航天器公路運輸包裝箱環境監測系統研制

侯京鋒，喻 虎，王 沖，李亞男

（1.北京強度環境研究所，北京 100076； 2.中國人民解放軍 63602 部隊，酒泉 732750）

0 引言

航天器運輸包裝箱能夠為衛星等航天器在公路運輸過程中提供可控環境，并通過監測系統對箱內環境進行顯示和記錄[1-2]，有效提升衛星運輸的環境適應性，從而更好地掌握航天器運輸過程中的狀態，精簡發射場檢查與裝調環節，縮短發射場操作周期。根據運輸對象的特點[3]，很多學者、工程師針對包裝箱內環境及包裝箱狀態開發了不同的監測系統。北京理工大學智能微系統研究所婁文忠等針對常規危險品運輸監測，設計小型化智能狀態監測模塊，并通過物聯網技術實現遠程監控[4]。海軍航空大學李洪偉等利用計算機檢測及RFID射頻技術設計了用于發動機儲運過程的低功耗環境監測儀[5]。針對生鮮產品，則需通過揮發性代謝產物的監測與分析，掌握物流過程中生鮮果蔬品質的動態變化[6-7]。北京空間飛行器總體設計部肖剛等利用工業組態軟件設計航天器空運包裝箱監測系統，實現了溫濕度、振動等信號的采集顯示、比對報警及存儲回放[8]。

本文綜合考慮衛星或相關軍品運輸的保密要求，以及公路運輸時車速與車內振動載荷的強相關性，設計了集傳感、采集、傳輸和存儲于一體的運輸環境監測系統，對包裝箱內外部的環境溫度、濕度、加速度和車速等參數進行監測的同時，監測包裝箱內的減振平臺支承剛度，并開發配套數據回放軟件，以便通過對監測數據的回放來分析、評估運輸任務的完成情況，為后續任務提供決策參考。

1 系統總體設計

航天器公路運輸包裝箱主要由箱體、減振平臺和監測系統等組成，箱內環境主要指標要求為：溫度(20±5) ℃；相對濕度35%～55%；運輸車輛行駛速度不大于60 km/h 時，垂直振動載荷不大于0.8g。

基于狀態監測、數據對比和應用交互的使用需要，監測系統的設計目標為：

1）減振前后三方向振動采樣率不低于2048 Hz；

2）包裝箱內外的溫、濕度采樣率不低于1 Hz；

3）監測減振平臺的支承剛度；

4）運輸車輛行駛速度采樣率不低于1 Hz；

5）數據超差報警提醒并記錄超差事件；

6）完整的數據保存和回放功能。

監測系統由控制器、傳感器和交互設備組成，其中控制器與交互設備置于減振平臺前的獨立控制柜中，完成實時數據采集與判讀、顯示與存儲，并通過觸摸屏實現人機交互，包括任務啟停、參數設置、數據展示及報警提醒等。如圖1 所示，傳感器分布于包裝箱內外，并由控制器供電。三向加速度傳感器A1 布置于減振平臺中部，A2 布置于相應位置的減振平臺下。溫度、濕度測點T1 和H1 布置于箱內減振機構安裝支架上，T2、H2 布置于包裝箱外。系統支承剛度監測通過減振平臺懸掛高度間接測量實現，在主艙底座底板的4 個角安裝位移傳感器進行高度監測。當位移傳感器感應到平臺懸掛高度變化超差時，系統發出報警提醒，提示系統支承剛度變大，油氣減振器需要充壓。監測測點P1、P2處于主艙內前部，P3、P4 處于主艙內后部。車速通過GPS/北斗定位模塊獲取，其天線V1 布置于發電機下部[9]。

圖1 監測系統傳感器分布Fig.1 Sensor distribution of the monitoring system

2 硬件選型

2.1 控制器

監測系統控制器以NI cDAQ9137 為核心進行定制開發，基于加速度、溫濕度和車速的采集需求，選配相應的板卡，具體如表1 所示。

表1 控制器硬件Table 1 Hardware components of controller

2.2 北斗定位模塊

利用北斗模塊實現車速測量。北斗模塊選擇山東互信智能公司出品的標準模塊及天線，模塊通過RS485 接口與控制器通信，控制器可周期性獲取車輛的行駛速度；模塊的信號采樣率為1 Hz，測量分辨率為0.2 km/h。

