程超　劉巖　李鴻飛　宋研　李霽川

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

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)以及在載人航天器物品管理中的應(yīng)用研究

程超1劉巖2李鴻飛1宋研1李霽川1

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

未來(lái)長(zhǎng)期載人航天器需要上行更多物品，加之空間運(yùn)輸系統(tǒng)的定期補(bǔ)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(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（FRl D）及其在物品跟蹤、定位方面的先進(jìn)性，提出無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)在載人航天器物品管理方向上的應(yīng)用設(shè)想。

1　引言

長(zhǎng)期載人航天器運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，具有自主補(bǔ)給物品、維修和設(shè)備更換的特點(diǎn)，航天器發(fā)射時(shí)攜帶大量的物品以保證航天員的生命安全和空間活動(dòng)的順利實(shí)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(dòng)時(shí)使用的足限位器）等，此外，空間運(yùn)輸系統(tǒng)也會(huì)定期補(bǔ)給，加之航天員的輪流換班，會(huì)造成航天器上物品管理的混亂。因此，需要采用一種自動(dòng)化物品管理技術(shù)和手段，將航天員從清點(diǎn)物品繁雜的工作中解救出來(lái)。

2　無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)工作原理及應(yīng)用

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體或商品的自動(dòng)識(shí)別。無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)同條形碼識(shí)別技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

1）識(shí)別精度高，可快速準(zhǔn)確地識(shí)別物體；

2）條形碼用于紙質(zhì)材質(zhì)，標(biāo)簽易碎且容易掉色，無(wú)線射頻識(shí)別采用無(wú)線電射頻，可工作于惡劣的環(huán)境中，而且不會(huì)被強(qiáng)磁場(chǎng)破環(huán)其信息；

3）無(wú)線射頻識(shí)別為非接觸式識(shí)別技術(shù)，識(shí)別距離遠(yuǎn)，并可繞開(kāi)障礙物，透過(guò)外部材料讀取數(shù)據(jù)；

4）一次可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)讀；

5）儲(chǔ)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(wú)線射頻識(shí)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(wú)線射頻識(shí)別可以重復(fù)利用，并且可對(duì)其所記載的內(nèi)容進(jìn)行修改。

無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，包括：閱讀器、電子標(biāo)簽和中央處理系統(tǒng)，其中，閱讀器、電子標(biāo)簽稱為硬件組件，中央處理系統(tǒng)稱為應(yīng)用系統(tǒng)。

1）無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器。無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器是讀取或擦寫(xiě)標(biāo)簽數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，主要是負(fù)責(zé)接收來(lái)自中央處理系統(tǒng)的控制命令，同時(shí)與電子標(biāo)簽進(jìn)行雙向通信，是無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)的信息處理中心，其結(jié)構(gòu)一般包括3個(gè)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(wú)源標(biāo)簽提供能量，對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽。邏輯控制單元的功能包括：控制與標(biāo)簽的通信過(guò)程；與應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的指令；信號(hào)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(hào)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(hào)，并進(jìn)行發(fā)射。

2）電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽又被稱為射頻標(biāo)簽，是一種由無(wú)線通信天線和IC芯片組成的超微型標(biāo)簽，其內(nèi)部裝有可與閱讀器進(jìn)行通信的射頻天線。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作的時(shí)候，從閱讀器發(fā)出查詢信號(hào)，電子標(biāo)簽接受信號(hào)以后把其中一部分能量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，提供給電子標(biāo)簽內(nèi)部的電路工作，而另一部分則被電子標(biāo)簽里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制后，發(fā)射回閱讀器。電子標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽通過(guò)電池進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃?。無(wú)源標(biāo)簽?zāi)芰坑砷喿x器產(chǎn)生的電磁波提供。

3）中央處理系統(tǒng)（含數(shù)據(jù)庫(kù)）。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(kù)等，用以對(duì)讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽信息和數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)管理以及對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)控制。

4）無(wú)線射頻識(shí)別基本工作原理。無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器對(duì)它所在的范圍持續(xù)發(fā)送特定頻率的信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到了該范圍后，閱讀器就可以感應(yīng)到該電子標(biāo)簽并向閱讀器發(fā)送出標(biāo)簽信息，當(dāng)無(wú)線射頻識(shí)別電子標(biāo)簽把標(biāo)簽信息發(fā)送給無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器后，無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器把所接受到的信息通過(guò)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解碼，然后發(fā)送給無(wú)線射頻識(shí)別邏輯控制單元來(lái)判斷無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽的信息，根據(jù)不同的判斷結(jié)果來(lái)做出不同反應(yīng)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(shì)

早期載人航天器運(yùn)行時(shí)間短，發(fā)射時(shí)攜帶了足夠滿足航天員在軌活動(dòng)的日常物品，無(wú)需空間補(bǔ)給；在軌期間，航天員收集廢棄物并放置在固定存儲(chǔ)箱中，飛行任務(wù)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(hào)任務(wù)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(jī)首次嘗試了以航天員訪問(wèn)固定小型電腦數(shù)據(jù)庫(kù)的形式查詢機(jī)上物品；“自由號(hào)”空間站驗(yàn)證了用計(jì)算機(jī)軟件提供給航天員出艙活動(dòng)的電子式物品清單，清單內(nèi)容詳細(xì)、全面，主要包括：更換設(shè)備的名稱及安裝位置、存儲(chǔ)的備份設(shè)備及安裝位置、出艙活動(dòng)工具、工具的具體存放地點(diǎn)等，航天員可按照這份清單在最短時(shí)間內(nèi)一次性備齊所有出艙物品，節(jié)約時(shí)間和精力。

