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未来防空防天导弹体系结构与技术
发布时间:2009-07-24  作者:
       随着科学技术尤其是信息技术的发展,现代战争正在发生革命性变化,未来战争将进入信息化战争时代。信息化战争的特征主要体现在三个方面,即强化指挥控制功能、电子战能力及发展远程精确打击能力。它强调通过信息技术的利用提高武器系统和作战体系的整体作战能力。在这场现代军事技术革命中,各国都在竞相探讨信息技术对未来作战的影响。以美国为首的西方军事强国已形成了一系列新的作战概念和理论,并开始在“沙漠之狐”和科索沃行动中验证这些新概念和理论。在此基础上,为了实现这场军事技术革命,各国又进一步完成了适应未来战争的武器装备发展战略研究,并开始着手安排新武器装备的研制、重组以适应未来战争的作战部队,在21世纪初形成作战能力。
   空袭与反空袭作战是未来战争中必不可少的重要环节。为了适应信息化战争时代的要求,新的空袭兵器正在不断出现,空袭模式也在不断变化,并向空天一体化方向发展,对防空武器的发展提出了新的挑战。与此同时,随着信息技术的发展,防空防天兵器作战将有可能引入新的作战概念,并为防空技术的发展带来新的机遇。
   无论是空袭体系还是防空防天导弹体系(简称防空导弹体系),其形成既有技术问题,也有应用问题(战略战术、体系结构、环境条件等)。其中战略战术、体系结构、作战环境的发展牵引着体系技术和武器装备技术的发展,而体系技术和武器装备技术的发展将导致战术、体系结构发生根本的变化并使其更加适应作战环境的变化。
   衡量一个体系优劣的标准是它在各种作战环境下的作战效能、生存能力和效费比。作战效能用于衡量体系内各种装备打击敌方的作战效果,对于防空导弹体系而言,它可以用被直接杀伤目标的价值或受保卫区的价值两种标准来衡量;生存能力用于衡量一个体系在受到打击之后剩余的作战能力;而效费比用于衡量一个体系为取得的作战效果所付出的代价。由于在某个特定的作战条件下,三者的目标可能是相互矛盾的,需根据具体情况进行折衷选择,所以体系对抗研究的重点就在于千方百计地改善体系技术、战略战术、体系结构并适应各种战场环境,使作战体系在各种作战环境中获得满意的作战效能、生存能力和效费比。
   一、未来防空防天导弹体系面临的新问题
   1.空袭体系形成带来的新问题
   现代和未来战争越来越趋于体系与体系之间的对抗。空袭体系的形成不仅与作战使用有关,也与形成体系作战能力的各种技术装备紧密相关。空袭体系可以通过合理地调度和充分发挥体系内各种作战资源的作用,大幅度地提高其整体作战效能。常规空袭体系由侦察机、预警指挥机、电子干扰机、歼击机、轰炸机等多达数十架飞机的多种机型组成。它以预警指挥机为核心,在其指挥控制下,各负其责,形成一个相互配合、相互支援的有机整体。随着远程精确打击技术和作战理论的发展,战术弹道导弹、巡航导弹、各种战术导弹和无人机等已经或将成为空袭体系中必不可缺的组成部分,并在未来战争中发挥越来越大的作用。它们的加入使得空袭兵器多样化、精确化和远程(无人)化。空袭体系还得到来自天基、空基、地基信息系统、导航定位系统、通信系统、指挥控制系统和其它作战系统的支援,即通过形成一个完善的作战体系提高联合作战和整体作战效能。
   与单一目标的防御不同,空袭体系的形成给防空导弹体系带来的问题是多方面的。首先,防空导弹体系必须解决全空域、多目标同时防御问题;其次,必须解决同时对付多种不同目标的问题,即不但要反飞机,还要反战术弹道导弹和巡航导弹等;第三,防御的目标从大气层内扩展到大气层外,即不但包括空天飞机和导弹的防御,还包括对敌方卫星的威慑和拦截。空袭体系化的发展趋势造成未来防空防天作战任务不可能依赖一两种防空防天导弹和一两套武器系统来完成,即未来防空防天作战任务的完成必须依赖一个良好的防御体系。
   2.电子对抗发展带来的新问题
