航天器運輸的力學數據采集、存儲和分析方法

祝亞宏，劉廣通，馮 琪，劉興悅，李曉歡

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在轉場運輸中使用專用包裝箱[1-2]以滿足運輸環境需求[3]，同時需要采集振動加速度及沖擊加速度對箱內力學環境進行實時監測。傳統的包裝箱數據采集及分析方法是：采集板卡將采集的傳感器信號通過網線直接傳輸至計算機。采用這種數據采集分析方式時，運輸過程中一旦計算機和網線失去連接導致通信中斷，系統就停止采集，從而造成力學數據的丟失，且這種損失是不可逆轉的；隨著對航天器運輸過程中力學環境監測要求的提高，可搭載的力學測點數量及采樣頻率都不能滿足監測要求；在數據分析方面，只能進行手動數據處理，而航天器的轉場運輸一般需經過較長時間，尤其是鐵路運輸的時間可達到120 h，三向力學傳感器測點一般 為10 個，即測量通道數可達30 個，每個通道數據存儲量為每小時1 個數據包，數據處理時需要對每個通道的每個數據包進行手動操作，可想而知數據處理復雜煩瑣；另外，只能進行數據極值查詢、頻譜分析，分析功能較為單一，不利于后續數據處理。

本文提出了基于本地的力學數據采集、存儲和分析方法，不但可有效避免通信中斷造成的采集數據丟失，而且可支持長時間的海量數據采集及存儲；在數據處理方面，可實現時域及頻域多種形式分析，分析結果可直接反應運輸過程中航天器的力學環境是否滿足指標要求，從而有利于設計人員判斷運輸過程中的力學環境對航天器結構的影響。

1 基于本地的力學數據采集方法

基于本地的力學數據采集和存儲系統主要由數據采集端、數據存儲端和監控單元3 部分組成，如圖1所示。在數據采集端，分別使用三向振動傳感器和三向沖擊傳感器測量實際力學數據。振動傳感器測量連續的振動信號，沖擊傳感器測量如突然剎車造成的瞬間沖擊。在數據存儲端，使用移動數據記錄儀實現海量數據的本地采集和存儲；移動數據記錄儀一般安裝在包裝箱外，與箱內的力學傳感器各向通道線通過穿艙密封插座導出連接；采用帶有螺紋的防松接頭將數據線與計算機連接。監控單元中的計算機可實時監測所采集的數據。

圖1 基于本地的數據采集系統組成Fig.1 Composition of local data acquisition system

1.1 測點布置

按照航天器運輸標準規定，監測減振后力學環境的傳感器應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、設備在運輸過程中的力學響應，在空間允許情況下可在設備、儀器附近安裝傳感器；若需要了解減振前的對比數據，在減振后傳感器相對應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據的頻域分析也可從一定意義上得出運輸載體的固有頻率；通過減振后數據的頻域分析可得出敏感頻率的響應情況。

圖2 型號運輸力學環境監測的測點分布原則Fig.2 Location of mechanical environment measurement points in spacecraft transportation

1.2 數據采集原則

通常存儲數據的存儲空間已經按照采集時間及采樣頻率進行配置，因此數據采集系統采樣頻率可以按照需要直接設定，不需考慮其他因素。航天器的一般運輸情況為，振動信號測量范圍0.5～200 Hz，沖擊信號測量范圍5～1000 Hz。采樣頻率至少應為輸入信號帶寬的2 倍，因此航天器運輸監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要求。

1.3 優勢分析

與傳統的采集方法相比，基于本地的力學數據采集、存儲方法具有以下優點：

1）接頭方式較為牢固，不易斷開，即使計算機與移動數據記錄儀失去通信或運輸中對采集系統進行即時檢修時，移動數據記錄儀也可不間斷地自主采集和存儲數據；

2）可參照運輸時間和采樣頻率配置相應的存儲空間，存儲全程采集的數據，從而為后期的數據分析提供完整翔實的數據；

3）數據采集時不僅可以實時顯示采集到的力學數據時域曲線，也可實時顯示當前速度[5]及運輸位置，運輸完成后可生成經過路徑的曲線，這也是傳統采集方法無法實現的。

2 數據分析方法

2.1 分析方法

在運輸結束后，需要對采集的數據進行分析。航天器的運輸環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據的頻譜分析、功率譜密度分析、沖擊譜分析等，所有計算分析由計算機軟件自動實現。

