Herstellung von fasergeführten UAV-Steuerungs-Leiterplatten und PCBA

Die Steuerung fasergeführter UAVs ist eine Weiterentwicklung der drahtgelenkten Panzerabwehrraketentechnologie. Bei diesen Systemen steuert ein Bediener die Munition über eine physische Verbindung, die aufgrund der Eigenschaften des Mediums immun gegen Funkstörungen und GPS-Ausfälle ist. Die moderne Variante ersetzt Kupferdraht durch Singlemode-Glasfaser und tauscht so die begrenzte Bandbreite und Anfälligkeit für elektrische Störungen gegen Gigabit-Kommunikation und vollständige elektromagnetische Stille. Die Steuerungsplatine der fasergeführten UAV ist die fliegende Hälfte dieses Systems: Sie empfängt die Steuerbefehle optisch vom Bediener, wandelt sie in Flugsteuerungssignale um, steuert die bordeigene Sensorik und sendet Video- und Telemetriedaten über dieselbe Faser zurück, die aus einem Behälter abgegeben wird, während sich die Plattform im Fluggebiet bewegt.

Dieses Board unterscheidet sich von einem herkömmlichen Flugcontroller nicht durch seine Rechenleistung, sondern durch die Anforderungen der optischen Schnittstelle in Verbindung mit strikten Echtzeitvorgaben. Der Regelkreis für die Flugsteuerung – von der Eingabe des Bedieners bis zur Aktuatorbewegung – muss innerhalb der aerodynamischen Reaktionszeit der Plattform geschlossen sein. Für Überwachungsdrohnen mit langsamen, kontrollierten Flugprofilen sind 40–50 ms akzeptabel. Bei schnellen taktischen Plattformen, die Endanflugmanöver durchführen, kann das Zeitbudget unter 10 ms liegen. Diese Timing-Anforderungen bestimmen jede Architekturentscheidung: Glasfaserschnittstelle, Prozessorwahl, Aktuatorausgabeverfahren und Ausfallsicherheitsverhalten.

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Geschichte: Von FOG-M zu modernen fasergeführten Drohnen

Die BGM-71 TOW-Rakete (1970er Jahre) nutzte Kupferdraht, der während des Fluges sowohl von der Startrampe als auch von der Rakete abgegeben wurde. Die Lenksignale wurden über den Draht übertragen. Die Reichweite war durch die Zugfestigkeit des Drahtes und die Dämpfung des elektrischen Signals begrenzt – typischerweise unter 4 km. Ende der 1970er und in den 1980er Jahren untersuchten Verteidigungsforschungsprogramme den Ersatz von Kupfer durch Glasfaser aus zwei Gründen: Die Gigabit-Bandbreite der Glasfaser ermöglichte die Videoübertragung von einer Kamera im Suchkopf der Rakete, und die Unempfindlichkeit der Glasfaser gegenüber elektromagnetischen Störungen beseitigte Bedenken hinsichtlich der Beeinträchtigung drahtgelenkter Systeme durch leistungsstarke Mikrowellensender.

Das Programm für faseroptisch gelenkte Raketen (FOG-M) demonstrierte das Konzept, wurde jedoch vor der Serienproduktion eingestellt. Die dabei validierte Technologie – die Abgabe von Glasfasern sowohl von der Startplattform als auch von der Munition, mit optischen Lenkbefehlen und Videorückkopplung – bildete die Grundlage für moderne faseroptisch gelenkte Drohnenarchitekturen. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die heutigen Plattformen Drohnen und keine Einwegmunition sind: Sie tragen Kameras und Sensoren für die Aufklärung (ISR) anstelle von Sprengköpfen, können kreisen, anstatt direkt ein Ziel anzufliegen, und sind in bestimmten Konfigurationen wiederverwendbar.

Die moderne fasergeführte Steuerplatine übernimmt die grundlegende Signalarchitektur von FOG-M – optisches Befehlssignal nach vorne, Videosignal zurück, passive Faserabgabe – und passt sie an die Flugprofile von Drohnen, aktuelle Prozessorarchitekturen und die Verfügbarkeit kommerzieller Glasfaser- und Transceivertechnologie zu Kosten an, die in den 1980er Jahren nicht möglich waren.

