航天器運(yùn)輸?shù)牧W(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲和分析方法

祝亞宏，劉廣通，馮 琪，劉興悅，李曉歡

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在轉(zhuǎn)場運(yùn)輸中使用專用包裝箱[1-2]以滿足運(yùn)輸環(huán)境需求[3]，同時需要采集振動加速度及沖擊加速度對箱內(nèi)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。傳統(tǒng)的包裝箱數(shù)據(jù)采集及分析方法是：采集板卡將采集的傳感器信號通過網(wǎng)線直接傳輸至計(jì)算機(jī)。采用這種數(shù)據(jù)采集分析方式時，運(yùn)輸過程中一旦計(jì)算機(jī)和網(wǎng)線失去連接導(dǎo)致通信中斷，系統(tǒng)就停止采集，從而造成力學(xué)數(shù)據(jù)的丟失，且這種損失是不可逆轉(zhuǎn)的；隨著對航天器運(yùn)輸過程中力學(xué)環(huán)境監(jiān)測要求的提高，可搭載的力學(xué)測點(diǎn)數(shù)量及采樣頻率都不能滿足監(jiān)測要求；在數(shù)據(jù)分析方面，只能進(jìn)行手動數(shù)據(jù)處理，而航天器的轉(zhuǎn)場運(yùn)輸一般需經(jīng)過較長時間，尤其是鐵路運(yùn)輸?shù)臅r間可達(dá)到120 h，三向力學(xué)傳感器測點(diǎn)一般 為10 個，即測量通道數(shù)可達(dá)30 個，每個通道數(shù)據(jù)存儲量為每小時1 個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)處理時需要對每個通道的每個數(shù)據(jù)包進(jìn)行手動操作，可想而知數(shù)據(jù)處理復(fù)雜煩瑣；另外，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)極值查詢、頻譜分析，分析功能較為單一，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

本文提出了基于本地的力學(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲和分析方法，不但可有效避免通信中斷造成的采集數(shù)據(jù)丟失，而且可支持長時間的海量數(shù)據(jù)采集及存儲；在數(shù)據(jù)處理方面，可實(shí)現(xiàn)時域及頻域多種形式分析，分析結(jié)果可直接反應(yīng)運(yùn)輸過程中航天器的力學(xué)環(huán)境是否滿足指標(biāo)要求，從而有利于設(shè)計(jì)人員判斷運(yùn)輸過程中的力學(xué)環(huán)境對航天器結(jié)構(gòu)的影響。

1 基于本地的力學(xué)數(shù)據(jù)采集方法

基于本地的力學(xué)數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)存儲端和監(jiān)控單元3 部分組成，如圖1所示。在數(shù)據(jù)采集端，分別使用三向振動傳感器和三向沖擊傳感器測量實(shí)際力學(xué)數(shù)據(jù)。振動傳感器測量連續(xù)的振動信號，沖擊傳感器測量如突然剎車造成的瞬間沖擊。在數(shù)據(jù)存儲端，使用移動數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的本地采集和存儲；移動數(shù)據(jù)記錄儀一般安裝在包裝箱外，與箱內(nèi)的力學(xué)傳感器各向通道線通過穿艙密封插座導(dǎo)出連接；采用帶有螺紋的防松接頭將數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。監(jiān)控單元中的計(jì)算機(jī)可實(shí)時監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)。

圖1 基于本地的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of local data acquisition system

1.1 測點(diǎn)布置

按照航天器運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，監(jiān)測減振后力學(xué)環(huán)境的傳感器應(yīng)布置在與航天器連接的對接法蘭面（框）處，盡量靠近航天器；若需要了解航天器某些敏感儀器、設(shè)備在運(yùn)輸過程中的力學(xué)響應(yīng)，在空間允許情況下可在設(shè)備、儀器附近安裝傳感器；若需要了解減振前的對比數(shù)據(jù)，在減振后傳感器相對應(yīng)位置布置測量減振前[4]加速度的傳感器即可。傳感器布置原則見圖2。通過減振前傳感器數(shù)據(jù)的頻域分析也可從一定意義上得出運(yùn)輸載體的固有頻率；通過減振后數(shù)據(jù)的頻域分析可得出敏感頻率的響應(yīng)情況。

