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(chǎng)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(shí)需要采集振動(dòng)加速度及沖擊加速度對(duì)箱內(nèi)力學(xué)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(hào)通過(guò)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(shí)，運(yùn)輸過(guò)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(duì)航天器運(yùn)輸過(guò)程中力學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的提高，可搭載的力學(xué)測(cè)點(diǎn)數(shù)量及采樣頻率都不能滿足監(jiān)測(cè)要求；在數(shù)據(jù)分析方面，只能進(jìn)行手動(dòng)數(shù)據(jù)處理，而航天器的轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸一般需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，尤其是鐵路運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間可達(dá)到120 h，三向力學(xué)傳感器測(cè)點(diǎn)一般 為10 個(gè)，即測(cè)量通道數(shù)可達(dá)30 個(gè)，每個(gè)通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為每小時(shí)1 個(gè)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對(duì)每個(gè)通道的每個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行手動(dòng)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(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間的海量數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)；在數(shù)據(jù)處理方面，可實(shí)現(xiàn)時(shí)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(guò)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(guò)程中的力學(xué)環(huán)境對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)傳感器和三向沖擊傳感器測(cè)量實(shí)際力學(xué)數(shù)據(jù)。振動(dòng)傳感器測(cè)量連續(xù)的振動(dòng)信號(hào)，沖擊傳感器測(cè)量如突然剎車造成的瞬間沖擊。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端，使用移動(dòng)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(chǔ)；移動(dòng)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(guò)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(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)布置

按照航天器運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，監(jiān)測(cè)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(duì)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(guò)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(duì)比數(shù)據(jù)，在減振后傳感器相對(duì)應(yīng)位置布置測(cè)量減振前[4]加速度的傳感器即可。傳感器布置原則見(jiàn)圖2。通過(guò)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(guò)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(hào)運(yùn)輸力學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)的測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間已經(jīng)按照采集時(shí)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(dòng)信號(hào)測(cè)量范圍0.5～200 Hz，沖擊信號(hào)測(cè)量范圍5～1000 Hz。采樣頻率至少應(yīng)為輸入信號(hào)帶寬的2 倍，因此航天器運(yùn)輸監(jiān)測(cè)時(shí)一般選擇振動(dòng)信號(hào)采樣頻率500 Hz，沖擊信號(hào)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(shì)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(chǔ)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(dòng)數(shù)據(jù)記錄儀失去通信或運(yùn)輸中對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)檢修時(shí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)記錄儀也可不間斷地自主采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

2）可參照運(yùn)輸時(shí)間和采樣頻率配置相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)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(shí)不僅可以實(shí)時(shí)顯示采集到的力學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)域曲線，也可實(shí)時(shí)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(guò)路徑的曲線，這也是傳統(tǒng)采集方法無(wú)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(duì)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(duì)于信號(hào)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(dòng)實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）對(duì)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(hào)溢出點(diǎn)的數(shù)值，即可進(jìn)行自動(dòng)的批處理操作，而無(wú)須人工輸入手動(dòng)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(cè)量力學(xué)信號(hào)同步，采集的GPS 信號(hào)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(shí)，GPS 通道也在采集地理位置和速度信息。處理某一通道信號(hào)溢出數(shù)據(jù)時(shí)，不但可以顯示同一測(cè)點(diǎn)其他兩通道，還可顯示信號(hào)溢出時(shí)刻載體的行進(jìn)速度和經(jīng)緯度。其意義在于，對(duì)比前后兩處速度有無(wú)明顯減小（或增加）來(lái)判斷是否為緊急剎車（或加速）造成的加速度信號(hào)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(shí)的信號(hào)溢出點(diǎn)會(huì)在新的路徑上作為敏感點(diǎn)標(biāo)出，特別是經(jīng)過(guò)某處溝、坎等易發(fā)生信號(hào)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(duì)航天器的沖擊。

2.2 數(shù)據(jù)處理實(shí)例

某型號(hào)艙體采用公路運(yùn)輸至試驗(yàn)地，采集振動(dòng)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(cè)要求為記錄全程采集數(shù)據(jù)，振動(dòng)峰值應(yīng)不超過(guò)0.6g，沖擊加速度峰值應(yīng)不超過(guò)1g；若通道數(shù)據(jù)存在信號(hào)溢出情況，則需對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值分析。根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，存在信號(hào)溢出情況，經(jīng)過(guò)自動(dòng)批處理后，直接輸出了所有溢出數(shù)值前后一段時(shí)間內(nèi)的功率譜密度、沖擊譜和頻譜，可據(jù)此分析信號(hào)溢出數(shù)據(jù)對(duì)艙體的影響。某點(diǎn)信號(hào)溢出數(shù)據(jù)的分析結(jié)果見(jiàn)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(duì)溢出信號(hào)點(diǎn)的功率譜密度、沖擊譜、頻譜可自動(dòng)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(hào)艙體運(yùn)輸過(guò)程中某點(diǎn)的信號(hào)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(jiàn)圖4），信號(hào)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(shí)，以指導(dǎo)后期同路徑的 運(yùn)輸。

航天器運(yùn)輸監(jiān)測(cè)及分析則根據(jù)型號(hào)要求而定。某些型號(hào)規(guī)定了在某頻率范圍內(nèi)的峰值情況，如遙感平臺(tái)運(yùn)輸監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)，按照型號(hào)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(hào)的運(yùn)輸路徑Fig.4 Transportation route produced by acquired data for a spacecraft

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了航天器運(yùn)輸過(guò)程中的力學(xué)環(huán)境數(shù) 據(jù)的本地采集、存儲(chǔ)和分析方法，并以實(shí)例說(shuō)明了應(yīng)用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢(shì)。這種基于本地的數(shù)據(jù)采集分析方法、自動(dòng)數(shù)據(jù)批處理及力學(xué)數(shù)據(jù)處理形式，特別是GPS 測(cè)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。

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