Systemarchitektur und Rolle des Vorstands

Das fasergeführte System besteht aus: Bodenstation (Bedienkonsole + Faserspule + optischer Sender/Empfänger) → abgegebene Faser → Bordsteuerplatine → Flugaktuatoren + Kamera + Sensorik. Die Steuerplatine ist während der gesamten Missionsdauer die einzige Schnittstelle zwischen Boden und Luft. Ihre optische Schnittstelle muss Befehle zuverlässig empfangen, ihr Prozessor muss sie in Echtzeit ausführen und ihre Aktuatortreiber müssen saubere, latenzarme Ausgänge für die Flugsteuerflächen oder Motoren erzeugen.

Im Gegensatz zu einer angebundenen Drohne, bei der die Faser über ein bidirektionales Spulensystem geführt wird, gibt eine fasergeführte Plattform die Faser passiv aus einem Behälter ab – die Faser wird während der Drohnenbewegung abgewickelt, und sobald der Behälter leer ist, wird die Kommunikation beendet. Die Elektronikschnittstelle des Behälters wird von der Leiterplatte des Glasfaserbehälters gesteuert . Diese überwacht die verbleibende Faserlänge, die Spannung an der Austrittsführung und die Abwickelrate. Die Steuerplatine empfängt Statusdaten von der Behälterplatine über einen internen Bus und nutzt diese für die Missionssteuerung.

Platinenaufteilung: Einige Designs integrieren die optische Schnittstelle, den Prozessor, die Aktuatorausgänge und die Behälterüberwachung auf einer einzigen Platine. Andere trennen die optische Schnittstelle auf eine separate optische Datenverbindungsplatine, die über einen Hochgeschwindigkeitsstecker mit der Steuerplatine verbunden ist. Die integrierte Lösung spart Gewicht und reduziert die Anzahl der Stecker. Die getrennte Lösung ermöglicht die unabhängige Optimierung der analogintensiven optischen Schnittstelle und der digitalintensiven Steuerfunktion und kann die EMV zwischen beiden vereinfachen.

Führungsbefehlspfad und Latenzbudget

Der Steuerungskreislauf läuft wie folgt ab: Bedienereingabe → Bodenkontrollsoftware → optische Codierung → Glasfaser → optischer Empfänger in der Luft → elektrische Wandlung → Protokolldecodierung → Befehlsvalidierung → Aktuatorausgabe → aerodynamische Reaktion → Kamerabild → Videocodierung → optische Übertragung → Glasfaser → Bodenempfänger → Anzeige. Der Teil dieses Kreislaufs, für den die Steuerplatine zuständig ist – vom optischen Empfang bis zur Aktuatorausgabe –, muss innerhalb des gesamten Latenzbudgets liegen. Dieses wird durch die aerodynamische Reaktionszeit der Plattform abzüglich der Laufzeitverzögerung der Glasfaserverbindung bestimmt (vernachlässigbar bei Kabellängen unter 10 km: ~50 µs/km einfach bei c/n ≈ 0.67c).

Plattformspezifische Latenzziele:

• Langsame Überwachungsdrohne (3–5 m/s, große Spannweite): Gesamtbudget der Schleife 80–150 ms; Budget der Steuerplatine ~20–40 ms
• Taktische ISR-Drohne (10–20 m/s, mittlere Wendigkeit): Gesamtbudget der Schleife 40–80 ms; Budget der Steuerplatine ~10–20 ms
• Schnell manövrierfähige Plattform (>20 m/s, hohe Wendigkeit): Gesamtschleifenbudget <30 ms; Budget der Steuerplatine <8 ms; erfordert dedizierte FPGA-basierte Steuerung

Die Latenz innerhalb der Steuerplatine wird dominiert durch: optisch-elektrische Wandlung (~1 µs, vernachlässigbar), Empfangspuffer des Frame-Protokolls und CRC-Prüfung (~50–200 µs abhängig von Protokoll und Prozessor), Aktorschnittstelle (PWM-Periode = 1/Frequenz; bei 400 Hz beträgt die maximale PWM-Latenz 2.5 ms; das digitale DSHOT-Protokoll reduziert diese auf ~100 µs).

