趙長嘯 邢培培 張帆 閻芳

摘要：射頻識(shí)別技術(shù)的無可視需求、動(dòng)態(tài)讀寫能力及在苛刻環(huán)境下同時(shí)讀入多個(gè)標(biāo)簽識(shí)別的能力使其越來越多地應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備和零部件管理?？偨Y(jié)了RFID在民機(jī)上應(yīng)用的領(lǐng)域和應(yīng)用方式；分析了機(jī)載RFID設(shè)備的適航要求并給出了針對(duì)性的符合性方法，有助于RFID設(shè)備在我國民機(jī)產(chǎn)品上的應(yīng)用及獲得適航批準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：適航；RFID；機(jī)載設(shè)備；安全性

0 引言

無線射頻識(shí)別（Radio FrequencyIdentification Devlces，RFID）技術(shù)又稱電子標(biāo)簽，其利用射頻信號(hào)通過空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別的目的[l]。在航空領(lǐng)域中，RFID技術(shù)主要應(yīng)用于航空部件識(shí)別、跟蹤和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[2-3]，對(duì)于民航飛機(jī)，任何裝機(jī)的機(jī)載設(shè)備都需獲得適航許可，以保證飛機(jī)的安全性[4]。

由于RFID設(shè)備涉及硬件及機(jī)載軟件，且其有可能被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對(duì)部件設(shè)備的追蹤，因此必須對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)估?；裟犴f爾公司[5]分析了RFID信號(hào)對(duì)著陸系統(tǒng)的影響，表明在328.6～335.4MHz頻段，RFID對(duì)與儀表著陸系統(tǒng)的下滑坡度功能相關(guān)的信號(hào)有較強(qiáng)影響；NASA的蘭利實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)RFID存在可能干擾飛機(jī)通信導(dǎo)航信號(hào)的潛在風(fēng)險(xiǎn)[6]。為解決機(jī)載RFID設(shè)備的適航符合性方法問題，美國聯(lián)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(shí)別系統(tǒng)適航批準(zhǔn)及運(yùn)行許可”[7]，并于2016年4月6日進(jìn)行了版本更新，發(fā)布了AC 20-162A“無源超高頻（UHF）無線射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽的適航安裝批準(zhǔn)”[8]，將機(jī)載RFID設(shè)備限定為無源RFID。

本文針對(duì)RFID設(shè)備的適航要求開展研究，給出符合性方法，為RFID技術(shù)在我國國產(chǎn)飛機(jī)部件中的應(yīng)用和獲得適航批準(zhǔn)提供技術(shù)支持。

1 RFID在航空領(lǐng)域的應(yīng)用過程

由于RFID技術(shù)無任何可視需求，具有動(dòng)態(tài)讀/寫能力，可在苛刻環(huán)境下同時(shí)讀人多個(gè)標(biāo)簽并進(jìn)行識(shí)別，因此逐漸替代條碼技術(shù)，20世紀(jì)90年代各航空公司和機(jī)載設(shè)備制造商開始啟動(dòng)對(duì)機(jī)載RFID設(shè)備的試驗(yàn)和研究，波音公司、空客公司聯(lián)合其他航空公司開展了各種針對(duì)RFID的應(yīng)用和試驗(yàn)研究，見表l。

