包邮空间系统导论:设计与综合

1绪论1.1本书的目的1.2总体架构定义过程中的角色1.3系统总体架构定义阶段的观点1.4设计与实现是一个不断演进的过程1.5项目阶段和项目评审1.6什么是空间系统1.7术语1.8建议补充阅读2空间学科2.1空间系统工程2.1.1集成与控制2.1.2接口管理2.1.3需求工程1绪论1.1本书的目的1.2总体架构定义过程中的角色1.3系统总体架构定义阶段的观点1.4设计与实现是一个不断演进的过程1.5项目阶段和项目评审1.6什么是空间系统1.7术语1.8建议补充阅读2空间学科2.1空间系统工程2.1.1集成与控制2.1.2接口管理2.1.3需求工程2.1.4系统分析2.1.5设计和配置定义2.1.6验证2.2空间系统架构设计2.2.1传统角色中的系统设计师2.2.2架构定义的形式化2.3项目管理2.4卫星工程学科2.4.1结构2.4.2热控2.4.3机构2.4.4姿态控制2.4.5推进2.4.6电力2.4.7数据处理2.4.8软件2.4.9通信2.5仪器工程2.6工程支持学科2.6.1制造组装、集成、验证和测试工程2.6.2产品保证2.6.3卫星飞行操作2.6.4卫星数据输出处理2.6.5成本工程2.7用户： 任务背后的科学家3需求、规格和设计3.1系统分解的层次3.2规格和需求的类型3.2.1规格的类型3.2.2需求的类型3.2.3技术规格需求3.3需求工程3.4数值工程3.4.1不同的需求数值3.4.2系统效能度量3.5需求与验证4约束条件与设计4.1需求与约束条件4.2空间项目的外部环境4.2.1STEP分析4.2.2预测与场景分析4.3精选的过往空间项目历史4.3.1私人与公共通信和对地观测4.3.2阿波罗计划4.4作为约束条件的计划性框架4.5依据项目目标划分的项目类型4.5.1能力验证 4.5.2技术验证 4.5.3科学进步4.5.4运营 4.6依据项目风险度的项目类型4.7依据项目规模的项目类型4.8成本4.8.1自上而下的成本估算4.8.2自下而上的成本估算4.8.3成本估算的风险4.8.4单颗卫星与多颗卫星的成本4.9风险约束条件4.9.1质量风险管理4.9.2量化风险管理4.9.3技术成熟度与技术开发4.9.4开发方法与样机思想4.10进度约束条件4.11管理趋势作为约束条件5作为共时过程的系统设计5.1空间系统要素5.2系统规格、系统设计和系统设计师5.3针对约束条件的设计5.3.1成本5.3.2风险5.3.3进度5.4针对需求的设计5.5设计工具5.5.1分析与设计5.5.2功能分析与功能分解5.5.3权衡与设计5.5.4预算分配工程5.5.5并行工程5.5.6可靠性5.6设计与任务性能5.6.1任务效能度量5.6.2效能度量限制5.6.3安全余量、过失与错误5.7决策的非数值支持5.8决策的数值支持5.8.1确定性方法5.8.2不确定性情况下的非概率数值方法5.8.3概率方法6作为历时过程的系统定义6.1循环及线性的系统定义过程6.2作为递归过程的系统定义6.3作为线性过程的系统定义6.3.10阶段6.3.2A阶段6.3.3B1阶段6.4任务里程碑和评审6.4.1评审程序6.4.2任务定义阶段期间的评审6.5并行开发6.5.1技术成熟度的提高6.5.2科学理解的进步7设计域概述7.1设计交互和设计域7.1.1观测量和仪器域7.1.2轨道和姿态域 7.1.3卫星构型域7.1.4卫星操作数据流域7.1.5仪器输出数据流域7.2作为空间系统设计示例的天文台任务7.2.1任务描述7.2.2任务比较7.2.3天文台任务的顶层设计交互7.3多星设计7.3.1数据量和数据质量与卫星数量的关系7.3.2任务寿命与卫星数量的关系7.4体系8观测量与仪器域8.1观测量和仪器选择8.2观测量和仪器域所涉及的要素和部件8.2.1无源光学8.2.2有源光学8.2.3无源微波8.2.4有源微波8.2.5原位仪器8.2.6通信载荷8.3仪器实例8.3.1风神8.3.2詹姆斯·韦布空间望远镜8.3.3哨兵38.3.4热带云8.3.5尤利西斯8.4观测需要作为设计驱动8.4.1观测频率和大气8.4.2数据质量8.4.3图像变形8.4.4数据量8.4.5系统式与交互式观测8.4.6响应能力，捕获延迟和滞后8.4.7观测目标和视线的旋转8.4.8仪器接口8.5作为设计驱动因素的端到端性能8.6功能分配8.6.1扫描8.6.2内部和外部校准8.6.3固体孔径、可展开孔径、合成孔径8.6.4分辨率与高度 