Die Überprüfung der Befehlsintegrität ist obligatorisch: Jeder empfangene Frame muss eine CRC-Prüfsumme enthalten, die der Prozessor validiert, bevor er den Befehl an die Aktuatorausgänge weiterleitet. Ein fehlerhafter, unvalidierter Befehl könnte eine Flugsteuerungseingabe erzeugen, die der Bediener nicht gegeben hat. Die CRC-Prüfung erhöht die Verarbeitungszeit um ca. 5–20 µs – angesichts ihrer Funktion zur Verhinderung fehlerhafter Aktuatorbefehle jedoch völlig akzeptabel.

Der störungsfreie Designkontext ist hier von Bedeutung: Da die Befehle über Glasfaser übertragen werden, entfällt die Bedrohung durch HF-Störungen, die für die Entwicklung störungsfreier Leiterplatten erforderlich ist, vollständig. Das Sicherheitsbedrohungsmodell für fasergeführte Systeme ist physikalischer Natur – Durchtrennen der Faser, physisches Abfangen des Behälters – und nicht elektromagnetischer.

Sensorrückkopplung und Videorücklauf

Video- und Telemetriedaten werden über dieselbe Faser mittels Wellenlängenmultiplex (WDM) übertragen. Ein typisches Verfahren: Steuersignale werden auf 1310 nm, Videosignale auf 1550 nm übertragen. Die beiden Wellenlängen nutzen dieselbe Faser, sind aber an beiden Enden durch WDM-Koppler (wellenlängenselektive Strahlteiler) getrennt. Diese bidirektionale Ein-Faser-Architektur ist für fasergeführte Systeme unerlässlich, da die Faser einzeln abgeführt wird und kein Mehrfaserbündel sein kann – Gewicht und Behälterkapazität erfordern eine einzelne Faser.

Die Videopipeline der Bordkamera: Kamerasensor → ISP (Bildsignalprozessor) → Komprimierungsmodul (H.264- oder H.265-Hardware-Encoder) → Paketierung → optischer Sender. Unkomprimiertes 1080p60 benötigt ca. 3 Gbit/s; nach H.264-Kodierung in einer für Überwachungszwecke geeigneten Qualität kann derselbe Datenstrom 10–50 Mbit/s erreichen. Komprimierung ist für jede fasergeführte Plattform mit einem praktikablen Gehäuse unerlässlich, da sie die Verwendung von optischen Schnittstellen mit 100 Mbit/s bis 1 Gbit/s anstelle von 10 Gbit/s ermöglicht. Dies führt zu entsprechenden Reduzierungen der Kosten für Transceiver, des Stromverbrauchs und der Komplexität des Platinendesigns.

Die Videopipeline folgt den gleichen physikalischen Schicht-Designprinzipien wie eine dedizierte optische Datenverbindungskarte , angepasst an die mechanische Umgebung der Faserabgabe – insbesondere können der Faseraustrittswinkel und jede durch den Abgabemechanismus eingeführte Spannung eine Modenkopplung in Multimodefasern verursachen, daher sind Singlemodefasern und wellenlängenkompatible Transceiver Standard.

Faserabgabeüberwachung

Die Steuereinheit überwacht drei Dosierparameter, entweder direkt oder über die Kanisterschnittstellenplatine:

1. Optische Leistung am Empfänger: Der wichtigste Indikator für die Integrität der Faser. Ein plötzlicher Leistungsabfall deutet auf einen Bruch hin; ein allmählicher Abfall kann auf Verletzungen des Biegeradius im abgegebenen Faserstrang oder auf Verunreinigungen an der Austrittsleitung hinweisen.
2. Schätzung der verbleibenden Fasermenge: Die Geschwindigkeitsintegration (∫v dt) wird mit dem kalibrierten Behältervolumen verglichen. Präzisere Methoden verwenden einen Drehgeber an der Auslaufspule oder einen direkten Faserlängensensor. Eine Warnung bei niedrigem Faserstand (10–20 % Restlänge) löst die Berechnung der Rückflugbahn aus.
3. Spannungen am Ausgang: Ein Dehnungsmessstreifen oder Kraftsensor an der Austrittsführung erkennt ein Hängenbleiben der Faser – das Hängenbleiben der Faser an Untergrund oder Hindernis erzeugt einen Spannungsstoß, bevor die Faser bricht. Die Erkennung erfolgt mit einer Vorwarnzeit von ca. 50–200 ms, was auf manchen Plattformen ausreichend Zeit für Ausweichmanöver bietet.

