CN105571799A - 空间飞行器力学环境测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种空间飞行器力学环境测量装置及系统，所述测量装置包括：超声采集单元，采编与存储单元，至少一个采编单元，以及多个传感器变换器单元；其中，各个所述传感器变换器单元实时获取感测信号；所述超声采集单元、采编与存储单元、以及采编单元从相连的传感器变换器单元采集超声或力学信号，并存储、回放。可满足空间飞行器在苛刻环境下对振动、冲击、过载等信号的测量需求，能够长期稳定运行、适用范围广。

Description

空间飞行器力学环境测量装置及系统

技术领域

本发明涉及力学环境测量技术领域，具体涉及一种空间飞行器力学环境测量装置及系统。

背景技术

空间飞行器在研发及运行过程中通常会面临非常复杂的内外部力学环境，根据空间飞行器运行及设计的总体要求，需为空间飞行器研发力学环境测量系统，用于采集飞行器在地面总装、上升段及在轨期间舱体受到的振动、冲击、过载和超声等数据，采集航天服力学信号，及飞行器地面总装期间结构载荷谱，从而为进一步改进航天器内部结构设计提供数据依据。

空间飞行器力学环境测量系统分为地面力学环境测量系统与在轨力学环境测量系统，分别在飞行器总装期间与在轨期间使用。在轨期间的力学环境测量系统属于空间技术试验分系统的试验载荷。

如何实现测量精度高、稳定性好、存储容量大、采样频率多样，可满足航天器在苛刻环境下对振动、冲击、过载等信号的测量需求，能够长期稳定运行、适用范围广的空间飞行器力学环境测量系统仍是目前一个需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种空间飞行器力学环境测量装置及系统，以满足目前的需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种空间飞行器力学环境测量装置，包括：

超声采集单元，采编与存储单元，至少一个采编单元，以及多个传感器变换器单元；

其中，各个所述传感器变换器单元实时获取感测信号；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均与一个传感器变换器单元相连；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均包括通信接口模块，用于相互之间或与外部进行通信；所述超声采集单元、采编与存储单元均包括存储模块，用于存储采集的数据；

所述超声采集单元包括至少一个超声采集模块，用于根据从外部接收的远程控制指令从相连的传感器变换器单元采集超声信号并存储、回放，所述超声采集单元还将所述远程控制指令发送至采编与存储单元；

所述采编与存储单元包括至少一个力学采集模块，用于根据所述控制指令从相连的传感器变换器单元采集力学信号并存储、回放；

每个所述采编单元包括至少一个力学采集模块，用于从相连的传感器变换器单元采集力学信号，并实时发送至所述采编与存储单元；

所述采编与存储单元从所述采编单元接收实时采集的力学信号，并与该采编与存储单元的力学采集模块所采集的力学信号一起存储、回放。

第二方面，本发明实施例还提供了一种空间飞行器力学环境测量系统，包括：第一方面所述的空间飞行器力学环境测量装置，以及，事后数据处理装置，所述事后数据处理装置用于从所述空间飞行器力学环境测量装置接收回放的数据，并根据回放的数据分析空间飞行器的受力情况。

第三方面，本发明实施例还提供了一种空间飞行器力学环境测量系统，包括：至少两个第一方面所述的空间飞行器力学环境测量装置，以及，一个主控装置，各个所述空间飞行器力学环境测量装置与所述主控装置相连，并将各自获得的测量数据发送至所述主控装置；所述主控装置对各个所述空间飞行器力学环境测量装置进行控制。

本发明具有高精度的测量结果、稳定性好、存储容量大、采样频率多样，可满足航天器对受到振动、冲击、过载等信号的测量需求。实际工程实现及试验结果表明，该系统能够长期运行，性能稳定，能广泛适用于航天、航空、航海、军事等可靠性要求高、环境要求苛刻的场合，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例一所述的空间飞行器力学环境测量装置的结构框图；