8.7预算分配8.7.1辐射测量的质量8.7.2MTF8.7.3端到端性能9轨道与姿态域9.1涉及本域的要素和部件9.1.1运载火箭9.1.2轨道确定和修正工具9.1.3姿态确定和控制工具9.2空间环境作为轨道和姿态设计的驱动因素9.2.1引力场9.2.2地球磁场9.2.3中性大气9.2.4太阳辐射9.2.5电离层辐射9.2.6地球以外的空间环境9.3姿态和姿态类型9.3.1无控卫星姿态9.3.2重力梯度姿态控制9.3.3自旋稳定姿态控制9.3.4双旋和动量偏置姿态控制9.3.5惯性稳定姿态控制9.4轨道及轨道类型9.4.1低地球轨道9.4.2LEO太阳同步轨道9.4.3中等高度地球轨道9.4.4地球同步轨道和地球静止轨道9.4.5长周期地球轨道9.4.6拉格朗日点9.4.7行星际轨道9.4.8绕其他行星的轨道9.5任务阶段、模式及卫星姿态9.6轨道和姿态示例9.6.1哨兵-39.6.2尤利西斯9.6.3铱星9.6.4昴宿星9.7卫星周围的几何关系9.7.1天底指向的卫星9.7.2自旋卫星9.7.3惯性卫星9.8指向控制、指向扰动和指向修正9.8.1卫星和仪器的指向及指向扰动 9.8.2指向控制、指向扰动力矩、图像获取和频率范围9.8.3指向误差的类型9.9功能分配9.9.1轨道选择9.9.2姿态选择9.9.3覆盖及重访9.10预算分配9.10.1卫星位置9.10.2仪器视线指向和恢复9.10.3指向稳定性实现和恢复9.10.4地理定位9.10.5配准9.10.6重新指向敏捷性要求9.10.7速度增量和燃料9.10.8机械扰动9.11星座的实现与保持10卫星构型域10.1本域的组成部分10.1.1结构10.1.2热 10.1.3机械10.1.4太阳能电池阵10.2作为构型驱动因素的外部环境10.2.1运载火箭10.2.2负荷环境10.2.3热辐射环境： 太阳、地球和深空10.2.4空间环境产生的外部压力和力矩10.2.5电磁辐射环境10.2.6外部环境的其他影响10.3构型实例10.3.1海洋环流探测卫星10.3.2尤利西斯号10.3.3JWST10.3.4铱星10.4围绕着卫星的几何与构型10.4.1天底指向卫星10.4.2自旋卫星10.4.3惯性指向卫星10.4.4敏捷卫星10.5功能分配10.5.1主体结构形状10.5.2可展开的结构与机构： 固定的与展开的10.5.3标准平台与专用平台10.5.4被动与主动热控10.5.5仪器指向与卫星指向10.6性能分配10.6.1质量预算10.6.2热预算10.6.3功率生成预算10.6.4校准预算10.6.5体积预算11操作数据流域11.1与本域相关的在轨要素11.1.1电源子系统11.1.2卫星数据管理子系统11.1.3遥测与遥控数据通信子系统11.2包含在本域中的地面要素11.2.1操作地面站与数据中继卫星11.2.2任务操作控制中心11.3任务阶段11.3.1发射及早期运行段11.3.2卫星试运行阶段11.3.3正常运行阶段11.3.4安全模式和其他休眠模式11.3.5正常轨道修正机动11.3.6退役与离轨处置11.4数据管理架构实例11.4.1Cluster任务11.4.2罗塞塔11.4.3哨兵-311.4.4SSTL-DMC11.5功能分配11.5.1计划式与交互式操作11.5.2自主运行与地面干预11.5.3快指令与慢指令11.5.4操作地面站的数量及其位置11.5.5轨道确定与控制功能分配11.6性能分配11.6.1功率预算11.6.2通信链路预算11.6.3计算机负荷预算11.6.4星载运算存储器11.6.5数据获取时延预算11.6.6服务等级与可用度预算12仪器输出数据流域12.1本域包含的在轨部件12.1.1仪器输出数据处理12.1.2仪器数据输出下行链路12.2包含在本域的地面部件12.2.1仪器下行数据接收地面站和数据中继卫星12.2.2有效载荷数据地面段12.3架构的例子12.3.1Cluster12.3.2罗塞塔12.3.3哨兵-312.3.4NOAA-POESS任务12.4功能分配12.4.1大数据量与小数据量12.4.2短数据延迟与长数据延迟12.4.3现有的、待获取的和已订购的产品12.4.4在轨与地面处理12.4.5地面站的数量和位置12.4.6集中式与分散式处理12.4.7独立的科学操作或作为整体操作一部分的科学操作12.5性能分配12.5.1星载存储内存预算12.5.2数据下行链路预算12.5.3数据延迟预算13空间任务成本与替代设计方法13.1空间任务和成本13.2降低成本的方法13.2.1适当的架构定义13.2.2硬件优化13.2.3组织优化13.2.4以组织和硬件为中心： 在精简的项目组织领导下的小型简单卫星13.3没有投资方/用户二元性的项目13.4极低创新度项目，没有客户的项目13.5成本工程是艺术和科学