航天器运输的力学数据采集、存储和分析方法

祝亚宏，刘广通，冯 琪，刘兴悦，李晓欢

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在转场运输中使用专用包装箱[1-2]以满足运输环境需求[3]，同时需要采集振动加速度及冲击加速度对箱内力学环境进行实时监测。传统的包装箱数据采集及分析方法是：采集板卡将采集的传感器信号通过网线直接传输至计算机。采用这种数据采集分析方式时，运输过程中一旦计算机和网线失去连接导致通信中断，系统就停止采集，从而造成力学数据的丢失，且这种损失是不可逆转的；随着对航天器运输过程中力学环境监测要求的提高，可搭载的力学测点数量及采样频率都不能满足监测要求；在数据分析方面，只能进行手动数据处理，而航天器的转场运输一般需经过较长时间，尤其是铁路运输的时间可达到120 h，三向力学传感器测点一般 为10 个，即测量通道数可达30 个，每个通道数据存储量为每小时1 个数据包，数据处理时需要对每个通道的每个数据包进行手动操作，可想而知数据处理复杂烦琐；另外，只能进行数据极值查询、频谱分析，分析功能较为单一，不利于后续数据处理。

本文提出了基于本地的力学数据采集、存储和分析方法，不但可有效避免通信中断造成的采集数据丢失，而且可支持长时间的海量数据采集及存储；在数据处理方面，可实现时域及频域多种形式分析，分析结果可直接反应运输过程中航天器的力学环境是否满足指标要求，从而有利于设计人员判断运输过程中的力学环境对航天器结构的影响。

1 基于本地的力学数据采集方法

基于本地的力学数据采集和存储系统主要由数据采集端、数据存储端和监控单元3 部分组成，如图1所示。在数据采集端，分别使用三向振动传感器和三向冲击传感器测量实际力学数据。振动传感器测量连续的振动信号，冲击传感器测量如突然刹车造成的瞬间冲击。在数据存储端，使用移动数据记录仪实现海量数据的本地采集和存储；移动数据记录仪一般安装在包装箱外，与箱内的力学传感器各向通道线通过穿舱密封插座导出连接；采用带有螺纹的防松接头将数据线与计算机连接。监控单元中的计算机可实时监测所采集的数据。

图1 基于本地的数据采集系统组成Fig.1 Composition of local data acquisition system

1.1 测点布置

按照航天器运输标准规定，监测减振后力学环境的传感器应布置在与航天器连接的对接法兰面（框）处，尽量靠近航天器；若需要了解航天器某些敏感仪器、设备在运输过程中的力学响应，在空间允许情况下可在设备、仪器附近安装传感器；若需要了解减振前的对比数据，在减振后传感器相对应位置布置测量减振前[4]加速度的传感器即可。传感器布置原则见图2。通过减振前传感器数据的频域分析也可从一定意义上得出运输载体的固有频率；通过减振后数据的频域分析可得出敏感频率的响应情况。

图2 型号运输力学环境监测的测点分布原则Fig.2 Location of mechanical environment measurement points in spacecraft transportation

1.2 数据采集原则

通常存储数据的存储空间已经按照采集时间及采样频率进行配置，因此数据采集系统采样频率可以按照需要直接设定，不需考虑其他因素。航天器的一般运输情况为，振动信号测量范围0.5～200 Hz，冲击信号测量范围5～1000 Hz。采样频率至少应为输入信号带宽的2 倍，因此航天器运输监测时一般选择振动信号采样频率500 Hz，冲击信号采样频率2000 Hz，这样可以满足采集频率响应要求。

1.3 优势分析

与传统的采集方法相比，基于本地的力学数据采集、存储方法具有以下优点：

1）接头方式较为牢固，不易断开，即使计算机与移动数据记录仪失去通信或运输中对采集系统进行即时检修时，移动数据记录仪也可不间断地自主采集和存储数据；

2）可参照运输时间和采样频率配置相应的存储空间，存储全程采集的数据，从而为后期的数据分析提供完整翔实的数据；

3）数据采集时不仅可以实时显示采集到的力学数据时域曲线，也可实时显示当前速度[5]及运输位置，运输完成后可生成经过路径的曲线，这也是传统采集方法无法实现的。

2 数据分析方法

2.1 分析方法

在运输结束后，需要对采集的数据进行分析。航天器的运输环境分析一般集中在加速度极值查询、方均根值分析，以及对于信号溢出数据的频谱分析、功率谱密度分析、冲击谱分析等，所有计算分析由计算机软件自动实现。