   电子战(包括电子干扰、反辐射导弹、隐身等方面的攻防对抗)已经成为未来战争中必不可少的组成部分,并贯穿于战争始终,成为一种无处不在的对抗形式。随着信息技术的发展及其在战争中地位的不断提高,电子战变得越来越重要,其威胁也变得越来越严重,并使现代和未来战争中体系与体系之间的对抗也变得极其复杂。因此,无论是进攻还是防御性武器都必须高度重视电子对抗技术的发展。
   空袭装备电子对抗技术的发展要求未来的防空导弹体系必须能够在极其恶劣的环境条件下作战,必须采取有效的对抗措施提高防空导弹体系的电子对抗能力,例如探测系统组网作战、反辐射导弹诱偏、采用专用电子对抗武器和设备等等。
   3.战术弹道导弹防御带来的新问题
   战术弹道导弹使用方便、制造相对简单和效费比高的特点使其使用越来越普遍,并且随着其命中精度的不断提高和造价的下降,它的使用价值会越来越高。战术弹道导弹的飞行轨道是首先飞出大气层并长时间在大气层外飞行,到飞行末段再入大气层,其飞行速度高,加上再入弹头的雷达散射面积小等特点,使得对它的探测和防御极其困难。但随着反战术弹道导弹技术的发展,对它的防御已成为可能。
   由于战术弹道导弹末段大气层内点防御的防御效果有限,因此对它的有效防御一般由多层组成,既有助推段防御,又有中段防御,即使是末段防御也分为末段大气层外面防御和末段点防御两层。为了实现战术弹道导弹各段的防御,必须尽早发现来袭的目标和有效地拦截目标,为此必须形成一个性能优良的反导体系。该体系包括天基、空基和地基探测预警系统网络、各种作战用途的拦截兵器以及作战管理、指挥、控制、通信网络等等。
   4.巡航导弹防御带来的新问题
   通常所指的巡航导弹是特指超低空低速飞行的巡航导弹(包括超低空突防的反舰导弹)。在“沙漠之狐”作战行动和科索沃危机中,它被作为达到政治目的的有效手段并得到广泛的应用。它的基本特点是命中精度和作战效能高,普遍采用隐身技术、超低空突防技术和飞行轨迹规划,空袭具有很大的突然性和灵活性。
   对它防御的难点主要在于不易较早地发现来袭的巡航导弹,因此,当前对它的防御主要采用视线内近距点防御,而点防御拦截范围十分有限。为了提高布防和作战的有效性,现正在发展巡航导弹超视距面防御系统,以便于构成点、面结合的防御体系。为了实现超视距拦截,预警和跟踪制导信息系统不仅要实现地基系统的组网,还要实现空、地基探测系统的组网。
   随着空袭装备和体系的发展,未来防空导弹体系并不仅仅面临以上几个问题,只因为它们与体系的发展紧密相关,值得我们在此重点阐述。归纳未来空袭体系和装备的发展及对防空导弹系统的影响,其技术特点为:
   (1)空袭兵器千方百计地抑制防空武器获取其信息,即空袭兵器通过采用隐身、电子干扰等技术大幅度降低自身被观测的可能性或最大限度地减小被观测的距离;
   (2)采用多种措施抑制防空武器实现远程精确拦截(打击)或增加拦截难度,例如,空袭兵器可以采用高速突防、大机动,有效地减小防空兵器的拦截空域和增加拦截难度;
   (3)通过减少被发现时间、饱和攻击等,抑制防御系统指挥控制能力和全系统能力的发挥。
   二、防空导弹体系的现状和存在的问题
   1.防空导弹体系的发展阶段
   防空导弹体系的发展经历了3个阶段,即单个防空导弹火力单元独立作战防空、多种多个火力单元空域重叠覆盖防空和树状体系结构网络防空。防空导弹出现初期,防空导弹主要用于对付冷战时期的侦察飞机,这种作战往往只要一个火力单元就可完成。
   为了应付多目标空袭威胁和同时对付不同距离、不同高度来袭的目标,在信息不够发达的六七十年代,采用了各种防空导弹构成空域重叠覆盖的防空导弹体系。这类防空导弹体系中的各火力单元,根据各自划分的作战空域,单独完成对空域内目标的拦截。对空域重叠区目标的拦截,可由上级指挥中心进行协调。