國(guó)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(jì)算機(jī)組成。

條形碼閱讀器通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)，在空間站便攜式計(jì)算機(jī)中的信息管理系統(tǒng)（IMS）數(shù)據(jù)庫(kù)中得到物品信息，實(shí)現(xiàn)航天員對(duì)物品信息快速更新定位；便攜式計(jì)算機(jī)安裝信息管理系統(tǒng)軟件，和地面飛行控制組通過(guò)上行和下行“Delta files”文件進(jìn)行同步更新校準(zhǔn)。

條形碼技術(shù)較之以往的紙質(zhì)清單，能將物品自動(dòng)錄入便攜式計(jì)算機(jī)，節(jié)省記錄時(shí)間，但條形碼識(shí)別距離短，需要走到物品附近，手工逐個(gè)掃描。為實(shí)現(xiàn)更高效率的物品管理手段，國(guó)外進(jìn)行了“超寬帶無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)”（UW B-RFID System）在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，包括覆蓋面積、準(zhǔn)確性、操作簡(jiǎn)易程度、健壯性，演示、評(píng)估了該系統(tǒng)在物品管理跟蹤操作環(huán)境下的評(píng)估情況，也提出了“超寬帶無(wú)線射頻識(shí)別”技術(shù)在跟蹤航天員和空間探索上的想法。

4　無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用設(shè)想

系統(tǒng)組成

在長(zhǎng)期載人航天器上建立無(wú)線射頻識(shí)別管理系統(tǒng)，是以便攜式計(jì)算機(jī)為硬件支持平臺(tái)，在便攜式計(jì)算機(jī)中安裝物品管理應(yīng)用軟件，無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽提供物品信息，手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器讀寫(xiě)物品信息。

在長(zhǎng)期載人航天器的每個(gè)艙體設(shè)置一級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽（稱為艙節(jié)點(diǎn)），在機(jī)柜、貨架處設(shè)置二級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽（機(jī)柜節(jié)點(diǎn)），一、二級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽包含物資和結(jié)構(gòu)信息，設(shè)為有源電子標(biāo)簽，以保證讀寫(xiě)的距離遠(yuǎn)，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(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽（子節(jié)點(diǎn)），三級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽中記錄著貨物的詳細(xì)信息，包括物品功能、存放位置、維修要求等信息，以便為開(kāi)展空間試驗(yàn)或設(shè)備維修提供信息支持。三級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽為無(wú)源電子標(biāo)簽，通過(guò)微波信號(hào)工作，壽命長(zhǎng)，外形輕巧易于安裝；手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器具備顯示功能，航天員可以通過(guò)手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器直接讀取無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽信息，無(wú)需查詢便攜式計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

無(wú)線射頻識(shí)別物品管理系統(tǒng)組成示意圖

信息傳遞

當(dāng)空間運(yùn)輸系統(tǒng)向航天器補(bǔ)給時(shí)，由于補(bǔ)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(bǔ)給物品清單統(tǒng)一直接拷貝到便攜式計(jì)算機(jī)上，由便攜式計(jì)算機(jī)將更新的物品信息傳遞到手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器，再由手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器對(duì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽進(jìn)行寫(xiě)入更新。同時(shí)，便攜式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件記錄、保存拷入的物品信息，供航天員查詢時(shí)使用。

當(dāng)航天器有物品出庫(kù)（航天員消耗）或進(jìn)行轉(zhuǎn)移（如進(jìn)行設(shè)備更換）活動(dòng)時(shí)，由手持無(wú)線射頻識(shí)別閱讀器直接改寫(xiě)三級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)三級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽信息狀態(tài)更新，同時(shí)同步更新一級(jí)、二級(jí)無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽信息，并更新便攜式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)信息。便攜式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件記錄、保存出庫(kù)或轉(zhuǎn)移的物品信息，供航天員查詢使用。

無(wú)線射頻識(shí)別物品管理系統(tǒng)信息流圖

功能模塊

長(zhǎng)期載人航天器無(wú)線射頻識(shí)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?；顒?dòng)需求的消耗用品的管理，二是對(duì)有效載荷以及進(jìn)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(dòng)（如在軌維修）配置的專用工具管理。

無(wú)線射頻識(shí)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(chǔ)位置定位。物品定位細(xì)化到設(shè)備功能、維修要求、具體放置地點(diǎn)等細(xì)節(jié)；存儲(chǔ)位置定位為每進(jìn)行一次空間活動(dòng)而導(dǎo)致設(shè)備位置變化，或同一個(gè)位置上存放了不同的設(shè)備。存儲(chǔ)位置的信息，為下一次空間運(yùn)輸系統(tǒng)制定補(bǔ)給計(jì)劃提供信息參考。

3）查詢統(tǒng)計(jì)管理。長(zhǎng)期載人航天器結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，存儲(chǔ)條目眾多，系統(tǒng)應(yīng)能夠按照物品的類型、代號(hào)、名稱、維修要求等條件實(shí)現(xiàn)查詢功能，它是該系統(tǒng)最重要的功能，具體要實(shí)現(xiàn)：①查詢上行補(bǔ)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(chǔ)量清單；④查詢?cè)O(shè)備的維修、更換記錄；⑤查詢某一固定時(shí)間內(nèi)某特定物品的補(bǔ)給、消耗、借用、歸還明細(xì)；⑥根據(jù)設(shè)備代號(hào)、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(hù)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(zhǎng)期載人航天器物品管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)航天器上整個(gè)存儲(chǔ)物品的跟蹤、定位和管理，為航天器補(bǔ)給和航天員活動(dòng)提供重要保障，因而，利用越來(lái)越先進(jìn)的物品跟蹤、識(shí)別技術(shù)，研究與開(kāi)發(fā)高效的物品管理系統(tǒng)會(huì)確實(shí)提高未來(lái)長(zhǎng)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