Einfluß von Auflasteffekten auf präzise GPS-Messungen:
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Verl. der Bayerischen Akad. der Wiss. [u.a.]
2000
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| Schriftenreihe: | Bayerische Akademie der Wissenschaften <München> / Deutsche Geodätische Kommission: [Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften / C]
519 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zsfassung in engl. Sprache |
| Beschreibung: | 134 S. Ill., graph. Darst., Kt. |
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| adam_text | Titel: Einfluß von Auflasteffekten auf präzise GPS-Messungen
Autor: Dach, Rolf
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 11
2 Ozeangezeitenmodelle 14
2.1 Entstehung und Wirkung von Gezeiten................................. 14
2.1.1 Ursachen für die Gezeiten.................................... 14
2.1.2 Modellierung der Gezeiten mit Potentialen .......................... 15
2.1.3 Wirkungen der Gezeiten..................................... 18
2.2 Berechnung von Ozeangezeitenmodellen................................ 20
2.2.1 Grundlagen zur Berechnung theoretischer Ozeangezeitenmodelle.............. 20
2.2.2 Erstellung empirischer Ozeangezeitenmodelle......................... 23
2.3 Übersicht über globale Ozeangezeitenmodelle............................. 27
2.3.1 Beschreibung von Ozeangezeitenmodellen........................... 27
2.3.2 Vergleich von globalen Ozeangezeitenmodellen ........................ 28
2.3.3 Vergleich globaler Ozeangezeitenmodelle mit Pegeldaten................... 29
3 Auflastdeformationen 34
3.1 Auflastdeformationen eines Beobachtungspunktes........................... 34
3.2 Modellierung von Auflastdeformationen................................ 35
3.3 Berechnung von Auflastdeformationen................................. 37
3.3.1 Berechnung der Greenschen Funktion ............................. 37
3.3.2 Lösung des Auflastintegrals................................... 40
3.4 Auflastdeformationen durch Ozeangezeiten.............................. 44
3.4.1 Besonderheiten bei der Berechnung............................... 44
3.4.2 Vergleich mit gravimetrischen Daten.............................. 47
3.5 Auflastdeformationen durch die Atmosphäre ............................. 47
3.5.1 Modellansatz........................................... 48
3.5.2 Vereinfachungen bei der Berechnung.............................. 50
4 Das Global Positioning System 52
4.1 Systembeschreibung........................................... 52
4.2 Geodätische Koordinatenbestimmung mit GPS............................ 53
4.2.1 Beobachtungsgleichung der Trägerphasenmessung....................... 53
4.2.2 Linearkombinationen der Beobachtungen ........................... 54
4.2.3 Auswertung von Differenzen der Beobachtungen....................... 56
4.3 Einflüsse auf die Positionsbestimmung mit GPS............................ 59
4.3.1 Zeitliche Variation der Empfängerposition........................... 59
4.3.2 Mehrwegeausbreitung...................................... 61
4.3.3 Ionosphärische Refraktion.................................... 62
4.3.4 TYoposphärische Refraktion................................... 63
4.3.5 Variationen des Antennenphasenzentrums........................... 66
4.3.6 Satellitenkonstellation...................................... 70
4.4 Auswertung von GPS-Daten mit der Berner Software......................... 72
5 Simulation von GPS-Daten 74
5.1 Auswirkung einer periodischen Auflastdeformation.......................... 75
5.2 Einfluß der troposphärischen Refraktion................................ 76
5.2.1 Simulation ohne troposphärische Refraktion.......................... 76
5.2.2 Simulation mit troposphärischer Refraktion.......................... 77
Inhaltsverzeichnis
5.2.3 Wiederholbarkeit der Tageslösungen.............................. 80