2.3 傳感器

系統配套的傳感器包括三向加速度傳感器、溫濕度傳感器和位移傳感器。

加速度傳感器選用上海北智三向IEPE 加速度傳感器，型號14533，量程0～50g，頻響范圍1～5000 Hz，溫度適應范圍-50～120 ℃。

溫濕度傳感器選用建大仁科一體化墻掛型溫濕度變送器，溫度量程-40～80 ℃，濕度量程0～100%RH，測量精度：溫度±0.5 ℃；濕度±3%RH。

位移傳感器選用松下EX29 系列回歸反射型光電傳感器，量程100 mm，反應時間0.5 ms。

3 軟件設計

3.1 整體框架

監測系統配套軟件運行于Embedded Windows操作系統，基于NI LabVIEW 定制開發系統配套測量軟件，整體框架如圖2 所示。

圖2 監測系統配套軟件框架Fig.2 Supporting software framework of the monitoring system

3.2 工作流程

監測系統配套軟件的總體工作流程如圖3 所示。打開軟件后即進入實時采集界面，稍作等待后，自行開啟采集與狀態監測任務。點擊“返回參數設置”可進入參數設置界面，進行各類參數設置，如采集通道參數設置、安全監測設置和靈敏度設置等；設置完成并經確認后，即可進入實時采集界面開始采集數據，并通過波形圖實時顯示各傳感器測量值及車速計算值。系統穩定采集10 s 后，后臺開始周期性地將各通道數據及報警情況進行本地存儲，并在發生加速度超差時，觸發高速存儲超差事件前/后5 s 的測試數據。試驗過程中可隨時點擊“停止”和“關閉”退出任務。軟件具備數據回放功能，可從桌面獨立進入數據回放界面，查詢以往測試數據或生成試驗報告。

圖3 監測系統配套軟件總體工作流程Fig.3 Overall work flow of supporting software of the monitoring system

3.3 核心模塊

3.3.1 采集模塊

采集模塊與硬件交互，本系統所采用的加速度模擬輸入同步采集卡為NI9234。采樣率fs取決于主時基頻率fM=12.8 MHz，由于Σ-Δ 型ADC 自帶256 倍過采樣，且NI9234 模塊采樣率31 檔可調，故其采樣率設置值可由fs=fM/256/n計算，其中n表示1～31 之間的任意整數?？紤]到公路運輸振動載荷的帶寬有限，且為了方便數據處理，本文取n=25，即采樣率fs=2 kHz。

3.3.2 RS485 通信模塊

控制器通過與GPS/北斗模塊的RS485 通信獲取當前車速[10]，需確認數據傳輸的正確性和數據的有效性。本項目中，控制器在主動查詢模式下以2 Hz的頻率發送查詢指令，GPS/北斗模塊按照既定協議反饋當前車速，控制器收到信息字符串后須先進行CRC 校驗，確認數據傳輸的正確性；如校驗不通過，則當前顯示仍為上一時刻所獲取的數據值。

通過VISA OPEN.vi 打開資源，利用VISA 串口配置設置通信波特率9600、8N1、無流控制等參數以建立串口通信，軟件后臺周期性地向北斗模塊發送當前車速的查詢指令[11-12]。根據產品手冊，定位模塊查詢命令的16 進制碼為01 03 00 05 00 23 14 12，車速查詢程序如圖4 所示。

圖4 車速查詢程序Fig.4 Vehicle speed query program

通過VISA READ.vi 讀取傳感器返回字符串，為了提高驗證效率，CRC 校驗采用公式節點編程實現，如圖5 所示。校驗通過后，判斷內容字符串中當前天線信號狀態是否良好：良好則將內容字符串中的速度信息轉換為無符號整形，并進一步轉換為物理量；否則仍利用上一時刻的速度值。

圖5 CRC16 校驗程序Fig.5 CRC16 check program

3.3.3 數據保存模塊

為了克服加速度信號需要高速采集（采樣率2048 Hz）以及全程（不短于4 h）監測記錄造成的數據量過大問題，將數據記錄文件設計為全程數據記錄文件與報警記錄文件。加速度全程數據記錄頻率為128 Hz，溫濕度和車速記錄頻率為2 Hz；僅在加速度通道發生超差報警時，針對加速度信號采用2048 Hz 的高速存儲[13]，存儲區間為超差發生時刻前/后各5 s 的數據。

存儲數據按固定路徑（出廠設定）在系統開始運行后在本地記錄，記錄數據包含開始、停止時間和采樣率等基本參數，以及6 通道加速度、4 通道溫濕度和1 通道車速。系統自帶16 GByte 存儲空間，可以連續工作4 h，全程采集數據量約為137 MByte。

每觸發1 次報警，記錄1 次報警數據，報警記錄文件路徑與全程數據記錄文件存儲路徑一致，文件名稱為“warn_文件創建時間（年月日時分秒）”。如圖6 所示，觸發高速存儲的實現方法是：原始2048 Hz 加速度信號緩存至有損耗隊列中，隊列長度設定為5 s 數據量，當發生超差時，通過動態引用調起數據觸發高速存儲VI，該VI 內部為狀態機結構，在Init 分支中通過全局變量創建報警記錄文件路徑及名稱；在No action 分支中設計條件，隊列中元素數量≥0 時，程序跳轉至Store 分支完成1 幀數據的存儲并計數，當累計存儲20 幀數據時程序跳轉至Exit 分支，結束并退出該VI。