Alle drei Parameter müssen mit ausreichender Frequenz abgetastet werden, um die Ausfallsicherheitslogik in Abschnitt 6 zu gewährleisten. Eine Abtastrate der optischen Leistung von 1 kHz ist üblich und ermöglicht eine Auflösung von 1 ms für die Brucherkennung. Eine Spannungsabtastung mit 500 Hz ist ausreichend. Die Schätzung der verbleibenden Faserlänge kann mit 10–50 Hz erfolgen, da die Entleerung des Faserbehälters im Vergleich zum Regelzyklus ein langsamer Prozess ist. Die Hardware des Dosiersystems wird im Abschnitt zur Leiterplatte des Faserdosierkastens detailliert beschrieben.

Ausfallsicheres Design für Faserverluste

Zustandsautomat zur Erkennung von Faserverlusten:

1. Die optische Leistung fällt unter den Schwellenwert T_low (eingestellt 3 dB über der minimalen Empfängerempfindlichkeit).
2. Starttimer: 100–500 ms Fenster (unterscheidet zwischen kurzzeitigem Verlust und dauerhaftem Bruch; kurzzeitiger Verlust kann bei abrupten Manövern auftreten, die den Faseraustrittswinkel belasten)
3. Wenn die Stromversorgung innerhalb des Zeitfensters wiederhergestellt wird: Ereignis protokollieren, Betrieb fortsetzen, Bediener benachrichtigen
4. Falls die Stromversorgung nicht wiederhergestellt wird: Faserbruch melden, abgesicherten Modus aktivieren

Optionen für den Ausfallsicherungsmodus (vorkonfiguriert pro Missionstyp):

• Autonomes Schweben: Umschalten auf bordeigenes GPS oder barometrische Positionsregelung, Verweilen an der aktuellen Position, Abwarten des Wiederverbindungsversuchs des Bedieners über RF-Backup (falls vorhanden)
• Rückkehr in den Behälter: Navigieren Sie mithilfe der bordeigenen IMU-Koppelnavigation zur letzten bekannten Position des Behälters und versuchen Sie, die Glasfaserverbindung wiederherzustellen.
• Endmanöver: Bei Munitionsanwendungen wird ein vorprogrammierter Endanflug auf die zuletzt bekannten Zielkoordinaten durchgeführt.
• Kontrollierter Abstieg: Falls ein autonomer Flug nicht möglich ist, die Triebwerke auf die minimale kontrollierte Sinkrate reduzieren und die Motoren in Bodennähe abschalten.

Der Hardware-Watchdog ist zwingend erforderlich: Ein dedizierter Watchdog-Timer-IC (kein Software-Watchdog) überwacht das Herzschlagsignal des Prozessors. Sollte der Prozessor aufgrund eines Firmware-Fehlers, eines durch elektromagnetische Störungen verursachten Latch-up oder einer Stromunterbrechung blockieren, aktiviert der Watchdog das Failsafe-Relais und steuert die Aktoren innerhalb des Watchdog-Timeouts (typischerweise 50–200 ms) in einen vordefinierten sicheren Zustand. Dies ist die letzte Verteidigungslinie gegen einen Prozessorausfall und eine unkontrollierte Plattform.

Prozessor- und RTOS-Auswahl

Die Steuerplatine benötigt einen Prozessor, der deterministische Echtzeitausführung ermöglicht. Die wichtigsten Kennzahlen sind die maximale Interrupt-Latenz (die Verzögerung zwischen dem Eintreffen eines Befehlspakets, das einen Interrupt auslöst, und dem Beginn der Ausführung der Interrupt-Service-Routine) und die Kontextwechselzeit (die Zeit zum Speichern des aktuellen Aufgabenstatus und zum Laden einer neuen Aufgabe). Abweichungen dieser Kennzahlen erhöhen direkt das Latenzbudget des Regelkreises.

