機載RFID電子標簽適航要求分析

趙長嘯 邢培培 張帆 閻芳

摘要：射頻識別技術的無可視需求、動態(tài)讀寫能力及在苛刻環(huán)境下同時讀入多個標簽識別的能力使其越來越多地應用于機載設備和零部件管理。總結了RFID在民機上應用的領域和應用方式；分析了機載RFID設備的適航要求并給出了針對性的符合性方法，有助于RFID設備在我國民機產品上的應用及獲得適航批準。

關鍵詞：適航；RFID；機載設備；安全性

0 引言

無線射頻識別（Radio FrequencyIdentification Devlces，RFID）技術又稱電子標簽，其利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別的目的[l]。在航空領域中，RFID技術主要應用于航空部件識別、跟蹤和運輸等領域[2-3]，對于民航飛機，任何裝機的機載設備都需獲得適航許可，以保證飛機的安全性[4]。

由于RFID設備涉及硬件及機載軟件，且其有可能被安裝在發(fā)動機、飛控計算機等設備以實現對部件設備的追蹤，因此必須對其安全性進行評估?；裟犴f爾公司[5]分析了RFID信號對著陸系統的影響，表明在328.6～335.4MHz頻段，RFID對與儀表著陸系統的下滑坡度功能相關的信號有較強影響；NASA的蘭利實驗室研究發(fā)現RFID存在可能干擾飛機通信導航信號的潛在風險[6]。為解決機載RFID設備的適航符合性方法問題，美國聯邦航空局（FAA）于2008年9月22日頒布咨詢通告AC 20-162“無線射頻識別系統適航批準及運行許可”[7]，并于2016年4月6日進行了版本更新，發(fā)布了AC 20-162A“無源超高頻（UHF）無線射頻識別（RFID）標簽的適航安裝批準”[8]，將機載RFID設備限定為無源RFID。

本文針對RFID設備的適航要求開展研究，給出符合性方法，為RFID技術在我國國產飛機部件中的應用和獲得適航批準提供技術支持。

1 RFID在航空領域的應用過程

由于RFID技術無任何可視需求，具有動態(tài)讀/寫能力，可在苛刻環(huán)境下同時讀人多個標簽并進行識別，因此逐漸替代條碼技術，20世紀90年代各航空公司和機載設備制造商開始啟動對機載RFID設備的試驗和研究，波音公司、空客公司聯合其他航空公司開展了各種針對RFID的應用和試驗研究，見表l。

2005年，波音和聯邦快遞公司獲得了FAA對在飛行器上使用無源RFID標簽的許可。波音公司后續(xù)在FedEx MD-80飛機上對無源RFID標簽進行了測試，最終證明這種標簽不會干擾飛機上的任何系統。目前波音公司已在包括波音787在內的多個型號中使用了無源RFID技術。在有源RFID技術方面，2006年上半年，波音公司聯合FedEx在FedEx MD-10貨機上對有源RFID標簽進行了在役評估。被測源標簽通過電池提供能量，含有一塊工作頻段為915MHz的微型芯片和發(fā)射器，有源標簽具有300英尺范圍內的讀取能力。在測試過程中，有源標簽被安裝在飛機的所有區(qū)段，包括駕駛艙、電子設備艙、貨艙及輪艙，測試還對潛在的電磁干擾和有害環(huán)境影響進行了鑒定。機載有源RFID設備可主動發(fā)射無線信號，涉及的安全性風險因素遠多于無源RFID設備，目前有源RFID設備還未在民用飛機機載設備領域取得應用。

2 機載RFID的適航要求

機載設備對電磁兼容及安全性要求較高，目前在航空電子設備或飛行器通信設備領域應用的主要是無源RFID超高頻標簽。FAA在RFID設備的適航指導性文件FAA AC 20-162中給出了目前可應用于機載設備的幾種RFID設備。

1）無源RFID裝置。無源RFID裝置中沒有集成電源，在詢問時通過“反向散射”能量提供信息。無源RFID裝置通常由集成電路（包含信息）和集成天線組成，尺寸由多個因素決定，包括期望的能量發(fā)送距離等。無源RFID天線反射的能量與閱讀器或詢問器的人射功率成正比，對使用范圍造成影響。