2005年，波音和聯(lián)邦快遞公司獲得了FAA對(duì)在飛行器上使用無源RFID標(biāo)簽的許可。波音公司后續(xù)在FedEx MD-80飛機(jī)上對(duì)無源RFID標(biāo)簽進(jìn)行了測(cè)試，最終證明這種標(biāo)簽不會(huì)干擾飛機(jī)上的任何系統(tǒng)。目前波音公司已在包括波音787在內(nèi)的多個(gè)型號(hào)中使用了無源RFID技術(shù)。在有源RFID技術(shù)方面，2006年上半年，波音公司聯(lián)合FedEx在FedEx MD-10貨機(jī)上對(duì)有源RFID標(biāo)簽進(jìn)行了在役評(píng)估。被測(cè)源標(biāo)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(biāo)簽具有300英尺范圍內(nèi)的讀取能力。在測(cè)試過程中，有源標(biāo)簽被安裝在飛機(jī)的所有區(qū)段，包括駕駛艙、電子設(shè)備艙、貨艙及輪艙，測(cè)試還對(duì)潛在的電磁干擾和有害環(huán)境影響進(jìn)行了鑒定。機(jī)載有源RFID設(shè)備可主動(dòng)發(fā)射無線信號(hào)，涉及的安全性風(fēng)險(xiǎn)因素遠(yuǎn)多于無源RFID設(shè)備，目前有源RFID設(shè)備還未在民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備領(lǐng)域取得應(yīng)用。

2 機(jī)載RFID的適航要求

機(jī)載設(shè)備對(duì)電磁兼容及安全性要求較高，目前在航空電子設(shè)備或飛行器通信設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用的主要是無源RFID超高頻標(biāo)簽。FAA在RFID設(shè)備的適航指導(dǎo)性文件FAA AC 20-162中給出了目前可應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備的幾種RFID設(shè)備。

1）無源RFID裝置。無源RFID裝置中沒有集成電源，在詢問時(shí)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(gè)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(duì)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(chǔ)器、天線和電源組成。有源RFID裝置以一種或多種模式運(yùn)行，按詢問器應(yīng)答的時(shí)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(shí)發(fā)射信息。

對(duì)裝在航空器上的RFID設(shè)備，應(yīng)關(guān)注如下適航問題：

·RFID裝置的安全性相關(guān)數(shù)據(jù)和識(shí)別數(shù)據(jù)的完好性、準(zhǔn)確性和真實(shí)性；

·火電安全、適墜性以及環(huán)境影響；

·由RFID裝置產(chǎn)生、并會(huì)對(duì)飛機(jī)電子電氣系統(tǒng)和部件造成干擾的預(yù)期射頻發(fā)射或雜散發(fā)射；

.RFID裝置和閱讀器所需的維護(hù)。

針對(duì)以上適航關(guān)注點(diǎn)，分析其對(duì)應(yīng)的適航規(guī)章及適航指導(dǎo)性文件要求，如表2所示。

3 機(jī)載RFlD設(shè)備符合性方法

2016年4月6日FAA針對(duì)無源RFID設(shè)備頒布了咨詢通告AC 20-162A，對(duì)與機(jī)載RFID設(shè)備相關(guān)的10個(gè)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(duì)應(yīng)章節(jié)。

3.1 安全性評(píng)估

1）依據(jù)CCAR23、25、27或29.1309對(duì)已安裝的RFID系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。確定RFID系統(tǒng)安裝與使用的危害類別，確定機(jī)載系統(tǒng)的最大可接受失效概率，表明系統(tǒng)符合安全性目標(biāo)。對(duì)RFID系統(tǒng)/裝置的設(shè)計(jì)和安裝安全性分析應(yīng)當(dāng)證明：在正常工作、失效或異常情況下，都不會(huì)產(chǎn)生比“輕微影響”（依據(jù)AC 23.1309-1“23部飛機(jī)中設(shè)備、系統(tǒng)及安裝”，AC25.1309-1“系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析”，AC 27-1“正常類旋翼機(jī)的審定”，AC 29.2“運(yùn)輸類旋翼機(jī)審定”）更嚴(yán)重的危害類別。

2）局方依據(jù)AC 25.1309-1確定AC中所定義無源RFID裝置在正常運(yùn)行、失效、異常情況下，不會(huì)產(chǎn)生比“輕微影響”更嚴(yán)重的危害類別。

3.2 重大改裝

1）如果RFID的安裝對(duì)航空器的重量、平衡、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、性能、飛行特性或其他影響適航性的品質(zhì)造成明顯的影響，則視為重大改裝。