相對傳統數據處理方法，新數據分析技術主要有3 個優點：

1）對若干通道內所有數據包可進行批處理。選中需處理的通道，設置好需查詢的信號溢出點的數值，即可進行自動的批處理操作，而無須人工輸入手動查詢，數據處理效率大幅提高。

2）數據處理多樣化。不但可以進行極值查詢、方均根值等常規分析，還可進行功率譜密度、沖擊譜的分析。

3）配置了GPS，與測量力學信號同步，采集的GPS 信號可與力學數據匹配進行多維分析。在力學通道采集數據的同時，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據時，不但可以顯示同一測點其他兩通道，還可顯示信號溢出時刻載體的行進速度和經緯度。其意義在于，對比前后兩處速度有無明顯減小（或增加）來判斷是否為緊急剎車（或加速）造成的加速度信號溢出。實際使用中，GPS 數據用途已得以推廣，即：運輸 后可以按照采集數據形成運輸路徑曲線，而前次此路線運輸時的信號溢出點會在新的路徑上作為敏感點標出，特別是經過某處溝、坎等易發生信號溢出的位置，在后續運輸中可在敏感位置預先減速以減小對航天器的沖擊。

2.2 數據處理實例

某型號艙體采用公路運輸至試驗地，采集振動加速度頻率設置為1000 Hz，采集沖擊加速度頻率設置為5000 Hz；監測要求為記錄全程采集數據，振動峰值應不超過0.6g，沖擊加速度峰值應不超過1g；若通道數據存在信號溢出情況，則需對其進行詳細數值分析。根據數據監測結果，存在信號溢出情況，經過自動批處理后，直接輸出了所有溢出數值前后一段時間內的功率譜密度、沖擊譜和頻譜，可據此分析信號溢出數據對艙體的影響。某點信號溢出數據的分析結果見圖3。從圖中可以看出其沖擊加速度峰值為1.024g，大于規定的沖擊加速度峰值(1g)，則針對溢出信號點的功率譜密度、沖擊譜、頻譜可自動得出，提交航天器結構設計部門判斷該結果是否符合要求。

圖3 某型號艙體運輸過程中某點的信號溢出數據分析結果Fig.3 Overflow data analysis at a measurement point in a spacecraft transportation

運輸后可形成運輸途經路線（見圖4），信號溢出點的力學數據及其經緯度信息可直接定位在GPS 曲線上，并作重點標識，以指導后期同路徑的 運輸。

航天器運輸監測及分析則根據型號要求而定。某些型號規定了在某頻率范圍內的峰值情況，如遙感平臺運輸監測處理要求規定：運輸頻率在20 Hz內的加速度應≤0.6g，20～100 Hz 時應≤0.2g；在特殊路段，沖擊加速度應≤1.5g。數據處理時，按照型號特殊需求進行分析處理。

圖4 根據采集數據生成的某型號的運輸路徑Fig.4 Transportation route produced by acquired data for a spacecraft

3 結束語

本文提出了航天器運輸過程中的力學環境數 據的本地采集、存儲和分析方法，并以實例說明了應用該方法進行數據分析的優勢。這種基于本地的數據采集分析方法、自動數據批處理及力學數據處理形式，特別是GPS 測量數據可與力學數據匹配分析的方式可為同類型試驗、分析所參考。

（References）

[1]高慎斌.衛星制造技術（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]黃本誠, 童靖宇.空間環境工程學[M].北京∶中國科學技術出版社, 2010∶1

[4]GJB 7358 2011 航天器吊裝、翻轉、停放、運輸、貯存通用技術要求[S], 2011-08-01∶7

[5]肖剛, 郝文宇, 張國芬, 等.航天器空運包裝箱的研制及其運輸試驗評價[J].航天器環境工程, 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