o caja negra dedicada a la función de gestión de vuelo. En su lugar Honeywell ha adaptado el FMS de forma que este se encuentra integrado en una de las tarjetas electrónicas dentro de las unidades llamadas MAU o Modular Avionic Unit. De esta forma se consigue la integración total con el resto de los sistemas, la redundancia y la modularidad necesaria en caso de avería. El piloto controla el funcionamiento del sistema por medio de las pantallas multifunción y PFD además del control que se ejerce a través de la unidad MCDU.

El máximo nivel de automatismo que se puede alcanzar con el EMBRAER se produce cuando el sistema de gestión de vuelo (FMS) controla la velocidad (Magenta), la navegación lateral (LNAV en Magenta), la navegación vertical (VNAV en Magenta) y el piloto y la potencia automática están activos (Verde). En este caso el piloto se dedica a monitorizar el buen funcionamiento del sistema. En la imagen de abajo se puede ver un PFD del Embraer con el máximo nivel de automatismo.

 Máximo nivel de automatismo que se puede alcanzar con el EMBRAER 190



LAS BASES DE DATOS

Los modernos sistemas RNAV cuentan todos con bases de datos que se encuentran almacenadas en memorias permanentes. Estas bases de datos contienen todos los WP y las posiciones y frecuencias de todas radioayudas que la aeronave, gestionada por un operador determinado, necesita para volar en el aérea geográfica concreta. Al igual que cualquier otra publicación aeronáutica (AIP’s), como puedan ser cartas de aproximación, mapas,  etc. se requiere que dichas bases de datos se conserven actualizadas, para lo cual existen los llamados ciclos AIRAC que se producen cada 28 días.






La responsabilidad de los pilotos es la de comprobar que una vez insertada la ruta en el computador de vuelo, esta es correcta y consistente comparándola con las cartas y documentos legalmente emitidos por la autoridad. (SIDS/STARS, etc.)

El proceso de comprobación debe de hacerse antes y durante el vuelo. La mayoría de los sistemas de hoy en día permiten el acceso del piloto a la base de datos que contiene todos los WP, las rutas, las velocidades y las alturas de todos los procedimientos de vuelo.


LA UNIDAD MCDU

La unidad MCDU cuando trabaja para el FMS no es más que un mero interprete para poder comunicarnos de forma eficiente con el software de las MAU. El diseño es muy sencillo y robusto. La mayoría de los pilotos que usa la unidad MCDU para programar el FMS por primera vez se siente un poco perdida ante tal volumen de información. Pero el sistema esta diseñado de forma muy intuitiva y hasta los pilotos de más edad se encuentran cómodos después de algunas sesiones de práctica. La unidad MCDU hace además varias cosas mas, ese es el motivo por el cual tiene una M en su acrónimo. Multi-function Control Display Unit. Esta unidad se utiliza para la sintonización manual o automática de las radios y también para poder comprobar si existen circuitos con diferenciales electrónicos o diferenciales convencionales en posición abierta.



En la ilustración inferior podemos ver las diferentes partes en las que se divide la unidad MCDU del Embraer 190. Después de la aplicación de la energía eléctrica la primera página por defecto en esta unidad MCDU es la de RADIO. Se pueden seleccionar frecuencias usando los números del teclado o bien presionando la tecla de la frecuencia en standby y usando la rueda giratoria.



LA PROGRAMACIÓN

Las tres funciones básicas del sistema FMS son PERFORMANCE, VAVIGATION y FLIGHT PLANNING. Se puede acceder a cada una de estas funciones con las teclas de función que se muestran en la ilustración. FLIGHT PLAN, PROGRESS y ROUTE son tres maneras de ver la misma función (FPL). 


La programación es flexible y el método utilizado depende de cada uno, aquí lo importante es no dejar sin efectuar ninguno de los pasos esenciales: hay que decirle a la unidad la posición inicial de nuestro avión, a donde queremos ir y por donde (plan de vuelo), a que altura, en que condiciones de temperatura y vientos, las velocidades de ascenso, crucero, etc, la potencia que vamos a utilizar en el despegue, las velocidades de despegue y las condiciones de la pista, etc. (performance).

