空间物资管理系统无线射频识别技术

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1引言

“国际空间站”（ISS）是迄今为止规模最大、技术最复杂、寿命最长的载人空间飞行器。ISS运输和管理的物资超过50万件，约有3％的空间站物资失踪或损坏，如在2006年3月23日用于净化航天服二氧化碳的4个罐在空间站失踪。ISS采用基于条码的物资信息查询系统对物资进行管理。条码阅读器逐一扫描货包上的条码标签获得货物的信息，通过无线或有线的方式更新物资信息管理数据库，实现空间站在轨物资信息识别。物资信息管理数据库存放于空间站的笔记本电脑和地面电脑上，通过上传和下传的delta文件进行同步更新，条码阅读器的缺点有：人工操作，清点货包内物品时须要移动货包和物品，将条码移到条码阅读器能扫描的位置，逐一扫描，完成清点后再将所有的物品重新装包；无法实现准确位置定位；条码信息无法修改；易损坏，耐久性差，寿命短。因此，站上使用的物资信息查询系统操作工作量大。在零重力环境下，每人每天平均花费20min时间用于清点在轨存货。在ISS生活过的航天员提出应采用先进的物资信息管理系统，以便航天员在长期航天飞行任务中能以简易、方便和快捷的操作了解站上存有哪些物品，这些物品存放在什么地方，按计划在什么时候使用。当前，我国载人空间站工程正处于工程研制阶段，有必要对站上的物资管理提前进行研究和系统顶层设计。基于此，本文吸取ISS物资管理效率低的教训，提出一种应用无线射频识别（RadioFre－quencyIdentification，RFID）技术的空间物资管理系统，可实现对站上物资高效、简易、方便和快捷操作的目标。

2空间物资管理任务需求

2．1空间物流系统

空间物流系统是指全生命周期任务内空间物资的需求规划、研制、运输和信息管理等要素集成。载人航天工程须依赖空间物流系统实现地面对空间站物资的后勤服务。这些服务包括：补给空间站舱内空气和发动机推进剂，运送空间站的维修更换设备；运输航天员生活、工作用品和出舱活动消耗品；运送空间科学实验设备和实验样品；对空间站在轨产生的废弃物和垃圾进行存放跟踪管理。空间物流系统由支持空间站运作的物资规划、物资管理、空间物资、运输载体组成。物资管理是其中的一个重要组成部分，它由地面物资管理和在轨存货使用管理两部分组成，可实现天地同步管理，支持地面人员和在轨航天员掌握和控制地面上行物资的运输、空间站在轨存放的各类备用物资、废弃物全生命周期的信息流和物资供应链。

2．2地面物资管理

地面物资管理的任务是跟踪和记录空间物资供应中上行物资的地面交付、装载信息，为空间站在轨存货使用管理提供信息。典型的地面物资管理过程，以上行物资配套及运输要求为起点，以运输飞行器待命发射为终点。地面物资管理的主要工作包括：

（1）根据发射任务物资规划，将上行货物和需通过运输飞行器下行废弃物的要求信息录入物资管理计算机中；

（2）根据任务要求，运输飞行器系统完成物资运输方案后，将物资的装载布局初步信息录入物资管理计算机中（后面实施过程进行确认、修订）；

（3）定制物资装载设备的同时，将用于管理物资装载和位置信息的装载设备信息录入物资管理计算机中；

（4）在物资地面交付、验收过程中，将空间物资详细接口、性能等信息录入物资管理计算机中并确认；

（5）在地面总装和测试期间，记录、跟踪空间物资在运输飞行器上的位置信息、产品状态信息，并录入物资管理计算机中；

（6）发射前，将地面最终状态的物资信息上行注入空间站。

2．3在轨存货使用管理

在轨存货使用管理由航天员对在轨存货管理和地面对在轨存货管理两部分组成，航天员对在轨存货管理中包含废弃物的存放跟踪管理。航天员对在轨存货管理的任务包括：定期查询货物的存放位置、货舱的装货状态；对货物取用、转移、存放及废弃物存放进行信息管理操作；识别和跟踪货物供应中在轨存放、使用和废弃物管理等信息。航天员通过在轨存货管理可为地面制定订货、存货及规划货物补给提供依据。地面对在轨存货管理的任务包括：地面人员跟踪和掌握在轨存货、使用状态，制定订货、存货及规划货物补给。目前，ISS上这部分工作由专门的物流中心负责。