5.2.4 Einfluß der Satellitengeometrie................................. 82
5.2.5 Parametrisierung der Funktion des Auflasteffektes...................... 83
5.3 Einfluß von Beobachtungslücken durch ionosphärische Aktivität................... 85
5.4 Einfluß der Variation des Antennenphasenzentrums.......................... 87
5.4.1 Einfluß auf Tageslösungen.................................... 88
5.4.2 Pseudokinematische Höhenbestimmung............................ 90
5.4.3 Reproduzierbarkeit der Variation des Antennenphasenzentrums............... 91
5.5 Vergleich der simulierten mit gemessenen GPS-Daten......................... 91
6 Auswertung von GPS-Daten 94
6.1 Beispiel Westgrönland: einheitliche Empfängertypen.........................94
6.1.1 Auswertung ohne Auflastmodellierung............................. 94
6.1.2 Bestimmung zeitabhängiger Höhenvariationen.........................96
6.1.3 Auswertung mit Auflastmodellierung.............................. 98
6.2 Beispiel Westgrönland: verschiedene Empfängertypen.........................101
6.2.1 Berechnung von Tageslösungen.................................101
6.2.2 Berücksichtigung der Variation des Antennenphasenzentrums................103
6.2.3 Pseudokinematische Höhenbestimmung ............................106
6.2.4 Konsequenz für die Bestimmung meteorologischer Daten...................107
6.3 Beispiel Schirmacheroase: Mehrwegeeinfluß ..............................109
6.3.1 Modellierung des Einflusses der Mehrwegeausbreitung....................109
6.3.2 Modellierung der vertikalen Deformationen durch Ozeangezeiten..............112
6.4 Beispiel Antarktische Halbinsel: Regionalnetz.............................115
6.4.1 GPS-Lösungen für die Stationshöhe ..............................115
6.4.2 Troposphärische Refraktion im Regionalnetz .........................118
6.4.3 Pseudokinematische Höhenbestimmung ............................119
6.4.4 Schätzung der Auflastdeformationen..............................120
6.4.5 Bestimmung von Skalierungsfaktoren..............................123
6.4.6 Validierung von Modellen der vertikalen Auflastdeformation.................125
7 Zusammenfassung der Ergebnisse 128
Tabellen Verzeichnis
Tabellenverzeichnis
2.1 Perioden und Amplituden ausgewählter Paxtialtiden des Gezeitenpotentials mit Termen aus den
Legendreschen Funktionen........................................ 18
2.2 Lovesche und Shidasche Zahlen für das PREM Erdmodell...................... 19
2.3 Überlagerungsperioden von Partialtiden und Umlaufzeiten der Satellitenaltimeter ERS-1 und
TOPEX/POSEIDON in Tagen, sowie deren Amplituden....................... 26
2.4 Angaben über einige wichtige globale Ozeangezeitenmodelle..................... 27
2.5 Korrelationen der Pegelreihen von Stationen im Bereich der Antarktischen Halbinsel und Daten-
reihen aus globalen Ozeangezeitenmodellen..............................30
2.6 Korrelationen der Pegelreihen von Stationen an der Westküste Grönlands und Datenreihen aus
globalen Ozeangezeitenmodellen.....................................33
3.1 Lovesche Zahlen für auflasterzeugende Potentiale; berechnet für das PREM............ 37
3.2 Vergleich verschiedener Varianten der Berechnung der Greenschen Funktion für vertikale Auflast-
deformationen ............................................... 38
3.3 Vergleich der Änderungen des Schwerefeldes durch die Ozeangezeiten aus Gravimeterdaten und
globalen Ozeangezeitenmodellen.....................................47
4.1 Linearkombinationen der Trägerphasenmessungen, die in der Berner Software, Version 4.0, ver-
wendet werden.............................................. 56
5.1 Auswirkung der vertikalen Auflastdeformation durch Ozeangezeiten auf eine aus GPS bestimmte
Stationshöhe ohne bzw. mit Schätzung von Troposphärenparametern................ 75
5.2 Auswirkung der vertikalen Auflastdeformation durch Ozeangezeiten auf eine aus GPS bestimmte