2）低功耗有源RFID裝置。有源RFID裝置依賴于自備電源。有源RFID裝置比無源RFID裝置擁有更大的使用范圍，通常能夠提供更多信息。有源RFID裝置由低功耗無線射頻發(fā)射器、集成電路控制器、存儲器、天線和電源組成。有源RFID裝置以一種或多種模式運行，按詢問器應答的時間和周期來區(qū)分。

3）電池輔助無源（BAP）RFID裝置。BAP RFID或半無源裝置與有源裝置類似，有自備電源，但電池僅向微芯片供電，裝置只在被詢問時發(fā)射信息。

對裝在航空器上的RFID設備，應關注如下適航問題：

·RFID裝置的安全性相關數據和識別數據的完好性、準確性和真實性；

·火電安全、適墜性以及環(huán)境影響；

·由RFID裝置產生、并會對飛機電子電氣系統和部件造成干擾的預期射頻發(fā)射或雜散發(fā)射；

.RFID裝置和閱讀器所需的維護。

針對以上適航關注點，分析其對應的適航規(guī)章及適航指導性文件要求，如表2所示。

3 機載RFlD設備符合性方法

2016年4月6日FAA針對無源RFID設備頒布了咨詢通告AC 20-162A，對與機載RFID設備相關的10個方面給出了適航符合性方法。表3給出了各符合性方法在AC中的對應章節(jié)。

3.1 安全性評估

1）依據CCAR23、25、27或29.1309對已安裝的RFID系統進行評估。確定RFID系統安裝與使用的危害類別，確定機載系統的最大可接受失效概率，表明系統符合安全性目標。對RFID系統/裝置的設計和安裝安全性分析應當證明：在正常工作、失效或異常情況下，都不會產生比“輕微影響”（依據AC 23.1309-1“23部飛機中設備、系統及安裝”，AC25.1309-1“系統設計和分析”，AC 27-1“正常類旋翼機的審定”，AC 29.2“運輸類旋翼機審定”）更嚴重的危害類別。

2）局方依據AC 25.1309-1確定AC中所定義無源RFID裝置在正常運行、失效、異常情況下，不會產生比“輕微影響”更嚴重的危害類別。

3.2 重大改裝

1）如果RFID的安裝對航空器的重量、平衡、結構強度、性能、飛行特性或其他影響適航性的品質造成明顯的影響，則視為重大改裝。

2）在已批準的產品和器材上安裝無源RFID裝置，包括設備、部件和零件、客艙設施（包括廚房/服務車、ULD等貨艙設施），視為小改。

需注意的是，執(zhí)行小改不會廢止對產品和器材的已有批準。局方不要求對零件號進行重新設置。

3.3 構型控制

為確保各部件RFID裝置和系統之間的互通性和兼容性，可能有必要在產品或設備的ICA文件或局方認可文件中加入RFID裝置的組成、模型、零件號和序列號（如適用）等內容。另外，如果構型控制中對裝置安裝、位置、方向和使用提出相關內容和要求，則應確保在ICA或局方認可的文件中加入這些內容。

3.4 RFID裝置的EMC要求

1）包含電子電路的無源RFID裝置僅在閱讀器詢問時運行。因此，不需要對它們進行RTCA/D0-160“機載設備環(huán)境條件和測試程序”中的實驗室射頻發(fā)射試驗。對于安裝在航空器、航空器發(fā)動機或螺旋槳上的RFID裝置及設備、部件、零件，或長期安裝在廚房服務車上的無源RFID裝置均不需要進行航空器EMC試驗。

2）包含電池供電電子電路的有源RFID裝置即使不發(fā)射時也在工作運行。因此，使用實驗室射頻發(fā)射試驗和航空器EMC試驗來證明有源RFID裝置的運行不會對其他航空器電子、電氣和無線電系統產生危害影響。

3）使用RTCA/D0-160第21節(jié)的程序進行實驗室射頻發(fā)射試驗。根據21節(jié)對M、H或P類進行試驗并確定射頻發(fā)射限制。RFID裝置發(fā)射和不發(fā)射時均要測量射頻的發(fā)射功率。有源RFID裝置在發(fā)射詢問應答時，要注意確保射頻詢問信號不會干擾射頻發(fā)射的測量。為防止測量誤差，需采用射頻陷波濾波器在射頻發(fā)射測量儀器輸入端來調諧射頻詢問信號。