图2是本发明中的超声采集模块和力学采集模块的一优选实施方式结构框图；

图3是本发明中的超声采集单元、采编与存储单元的一优选实施方式结构框图；

图4是本发明具体实施例二所述的空间飞行器力学环境测量系统的结构框图；

图5是本发明具体实施例三所述的空间飞行器力学环境测量系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

图1是本实施例所述的空间飞行器力学环境测量装置的结构框图，如图1所示，所述空间飞行器力学环境测量装置100包括：超声采集单元101，采编与存储单元102，至少一个采编单元103(图中仅示出一个)，以及多个传感器变换器单元1041，1042，1043(图中仅示出三个)；其中，各个所述传感器变换器单元实时获取感测信号；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均与一个传感器变换器单元相连；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均包括通信接口模块1011，1021，1031，用于相互之间或与外部进行通信；所述超声采集单元、采编与存储单元均包括存储模块1012，1022，1032，用于存储采集的数据；所述超声采集单元101包括至少一个超声采集模块1013(图中仅示出一个)，用于根据从外部接收的远程控制指令从相连的传感器变换器单元1041采集超声信号并存储、回放，所述超声采集单元还将所述远程控制指令发送至采编与存储单元；所述采编与存储单元102包括至少一个力学采集模块1023(图中仅示出一个)，用于根据所述控制指令从相连的传感器变换器单元1042采集力学信号并存储、回放；每个所述采编单元103包括至少一个力学采集模块1033(图中仅示出一个)，用于从相连的传感器变换器单元1043采集力学信号，并实时发送至所述采编与存储单元；所述采编与存储单元102从所述采编单元103接收实时采集的力学信号，并与该采编与存储单元的力学采集模块所采集的力学信号一起存储、回放。

其中，如图2所示，所述超声采集模块和力学采集模块均可以示例性地通过以下方式实现：包括信号调理电路201、多路选择开关202、AD芯片203、以及AD采样控制芯片204，所述信号调理电路201从相连的传感器变换器单元的多路模拟通道接收多路模拟信号，经该电路201进行信号调理后，所述多路信号输入多路选择开关202，由该选择开关从多路信号中选择一路信号并将其输入至AD芯片203进行模数转换，生成数字信号，所述AD采样控制芯片204对AD芯片的采样操作进行控制，转换后的数字信号输出至相应的存储模块进行存储。

进一步地，为了给后续的数据分析提供足够的参考信息，所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元实时记录采集的数据及与此相关的其他信息，例如：时间信息、所采集的数据值、各模拟通道的状态。需注意的是，本发明并不对此进行限制，根据后续数据分析的目的不同，所需要记录的信息可能会有所区别，本领域技术人员能够明了，可以根据数据分析的具体需求来设置需要记录哪些信息或数据。

进一步地，为了让外部实时了解装置的状态，可以将其状体信息通过通信接口模块发送给外部的载荷管理单元。具体地，所述超声采集单元101可以获取装置的状态信息并发送至外部的载荷管理单元；另外，所述采编与存储单元102也可以获取装置的状态信息，然后将其先发送至所述超声采集单元101，所述超声采集单元把自身获取的装置的状态信息连同采编与存储单元102发送的装置的状态信息一起发送至外部的载荷管理单元。

通常机舱内外的受力位置会比较分散，为了满足对多个不同位置的受力监测与分析，所述多个传感器变换器单元也可设置于空间飞行器舱体内外的多个不同位置，来实现多位置采集；相应地，所述测量装置100可以包括多个所述采编单元103(图中未示出)，各采编单元根据实际需要分别布设于不同的位置，来实现对多个位置的受力数据采集。多个采编单元所采集到的数据相应地也会存在多项，此时，各个采编单元可以通过高速差分信号将采集的多项数据发送至采编与存储单元102。

其中，每个所述传感器变换器单元包括至少一个传感器，另外还可以包括信号变换器来对传感器监测到的信号格式做初步的改变，以统一不同类型或型号的传感器所接收的数据格式，有利于后续的处理。所述传感器通常包括：超声传感器、振动传感器、冲击传感器。其中，振动传感器由微电子机械系统(简称MEMS)工艺压阻式加速度敏感头，放大电路，滤波电路，输出饱和控制及输入输出接口构成。冲击传感器系统有压电式冲击传感器和冲击变换器两部分组成。压电式冲击传感器在感应冲击信号后给出一电荷信号；冲击变换器由给电荷放大器、输出饱和控制电路、滤波及输入输出接口电路组成。超声传感器系统有压电式超声传感器和超声变换器两部分组成。压电式超声传感器在感应超声信号后给出一电荷信号；超声变换器由给电荷放大器、输出饱和控制电路、滤波及输入输出接口电路组成。上述各种传感器的主要指标如下表1所示。

表1传感器主要指标要求

进一步地，为了提高数据存储的安全性和可靠性，所述超声采集单元、采编与存储单元可以采取以下至少一种方式来存储数据：

(1)边检测坏块边存储数据。在存储下一数据之前先检测写入数据的存储位置是否存在坏块，如果存储块不可用则继续检测下一存储位置，直至找到可用的存储块，然后将数据写入。通过这一方式可以实时识别坏块，提高了实时存储数据的可靠性。

