無線射頻識別技術(shù)以及在載人航天器物品管理中的應用研究

程超　劉巖　李鴻飛　宋研　李霽川

（1 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，2 中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠）

無線射頻識別技術(shù)以及在載人航天器物品管理中的應用研究

程超1劉巖2李鴻飛1宋研1李霽川1

（1 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，2 中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠）

未來長期載人航天器需要上行更多物品，加之空間運輸系統(tǒng)的定期補給和航天員的輪流值守，易造成航天器上物品管理的混亂。本文從載人航天器物品管理現(xiàn)狀出發(fā)，調(diào)研無線射頻識別技術(shù)（FRl D）及其在物品跟蹤、定位方面的先進性，提出無線射頻識別系統(tǒng)在載人航天器物品管理方向上的應用設(shè)想。

1　引言

長期載人航天器運行時間長，具有自主補給物品、維修和設(shè)備更換的特點，航天器發(fā)射時攜帶大量的物品以保證航天員的生命安全和空間活動的順利實施，物品包括耗材（如食物、藥品等）、設(shè)備（如儀表等）、維修工具（如出艙活動時使用的足限位器）等，此外，空間運輸系統(tǒng)也會定期補給，加之航天員的輪流換班，會造成航天器上物品管理的混亂。因此，需要采用一種自動化物品管理技術(shù)和手段，將航天員從清點物品繁雜的工作中解救出來。

2　無線射頻識別技術(shù)工作原理及應用

無線射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實現(xiàn)對物體或商品的自動識別。無線射頻識別技術(shù)同條形碼識別技術(shù)相比，具有以下特點：

1）識別精度高，可快速準確地識別物體；

2）條形碼用于紙質(zhì)材質(zhì)，標簽易碎且容易掉色，無線射頻識別采用無線電射頻，可工作于惡劣的環(huán)境中，而且不會被強磁場破環(huán)其信息；

3）無線射頻識別為非接觸式識別技術(shù)，識別距離遠，并可繞開障礙物，透過外部材料讀取數(shù)據(jù)；

4）一次可以同時對多個物體進行識讀；

5）儲存的信息量大且信息可加密保存，是一般條形碼存貯信息量的幾十倍，甚至上百倍；

無線射頻識別系統(tǒng)組成及原理圖

6）條形碼大多可以使用一次，且不能修改；無線射頻識別可以重復利用，并且可對其所記載的內(nèi)容進行修改。

無線射頻識別系統(tǒng)由3個部分組成，包括：閱讀器、電子標簽和中央處理系統(tǒng)，其中，閱讀器、電子標簽稱為硬件組件，中央處理系統(tǒng)稱為應用系統(tǒng)。

1）無線射頻識別閱讀器。無線射頻識別閱讀器是讀取或擦寫標簽數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，主要是負責接收來自中央處理系統(tǒng)的控制命令，同時與電子標簽進行雙向通信，是無線射頻識別系統(tǒng)的信息處理中心，其結(jié)構(gòu)一般包括3個部分：射頻接口、邏輯控制單元和天線。射頻接口的功能包括：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，為無源標簽提供能量，對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標簽。邏輯控制單元的功能包括：控制與標簽的通信過程；與應用軟件進行通信，并執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的指令；信號的編碼與解碼和加密與解密。天線是一種轉(zhuǎn)換器，將傳輸線上傳播的電流信號轉(zhuǎn)換成電磁波，或者將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換成電流信號，并進行發(fā)射。

2）電子標簽。電子標簽又被稱為射頻標簽，是一種由無線通信天線和IC芯片組成的超微型標簽，其內(nèi)部裝有可與閱讀器進行通信的射頻天線。當系統(tǒng)進行工作的時候，從閱讀器發(fā)出查詢信號，電子標簽接受信號以后把其中一部分能量信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，提供給電子標簽內(nèi)部的電路工作，而另一部分則被電子標簽里存儲的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制后，發(fā)射回閱讀器。電子標簽分為有源標簽和無源標簽，有源標簽通過電池進行供電，實現(xiàn)信號遠距離傳輸?shù)目煽啃浴o源標簽能量由閱讀器產(chǎn)生的電磁波提供。

