基于RFID航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺的研究

趙文穎，盧尚明，岳 建，祝玉東，王 偉

(中國人民解放軍63778部隊，黑龍江 佳木斯154002)

0 引言

RFID技術(shù)是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ氖蠹夹g(shù)之一[1]，涵蓋了無線通信技術(shù)、天線技術(shù)、信息安全技術(shù)和標準體系等[2]，具有很大的市場價值。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在圖書管理[3]、車輛管理[4]、庫存管理[5]和食品安全管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]，并逐漸被應(yīng)用于航空領(lǐng)域，但在航天領(lǐng)域還有很大的開發(fā)空間。航天測控系統(tǒng)裝備管理目前主要針對備品備件進行管理，且多采用條形碼方式，導(dǎo)致在管理過程中對裝備歷史使用情況信息缺少管理手段，對目標距離、讀取數(shù)量及環(huán)境適應(yīng)性等存在限制。基于上述考慮，本文提出了將RFID技術(shù)應(yīng)用于航天測控裝備管理，既實現(xiàn)了RFID技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，又在裝備管理過程中增加器件歷史使用情況管理，對航天測控系統(tǒng)裝備管理具有重要意義。

1 RFID技術(shù)原理

1.1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)主要通過無線電信號實現(xiàn)對目標的非接觸式識別[7]，主要由電子標簽、讀寫器及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。電子標簽貼于被識別物體上，存有信息數(shù)據(jù)，每個標簽都有唯一的識別碼便于目標的識別[8]；讀寫器主要包括射頻模塊、控制模塊以及天線等，利用無線技術(shù)實現(xiàn)對標簽信息的讀取和寫入[9]；計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)進行交換和管理。RFID根據(jù)頻段可分為低頻(125～134 kHz)、高頻(13.56 MHz)和超高頻(860～960 MHz)，不同頻率下讀寫距離不同，其中超高頻段讀寫距離較遠，傳輸數(shù)據(jù)量較大[10]。

1.2 RFID技術(shù)特點

RFID技術(shù)與傳統(tǒng)的IC 卡、條形碼等技術(shù)相比，具有以下特點：① 非接觸識別，采用RFID技術(shù)可以實現(xiàn)目標的非接觸式識別，讀寫器無需與標簽接觸就可對信息進行讀取與寫入；② 安全性高，每個電子標簽都有唯一的ID號，可通過ID號加密等方式確保標簽信息的安全性；③ 適應(yīng)性強，傳統(tǒng)的條形碼多為紙質(zhì)，易受環(huán)境影響，RFID標簽通過芯片進行信息存儲，擁有良好的防磨損、防腐蝕、防水及防磁等特點；④ 作用距離遠，可實現(xiàn)對幾十米外電子標簽的信息讀寫，能滿足不同領(lǐng)域?qū)ψx寫距離的要求；⑤ 讀寫效率高，與傳統(tǒng)條形碼每次只能對一個目標信息進行采集相比，可同時對作用范圍內(nèi)的多個電子標簽進行快速讀取識別；⑥ 存儲容量大，與傳統(tǒng)條形碼存儲容量僅數(shù)kByte相比，RFID電子標簽采用芯片進行信息存儲，存儲容量可達數(shù)MByte[11-12]。

2 航天測控系統(tǒng)裝備管理現(xiàn)狀

航天測控系統(tǒng)在裝備管理方面采用傳統(tǒng)方式，耗費人力、時間，且信息不全面，造成裝備使用、維護無據(jù)可依，使用壽命及年限無處可查等問題。目前航天裝備管理現(xiàn)狀具體如下：