(2)对于续存数据，先读取首块首页存储的续存地址，然后再继续存储。对于逻辑上连续但分多次存储的数据，在存储第一个数据块时在该数据块的首页中写入存储下一相邻数据块时的续存地址信息，当执行后续数据存储时直接从所述第一个数据块中读取上述续存地址信息，并根据该地址写入后续数据。这样，在各个数据块之间根据各自的地址建立了内在的逻辑关系，从首个数据块即可依次找到所有相关的数据块，进一步保障了所存储数据的可靠性。

(3)采用三取二表决设计的软件防护方式来存储数据。由于空间飞行器运行时所处的恶劣空间环境下会产生单粒子效应，严重影响所存储数据的正确性和可靠性。为了避免单粒子效应导致所存储的数据值发生畸变，可以采用三取二表决方式来对这种情况进行预防和纠错。

进一步地，当所述超声采集单元、采编与存储单元收到回放指令后，装置自动进入数据回放模式，读取所存储的数据并通过通信接口模块回放；回放完成后自动退出回放模式。

由于从存储模块读取数据的时序和通过通信接口模块写数据的时序不一致，需要在所述超声采集单元、采编与存储单元中引入数据回放控制模块304，如图3所示，用于在回放时控制各自的存储模块302(对应于1012、1022、1032)和通信接口模块301(对应于1011、1021、1031)，使得从存储模块302读取数据与通过通信接口模块301发送数据的时序相匹配。所述数据回放控制模块304以预设大小的数据块为最小单位从存储模块读取数据，并且通过所述通信接口模块以相同大小的数据块为最小单位发送数据。可以根据实际存储及网络传输情况设置所述数据块的具体大小，例如，可以将其设置为4K，即读取和发送数据的最小单位为4K字节。通过这一方式可以实现从存储模块读取数据与通过通信接口模块发送数据的时序相匹配。

进一步地，由于持续一定时间以后所采集的数据量会非常大，迅速地消耗装置的存储空间，可能会影响后续的数据采集工作。为了给后续采集预留足够的存储空间，在回放完成后，所述超声采集单元、采编与存储单元可以根据外部的擦除指令擦除各自所存储的数据。由于回放完成，数据已经传送至外部设备，所述超声采集单元、采编与存储单元对于这些数据没有再继续保留的必要，因此，通过及时的清除上述数据可以保证采集工作持续地顺利进行。

所述测量装置运行过程中很难绝对避免由于各种内外部因素导致宕机，这会导致受力检测和采集工作中断，通常需要人为的远程干预来恢复系统的运行。为了减少对手工操作的依赖，所述测量装置还可以包括运行状态监控单元(图中未示出)，用于监控和保持系统中其他部件的运行状态，当系统发生异常时，即可根据所保存的运行状态对系统进行恢复，无需人为干预，自适应性得到了提升。

实施例二

图4是本实施例所述的空间飞行器力学环境测量系统的结构框图，如图4所示，本实施例所述的空间飞行器力学环境测量系统40包括：实施例一所述的空间飞行器力学环境测量装置100，以及，事后数据处理装置400，所述事后数据处理装置400用于从所述空间飞行器力学环境测量装置接收回放的数据，并根据回放的数据分析空间飞行器的受力情况。空间飞行器力学环境测量装置100可以通过空间飞行器的船载发送设备将数据传送至地面站，然后由事后数据处理装置400从地面站获取所述测量装置发送的数据并进行分析。

具体地，所述根据回放的数据分析空间飞行器的受力情况为：将各路传感器采集的数据分离，得到每路传感器的采集数据，并根据时间信息分析空间飞行器的受力情况。进一步地，所述分析空间飞行器的受力情况包括：对其中某通道指定时间段内的测量信号进行频谱分析，分析结果包括幅频曲线和/或相频曲线。分析的结果可以通过可视化的用户接口如显示屏、投影仪或者通过打印机呈现给用户。

该系统是集信号测量、转换、数据采集、数据存储、数据回放、事后数据处理为一体化的测量平台，通过一体化的处理方式极大提高了信号采集及数据分析效率。

实施例三

图5是本实施例所述的空间飞行器力学环境测量系统的结构框图，如图5所示，本实施例所述的空间飞行器力学环境测量系统50包括：至少两个如实施例一所述的空间飞行器力学环境测量装置100，以及，一个主控装置500，各个所述空间飞行器力学环境测量装置与所述主控装置相连，并将各自获得的测量数据发送至所述主控装置；所述主控装置对各个所述空间飞行器力学环境测量装置进行控制。本实施例通过多台测量装置进行系统组网，可对多个舱体进行测量，然后将数据传送到一台主控装置备中，方便对多个不同舱体同时进行检测。