Cuando se inicializa el sistema debemos comprobar si las bases de datos cargadas en el avión son correctas, para ello pulsamos la tecla NAV para acceder a la identificación de dichas bases de datos.
La pagina NAV IDENT nos muestra la base de datos activa, la de reserva y otro tipo de información, como fecha, hora, software y tipo de NDB (Navigation Data Base) en uso. En la misma página también encontraremos información sobre la base de datos, el software de la unidad, el tiempo UTC y la fecha. Uno de los acrónimos peor elegidos por Honeywell en opinión del autor de esta guía es el de Navigation Data Base (NDB), que tiende a confundir a la mayoría de los pilotos que nunca han operado estos sistemas.

La secuencia de la programación del unidad es bastante lógica, pero a la vez flexible. Esto quiere decir que en cualquier punto de la programación se puede saltar de un paso a otro completamente diferente sin necesidad de seguir un rígido procedimiento. Por ejemplo, si durante la programación de la ruta recibimos un mensaje de control de trafico aéreo informando que la pista en uso ha cambiado, podemos insertar este nuevo evento en cualquier momento de la programación. Lo importante es no dejarse ningún paso por cubrir.

En el caso del FMS de la casa Honeywell diseñado para el Embraer 190, la secuencia lógica de eventos se realiza de forma muy sencilla siguiendo casi todo el tiempo la tecla 6R tal como se muestra en la ilustración de abajo. Si durante el proceso nos perdemos lo único que hay que hacer es dirigirnos a una de las teclas de función, donde encontraremos un menú con el paso en el que nos encontrábamos antes de perdernos. Es importante darse cuenta de que los menús están relacionados con las teclas de función, esto quiere decir que no debemos buscar el despegue en la tecla NAVEGACIÓN, ya que el despegue esta relacionado con PERFORMANCE. Bastará pensar unos segundos que es lo que queremos para dar con la tecla adecuada.

A continuación se presenta a modo de sugerencia una secuencia de pantallas que puede servir para la programación de la unidad. Como se puede ver en la ilustración la primera página después de aplicar corriente al avión es la de la radio. En esta página se debe de comprobar que tenemos sintoniza automática en ambas radios (AUTO TUNNING), esto quiere decir que las radioayudas se seleccionaran solas para posicionar nuestro avión dentro de la ruta con las máximas garantías. Esta característica también permitirá hacer transiciones automáticas desde la navegación lateral hacia el ILS sin intervención del piloto. Muchas veces cuando nos encontramos en otras paginas de la unidad no podemos ver si el sistema esta en modo AUTO TUNNING, bastara mirar la esquina inferior derecha de nuestra pantalla PFD para comprobar que si el color de la frecuencia es Magenta en vez de Verde, eso significa que el sistema funciona en AUTO TUNNING.


Una vez que se comprueba esto, el siguiente paso consiste en decirle al sistema donde estamos. POSITION INITIALIZATION, también llamada pagina POS INIT. Aquí se comprueba la base de datos, fecha etc. Basta con pulsar la tecla NAV para que el sistema nos lleve automáticamente allí.

Ejemplo de página de inicio donde se le dice al FMS cual es nuestra posición inicial.

Una vez que le decimos al sistema que tome el valor del GPS para posicionarnos, el sistema nos indica en la tecla 6R cual es el siguiente paso. Este paso no es ni más ni menos que la ruta elegida. La ruta es un listado de waypoints. Cuando la ruta esta completa debemos cerra el plan de vuelo poniendo nuestro destino en la ultima parte de la lista. Podremos ver en nuestras pantallas PFD y en la unidad MCDU la lista con todos los waypoints que hayamos introducido y los waypoints intermedios que el sistema crea por ejemplo en los procedimientos de DEPARTURE.


Una vez hecho esto debemos de darle al sistema algunos datos del aire para que pueda calcular las prestaciones y las actuaciones del avión. Este es uno de los pasos mas importantes, porque si le damos datos erróneos los cálculos serán por supuesto erróneos. En cualquier caso ante la duda podemos dejar la mayoría de los datos en blanco, en cuyo caso el sistema tomaría los datos de un día estándar (ISA). Existen varios tipos de datos los que se tienen que introducir en casillas son mandatarios, sin ellos el sistema no puede operar. Los datos que se introducen en unos guiones son opcionales. Cuantos más datos opcionales le demos mejor sera el calculo de las actuaciones del avión y mas exacto el calculo de tiempo y combustible. 