相对传统数据处理方法，新数据分析技术主要有3 个优点：

1）对若干通道内所有数据包可进行批处理。选中需处理的通道，设置好需查询的信号溢出点的数值，即可进行自动的批处理操作，而无须人工输入手动查询，数据处理效率大幅提高。

2）数据处理多样化。不但可以进行极值查询、方均根值等常规分析，还可进行功率谱密度、冲击谱的分析。

3）配置了GPS，与测量力学信号同步，采集的GPS 信号可与力学数据匹配进行多维分析。在力学通道采集数据的同时，GPS 通道也在采集地理位置和速度信息。处理某一通道信号溢出数据时，不但可以显示同一测点其他两通道，还可显示信号溢出时刻载体的行进速度和经纬度。其意义在于，对比前后两处速度有无明显减小（或增加）来判断是否为紧急刹车（或加速）造成的加速度信号溢出。实际使用中，GPS 数据用途已得以推广，即：运输 后可以按照采集数据形成运输路径曲线，而前次此路线运输时的信号溢出点会在新的路径上作为敏感点标出，特别是经过某处沟、坎等易发生信号溢出的位置，在后续运输中可在敏感位置预先减速以减小对航天器的冲击。

2.2 数据处理实例

某型号舱体采用公路运输至试验地，采集振动加速度频率设置为1000 Hz，采集冲击加速度频率设置为5000 Hz；监测要求为记录全程采集数据，振动峰值应不超过0.6g，冲击加速度峰值应不超过1g；若通道数据存在信号溢出情况，则需对其进行详细数值分析。根据数据监测结果，存在信号溢出情况，经过自动批处理后，直接输出了所有溢出数值前后一段时间内的功率谱密度、冲击谱和频谱，可据此分析信号溢出数据对舱体的影响。某点信号溢出数据的分析结果见图3。从图中可以看出其冲击加速度峰值为1.024g，大于规定的冲击加速度峰值(1g)，则针对溢出信号点的功率谱密度、冲击谱、频谱可自动得出，提交航天器结构设计部门判断该结果是否符合要求。

图3 某型号舱体运输过程中某点的信号溢出数据分析结果Fig.3 Overflow data analysis at a measurement point in a spacecraft transportation

运输后可形成运输途经路线（见图4），信号溢出点的力学数据及其经纬度信息可直接定位在GPS 曲线上，并作重点标识，以指导后期同路径的 运输。

航天器运输监测及分析则根据型号要求而定。某些型号规定了在某频率范围内的峰值情况，如遥感平台运输监测处理要求规定：运输频率在20 Hz内的加速度应≤0.6g，20～100 Hz 时应≤0.2g；在特殊路段，冲击加速度应≤1.5g。数据处理时，按照型号特殊需求进行分析处理。

图4 根据采集数据生成的某型号的运输路径Fig.4 Transportation route produced by acquired data for a spacecraft

3 结束语

本文提出了航天器运输过程中的力学环境数 据的本地采集、存储和分析方法，并以实例说明了应用该方法进行数据分析的优势。这种基于本地的数据采集分析方法、自动数据批处理及力学数据处理形式，特别是GPS 测量数据可与力学数据匹配分析的方式可为同类型试验、分析所参考。

（References）

[1]高慎斌.卫星制造技术（下）[M].北京∶宇航出版社, 1998∶308

[2]NASA SP-8104 Structural interaction with transportation and handling systems[S], 1973-01∶11

[3]黄本诚, 童靖宇.空间环境工程学[M].北京∶中国科学技术出版社, 2010∶1

[4]GJB 7358 2011 航天器吊装、翻转、停放、运输、贮存通用技术要求[S], 2011-08-01∶7

[5]肖刚, 郝文宇, 张国芬, 等.航天器空运包装箱的研制及其运输试验评价[J].航天器环境工程, 2010, 27(6)∶795-799 Xiao Gang, Hao Wenyu, Zhang Guofen, et al.The development of containers for air transport of spacecraft and an evaluation[J].Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(6)∶795-799