① 現(xiàn)階段主要采用人工登記或條形碼技術(shù)實現(xiàn)備件管理。采用人工登記的方式耗費人力、時間，且管理過程中會出現(xiàn)過程管控不嚴格的問題；采用條形碼技術(shù)雖然能夠通過識別條形碼將備件使用情況、數(shù)量、存放位置進行統(tǒng)一登記與管理，但是條形碼掃描對距離、接觸方式要求受限、掃描儀位置固定，對于標校塔等遠距離設(shè)備無法實現(xiàn)裝備信息的讀取；利用條形碼技術(shù)每次只能對一個目標的信息進行采集，耗時、費力、效率較低。② 航天測控系統(tǒng)裝備管理多數(shù)停留在備品備件的管理，而測控裝備因環(huán)境、壽命等原因，裝備問題的發(fā)生有時是有規(guī)律可循的，但是只對備品備件實施管理未能很好地對裝備運行周期、故障器件故障率等問題進行記錄，在出現(xiàn)裝備問題時不能很好地利用以往經(jīng)驗快速排查解決。因此，在對裝備進行管理時，不僅對備品備件情況進行管理，也要對裝備自進站安裝使用情況進行全過程管理，用于裝備狀態(tài)性能評估等。③ 測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部裝備、器件種類繁多，在裝備管理時通常只對常用、易損的裝備器件進行管理，缺乏裝備管理的全面性，且裝備管理過程中缺少系統(tǒng)的分類，不利于裝備的快速查詢[13-14]。

3 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺

基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺通過RFID技術(shù)采集裝備的使用信息、備品備件信息，并利用RFID技術(shù)對信息進行統(tǒng)一采集、集中管理、實時更新，系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過RFID讀寫器讀取裝備對應(yīng)標簽，獲取關(guān)于該裝備的各類信息，同時可以利用RFID讀寫器實現(xiàn)后臺信息的寫入[15]。

圖1 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理系統(tǒng)框圖

3.1 基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺的研究

測控系統(tǒng)通常由發(fā)射分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)等組成[16]，每個分系統(tǒng)由各自的插箱、工控機等設(shè)備構(gòu)成，如發(fā)射分系統(tǒng)包含上變頻器等，監(jiān)控分系統(tǒng)包含服務(wù)器、客戶端等；插箱內(nèi)包含相應(yīng)的模塊、板卡等。航天測控系統(tǒng)裝備組成如圖2所示。航天測控裝備管理主要針對各分系統(tǒng)各器件進行裝備使用情況管理及備品備件管理。

圖2 航天測控系統(tǒng)裝備組成

3.1.1 測控裝備使用情況管理

主要對每個分系統(tǒng)在用具體插箱的相應(yīng)器件進行管理，層次結(jié)構(gòu)依據(jù)航天測控系統(tǒng)裝備組成將器件進行單元劃分，明確器件所屬插箱及分系統(tǒng)，便于查詢和管理。在管理過程中對其日常工作及使用情況進行集中管理，通常各器件裝備使用情況的信息可分為裝備編號(便于集中管理)、使用時間(何時安裝使用)、使用壽命(可工作年限)、故障次數(shù)(自使用起出現(xiàn)幾次故障)、故障時間(每次故障發(fā)生及恢復(fù)時間)、故障現(xiàn)象(出現(xiàn)故障簡單現(xiàn)象描述)、故障處理方式(維修還是更換器件)及現(xiàn)有備件數(shù)量(是否有備件及備件個數(shù))等，實現(xiàn)對裝備器件全流程管理，同時在需要了解裝備信息時能夠快速、全面地進行查詢。裝備工作情況信息如圖3所示。

通過在用裝備使用情況記錄信息可以對同類別裝備器件進行隱患分析，當發(fā)現(xiàn)相應(yīng)器件出現(xiàn)故障隱患較高或到達使用周期時，可提前對器件進行維護或更換，降低隱患風險。