圖2 型號運(yùn)輸力學(xué)環(huán)境監(jiān)測的測點(diǎn)分布原則Fig.2 Location of mechanical environment measurement points in spacecraft transportation

1.2 數(shù)據(jù)采集原則

通常存儲數(shù)據(jù)的存儲空間已經(jīng)按照采集時間及采樣頻率進(jìn)行配置，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率可以按照需要直接設(shè)定，不需考慮其他因素。航天器的一般運(yùn)輸情況為，振動信號測量范圍0.5～200 Hz，沖擊信號測量范圍5～1000 Hz。采樣頻率至少應(yīng)為輸入信號帶寬的2 倍，因此航天器運(yùn)輸監(jiān)測時一般選擇振動信號采樣頻率500 Hz，沖擊信號采樣頻率2000 Hz，這樣可以滿足采集頻率響應(yīng)要求。

1.3 優(yōu)勢分析

與傳統(tǒng)的采集方法相比，基于本地的力學(xué)數(shù)據(jù)采集、存儲方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）接頭方式較為牢固，不易斷開，即使計(jì)算機(jī)與移動數(shù)據(jù)記錄儀失去通信或運(yùn)輸中對采集系統(tǒng)進(jìn)行即時檢修時，移動數(shù)據(jù)記錄儀也可不間斷地自主采集和存儲數(shù)據(jù)；

2）可參照運(yùn)輸時間和采樣頻率配置相應(yīng)的存儲空間，存儲全程采集的數(shù)據(jù)，從而為后期的數(shù)據(jù)分析提供完整翔實(shí)的數(shù)據(jù)；

3）數(shù)據(jù)采集時不僅可以實(shí)時顯示采集到的力學(xué)數(shù)據(jù)時域曲線，也可實(shí)時顯示當(dāng)前速度[5]及運(yùn)輸位置，運(yùn)輸完成后可生成經(jīng)過路徑的曲線，這也是傳統(tǒng)采集方法無法實(shí)現(xiàn)的。

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 分析方法

在運(yùn)輸結(jié)束后，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。航天器的運(yùn)輸環(huán)境分析一般集中在加速度極值查詢、方均根值分析，以及對于信號溢出數(shù)據(jù)的頻譜分析、功率譜密度分析、沖擊譜分析等，所有計(jì)算分析由計(jì)算機(jī)軟件自動實(shí)現(xiàn)。

相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，新數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要有3 個優(yōu)點(diǎn)：

1）對若干通道內(nèi)所有數(shù)據(jù)包可進(jìn)行批處理。選中需處理的通道，設(shè)置好需查詢的信號溢出點(diǎn)的數(shù)值，即可進(jìn)行自動的批處理操作，而無須人工輸入手動查詢，數(shù)據(jù)處理效率大幅提高。