   当前,各国普遍采用以火力单元为基础、有层次之分的防空导弹体系,即树状结构防空导弹体系。它与重叠覆盖的不同之处在于上级可进行目标分配和火力分配,火力单元之间信息可以通过上级指挥中心实现交流,但体系结构明显呈现指挥层次,相互之间存在明显的隶属关系。
   2.现有防空导弹体系存在的主要问题
   现有防空导弹体系所存在的问题主要是由信息技术发展水平约束所引起的。在防空导弹体系中,层次越向下越与火力分配和拦截制导控制过程密切相关,所需传输的信息容量越大、信息库(实时性要求)和信息的精度要求也越高。要想使作战更加灵活,就必须使防空导弹体系的指挥控制体系结构扁平化和减少指挥控制层次,这就必然造成所需传输的信息量和对其管理难度的大幅度增加。以往和现有防空导弹体系存在的具体缺陷有:
   (1)信息不易实现共享,防空导弹体系往往受到体系内某种设备的约束,出现瓶颈约束现象,降低了体系的作战效能、效费比和火力密度;
   (2)指挥控制体系结构的层次多,将降低作战作用的灵活性;
   (3)体系不易重组,将降低防空导弹体系的生存能力;
   (4)防空导弹体系的布防、多种武器系统的组网等能力将受到限制。
   三、未来防空导弹体系结构设想
   1.体系作战的必要性
   随着信息化战争的来临,空袭兵器技术、战术、作战理论及部队编成发展和演变的目的,是最大限度地抑制防空兵器信息获取与利用、指挥控制功能和远程拦截能力的发挥。因此,仅仅通过提高拦截兵器自身技术的发展来对付未来威胁显然是不够的,有时甚至是不可能的。
   然而,一种武器效能的发挥应由武器本身所具有的潜能和使潜能发挥出来的应用(包括战术应用、作战理论形成等)两部分组成。很明显,在解决了体系作战关键技术之后,可通过体系的合理应用(例如,联网探测增加隐身目标的发现距离、接力制导充分发挥导弹的射程及充分利用在架导弹数增加火力密度等)使防空兵器的潜能得到充分发挥,从而提高整个作战体系的效能。除此之外,防空导弹体系结构可以随战场情况进行近实时及灵活重组,从而大幅度提高防空导弹体系抗毁伤的能力和防空兵器的生存能力。通过体系组网作战,也可大幅度提高防空导弹体系对付隐身目标及干扰条件下作战的能力。
   2.分布式无节点网络防空导弹体系结构设想
   如上所述,防空导弹体系已经历了3代体系结构,即单一火力单元防空、多层重叠覆盖和现在正在运用的分层集中控制体系(例如,火力单元、作战单元、战术单元三级战术防空导弹体系)等形式,而各种类型防空导弹体系的形成都是当时体系和信息技术发展的一种反映。随着信息技术的发展和为了适应未来高强度对抗防空作战的需求,未来防空导弹体系将发展为分布式无节点网络体系结构。
   (1)分布式无节点网络体系结构组成
   任何一个防空导弹体系的形成都与具体的战场环境有密切的关系,即不同的来袭目标、不同的被保卫区、不同的地理条件和作战环境条件、不同的参战防空导弹会要求不同的防空导弹体系结构。防空导弹分布式无节点网络体系结构特指与防空导弹作战有关的各种预警探测设备、作战管理指挥控制中心、防空目标指示和制导雷达站、防空导弹发射车与战区广域通信网络直接相连的网络体系结构形式。所谓分布式意指体系内各武器和设备可以分布在一个大范围内的各空间点上;所谓无节点意指概念上没有传统的火力单元,即上述几类设备相互之间在作战时没有固定必然的隶属关系(由于体系结构的灵活性,也可以根据需要构成有从属关系的体系结构),作战时可以根据目标、战场环境、使用战术和部署情况,对某个目标拦截时随时组合为具有从属关系的临时作战结构。
   此外,通过防空协调中心,防空导弹体系可与航空兵、战区指挥中心等上级或友邻相连。
   战区广域通信网络可以通过有线或无线形式与地基预警情报站(RP)、移动式情报站(MRP)相连,也可以通过收发站(IC)与空中的预警指挥飞机(AEW)、天基情报卫星(IS)相连。所接收的信息可以通过探测器融合站(SFP),有时还可通过空情图生成中心(RPC),处理之后发到网络上,也可以根据用户的需要不经处理发到网络上或由用户直接从空中和空间预警系统获取信息。