2）在已批準(zhǔn)的產(chǎn)品和器材上安裝無源RFID裝置，包括設(shè)備、部件和零件、客艙設(shè)施（包括廚房/服務(wù)車、ULD等貨艙設(shè)施），視為小改。

需注意的是，執(zhí)行小改不會(huì)廢止對(duì)產(chǎn)品和器材的已有批準(zhǔn)。局方不要求對(duì)零件號(hào)進(jìn)行重新設(shè)置。

3.3 構(gòu)型控制

為確保各部件RFID裝置和系統(tǒng)之間的互通性和兼容性，可能有必要在產(chǎn)品或設(shè)備的ICA文件或局方認(rèn)可文件中加入RFID裝置的組成、模型、零件號(hào)和序列號(hào)（如適用）等內(nèi)容。另外，如果構(gòu)型控制中對(duì)裝置安裝、位置、方向和使用提出相關(guān)內(nèi)容和要求，則應(yīng)確保在ICA或局方認(rèn)可的文件中加入這些內(nèi)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(shí)運(yùn)行。因此，不需要對(duì)它們進(jìn)行RTCA/D0-160“機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和測(cè)試程序”中的實(shí)驗(yàn)室射頻發(fā)射試驗(yàn)。對(duì)于安裝在航空器、航空器發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋槳上的RFID裝置及設(shè)備、部件、零件，或長期安裝在廚房服務(wù)車上的無源RFID裝置均不需要進(jìn)行航空器EMC試驗(yàn)。

2）包含電池供電電子電路的有源RFID裝置即使不發(fā)射時(shí)也在工作運(yùn)行。因此，使用實(shí)驗(yàn)室射頻發(fā)射試驗(yàn)和航空器EMC試驗(yàn)來證明有源RFID裝置的運(yùn)行不會(huì)對(duì)其他航空器電子、電氣和無線電系統(tǒng)產(chǎn)生危害影響。

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

4）對(duì)于安裝在航空器、航空器發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳或其上的設(shè)備、部件或零件，以及長期安裝在廚房服務(wù)車上的有源RFID裝置，都需要進(jìn)行航空器EMC地面測(cè)試。在RFID裝置發(fā)射和不發(fā)射階段，都需要進(jìn)行航空器EMC地面測(cè)試。在地面測(cè)試過程中，可使用實(shí)驗(yàn)室射頻發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果來選擇被監(jiān)控的系統(tǒng)或頻率。航空器EMS地面測(cè)試以影響分析矩陣為基礎(chǔ)，并評(píng)估潛在航空器受影響系統(tǒng)的功能性能。

3.5 軟件和復(fù)雜電子硬件

按照RTCA/D0-178C“機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備審定中軟件考慮”，為使用軟件的RFID裝置確定適當(dāng)?shù)能浖?jí)別。如果使用復(fù)雜電子硬件，則要根據(jù)AC20-152“RTCA/D0-254，機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)保證指南”確定適當(dāng)?shù)挠布?jí)別。RFID系統(tǒng)的軟件和硬件鑒定要求由系統(tǒng)失效狀態(tài)類別決定。

3.6 環(huán)境鑒定（不包括EMC）

根據(jù)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(duì)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(shí)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(zhǔn)。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(tǒng)最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)”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(yīng)該通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)審查、分析和/或測(cè)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(qǐng)求之前，記錄使用的方法和局方認(rèn)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來驗(yàn)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(nèi)容為是否需要且何時(shí)需要對(duì)RFID裝置中的電池進(jìn)行更換、充電或其他周期性維護(hù)；聲明如果RFID裝置出現(xiàn)異常，是否必須從航空器上拆除并更換一個(gè)相同型號(hào)和構(gòu)型的RFID裝置。

4 結(jié)論

本文分析了RFID在民用飛機(jī)上的應(yīng)用，梳理了RFID應(yīng)用與民用機(jī)載設(shè)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(xiàn)

[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(shù)在航空業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)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(shí)別技術(shù)的應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2016， 56（8）：944-948.