Prozessorkategorien:

• ARM Cortex-M7 (z. B. STM32H7): 480 MHz, Hardware-FPU, maximale Interrupt-Latenz ca. 12 Zyklen (ca. 25 ns), ausreichend für Plattformen mit einem Regelkreis von > 5 ms. Kostengünstig und weit verbreitet in kommerziellen Drohnen-Flugsteuerungen. Geeignet für die meisten fasergestützten Überwachungsplattformen.
• ARM Cortex-R5: Dual-Core-Architektur mit Lockstep-Verarbeitung für sicherheitskritische Anwendungen, deterministische Reaktionszeiten und keine unerwarteten Cache-Latenzen. Ausgewählt für Verteidigungsplattformen, bei denen die Flugsteuerungsfunktion die Einhaltung des Sicherheitsintegritätslevels (SIL) erfordert.
• FPGA-basierte Steuerung (Xilinx Zynq, Intel Cyclone): Für Plattformen, die Regelkreise im Submillisekundenbereich erfordern, führt die FPGA-Architektur den Regelalgorithmus in dedizierter Logik mit deterministischer Latenz von einem Taktzyklus aus. Der Prozessor (ARM-Kern im SoC) übernimmt Funktionen, die nicht in Echtzeit ablaufen: Telemetrieprotokollierung, Faserüberwachung und Missionsmanagement.

RTOS-Auswahl: FreeRTOS ist aufgrund seines geringen Ressourcenbedarfs, der deterministischen Aufgabenplanung und des breiten Ökosystems die gängigste Wahl für die Steuerung eingebetteter Drohnen. Zephyr gewinnt aufgrund seiner modernen Architektur und der Unterstützung von Sicherheitszertifizierungsrahmen zunehmend an Bedeutung. Bare-Metal (ohne RTOS) ist für einfachste Plattformen, bei denen der Regelkreis die einzige wesentliche Aufgabe darstellt, akzeptabel, erhöht aber die Komplexität mit zunehmendem Funktionsumfang.

Energiearchitektur für Einwegplattformen

Einweg-Faserplattformen unterliegen einer besonderen Einschränkung hinsichtlich ihrer Energiearchitektur, die für wiederverwendbare Drohnen nicht gilt: Das Energiesystem muss für ein einzelnes Missionsprofil (Start bis Faserende) optimiert sein, ohne dass Ladezyklusmanagement oder die langfristige Batterielebensdauer berücksichtigt werden müssen. Dies ermöglicht eine aggressive Zellauswahl: Hochleistungs-Lithium-Polymer-Zellen mit maximalen C-Raten, die die Lebensdauer einer wiederverwendbaren Plattform inakzeptabel verkürzen würden, sind hier durchaus geeignet.

Die Stromverteilung der Steuerplatine muss den Anlaufstromstoß des Motors (mehrere hundert Ampere bei kleinen UAVs) bewältigen, ohne dass die Versorgungsspannung unter die Unterspannungsschwelle des Prozessors absinkt. Die Kapazität in der Nähe des Stromeingangs jedes Reglers (ESC) in Kombination mit separaten Stromversorgungsebenen für Motorantrieb und Avionik (verbunden an einem gemeinsamen Sternpunkt) verhindert, dass Schaltgeräusche des Motors in die Steuerelektronik gelangen.

Batterieüberwachung: Die Coulomb-Zählung liefert den Ladezustand für das Missionsmanagement. Bei Einwegplattformen steht die Missionsabwicklung vor der vollständigen Entladung im Vordergrund, nicht die Batterielebensdauer. Die Ladezustandskurve steuert zusammen mit der Schätzung der verbleibenden Faserkapazität die Logik für die Rückkehr zum Startpunkt oder den Missionsabbruch. Die Designprinzipien für die Stromverteilung in GPS-gestörten Drohnen-Leiterplatten in umkämpften Umgebungen gelten auch hier: Das Fehlen von GPS-Störungen ersetzt nicht die Notwendigkeit einer EMV-resistenten Stromversorgung im Avionikraum.

Geführt vs. Kabelgebunden: Designunterschiede

Fertigung und Qualifizierung

Der Fertigungsansatz unterteilt sich nach dem Plattform-Wiederverwendungsmodell:

Verbrauchsplattformen: Standard-FR-4, 4–6 Lagen, Komponenten in Industriequalität, automatisierte SMT-Bestückung, 100 % In-Circuit-Test (ICT) und Funktionstest, stichprobenartige Umweltprüfung. Die Qualifizierung erfolgt durch Designanalyse und begrenzte Umweltprüfung anstelle der vollständigen MIL-STD-810-Konformität. Die Kosten sind der Hauptfaktor – eine Plattform, die nach einmaliger Verwendung zerstört wird, kann keine 50,000-Dollar-Leiterplatte tragen. Die FR-4-Leiterplattenfertigung mit standardmäßiger bleifreier Bestückung erfüllt die Zuverlässigkeitsanforderungen für ein Einsatzprofil, das in Stunden gemessen wird.

