无线射频识别技术以及在载人航天器物品管理中的应用研究

2016-10-21程超刘岩李鸿飞宋研李霁川

国际太空 2016年9期

关键词：电子标签阅读器航天器

程超　刘岩　李鸿飞　宋研　李霁川

（1 中国空间技术研究院载人航天总体部，2 中国空间技术研究院北京卫星制造厂）

无线射频识别技术以及在载人航天器物品管理中的应用研究

程超1刘岩2李鸿飞1宋研1李霁川1

（1 中国空间技术研究院载人航天总体部，2 中国空间技术研究院北京卫星制造厂）

未来长期载人航天器需要上行更多物品，加之空间运输系统的定期补给和航天员的轮流值守，易造成航天器上物品管理的混乱。本文从载人航天器物品管理现状出发，调研无线射频识别技术（FRl D）及其在物品跟踪、定位方面的先进性，提出无线射频识别系统在载人航天器物品管理方向上的应用设想。

1　引言

长期载人航天器运行时间长，具有自主补给物品、维修和设备更换的特点，航天器发射时携带大量的物品以保证航天员的生命安全和空间活动的顺利实施，物品包括耗材（如食物、药品等）、设备（如仪表等）、维修工具（如出舱活动时使用的足限位器）等，此外，空间运输系统也会定期补给，加之航天员的轮流换班，会造成航天器上物品管理的混乱。因此，需要采用一种自动化物品管理技术和手段，将航天员从清点物品繁杂的工作中解救出来。

2　无线射频识别技术工作原理及应用

无线射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号或空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。无线射频识别技术同条形码识别技术相比，具有以下特点：

1）识别精度高，可快速准确地识别物体；

2）条形码用于纸质材质，标签易碎且容易掉色，无线射频识别采用无线电射频，可工作于恶劣的环境中，而且不会被强磁场破环其信息；

3）无线射频识别为非接触式识别技术，识别距离远，并可绕开障碍物，透过外部材料读取数据；

4）一次可以同时对多个物体进行识读；

5）储存的信息量大且信息可加密保存，是一般条形码存贮信息量的几十倍，甚至上百倍；

无线射频识别系统组成及原理图

6）条形码大多可以使用一次，且不能修改；无线射频识别可以重复利用，并且可对其所记载的内容进行修改。

无线射频识别系统由3个部分组成，包括：阅读器、电子标签和中央处理系统，其中，阅读器、电子标签称为硬件组件，中央处理系统称为应用系统。

1）无线射频识别阅读器。无线射频识别阅读器是读取或擦写标签数据和信息的设备，主要是负责接收来自中央处理系统的控制命令，同时与电子标签进行双向通信，是无线射频识别系统的信息处理中心，其结构一般包括3个部分：射频接口、逻辑控制单元和天线。射频接口的功能包括：产生高频的发射功率，为无源标签提供能量，对发射信号进行调制，用于将数据传送给标签。逻辑控制单元的功能包括：控制与标签的通信过程；与应用软件进行通信，并执行应用系统软件发来的指令；信号的编码与解码和加密与解密。天线是一种转换器，将传输线上传播的电流信号转换成电磁波，或者将接收到的电磁波转换成电流信号，并进行发射。

2）电子标签。电子标签又被称为射频标签，是一种由无线通信天线和IC芯片组成的超微型标签，其内部装有可与阅读器进行通信的射频天线。当系统进行工作的时候，从阅读器发出查询信号，电子标签接受信号以后把其中一部分能量信号转变为直流电源，提供给电子标签内部的电路工作，而另一部分则被电子标签里存储的数据信息进行调制后，发射回阅读器。电子标签分为有源标签和无源标签，有源标签通过电池进行供电，实现信号远距离传输的可靠性。无源标签能量由阅读器产生的电磁波提供。

3）中央处理系统（含数据库）。中央处理系统包括了中间件、信息处理系统和数据库等，用以对读写器读取标签信息和数据进行采集和处理。信息处理系统主要完成数据信息的存储管理以及对标签进行读写控制。

4）无线射频识别基本工作原理。无线射频识别阅读器对它所在的范围持续发送特定频率的信号，当电子标签进入到了该范围后，阅读器就可以感应到该电子标签并向阅读器发送出标签信息，当无线射频识别电子标签把标签信息发送给无线射频识别阅读器后，无线射频识别阅读器把所接受到的信息通过调制解调器进行解码，然后发送给无线射频识别逻辑控制单元来判断无线射频识别标签的信息，根据不同的判断结果来做出不同反应处理。

3　载人航天领域物品管理现状、不足以及发展趋势

早期载人航天器运行时间短，发射时携带了足够满足航天员在轨活动的日常物品，无需空间补给；在轨期间，航天员收集废弃物并放置在固定存储箱中，飞行任务结束后随返回舱一起回收到地面。