Stationshöhe ohne bzw. mit Schätzung von Troposphärenparametern, wobei ab 22:00 UTC ein
Datenausfall vorliegt........................................... 76
5.3 Korrelationskoeffizienten zwischen pseudokinematisch bestimmten Stationshöhen aus simulierten
GPS-Daten einer Basislinie in einer Breite von 60° mit vertikalen Auflastdeformationen, die in
der Auswertung nicht berücksichtigt bzw. als Korrektionen angebracht wurden.......... 79
5.4 Gesamtlösung aller 7 Beobachtungstage des Simulationsexperiments für die vertikale Komponen-
te einer Basislinie in einer Breite von 60°, wobei die angenommene Auflastdeformation durch
Ozeangezeiten in der Auswertung nicht berücksichtigt bzw. als Korrektionen angebracht wurde . 80
5.5 Lösung für die vertikale Komponente einer Basislinie in einer Breite von 60° bei verschiedenen
Varianten der Modellierung der Auflastdeformationen durch Ozeangezeiten............84
6.1 Korrelationskoeffizienten zwischen den pseudokinematischen Höhen für Sisimiut in Bezug auf
Kangerlussuaq und den vertikalen Auflastdeformationen durch ozeanische Gezeiten........ 97
6.2 Anzahl der Beobachtungen und Konditionszahlen für die Normalgleichungen der Basislinie Kan-
gerlussuaq - Sisimiut .......................................... 99
6.3 Wiederholbarkeiten der Höhenkomponente für die Basislinien von Forster zu den Punkten am
Untersee aus verschiedenen Berechnungsvarianten...........................114
6.4 Gesamtlösung für die Stationshöhe mit der Standardabweichung für eine Tageslösung für die
einzelnen Basislinien ohne und mit Einführung des Modells der vertikalen Auflastdeformationen
durch die Ozeangezeiten.........................................116
6.5 Gesamtlösung für die Stationshöhe mit der Standardabweichung für eine Tageslösung aus den
Netzlösungen ohne und mit Einführung des Modells der vertikalen Auflastdeformationen durch
die Ozeangezeiten.............................................117
6.6 Standardabweichung der Residuen der Schätzung der Regressionsgerade zwischen den Tro-
posphärenparametern benachbarter Stationen des Regionalnetzes ohne und mit Einführung des
Modells der vertikalen Auflastdeformationen durch die Ozeangezeiten...............119
Abbildungsverzeichnis
6.7 Gesamtlösung für die Stationshöhe der einzelnen Basislinien im Bereich der Antarktischen Halb-
insel, die bei gleichzeitiger Schätzung der Parameter der Auflastdeformation erhalten werden . . 121
6.8 Skalierungsfaktoren für die vertikalen Auflastdeformationen durch die Ozeangezeiten aus GPS-
Daten...................................................123
6.9 Vergleich von Stationshöhenunterschieden aus verschiedenen Kombinationen unabhängiger Basis-
linienlösungen ...............................................126
6.10 Schätzung von Skalierungsfaktoren zur Validierung des Modells der vertikalen Auflastdeformationen
durch Ozeangezeiten im südlichen Bereich der Antarktischen Halbinsel...............127
Abbildungsverzeichnis
2.1 Erde-Mond-System als Grundlage für die Entstehung der Gezeiten................. 14
2.2 Erde-Mond-System als gezeitenverursachendes System........................ 15
2.3 Übergang vom lokalen Winkel ß zu globalen astronomischen Koordinaten im Erde-Mond-System 16
2.4 Massenbilanz einer Wassersäule..................................... 22
2.5 Prinzip der Satellitenaltimetrie und geometrische Zusammenhänge................. 25
2.6 Lage der Pegelstationen, die zum Vergleich der globalen Ozeangezeitenmodelle im Bereich der
Antarktischen Halbinsel verwendet wurden .............................. 29
2.7 Vergleich von vier Haupttiden aus der Gezeitenanalyse für die Pegeldaten von zwei Stationen
im Bereich der Antarktischen Halbinsel und den entsprechenden Datenreihen aus den globalen
Ozeangezeitenmodellen FES95.2.1 und CSR3.0............................ 31
2.8 Lage der Pegelstationen, die zum Vergleich der globalen Ozeangezeitenmodelle an der Westküste