Wiederverwendbare ISR-Plattformen: Ansätze für Design und Qualifizierung nach Militärstandard – Polyimid- oder FR-4-Substrat mit hoher Glasübergangstemperatur, Montageabnahme nach IPC-Klasse 2 oder 3, Schutzlackierung für Feuchtigkeits- und Schmutzbeständigkeit, Umweltqualifizierungstests nach MIL-STD-810. Funktionstests umfassen: Rückkopplung der Lenkbefehle bei extremen Betriebstemperaturen, Simulation eines Faserbruchs (optischer Dämpfungsregler zur Bestätigung der korrekten Auslösung der Ausfallsicherung am definierten Schwellenwert), Latenzmessung über den gesamten Befehlspfad.

Highleap bietet die Fertigung und Montage von sowohl Einweg- als auch Mehrweg-Faserführungssteuerplatinen an, inklusive Dokumentationspaketen, die dem jeweiligen Qualifikationsniveau entsprechen.

FAQ

Wie weit kann eine fasergesteuerte Drohne fliegen?
Die Reichweite ist durch die Kapazität des Transportbehälters begrenzt – die Länge der Faser, die am Flugende in den Behälter gewickelt werden kann, zuzüglich der Faserlänge auf der bodenseitigen Spule. Die praktische Kapazität eines Transportbehälters in der Luft liegt bei 5–20 km für einen Behälter mit einem Gewicht von 2–8 kg. Einige größere Plattformen erreichen Reichweiten von über 30 km. Die optische Leistungsbilanz ist nicht der limitierende Faktor: Eine 1310-nm-Singlemode-Faser mit 0.35 dB/km und einer optischen Leistungsbilanz von 20 dB ermöglicht Reichweiten von 57 km und übertrifft damit die Kapazität des Transportbehälters deutlich.

Kann die fasergeführte Architektur die autonome Wegpunktnavigation unterstützen?
Ja – die autonome Navigation läuft auf dem Bordprozessor und benötigt keine Glasfaserverbindung. Die Glasfaserverbindung überträgt Bedienerbefehle und Videodaten zur Lageerkennung. Autonome Modi sind besonders wichtig für fasergestützte Plattformen, da der Bediener vorübergehend das Videosignal verlieren kann (beispielsweise durch Gelände, das die Kamera verdeckt), während die Plattform weiterhin autonom navigiert.

Was passiert, wenn die Faser am Masseende (in der Nähe der Spule) bricht?
Der optische Ausfall ist aus Sicht der Bordelektronik unabhängig vom Bruchort der Faser identisch. Die in Abschnitt 6 beschriebene Erkennungs- und Ausfallsicherungslogik gilt gleichermaßen für einen Bruch am Boden wie für einen Bruch in der Luft. Physikalisch gesehen ist ein Bruch am Boden möglicherweise häufiger – die Faser in der Nähe des Startpunkts ist stationär und anfällig für Beschädigungen durch Fahrzeugverkehr oder Personal.

Wie wirkt sich die GPS-Deaktivierung auf dieses System aus?
Für die Glasfaserkommunikationsstrecke: überhaupt nicht. Die Glasfaserverbindung ist immun gegen GPS-Störungen oder -Manipulationen. Für den ausfallsicheren autonomen Modus: erheblich. Wenn der Ausfallsicherungsmodus auf der GPS-gestützten Rückkehr zum Startpunkt basiert, deaktiviert eine GPS-Störung diese Option. Verteidigungsorientierte Systeme implementieren daher die IMU-basierte Koppelnavigation als primären autonomen Ausfallsicherungsmodus, wobei GPS als sekundäre Option dient, sofern verfügbar. GPS-freie Drohnen-Leiterplatte Der Designkontext befasst sich mit der Trägheitsnavigationshardware, die dieser Fähigkeit zugrunde liegt.

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