圖3 裝備工作情況信息

3.1.2 備品備件管理

需要做到精細、精確、全面，對于備件數(shù)量、存放位置、使用情況、研制廠家、生產(chǎn)時間及是否停產(chǎn)等信息進行詳細登記，便于備件快速查找、更換。當備件不充足時，根據(jù)相關(guān)信息聯(lián)系廠家進行生產(chǎn)或維修，保證裝備在需要時能夠立即提供。因設(shè)備涉及的元器件種類多、型號復(fù)雜、數(shù)量不一，要保障所有器件與實際相符，避免因過量備件造成經(jīng)濟的浪費，因此需根據(jù)裝備工作的現(xiàn)實情況，進行分類儲備，例如對于易出現(xiàn)故障的器件要多進行儲備，對于到達使用周期的器件要提前對其備份情況進行梳理及補充，對于相對穩(wěn)定的器件在儲備數(shù)量上可以適當控制。備品備件信息如圖4所示。

圖4 備品備件信息

3.2 基于RFID裝備信息讀寫實現(xiàn)

利用RFID進行信息采集、管理的過程中，從讀寫速度、距離和標簽運行方式(有源、無源)等方面分析，提出采用超高頻作為RFID工作頻段，具有讀寫速度快、距離遠、支持多種運行方式的優(yōu)點。ISO/IEC 18000-6標準主要用于超高頻段，規(guī)定了讀寫器、電子標簽的命令機制、物理接口等。本文將采用基于ISO 18000-6C標準的超高頻RFID讀寫器對電子標簽進行信息讀取與寫入，前向鏈路通信采用脈沖寬度(PIE)編碼和雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)調(diào)制，反向鏈路通信采用雙相間隔碼(FM0)編碼、反向散射調(diào)制，為防止信號傳輸過程中發(fā)生畸變采用循環(huán)冗余(CRC)校驗進行判斷和糾錯。當有多個標簽同時在讀寫器作用范圍時，為防止多標簽間發(fā)生碰撞可采用時分多路法(TDMA)進行讀寫器與標簽的通信。

基于RFID裝備信息讀取與寫入實現(xiàn)流程如圖5所示。讀寫器通過自身天線向周圍發(fā)送連續(xù)波，當含有裝備信息的電子標簽處于其作用范圍內(nèi)時，標簽通過耦合獲取能量被激活(否則處于休眠狀態(tài))，處于就緒狀態(tài)；讀寫器通過防碰撞方法選中目標裝備對應(yīng)的電子標簽；讀寫器將讀取、寫入等命令通過編碼調(diào)制后由天線發(fā)送出去；電子標簽響應(yīng)應(yīng)答后執(zhí)行相應(yīng)操作，并將信息按處理后返給讀寫器，最終送往計算機網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)處理。至此，可實現(xiàn)讀寫器對裝備工作、備件管理情況等信息的查詢與修改。

效能分析：本平臺采用基于ISO 18000-6C標準工作在915 MHz的RFID讀寫器，電子標簽為工作在860～960 MHz的無源電子標簽，可同時對不少于10個的電子標簽進行讀取，且在1.5 m內(nèi)反復(fù)讀取100次，成功率為100%。將該類型RFID讀寫器、電子標簽用于航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺中，能夠?qū)崿F(xiàn)裝備信息的管理。

圖5 RFID裝備信息讀取與寫入流程

4 結(jié)束語

針對航天測控系統(tǒng)裝備管理進行研究，提出了基于RFID技術(shù)的裝備管理平臺，闡述了在裝備管理過程中對哪些關(guān)鍵信息進行管理，便于后續(xù)為狀態(tài)研判、故障分析等提供保障。采用RFID技術(shù)在測控系統(tǒng)裝備管理中可以實現(xiàn)作用距離內(nèi)同時對多個裝備器件信息的識別，通過手持讀寫器可對標校塔、天線等其他部位的裝備器件進行管理，并且能夠?qū)崟r查詢、讀取、寫入裝備信息，電子標簽信息存儲量大、安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強、使用壽命長。采用基于RFID的航天測控系統(tǒng)裝備管理平臺，對測控裝備全流程管理有重要作用。