Grönlands herangezogen wurden, sowie einiger GPS-Stationen, die in den Beispielen in Kapitel 6
verwendet werden............................................. 32
2.9 Vergleich von vier Haupttiden aus der Gezeitenanalyse für die Pegeldaten von zwei Stationen an
der Westküste Grönlands und den entsprechenden Datenreihen aus den globalen Ozeangezeiten-
modellen FES95.2.1 und CSR3.0.................................... 33
3.1 Krustendeformationen an einem Beobachtungspunkt P durch die Masse des Ozeanwassers und
die Masse der Atmosphäre........................................ 34
3.2 Lovesche Zahlen h n für verschiedene Erdmodelle........................... 36
3.3 Lösungen der Greenschen Funktion für die vertikale Deformation für verschiedene Sätze Lovescher
Zahlen................................................... 40
3.4 Anordnung der Flächenelemente bei der „spherical disc method ..................42
3.5 Anordnung der Flächenelemente bei der „template method .....................42
3.6 Amplituden der vertikalen Auflastdeformation durch die Ozeangezeiten der Partialtiden Ki und
M2 aus dem Ozeangezeitenmodell FES95.2.1 für die Station Jubany/Dallmann unter Verwendung
verschiedener Integrationsverfahren zur Berechnung der mittleren Elongation der Ozeangezeiten
einer Berechnungszelle, wobei deren Größe variiert wurde......................44
3.7 Geographische Übersicht für den Bereich der Schirmacheroase, Dronning Maud Land, Antarktis . 46
3.8 Vertikale und horizontale Auflastdeformation entlang des Meridians von 12° östlicher Länge durch
eine gleichmäßige Wasserschicht von 1 m Höhe im Ozeanbereich...................46
3.9 Deformationen durch eine angenommene Luftdruckanomalie ohne Ozeane (kein inverses Barometer) 49
3.10 Deformationen durch eine angenommene Luftdruckanomalie mit Ozean (perfektes inverses Baro-
meter) ...................................................49
4.1 Größenordnungen von Amplituden vertikaler Deformationen der Erdkruste durch verschiedene
Einflüsse, die zu einer zeitlich variablen Empfängerposition führen .................60
4.2 Geometrischer Zusammenhang zur Herleitung der partiellen Ableitung der GPS-Beobachtung des
Beobachtungspunktes i zum Satelliten k nach der Stationshöhe...................64
4.3 Beträge der partiellen Ableitungen zur Schätzung der Troposphärenparameter und Stationshöhen 65
Abbildungsverzeichnis
4.4 Histogramm der Höhenwinkel, unter denen innerhalb eines Tages auf einer Station Satelliten
beobachtet werden können........................................65
4.5 Korrelation zwischen Troposphärenparameter und Stationshöhe bei der Verwendung von ver-
schiedenen Höhenwinkelmasken..................................... 65
4.6 Ansatz für ein höhenwinkelabhängiges Antennenphasenmodell....................67
4.7 Relative, höhenwinkelabhängige Korrektionen für die Beobachtungen aus dem Antennenphasen-
modell von Rothacher und Mader (1996) für die geodätische Antenne von Trimble (4000ST L1/L2
GEOD) in Bezug auf die Dorne Margolin-Antenne..........................69
4.8 Relative, höhenwinkelabhängige, vertikale Korrektionen aus dem Antennenphasenmodell von Ro-
thacher und Mader (1996) für die geodätische Antenne von Trimble (4000ST L1/L2 GEOD) in
Bezug auf die Dorne Margolin-Antenne ................................ 69
4.9 Fehler der vertikalen Komponente für eine Basislinie zwischen einer geodätischen Antenne von
Trimble (4000ST L1/L2 GEOD) und einer Dorne Margolin-Antenne, wenn bei der Berechnung des
Höhenunterschiedes der höhenwinkelabhängige Anteil des Antennenphasenmodell nicht berück-
sichtigt wird und keine Troposphärenparameter geschätzt werden.................. 69
4.10 Fehler der vertikalen Komponente für eine Basislinie zwischen einer geodätischen Antenne von
Trimble (4000ST L1/L2 GEOD) und einer Dorne Margolin-Antenne, wenn bei der Berechnung des
Höhenunterschiedes der höhenwinkelabhängige Anteil des Antennenphasenmodell nicht berück-