4）對于安裝在航空器、航空器發(fā)動機、螺旋槳或其上的設備、部件或零件，以及長期安裝在廚房服務車上的有源RFID裝置，都需要進行航空器EMC地面測試。在RFID裝置發(fā)射和不發(fā)射階段，都需要進行航空器EMC地面測試。在地面測試過程中，可使用實驗室射頻發(fā)射試驗結果來選擇被監(jiān)控的系統或頻率。航空器EMS地面測試以影響分析矩陣為基礎，并評估潛在航空器受影響系統的功能性能。

3.5 軟件和復雜電子硬件

按照RTCA/D0-178C“機載系統和設備審定中軟件考慮”，為使用軟件的RFID裝置確定適當的軟件級別。如果使用復雜電子硬件，則要根據AC20-152“RTCA/D0-254，機載電子硬件設計保證指南”確定適當的硬件級別。RFID系統的軟件和硬件鑒定要求由系統失效狀態(tài)類別決定。

3.6 環(huán)境鑒定（不包括EMC）

根據SAE AS5678第5.3.6節(jié)執(zhí)行有源RFID裝置的其他環(huán)境鑒定。

3.7 電池安全性

對有源RFID裝置中電池安全性的考慮包括因鋰或鎳氫電池失效引起爆炸的可能性。必須防止電池在失效時爆炸，并且要符合RTCA/D0-160第9節(jié)的防爆要求。如果使用鋰電池，要符合CTSO-C142a“不可充電的鋰電池”和CTSO-C179“可充電的鋰電池”要求并獲取批準。如果使用更大的鋰電池，需要滿足RTCA/D0-311“可充電鋰電池系統最低運行性能標準”的要求。

3.8 易燃性和防火安全

有源RFID裝置使用的電池和RFID裝置本身必須滿足CCAR 25.853條款和附錄F第1部分的可燃性要求。

3.9 安裝和連接的完好性

RFID的安裝必須是永久的。RFID裝置的安裝人應該通過設計數據審查、分析和/或測試來滿足CCAR23、25、27、29部的301、303、305、307、471、561、601、609條款和23、25部333條款之要求。在提交符合性審查請求之前，記錄使用的方法和局方認可的方法（CCAR 25.789條款和23、25、27、29部787條款）可以通過審查分析設計數據來驗證要求的符合性。

3.10 持續(xù)適航文件（Instructions forContinued Airworthiness，ICA）

如果RFID裝置有使用壽命限制，需要在ICA中聲明。聲明內容為是否需要且何時需要對RFID裝置中的電池進行更換、充電或其他周期性維護；聲明如果RFID裝置出現異常，是否必須從航空器上拆除并更換一個相同型號和構型的RFID裝置。

4 結論

本文分析了RFID在民用飛機上的應用，梳理了RFID應用與民用機載設備的文件體系和適航要求，給出了滿足這些要求的符合性方法。

參考文獻

[1] Juels A.RFID security and privacy：a research survey[J]. IEEE Journal onSelected Areas in Communications， 2006，24（2）：3 81-394.

[2] Cerino A， Walsh W P.Researchand application of radio frequencyidentification （RFID） technology to enhanceaviation security[C]// National Aerospaceand Electronics Conference， 2000. Naecon2000. Proceedings of the IEEE. IEEE，2000：127-135.

[3]鮑勃·特里比爾科克.RFID技術在航空業(yè)的應用現狀[J].航空維修與工程，2008（5）：20-22.

[4]中國民用航空總局航空器適航司.中國民用航空器適航管理[M].中國民航出版社，北京，1994.

[5] Laberge E F C，Zeng D. Ananalysis of the effects of RFID tags onnarrowband instrument landing systems[C]//DigitaIAvionics Systems Conference， 2007.Dasc '07. Ieee/aiaa. IEEE Xplore， 2007：2.D.5-1-2.D.5-9.

[6] Nguyen T X， Ely J J，Koppen SV： et al.RFID transponders' RF emissionsin aircraft commumcation and navigationradio bands[C]// International Symposiumon Electromagnetic Compatibility - EmcEurope.IEEE Xplore， 2008：1-6.

[7]FAA AC20-162， AirworthinessApproval and Operational Allowance ofRFID Systems[Z]， 2008.9.22

[8]FAA AC20-162A， AirworthinessApproval oflnstalled Passive Ultra HighFrequency （UHF） Radio FrequencyIdentification （RFID） Tags[Z]， 2016.4.6

[9]李元忠，林睿南，朱宏，等.短程通信和射頻識別技術的應用[J].電訊技術，2016， 56（8）：944-948.