实施例四

本实施例对本发明实施例一所提出的空间飞行器力学环境测量装置的运行流程进行描述。

空间飞行器力学环境测量系统通过超声采集单元的通信接口模块接收遥控指令，同时将系统状态信息发送给载荷管理单元。超声采集单元接收到通信接口模块的取数指令后，超声采集单元根据指令内容完成对超声信号的采集、存储及数据回放，同时通过通信接口模块将系统的状态信息发送给载荷管理单元。同时，超声采集单元根据指令内容通过通信接口模块(例如LVDS通信接口)将指令传达给采编与存储模块，采编与存储模块完成对力学信号采集、存储及数据回放，并通过LVDS通信接口将状态信息发送给超声采集单元，超声采集单元通过通信接口模块将状态信号发送给载荷管理单元。采编单元将采集的传感器数据实时发送给采编与存储单元，采编与存储单元接收到数据采集指令后，开始存储各个采编单元发送过来的数据，当采编与存储单元收到通信接口模块的取数指令后，将存储区的采集数据通过通信接口模块(例如以太网接口)发送给交换机，当数据回放完成后，通信接口模块(例如1553B)可向超声采集单元发送FLASH擦除指令，超声采集单元和采编与存储单元自动擦除存储模块中的FLASH存储芯片，等待下一次数据存储。空间飞行器力学环境测量系统的一个最小采编单元可同时采集31路模拟通道，该系统可扩展多个采编单元，各个扩展的采编单元可通过高速差分信号将采集的数据发送给采编与存储单元，存储在存储模块中。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，或者通过专用硬件逻辑如ASIC、FPGA、SoC等实现，本发明对此不作限制。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种空间飞行器力学环境测量装置，其特征在于，包括：

超声采集单元，采编与存储单元，至少一个采编单元，以及多个传感器变换器单元；

其中，各个所述传感器变换器单元实时获取感测信号；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均与一个传感器变换器单元相连；所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元均包括通信接口模块，用于相互之间或与外部进行通信；所述超声采集单元、采编与存储单元均包括存储模块，用于存储采集的数据；

所述超声采集单元包括至少一个超声采集模块，用于根据从外部接收的远程控制指令从相连的传感器变换器单元采集超声信号并存储、回放，所述超声采集单元还将所述远程控制指令发送至采编与存储单元；

所述采编与存储单元包括至少一个力学采集模块，用于根据所述控制指令从相连的传感器变换器单元采集力学信号并存储、回放；

每个所述采编单元包括至少一个力学采集模块，用于从相连的传感器变换器单元采集力学信号，并实时发送至所述采编与存储单元；

所述采编与存储单元从所述采编单元接收实时采集的力学信号，并与该采编与存储单元的力学采集模块所采集的力学信号一起存储、回放。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述超声采集单元获取装置的状态信息并发送至外部的载荷管理单元。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：

所述采编与存储单元获取装置的状态信息并发送至所述超声采集单元，所述超声采集单元把自身获取的装置的状态信息连同采编与存储单元发送的装置的状态信息一起发送至外部的载荷管理单元。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量装置包括多个所述采编单元，各个采编单元通过高速差分信号将采集的数据发送至采编与存储单元。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述超声采集单元、采编与存储单元、采编单元实时记录采集的数据及相关信息，包括：时间信息、所采集的数据值、各模拟通道的状态。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：当所述超声采集单元、采编与存储单元收到回放指令后，自动进入数据回放模式，读取所存储的数据并通过通信接口模块回放；回放完成后自动退出回放模式。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于：所述超声采集单元、采编与存储单元均包括数据回放控制模块，用于在回放时控制各自的存储模块和通信接口模块，使得从存储模块读取数据与通过通信接口模块发送数据的时序相匹配。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于：所述数据回放控制模块以预设大小的数据块为最小单位从存储模块读取数据，并且通过所述通信接口模块以相同大小的数据块为最小单位发送数据。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述传感器包括：超声传感器、振动传感器、冲击传感器。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括：运行状态监控单元，用于监控和保持系统中其他部件的运行状态，当系统异常时根据保持的运行状态对系统进行恢复。