3）中央處理系統(tǒng)（含數(shù)據(jù)庫）。中央處理系統(tǒng)包括了中間件、信息處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等，用以對讀寫器讀取標簽信息和數(shù)據(jù)進行采集和處理。信息處理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲管理以及對標簽進行讀寫控制。

4）無線射頻識別基本工作原理。無線射頻識別閱讀器對它所在的范圍持續(xù)發(fā)送特定頻率的信號，當電子標簽進入到了該范圍后，閱讀器就可以感應到該電子標簽并向閱讀器發(fā)送出標簽信息，當無線射頻識別電子標簽把標簽信息發(fā)送給無線射頻識別閱讀器后，無線射頻識別閱讀器把所接受到的信息通過調(diào)制解調(diào)器進行解碼，然后發(fā)送給無線射頻識別邏輯控制單元來判斷無線射頻識別標簽的信息，根據(jù)不同的判斷結(jié)果來做出不同反應處理。

3　載人航天領(lǐng)域物品管理現(xiàn)狀、不足以及發(fā)展趨勢

早期載人航天器運行時間短，發(fā)射時攜帶了足夠滿足航天員在軌活動的日常物品，無需空間補給；在軌期間，航天員收集廢棄物并放置在固定存儲箱中，飛行任務結(jié)束后隨返回艙一起回收到地面。

空間站物品管理組成圖

“阿波羅”號任務期間，是用紙質(zhì)圖表的形式向航天員提供物品貨物清單；航天飛機首次嘗試了以航天員訪問固定小型電腦數(shù)據(jù)庫的形式查詢機上物品；“自由號”空間站驗證了用計算機軟件提供給航天員出艙活動的電子式物品清單，清單內(nèi)容詳細、全面，主要包括：更換設(shè)備的名稱及安裝位置、存儲的備份設(shè)備及安裝位置、出艙活動工具、工具的具體存放地點等，航天員可按照這份清單在最短時間內(nèi)一次性備齊所有出艙物品，節(jié)約時間和精力。

國際空間站物品管理使用了條形碼技術(shù)，由條形碼、條碼閱讀器、物品管理計算機組成。

條形碼閱讀器通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)，在空間站便攜式計算機中的信息管理系統(tǒng)（IMS）數(shù)據(jù)庫中得到物品信息，實現(xiàn)航天員對物品信息快速更新定位；便攜式計算機安裝信息管理系統(tǒng)軟件，和地面飛行控制組通過上行和下行“Delta files”文件進行同步更新校準。

條形碼技術(shù)較之以往的紙質(zhì)清單，能將物品自動錄入便攜式計算機，節(jié)省記錄時間，但條形碼識別距離短，需要走到物品附近，手工逐個掃描。為實現(xiàn)更高效率的物品管理手段，國外進行了“超寬帶無線射頻識別系統(tǒng)”（UW B-RFID System）在實驗室測試，包括覆蓋面積、準確性、操作簡易程度、健壯性，演示、評估了該系統(tǒng)在物品管理跟蹤操作環(huán)境下的評估情況，也提出了“超寬帶無線射頻識別”技術(shù)在跟蹤航天員和空間探索上的想法。

4　無線射頻識別技術(shù)的應用設(shè)想

系統(tǒng)組成

在長期載人航天器上建立無線射頻識別管理系統(tǒng)，是以便攜式計算機為硬件支持平臺，在便攜式計算機中安裝物品管理應用軟件，無線射頻識別標簽提供物品信息，手持無線射頻識別閱讀器讀寫物品信息。