Cuando el proceso se termina el sistema sera capaz de calcular gran cantidad de información por nosotros.  Si el sistema esta bien configurado podrá darnos incluso los cálculos de situaciones ficticias creadas por nosotros (WHAT IF).


3 comentarios:

  1. Manolo:

    Con la proliferación de entradas "nutritivas"(en realidad todas lo son, pero unas tiene más carga "doctrinal" que otras, a eso me refiero con los "nutrientes"), se hace dificil elegir dónde preguntar o cometar las muchas cuesiones que a uno se le ocurren,y estoy pensando en las entradas posteriores a esta relativas a la sustentación o las continuaciones sobre el propio piloto automático. Tu blog es como un caladero o mejor -en metáfora que te será más cara- una veta inagotable de la que puedes pegarte meses extrayendo mineral, no sin esfuerzo (al menos para mí y mis limitaciones, no las del profesor al que se le agradece el esfuerzo didáctico :) ). Dicho lo cual, lo que quería comentarte a propósito de esta entrada ,muy técnica, como habías advertido y de la que he podido sacar mucha información (con "pérdidas y ruido en la señal" que requerirían varias lecturas, como me ha pasado con la sustentación para asimilar conceptos) es que tanto la función como el interfaz del FMS me recuerdan enórmemente al Apollo Guidance Computer, supongo que no es casualidad. Sería otra más de las utilidades derivadas del Programa espacial, aunque ésta se me antoja más interesante desde el punto de vista aeronáutico que el manido teflón o el velcro.
    Bueno, me vuelvo al tajo, a seguir picando...
    Un saludo y hasta pronto.
    Pablo.
    P.s.: me lo ha recordado este video visto en Microsiervos
    http://www.microsiervos.com/archivo/ordenadores/video-ordenador-guiado-apolo-en-documental-de-los-60.html

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    1. Hola Pablo, muchas gracias por tu amable comentario :)

      Excelente el vídeo que publicó Microsiervos. Efectivamente existe un cierto paralelismo entre los dos sistemas. Aunque con el tiempo el FMS se ha ido haciendo cada vez más complejo, en un principio era algo mucho más rudimentario.

      Me recuerda los tiempos en los que empecé a trabajar con el F-18. Cuando recibimos el F-18 estaba equipado (todavía lo está, pero los de ahora nada tienen que ver con los de entonces) con unas pantallas multifunción muy modernas. Se llamaban DDI's (Digital Display Indicators) y por aquel entonces eran el no va mas. Los vídeos promocionales de la casa McDonell Douglas (entonces no era Boeing) decía que era un cockpit de la Guerra de las Galaxias" y efectivamente era muy moderno ...en los 80.

      El DDI que se encontraba entre las piernas del piloto (delante de la palanca), era especial. Esta pantalla era el mapa donde se veía la posición del avión en una vista desde arriba. El símbolo del avión en medio de la pantalla era una señal digital, pero el terreno era una proyección hecha en un carrete de 35 mm a través de una lente tipo Fresnel. Lo que hacía esta pantalla era calcular la posición del avión e ir moviendo el rollo de película que no era otra cosa que la cartografía hecha para esa zona de vuelo donde se volaba (si te salias de la zona adiós al terreno). Hoy en día eso es arcaico y por supuesto las bases de datos del terreno son totalmente digitales y abarcan el mundo entero, pero por aquel entonces, aunque rudimentaria, la cosa funcionaba.

      Mira por donde me has dado pie a un nuevo post sobre como España bombardeó posiciones en el conflicto de ex-Yugoslavia utilizando solamente el inercial, pues nuestros F-18 no estaban dotados de GPS. Además la política era no causar danos colaterales, así que se requería precisión quirúrgica. Como se hizo?

      Un cordial saludo
      Manolo

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  2. Manolo:

    Se espera con impaciencia esa entrada, tecnología, historia y experiencia personal ¿quién da más?
    Además. de qué pensar cómo a una misma plataforma, convenientemente "tuneada" se le da cuerda para rato. En nuestro país, el propio F-18 (M) que tú mencionas, antes el F-1M o el F-5B, y es noticia de pocos días la entrega a la Tercera Escuadrilla del primer AB-212 modernizado con "cabina de cristal". Y allende los mares, qué decir del B-52, que va por su enésima modernización y que un día de estos se convertirá en septuagenario ...(con previsión de llegar a la centena).
    Saludazos y !a esperar nueva entrada!
    Pablo.

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