圖6 數據觸發高速存儲程序Fig.6 Data trigger high-speed storage program

3.4 交互窗口

交互窗口主要包含實時監測與數據回放。

3.4.1 實時監測

實時監測窗口的基本邏輯如圖7 所示。打開軟件進入實時采集主窗口后即開始采集數據，數據以波形圖和數顯框2 種形式顯示；約10 s 后，系統后臺對所采集數據進行門限報警判斷，并開始周期性地將各通道數據及報警情況在本地存儲，系統默認開啟全程存儲與觸發存儲，直至試驗結束或任務退出。

圖7 實時采集流程Fig.7 Real-time acquisition process

實時采集窗口如圖8 所示，窗口上部以表格形式實時展示所有模擬量，同時針對比較重要的艙內減振后數據，全程實時刷新顯示當前值及歷史極值，且在任一通道超過設定門限時，在表格中顯示相應的位置并以紅色背景亮顯標注。

圖8 實時采集窗口Fig.8 Real-time acquisition window

車速以圓形表盤的形式展示，其中黑針指向即時速度，紅針指向歷史最高速度。在窗口的右上角滾動顯示當前發生超差的通道及相應的發生時間。窗口中部為加速度數據波形顯示框，下部分別為溫、濕度數據波形顯示框，所有波形顯示框恒定展示過去10 s 的數據。

3.4.2 數據回放

當軟件進入數據回放窗口，系統在默認路徑下將歷次試驗任務以時間順序表格展示，操作人員可點選某一時間的文件夾，系統將立即展示該時間文件夾下的歷次全程試驗任務數據。若點擊某次的全程數據文件，該次試驗的所有通道全程數據將自動在后臺加載，并可以表格和波形圖的形式顯示；同時加載的還有該次試驗任務的報警情況及觸發高速存儲數據的列表；如點擊任一觸發數據，則該數據被加載至觸發顯示區域，以表格或波形圖的形式顯示。在數據回放窗口中可生成試驗報告，針對某次試驗任務的統計結果將以表格的形式首先展示在試驗報告中，報告中的附圖均可通過數據回放軟件自由粘貼。

4 現場實測

4.1 工況介紹

對該航天器公路運輸包裝箱環境監測系統進行衛星轉運真實路況的現場測試，基于覆蓋衛星產品質量范圍的考慮，采用不同質量的模擬負載進行測試，模擬負載及加速度傳感器均定義豎直向上為+z向。

4.2 測試情況

測試完成后利用配套軟件進行數據回放的結果如圖9 所示，窗口展示了包裝箱內濕度變化曲線和減振后某次加速度超差時的前/后各5 s 加速度波形。由圖可見，數據及報警情況記錄完整，回放功能完備。

圖9 數據回放窗口Fig.9 Data playback window

4.3 結果分析

全程4 h 的加速度時域數據如圖10 所示，A1_z（紅色）和A2_z（藍色）分別為減振前、后的z向加速度變化曲線，全程數據記錄采樣率為128 Hz；綠色為車速的變化曲線?？梢钥闯觯囕v在通過顛簸路段或減速帶時進行了主動減速，同時相應的顛振加速度值變大；對比紅/藍色曲線，也可以明顯看出包裝箱的減振效果顯著。

圖10 z 向加速度與車速的時域變化曲線Fig.10 Time domain variation curve of z-direction acceleration and vehicle speed

圖11 為包裝箱內溫、濕度變化曲線，可以看到，大部分時間段內，艙內溫度處于21 ℃附近，濕度在35%RH左右；相對艙外，溫度降低了5 ℃左右，濕度提升了25%以上。圖中02:30:00 附近處，艙外溫度明顯升高，這是由于車輛在丁字路口掉頭，車身外的溫度傳感器處于陽光直射下造成的。

圖11 包裝箱內溫、濕度變化曲線Fig.11 Variation curve of temperature and humidity of the packing cabin

5 結束語

本文設計航天器公路運輸環境包裝箱監測系統，基于NI 軟硬件平臺搭建硬件系統，設計軟件流程，開發配套監測和數據回放軟件，實現加速度、溫濕度和車速多種類型信號的實時記錄與實時超差報警。經道路實測，該監測系統設計功能完備，運行穩定可靠。后續軟件可集成加速度信號的頻域分析功能，便于評估減振效果；也可在硬件上完善物理量監測，如增設與海拔密切相關的氣壓監測等。