空间站物品管理组成图

“阿波罗”号任务期间，是用纸质图表的形式向航天员提供物品货物清单；航天飞机首次尝试了以航天员访问固定小型电脑数据库的形式查询机上物品；“自由号”空间站验证了用计算机软件提供给航天员出舱活动的电子式物品清单，清单内容详细、全面，主要包括：更换设备的名称及安装位置、存储的备份设备及安装位置、出舱活动工具、工具的具体存放地点等，航天员可按照这份清单在最短时间内一次性备齐所有出舱物品，节约时间和精力。

国际空间站物品管理使用了条形码技术，由条形码、条码阅读器、物品管理计算机组成。

条形码阅读器通过无线方式发送数据，在空间站便携式计算机中的信息管理系统（IMS）数据库中得到物品信息，实现航天员对物品信息快速更新定位；便携式计算机安装信息管理系统软件，和地面飞行控制组通过上行和下行“Delta files”文件进行同步更新校准。

条形码技术较之以往的纸质清单，能将物品自动录入便携式计算机，节省记录时间，但条形码识别距离短，需要走到物品附近，手工逐个扫描。为实现更高效率的物品管理手段，国外进行了“超宽带无线射频识别系统”（UW B-RFID System）在实验室测试，包括覆盖面积、准确性、操作简易程度、健壮性，演示、评估了该系统在物品管理跟踪操作环境下的评估情况，也提出了“超宽带无线射频识别”技术在跟踪航天员和空间探索上的想法。

4　无线射频识别技术的应用设想

系统组成

在长期载人航天器上建立无线射频识别管理系统，是以便携式计算机为硬件支持平台，在便携式计算机中安装物品管理应用软件，无线射频识别标签提供物品信息，手持无线射频识别阅读器读写物品信息。

在长期载人航天器的每个舱体设置一级无线射频识别标签（称为舱节点），在机柜、货架处设置二级无线射频识别标签（机柜节点），一、二级无线射频识别标签包含物资和结构信息，设为有源电子标签，以保证读写的距离远，读取数据速度快；在货物及设备的包装中设置三级无线射频识别标签（子节点），三级无线射频识别标签中记录着货物的详细信息，包括物品功能、存放位置、维修要求等信息，以便为开展空间试验或设备维修提供信息支持。三级无线射频识别标签为无源电子标签，通过微波信号工作，寿命长，外形轻巧易于安装；手持无线射频识别阅读器具备显示功能，航天员可以通过手持无线射频识别阅读器直接读取无线射频识别标签信息，无需查询便携式计算机中数据库软件。

无线射频识别物品管理系统组成示意图

信息传递

当空间运输系统向航天器补给时，由于补给物品数量庞大，不采用将物品信息一一录入的方式，而是将补给物品清单统一直接拷贝到便携式计算机上，由便携式计算机将更新的物品信息传递到手持无线射频识别阅读器，再由手持无线射频识别阅读器对一级、二级、三级无线射频识别标签进行写入更新。同时，便携式计算机数据库软件记录、保存拷入的物品信息，供航天员查询时使用。

当航天器有物品出库（航天员消耗）或进行转移（如进行设备更换）活动时，由手持无线射频识别阅读器直接改写三级无线射频识别标签信息，实现三级无线射频识别标签信息状态更新，同时同步更新一级、二级无线射频识别标签信息，并更新便携式计算机数据库信息。便携式计算机数据库软件记录、保存出库或转移的物品信息，供航天员查询使用。

无线射频识别物品管理系统信息流图

功能模块

长期载人航天器无线射频识别管理系统功能模块如下图所示。

1）物品管理。航天器上物品的管理按照物品类型可分为3类：一是满足航天员日常活动需求的消耗用品的管理，二是对有效载荷以及进行故障设备维修携带的备份和辅助设备的管理；三是支持航天员在轨活动（如在轨维修）配置的专用工具管理。

无线射频识别物品管理系统功能模块图

2）定位管理。定位管理包括物品定位和存储位置定位。物品定位细化到设备功能、维修要求、具体放置地点等细节；存储位置定位为每进行一次空间活动而导致设备位置变化，或同一个位置上存放了不同的设备。存储位置的信息，为下一次空间运输系统制定补给计划提供信息参考。

3）查询统计管理。长期载人航天器结构布局复杂，存储条目众多，系统应能够按照物品的类型、代号、名称、维修要求等条件实现查询功能，它是该系统最重要的功能，具体要实现：①查询上行补给物品清单；②查询物品消耗量清单；③查询所有物品的存储量清单；④查询设备的维修、更换记录；⑤查询某一固定时间内某特定物品的补给、消耗、借用、归还明细；⑥根据设备代号、名称查询维修该设备所需的专用维修工具，以及根据专用维修工具查询可维护设备的基本信息；⑦根据位置定位信息查询物品信息及根据物品信息查询存放位置。