在長期載人航天器的每個艙體設(shè)置一級無線射頻識別標簽（稱為艙節(jié)點），在機柜、貨架處設(shè)置二級無線射頻識別標簽（機柜節(jié)點），一、二級無線射頻識別標簽包含物資和結(jié)構(gòu)信息，設(shè)為有源電子標簽，以保證讀寫的距離遠，讀取數(shù)據(jù)速度快；在貨物及設(shè)備的包裝中設(shè)置三級無線射頻識別標簽（子節(jié)點），三級無線射頻識別標簽中記錄著貨物的詳細信息，包括物品功能、存放位置、維修要求等信息，以便為開展空間試驗或設(shè)備維修提供信息支持。三級無線射頻識別標簽為無源電子標簽，通過微波信號工作，壽命長，外形輕巧易于安裝；手持無線射頻識別閱讀器具備顯示功能，航天員可以通過手持無線射頻識別閱讀器直接讀取無線射頻識別標簽信息，無需查詢便攜式計算機中數(shù)據(jù)庫軟件。

無線射頻識別物品管理系統(tǒng)組成示意圖

信息傳遞

當空間運輸系統(tǒng)向航天器補給時，由于補給物品數(shù)量龐大，不采用將物品信息一一錄入的方式，而是將補給物品清單統(tǒng)一直接拷貝到便攜式計算機上，由便攜式計算機將更新的物品信息傳遞到手持無線射頻識別閱讀器，再由手持無線射頻識別閱讀器對一級、二級、三級無線射頻識別標簽進行寫入更新。同時，便攜式計算機數(shù)據(jù)庫軟件記錄、保存拷入的物品信息，供航天員查詢時使用。

當航天器有物品出庫（航天員消耗）或進行轉(zhuǎn)移（如進行設(shè)備更換）活動時，由手持無線射頻識別閱讀器直接改寫三級無線射頻識別標簽信息，實現(xiàn)三級無線射頻識別標簽信息狀態(tài)更新，同時同步更新一級、二級無線射頻識別標簽信息，并更新便攜式計算機數(shù)據(jù)庫信息。便攜式計算機數(shù)據(jù)庫軟件記錄、保存出庫或轉(zhuǎn)移的物品信息，供航天員查詢使用。

無線射頻識別物品管理系統(tǒng)信息流圖

功能模塊

長期載人航天器無線射頻識別管理系統(tǒng)功能模塊如下圖所示。

1）物品管理。航天器上物品的管理按照物品類型可分為3類：一是滿足航天員日常活動需求的消耗用品的管理，二是對有效載荷以及進行故障設(shè)備維修攜帶的備份和輔助設(shè)備的管理；三是支持航天員在軌活動（如在軌維修）配置的專用工具管理。

無線射頻識別物品管理系統(tǒng)功能模塊圖

2）定位管理。定位管理包括物品定位和存儲位置定位。物品定位細化到設(shè)備功能、維修要求、具體放置地點等細節(jié)；存儲位置定位為每進行一次空間活動而導致設(shè)備位置變化，或同一個位置上存放了不同的設(shè)備。存儲位置的信息，為下一次空間運輸系統(tǒng)制定補給計劃提供信息參考。

3）查詢統(tǒng)計管理。長期載人航天器結(jié)構(gòu)布局復雜，存儲條目眾多，系統(tǒng)應能夠按照物品的類型、代號、名稱、維修要求等條件實現(xiàn)查詢功能，它是該系統(tǒng)最重要的功能，具體要實現(xiàn)：①查詢上行補給物品清單；②查詢物品消耗量清單；③查詢所有物品的存儲量清單；④查詢設(shè)備的維修、更換記錄；⑤查詢某一固定時間內(nèi)某特定物品的補給、消耗、借用、歸還明細；⑥根據(jù)設(shè)備代號、名稱查詢維修該設(shè)備所需的專用維修工具，以及根據(jù)專用維修工具查詢可維護設(shè)備的基本信息；⑦根據(jù)位置定位信息查詢物品信息及根據(jù)物品信息查詢存放位置。

5　結(jié)論

長期載人航天器物品管理系統(tǒng)負責航天器上整個存儲物品的跟蹤、定位和管理，為航天器補給和航天員活動提供重要保障，因而，利用越來越先進的物品跟蹤、識別技術(shù)，研究與開發(fā)高效的物品管理系統(tǒng)會確實提高未來長期載人航天器上物品的管理質(zhì)量和效率。

FRID and its Application in Goods Management of Human Spacecraft