2）數(shù)據(jù)處理多樣化。不但可以進(jìn)行極值查詢、方均根值等常規(guī)分析，還可進(jìn)行功率譜密度、沖擊譜的分析。

3）配置了GPS，與測量力學(xué)信號同步，采集的GPS 信號可與力學(xué)數(shù)據(jù)匹配進(jìn)行多維分析。在力學(xué)通道采集數(shù)據(jù)的同時，GPS 通道也在采集地理位置和速度信息。處理某一通道信號溢出數(shù)據(jù)時，不但可以顯示同一測點(diǎn)其他兩通道，還可顯示信號溢出時刻載體的行進(jìn)速度和經(jīng)緯度。其意義在于，對比前后兩處速度有無明顯減?。ɑ蛟黾樱﹣砼袛嗍欠駷榫o急剎車（或加速）造成的加速度信號溢出。實(shí)際使用中，GPS 數(shù)據(jù)用途已得以推廣，即：運(yùn)輸 后可以按照采集數(shù)據(jù)形成運(yùn)輸路徑曲線，而前次此路線運(yùn)輸時的信號溢出點(diǎn)會在新的路徑上作為敏感點(diǎn)標(biāo)出，特別是經(jīng)過某處溝、坎等易發(fā)生信號溢出的位置，在后續(xù)運(yùn)輸中可在敏感位置預(yù)先減速以減小對航天器的沖擊。

2.2 數(shù)據(jù)處理實(shí)例

某型號艙體采用公路運(yùn)輸至試驗(yàn)地，采集振動加速度頻率設(shè)置為1000 Hz，采集沖擊加速度頻率設(shè)置為5000 Hz；監(jiān)測要求為記錄全程采集數(shù)據(jù)，振動峰值應(yīng)不超過0.6g，沖擊加速度峰值應(yīng)不超過1g；若通道數(shù)據(jù)存在信號溢出情況，則需對其進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值分析。根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，存在信號溢出情況，經(jīng)過自動批處理后，直接輸出了所有溢出數(shù)值前后一段時間內(nèi)的功率譜密度、沖擊譜和頻譜，可據(jù)此分析信號溢出數(shù)據(jù)對艙體的影響。某點(diǎn)信號溢出數(shù)據(jù)的分析結(jié)果見圖3。從圖中可以看出其沖擊加速度峰值為1.024g，大于規(guī)定的沖擊加速度峰值(1g)，則針對溢出信號點(diǎn)的功率譜密度、沖擊譜、頻譜可自動得出，提交航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門判斷該結(jié)果是否符合要求。

圖3 某型號艙體運(yùn)輸過程中某點(diǎn)的信號溢出數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.3 Overflow data analysis at a measurement point in a spacecraft transportation

運(yùn)輸后可形成運(yùn)輸途經(jīng)路線（見圖4），信號溢出點(diǎn)的力學(xué)數(shù)據(jù)及其經(jīng)緯度信息可直接定位在GPS 曲線上，并作重點(diǎn)標(biāo)識，以指導(dǎo)后期同路徑的 運(yùn)輸。

航天器運(yùn)輸監(jiān)測及分析則根據(jù)型號要求而定。某些型號規(guī)定了在某頻率范圍內(nèi)的峰值情況，如遙感平臺運(yùn)輸監(jiān)測處理要求規(guī)定：運(yùn)輸頻率在20 Hz內(nèi)的加速度應(yīng)≤0.6g，20～100 Hz 時應(yīng)≤0.2g；在特殊路段，沖擊加速度應(yīng)≤1.5g。數(shù)據(jù)處理時，按照型號特殊需求進(jìn)行分析處理。

圖4 根據(jù)采集數(shù)據(jù)生成的某型號的運(yùn)輸路徑Fig.4 Transportation route produced by acquired data for a spacecraft

3 結(jié)束語

本文提出了航天器運(yùn)輸過程中的力學(xué)環(huán)境數(shù) 據(jù)的本地采集、存儲和分析方法，并以實(shí)例說明了應(yīng)用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢。這種基于本地的數(shù)據(jù)采集分析方法、自動數(shù)據(jù)批處理及力學(xué)數(shù)據(jù)處理形式，特別是GPS 測量數(shù)據(jù)可與力學(xué)數(shù)據(jù)匹配分析的方式可為同類型試驗(yàn)、分析所參考。

（References）

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[3]黃本誠, 童靖宇.空間環(huán)境工程學(xué)[M].北京∶中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2010∶1

[4]GJB 7358 2011 航天器吊裝、翻轉(zhuǎn)、停放、運(yùn)輸、貯存通用技術(shù)要求[S], 2011-08-01∶7

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