3物资管理系统方案

3．1系统组成

物资管理系统的任务是实现对上行物资和下行废弃物的全生命周期管理，包括地面物资管理和在轨存货使用管理两项任务。该管理系统由物资信息识别和物资信息管理两部分组成（见图6）。硬件设备包括RFID标签、RFID读写器和管理计算机，软件包括存储于管理计算机中的物资信息数据库和管理软件系统。其核心技术为RFID技术。

3．2RFID技术

RFID采用无线电技术，利用射频信号通过空间耦合（电感或电磁耦合）实现无接触的信息传输，并通过传输的信息识别物体。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便；识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID系统一般由一个读写器、若干标签以及天线组成。RFID读写器通过天线在一定范围内发出特定频段的射频信号，此射频信号被无源RFID标签接收，RFID标签就从接收信号发送存储于其上的信息，实现RFID标签与RFID读写器之间的数据传输；也可由有源RFID标签主动向RFID读写器发送存储于其上的信息，实现RFID标签与RFID读写器之间的数据传输。RFID读写器接收到RFID标签的信息并解码后，将该信息送至管理计算机进行数据信息处理，最后应用系统得到所需要的信息，从而实现识别的目的。与ISS目前使用的条码识别技术相比，RFID技术具有如下优点：非接触、自动化；读写迅速，且可同时读写；数据可修改，标签可重复使用；技术成熟，可靠性高；物理耐用性好；数据存储量大；寿命长。

3．3物资信息识别

作为物资管理系统的识别和采集终端，RFID标签和RFID读写器完成物资信息识别的功能。RFID标签主要由超薄微型芯片和嵌压在塑料片、纤维纸等材料中的天线组成。它有两种类型：普通材质物资使用普通RFID标签，金属材质物资和液体物资使用抗金属标签。RFID读写器由掌上数字终端（PDA）模块和RFID识读模块构成。PDA模块由处理器系统、有线通信接口、无线通信接口、人机交互、数据存储和电源管理6个基本功能单元组成。RFID识读模块通过发射调制了标签操作指令的射频信号和接收RFID标签返射的无线信号实现RFID标签的读、写等ISO18000－6C协议［12］约定的操作。与ISS的条码系统不同，RFID读写器可同时识别多个物资的电子标签信息，实现批量、快速和准确的自动识别，操作快捷方便。RFID读写器与物资电子标签之间的有效作用距离可达数米，航天员不必接触物资本体就可以获取物资信息，能大幅度减少清理物资的工作量。

3．4物资信息管理

物资信息管理的实现以数传网络作为信息传输手段，以物资信息数据库为物资信息存储单元，以物资信息管理计算机为信息查询终端。它包括地面物资信息管理和在轨存货信息管理。

（1）地面物资信息管理：在物资交付、验收期间，将上行物资信息录入运输飞行器的物资管理计算机；物资总装测试期间，用RFID采集和跟踪上行物资信息，并将这些信息传递到运输飞行器的物资管理计算机；发射前，将运输飞行器物资管理计算机的物资信息上行注入空间站，同时传递给地面数据中心。

（2）在轨存货信息管理：用RFID采集和跟踪空间站（包括运输飞行器）的物流信息，将这些信息成批传送到空间站数据中心；废弃物处理、装载完成后，将废弃物信息录入到空间站数据中心；存货信息和废弃物信息定期由空间站数据中心向地面数据中心发送。

4工程应用情况

目前，ISS上仍然使用条码技术对空间物资进行管理，我国载人空间站工程中的运输飞行器系统在地面工程研制阶段已首次实施了RFID空间物资管理方法，并具体运用了RFID技术对地面空间物资信息进行管理。首先，将空间物资管理方法应用在地面管理软件系统中，保证地面全部物资在交付验收、总装和测试等研制过程中的准确定位，无一丢失或误标。其次，RFID读写器可同时识别多个物资的标签信息，实现了多个物资信息成批、快速和准确的自动识别，操作快捷方便。最后，RFID读写器与物资标签之间的有效作用距离为数米，可满足使用要求，地面操作人员不接触货物本体就能获取物资信息，可大幅度减少清理物资的工作量。总之，运用空间物资管理方法和RFID技术，很好地完成了运输飞行器的地面物资管理，实现了对地面物资高效、简易、方便和快捷操作的目标。

5结束语

空间物资管理是我国载人航天的新需求，本文提出的应用RFID技术的空间物资管理系统，可提高空间物资管理的效率，为载人空间站工程的顺利实施和运营业务提供技术支持。随着天地一体化的空间物资管理水平的发展，后续应进一步研究RFID技术的抗干扰能力和可靠性，使空间物资管理系统更好地应用于载人空间站工程。

作者：李志辉 方方 陈粤海 单位：中国空间技术研究院载人航天总体部 四川航天技术研究院