sichtigt wird und neben der Stationshöhe Troposphärenparameter geschätzt werden........ 69
4.11 Azimut-Höhenwinkeldiagramm der Satellitenüberflüge........................ 71
4.12 Höhenwinkel, unter denen die Satelliten beobachtet werden können................. 71
4.13 Anzahl von beobachtbaren Satelliten sowie Index für die Satellitengeometrie zur Berechnung der
horizontalen und vertikalen Komponenten der Stationskoordinaten................. 71
4.14 Datenfluß in der Berner Software, Version 4.0............................. 72
5.1 Anzahl der Satelliten pro Epoche für verschiedene Höhenwinkelmasken; Auswirkung der ange-
nommenen Auflastdeformation durch die Ozeangezeiten auf die Stationshöhe bei einer Mittel-
bildung über 24 Stunden mit einer Gewichtung entsprechend der Anzahl der Beobachtungen je
Epoche ................................................... 74
5.2 Analyse simulierter GPS-Daten, die neben dem Meßrauschen nur eine angenommene Auflastde-
formation enthalten; die Auswertung der etwa 100 km langen Basislinie in einer Breite von 60°
erfolgte sowohl ohne als auch mit Schätzung von Troposphärenparametern............. 77
5.3 Pseudokinematische Höhen aus simulierten GPS-Daten in einer Breite von 60° mit den Differen-
zen zwischen vorgegebenen und geschätzten Troposphärenparametern............... 78
5.4 Tageslösungen für die Stationshöhe aus simulierten GPS-Daten in einer Breite von 60° mit den
geschätzten Troposphärenparametern.................................. 81
5.5 Vergleich der Troposphärenparameter aus den Lösungen ohne bzw. mit Auflastmodellierung mit
den Werten, die bei der Simulation für die troposphärische Refraktion angenommen wurden ... 82
5.6 Lösungen für die Stationshöhe aus den 7 Tagen des Simulationsexperimentes für Satellitenkon-
stellationen in unterschiedlichen geographischen Breiten....................... 83
5.7 Amplitude und Phase, die sich bei der Analyse der simulierten Daten für Basislinien in einer
Breite von 60° bei der Parametrisierung der Auflastdeformationen durch Ozeangezeiten ergeben 85
5.8 Tageslösungen für die Höhe aus simulierten GPS-Daten in einer Breite von 60° mit den geschätz-
ten Troposphärenparametern, wobei im Zeitraum von 22:00 bis 24:00 UTC eine Beobachtungs-
lücke angenommen wurde........................................ 86
5.9 Einfluß der Schutzkappe bei einer Choke Ring-Antenne von Ashtech, wie er sich aus der Kali-
brierung von Mader (1996) ergibt.................................... 88
5.10 Tageslösungen für die Höhe aus simulierten GPS-Daten in einer Breite von 60° mit den geschätz-
ten Troposphärenparametern, wobei die Antenne mit einer angenommenen Schutzkappe versehen
war, die bei der Auswertung nicht berücksichtigt wurde....................... 89
5.11 Korrelatogramme zwischen pseudokinematisch bestimmten Höhen aus GPS und den angenom-
menen Ozeanauflastdeformationen...................................90
5.12 Ergebnisse der Schätzung des Modells der höhenwinkelabhängigen Variationen des Antennenpha-
senzentrums für die Verwendung einer Schutzkappe aus simulierten Daten............. 91
5.13 Anzahl der Satelliten pro Epoche für die simulierten Daten der Basislinie in einer Breite von 60°
und für die aufgezeichneten Daten der Basislinie Marambio - Esperanza.............. 92
5.14 Histogramm über die Höhenwinkel, die in die Auswertung eingegangen sind............ 93
5.15 Histogramm über die Residuen der Auswertung mit einer Höhenwinkelmaske von 10°.......93
10 _______________________________________________________________________A b bildungsverzeichnis
6.1 Koordinatenlösungen und Wiederholbarkeit für die Basislinie Kangerlussuaq ^ Sisimiut.....95
6.2 Vertikale Auflastdeformationen durch die ozeanischen Gezeiten aus dem FES95.2.1-Modell für
die Stationen Sisimiut und Kangerlussuaq...............................96
6.3 Vergleich der Ergebnisse der pseudokinematischen Höhenbestimmung für Sisimiut relativ zu Kan-