   防空导弹作战管理指挥控制中心、防空制导雷达站和拦截兵器发射车构成的网络结构中可以含多部各种类型的制导雷达,多部各类目标指示雷达(如有必要),多辆各种型号的导弹发射车以及多个作战管理指挥控制中心。作战中对某个目标的拦截,可以由某个确定的作战管理指挥控制中心根据预警信息网提供的信息,指定体系内几部制导雷达、某几辆导弹发射车构成拦截系统对目标进行拦截。
   (2)防空导弹体系中主要子系统的任务和功能
   1)联合空战中心(CAOC)
   任务:
   --负责与战区指挥控制中心联络;
   --作战规划;
   --战场监视;
   --协调航空兵和防空导弹部队作战;
   --负责当地防空力量作战。
   功能:
   --空袭;
   --防空;
   --空中支援;
   --空中管制。
   2)探测器融合站(SFP)
   任务:
   --生成当地空情;
   --多种多个探测器信息汇总;
   --融合信息,建立目标航迹;
   --向公用网发送目标信息。
   功能:
   --汇集探测器的数据;
   --管理当地探测器;
   --与友邻SFP协调。
3)空情态势图生成中心(RPC)
  空情态势图生成中心通常与SFP或防空导弹指挥控制中心合并。
  任务:
  --观察战区态势;
  --规划与控制探测器;
  --汇集探测器的输入。
  功能:
  --建立空中态势;
  --管理战场观察;
  --传送空情图。
  4)防空导弹作战管理指挥控制中心(SAM-BM/C3)
  任务:
  --确保与高速发展的远程通信设施相联;
  --进行作战管理,包括提供规划、控制执行工具和人机接口;
  --了解战场作战态势;
  --进行交战杀伤评估;
  --防空导弹体系作战模拟与仿真;
  --控制拦截兵器的作战;
  --控制制导雷达的工作。
  功能:
  --接收和显示作战态势;
  --接受上级指令、协调友邻作战;
  --制定作战规划、推理、决策方案;
  --作战装备自动化检测;
  --交战过程控制与指挥;
  --训练作战人员。
  (3)体系作战过程简述
  战区预警探测系统获取的信息经SFP和RPC处理后或不经处理由战区通信网络传递给战区空战协调中心和所有作战管理指控中心,以形成统一战场态势图并促进战备等级转进。如果需要战区空战协调中心协调各种武器的作战,协调中心可以进行作战任务的协调。在作战中,也可以由各作战管理指挥控制中心进行威胁判断并按某种规律和协议确定分工,进行目标分配。
  接受被分目标的某防空导弹BM/C3系统可以根据整个战区内武器装备分布情况及被分目标情况,进行可拦截性判断和优化分析,并确定采用哪些制导站参与制导和采用哪组导弹进行拦截。
  某防空导弹发射系统接到导弹发射准备指令后,进行导弹和系统的自动化检测,完成导弹的准备工作,在接到导弹发射指令后,发射导弹。
  各制导站根据指挥控制中心的指令分阶段完成分配的制导任务,确保防空导弹飞行过程正常。
  导弹经过几个制导阶段后,最终完成对目标的拦截。
  作战管理指挥控制中心根据探测系统提供的信息,进行杀伤评估,根据杀伤评估的结果,决定是否进行第二次拦截。
  与此同时,其它作战管理指挥控制中心可根据作战现状(不同导弹的消耗和损失、制导站火力通道占用情况和工作现状、指挥控制站工作能力和损失等情况)决定另一组目标拦截的组合形式。实际上,由于防空导弹体系内的结构形式可以任意组合,因此,体系内可以形成各种各样的体系结构来完成不同的作战任务。
  (4)体系作战的优点
  1)尽可能发挥导弹的潜力,扩大导弹防区