gerlussuaq mit den vertikalen Auflastdeformationen aus dem Ozeangezeitenmodell FES95.2.1 . . 97
6.4 Wiederholbarkeit für eine Tageslösung der Basislinie Kangerlussuaq -» Sisimiut mit und ohne
Modellierung der Auflastdeformationen durch die Ozeangezeiten..................98
6.5 Einfluß der vertikalen Auflastdeformationen durch die Ozeangezeiten auf die GPS-Tageslösungen
der Basislinie Kangerlussuaq - ¦ Sisimiut................................99
6.6 Tageslösungen aus GPS mit Troposphärenparametern für die Basislinie Kangerlussuaq -» Sisimiut 100
6.7 Koordinatenlösungen und Wiederholbarkeit für die Basislinie Kellyville -» Sisimiut........101
6.8 Unterschiede der berechneten Stationshöhen ohne bzw. mit Modellierung der vertikalen Auflast-
deformation durch Ozeangezeiten....................................102
6.9 Modell der höhenwinkelabhängigen Variation des Antennenphasenzentrums, das für die Station
Kellyville zur Berücksichtigung des Einflusses der Schutzkappe geschätzt wurde..........103
6.10 Vergleich von verschiedenen Berechnungsvarianten für die Höhenkomponente der Basislinie Kelly-
ville- Sisimiut ..............................................105
6.11 Korrelatogramm zwischen den Troposphärenparametern der Stationen Kangerlussuaq und Kelly-
ville aus den GPS-Lösungen.......................................105
6.12 Vergleich der Ergebnisse der pseudokinematischen Höhenbestimmung für Sisimiut relativ zu
Kellyville mit vertikalen Auflastdeformationen aus dem Ozeangezeitenmodell FES95.2.1.....106
6.13 Differenz der Troposphärenparamter zwischen denen, die bei der pseudokinematischen Höhenbe-
stimmung geschätzt wurden, und denen, die aus der Gesamtlösung stammen............107
6.14 Differenzen zwischen den Troposphärenparametern aus den pseudokinematischen Lösungen mit
und ohne Auflastmodellierung......................................108
6.15 Modellierung des Einflusses der Mehrwegeausbreitung für die Basislinien zwischen Forster und
zwei der Punkte am Untersee......................................110
6.16 Anwendung der Modellierung der Mehrwegeausbreitung für die Basislinie Forster — Untersee I .112
6.17 Tageslösungen für die Höhenkomponente der Basislinie Forster-» Untersee I mit der Anzahl der
Beobachtungen je Stunde........................................113
6.18 GPS-Stationen, die für das Beispiel Antarktische Halbinsel verwendet wurden...........115
6.19 Amplitude und Phase der vertikalen Auflastdeformation durch die Ozeangezeiten entsprechend
des FES95.2.1-Modells für die Haupttiden im Bereich der Antarktischen Halbinsel ........116
6.20 Vergleich des Einflusses der troposphärischen Refraktion für benachbarte Stationen im Regionalnetz 118
6.21 Pseudokinematische Höhenbestimmung mit GPS auf der Basislinie Marambio -» Notter Point . . 119
6.22 Energiespektrum für die Zeitreihe der Stationshöhen aus der pseudokinematischen GPS-Lösung
für die Basislinie Marambio — Notter Point sowie zum Vergleich das Spektrum der Zeitreihe der
Ozeanauflastdeformation aus dem Modell auf der Grundlage des FES95.2.1............120
6.23 Vergleich von Amplitude und Phase der Auflastdeformationen, die aus GPS-Daten für verschie-
dene Basislinien geschätzt wurden, mit denen des Modells, das auf der Grundlage des Ozean-
gezeitenmodells FES95.2.1 entstand ............. .....................122
6.24 Skalierungsfaktoren der Auflastmodelle auf der Grundlage des Ozeangezeitenmodells FES95.2.1
für verschiedene Basislinien im Bereich der Antarktischen Halbinsel mit unterschiedlicher Beob-
achtungsdauer ...............................................124
6.25 Vergleich von Amplitude und Phase der Auflastdeformationen, die aus GPS-Daten für verschie-
dene Basislinien geschätzt wurden, mit denen des Modells, das auf der Grundlage des Ozean-
gezeitenmodells FES95.2.1 entstand ..................................125
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