  由于远程防空导弹普遍采用大扫描范围相控阵雷达和导弹采用抛物弹道,导弹的飞行距离大幅度地增加,尤其对于高空飞行导弹更是如此,往往是雷达的探测距离限制了导弹作战能力的发挥。在此情况下,可以通过制导雷达的组网,充分发挥拦截导弹的最大拦截能力。以反战术弹道导弹为例,某型雷达三站组网作战(A、B、C站间距300千米,导弹发射车D与A同点,对散射面积1平方米的目标,假定雷达作用距离为600千米),导弹D在从属某雷达站时,受雷达探测距离及战术弹道导弹飞行速度很大的限制,导弹D的最大拦截距离为250千米(实际上,如果来袭的是远程战术弹道导弹,由于目标飞行速度更大,防空导弹的拦截距离将缩到更小),而在三站组网时,导弹 D的拦截距离可以扩大到400~500千米。
  由于我国周边战术弹道导弹的来袭方向大多是已知的,如果反导的拦截高度和射程可以确保在来袭导弹飞行弹道的最高点拦截目标,作为拦截方式之一,可以将反导系统部署在边境前沿拦截处于起飞上升段的战术弹道导弹,其保卫区就会远大于再入段防御所能保卫的区域,而是防御线之后较大的保卫区域。
  2)提高防空导弹体系反隐身目标的能力
  隐身目标的外形隐身主要是将入射的雷达波折射到别的方向,从而达到隐身的效果。因此,利用雷达站组网探测目标,隐身目标就如同不再是隐身目标一样。假定某型防空导弹的制导雷达单站探测0.02平方米隐身目标时的作用距离约为70千米,对于高速隐身目标,导弹D的最大拦截距离为 30~40千米;如三站组网,隐身目标可以在离A点250千米处被发现,导弹D可以在100~150千米远拦截目标。
  3)充分利用体系内资源提高火力密度
  由于导弹潜能的发挥在很多情况下受到雷达能力的限制,所以,体系运作可以通过充分利用体系内的在架导弹,使某方向拦截目标的可用导弹数量增加,即加大了某空域火力密度。
  4)组网联合作战形成全空域全方位多目标拦截能力
  由于雷达探测范围受到雷达电扫描的限制,在某个作战时刻,雷达只能探测一定方向上的目标,因此,雷达组网可以提高体系对付多方向和多目标的能力。,
  5)从体系上提高抗干扰和抗反辐射导弹(ARM)的能力
  由于干扰可以大幅度地降低雷达的探测距离(例如,有资料报道,在干扰条件下目标被发现的距离可以成量级减小),而组网探测可以使发射与接收在不同位置,从而提高探测能力并使防空导弹体系在干扰条件下的作战能力大幅度提高。反辐射导弹诱偏系统本身就是一个多站系统。它与探测雷达和指挥控制系统相配合可大幅度提高体系抗反辐射导弹的能力。
  6)实现结构重组,提高体系抗毁伤能力。
  由于体系内设备可以任意重组,因此,体系内任一设备毁伤后,可通过结构重组,恢复作战能力,从而提高体系整体抗毁伤能力。
  (5)体系作战引入的新问题
  1)分布式无节点网络结
  由于分布式无节点防空导弹体系结构隐含的网络中分布在空间各点的站点之间没有必然的隶属关系,这种体系结构的实现必然引出许多有待研究的新问题。
  2)绝对坐标系作战问题
  以往以火力单元为基础的体系一般采用相对坐标系,以消除系统误差,提高制导精度,但这种体制必须将导弹和目标同时置于同一部雷达的视线之内,因此在很大程度上限制了体系的作战应用。采用分布式无节点网络结构可以使体系作战免受这些限制,但体系必然采用绝对坐标系,实时准确地确定各参战设备的位置与方向,否则,将引入坐标转换误差,从而引起制导精度要求的提高。
  3)防空导弹体系各种设备组网连通问题
  分布式无节点网络体系结构中预警探测系统网、作战指挥控制中心网、制导雷达信息网、拦截兵器网和战区通信网的系统各自分立,自然会出现同类设备间和不同类设备间连通的问题。
  4)作战编成和部队编成不同的问题
  为了维护、训练方便,部队平时按同类设备编成;战时根据目标、防御区、防空设备性能等构成作战编成,以便于作战体系的形成和效能的提高,这必将影响到部队建制、条例等很多方面的改变。
  5)联合作战问题
  为实现体系内信息共享和充分利用战区信息资源,防空导弹体系内设备必须连通,并要便于与其它军兵种(如预警系统、空军防空)配合作战。
  6)作战理论和战略战术演变的问题
  武器装备技术的发展必然引起作战理论和战略战术的改变,新的作战理论和战略战术也将引起部队编成、作战条例等方面的改变。
  四、形成网络化防空导弹体系的关键技术
  以往防空导弹的发展基本上是以火力单元的研制为中心展开,很少涉及体系技术的发展,但要有效地构成防空导弹分布式无节点网络体系结构,除了注意防空导弹系统的研制之外,还必须解决相应的体系关键技术。
  1.网络化防空导弹体系理论研究
  当前,防空导弹体系仍在发展之中,体系理论和研究方法均不成熟。因而,必须深入地开展防空导弹体系理论的研究,紧紧围绕着防空导弹体系作战效能、效费比和生存能力,研究防御方和空袭方编成与分布、战术、环境条件、各设备技术参数对作战的影响并优化各影响参数。目前首先要解决的理论课题有防空导弹体系结构新概念、复杂防空导弹体系效能评估方法、来袭目标及体系发展与描述等。
  为了定量研究各种防空导弹体系结构的性能,必须突破体系建模校模、指控系统实物与人介入、分布交互仿真和知识与数据库积累等关键技术,建立和完善一个可满足防空导弹体系研究用的分布交互仿真系统环境或高级体系结构仿真环境,用于防空导弹体系理论研究、武器系统的顶层设计、各作战管理指挥控制作战软件的开发、修改和验证、作战训练和作战演习。
  为了验证仿真结果、考验体系关键技术和设备的协调性,还应开发防空导弹体系演示验证系统,探讨体系试验验证技术和开展体系试验验证研究。
  2.分布、开放体系结构关键技术
  1)精确的三维空间位置、方向及时间实时确定。即为了精确地确定防空导弹体系内各设备以及空中飞行的任一飞行体之间的几何和时间关系,必须建立数字化绝对坐标系(数字空间或数字地球)及高精度时间系统。
  2)体系结构研究与设计,包括指挥控制结构研究,以便于根据战场情况确定指挥层次与职责、优先级、控制功能划分与结构等。功能体系结构研究确定各层各分系统的功能和相互之间的关系;数据体系结构研究确定各个功能实体间的数据内容、数据结构、队列和时序等;通信体系结构研究确定规模、功能划分、信息流、拓扑结构、集成技术和各分界面协议与标准。
  3.探测器组网关键技术
  1)绝对坐标系体制下探测器站址分布的优化及快速高精度定位定向和时间同步技术,以便于统一、实时信息场的建立。
  2)雷达网络数学模型与性能分析,开展雷达网络应用计算机仿真,实现各种探测器的最佳利用和控制。
  3)雷达数据融合技术。即对多个探测器获取的目标数据进行汇总,并对目标数据进行融合处理,在此基础上进行目标分辨与识别。
  4.通信网络关键技术
  为了实现不间断的通信和保证网络上多设备实时地共享信息,通信网络首先需要更先进的高速、大容量通信和复制有关信息技术,因此,必须发展新型网络、通信设备与产品、网络协议、有关标准和数据的压缩及解压技术。其次,必须确保通信网络安全,这就需要发展保密通信、抗干扰和安全技术。除此之外,还需研究网络间的无缝隙连接与交换。 为了分析通信网络的性能,需建立通信网络的性能模型、结构模型和虚拟仿真环境。
  要研究复杂环境条件下通信网络的规划、应用管理与操作方法,确保通信网络的正常应用。
  5.作战管理指挥控制中心和拦截兵器网络化关键技术
  1)信息管理和分配技术,包括数学优化技术、多级多机种大规模动态面向对象数据库技术、多级保密分布式计算技术;自动化信息、电文、语音理解和高速存储及检索技术;多媒体、网络管理和控制、分布式库管理及保密软件;实时支援、分布式空战中心、多兵种指挥控制、多媒体数据库管理和多集群分布式计算环境演示试验技术。
  2)决策技术,包括不定情况下自动推理、自动仲裁、优化方法和多探测器数据汇集技术以及相应的软件、规范以及人机接口等。
  3)自动化控制技术,包括对雷达控制和拦截兵器的制导控制工作。这项技术涉及控制逻辑与流程设计、信息处理与接口、指挥控制框架模型软件、协同拦截作战、接力交班与接力拦截等技术。
  
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