卫星总体方案设计

1、2021-12-27第第 1 页页2021-12-27第第 2 页页飞行器现代设计方法飞行器现代设计方法 卫星总体方案设计卫星总体方案设计2021-12-27第第 3 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述2021-12-27第第 4 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 卫星设计卫星设计是指设计人员应用航天动力学、是指设计人员应用航天动力学、结构力学、工程热物理、工程控制论、电子结构力学、工程热物理、工程控制论、电子技术、计算机技术、推进技术等学科知识通技术、计算机技术、推进技术等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能完

2、整描述卫星的参数的过程。一组能完整描述卫星的参数的过程。2021-12-27第第 5 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述设计要求设计要求概念设计概念设计（Conceptual Design）初步设计初步设计（Preliminary Design）详细设计详细设计（Detail Design）外部设计外部设计2021-12-27第第 6 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 A阶段阶段(可行性论证阶段可行性论证阶段)：完成概念设计最佳：完成概念设计最佳方案的选择、可行性验证、技术解决方法的定义。方案的选择、可行性验证、技术解决方法的定义。2021-12-27第第 7 页页卫

3、星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 B阶段阶段(详细定义阶段详细定义阶段)：详细定义系统和分系：详细定义系统和分系统设计细节，产生分系统需求和设计规范，进行统设计细节，产生分系统需求和设计规范，进行关键部件的研制。关键部件的研制。2021-12-27第第 8 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 C/D阶段阶段(初样产品研制阶段初样产品研制阶段)：完成所有的设：完成所有的设计和分析、准备制造图纸和特定项目、完成所有计和分析、准备制造图纸和特定项目、完成所有的开发和定量测试以及制造飞行硬件和验收测试。的开发和定量测试以及制造飞行硬件和验收测试。2021-12-27第第 9 页页卫

4、星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 E阶段阶段(飞行产品研制阶段飞行产品研制阶段)：完成系统正样设：完成系统正样设计、飞行产品生产、各类环境试验、发射实施和计、飞行产品生产、各类环境试验、发射实施和射前测试以及在轨测试及应用维护。射前测试以及在轨测试及应用维护。2021-12-27第第 10 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 卫星总体设计卫星总体设计：广义而言，是指以卫星系统：广义而言，是指以卫星系统为对象的所有设计活动与技术协调活动。为对象的所有设计活动与技术协调活动。 狭义地讲，是指在概念研究、可行性论证以狭义地讲，是指在概念研究、可行性论证以及方案设计阶段与卫星系统有

5、关的设计活动。及方案设计阶段与卫星系统有关的设计活动。2021-12-27第第 11 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计初步设计表示出截面变化表示出截面变化概念设计仅仅是一个平面！“简单任务简单任务”？2021-12-27第第 12 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述 卫星总体方案设计的基本任务卫星总体方案设计的基本任务：将卫星的需：将卫星的需求转变为对卫星的设计要求，把设计要求具体和求转变为对卫星的设计要求，把设计要求具体和明确为设计任务书。选择和确定实现整体功能输明确为设计任务书。选择和确定实现整体功能输出和适应外部环境的卫

6、星内部结构出和适应外部环境的卫星内部结构 卫星总体方案设计的基本点卫星总体方案设计的基本点：获得所需的功：获得所需的功能和适应外部环境。能和适应外部环境。2021-12-27第第 13 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述（决定的费用）（决定的费用）（消耗的费用）（消耗的费用）2021-12-27第第 14 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述2021-12-27第第 15 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述2021-12-27第第 16 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述高度的综合性高度的综合性 综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科综合考虑设计

7、要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调专业间的权衡与协调 从孤立专业的角度从孤立专业的角度气动力气动力把机身、发动机等降低气把机身、发动机等降低气动效率的部件统统去掉！动效率的部件统统去掉！动力装置动力装置飞机？飞机？“会飞的发动机会飞的发动机”？！？！重量重量重量工程师的梦想重量工程师的梦想航模飞机？航模飞机？布鲁恩米勒布鲁恩米勒2021-12-27第第 17 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 概述概述2021-12-27第第 18 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 卫星总体性能参数的分类与确定卫星总体性能参数的分类与确定卫星质量

8、特性参数卫星质量特性参数有效载荷性能参数有效载荷性能参数卫星轨道特性卫星轨道特性2021-12-27第第 19 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 卫星总体性能参数的分类与确定卫星总体性能参数的分类与确定卫星电源系统参数卫星电源系统参数卫星姿轨控精度参数卫星姿轨控精度参数着陆速度着陆速度2021-12-27第第 20 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 21 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 22 页页

9、卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 23 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 卫星总体性能指标的分配是将定量化表示出卫星总体性能指标的分配是将定量化表示出的卫星功能或性能以及规定了的与外部环境的关的卫星功能或性能以及规定了的与外部环境的关系，分解或转化到各分系统的设计工作。系，分解或转化到各分系统的设计工作。2021-12-27第第 24 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 把 卫 星 各把 卫 星 各项主要功能自项主要功能自上而下

10、按层次上而下按层次逐级分解为若逐级分解为若干功能成分。干功能成分。2021-12-27第第 25 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 功 能 流 程功 能 流 程图通过对功能图通过对功能逐级分解得到，逐级分解得到，能展示各功能能展示各功能间的时间逻辑间的时间逻辑顺序关系。顺序关系。1.0 生产 2.0 总装和测试 3.0 发射和部署 4.0 飞行任务操作 6.0 应急 操作 5.0 培训 7.0 失效报废 或 4.1 搜索森林火灾 4.2 发现森林火灾 4.3 跟踪已发现的森林火灾 4.4 确定对地定位数据 4.5 应急 操作 4.6 确定火灾级

11、别 与 4.4.1 估计星历表 4.4.2 估计卫星姿态 4.4.5 估计惯性定向矢量 4.4.6 估算地球椭球半径 4.4.7 估计森林火灾惯性坐标 与 与 4.4.3 估计敏感器指向误差 与 4.4.4 修正敏感器安装误差 4.4.8 换算成当地地理坐标 2021-12-27第第 26 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 27 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 设计余量的处理：卫星的研制过程中有设计余量的处理：卫星的研制过程中有不可预见的事情发生，且随着研制工作的推不可

12、预见的事情发生，且随着研制工作的推进和深入，部分指标有上升趋势，故指标分进和深入，部分指标有上升趋势，故指标分配要留有适当余地。配要留有适当余地。 技术新或复杂成分多的项目，设计余量技术新或复杂成分多的项目，设计余量要较大要较大; ; 设计阶段越靠前，设计余量要较大设计阶段越靠前，设计余量要较大; ; 设计师的经验丰富，设计余量留得适当。设计师的经验丰富，设计余量留得适当。2021-12-27第第 28 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 卫星分系统间存在线性的关系，也存在非卫星分系统间存在线性的关系，也存在非线性的关系，设计指标中有加和性和相干

13、性的线性的关系，设计指标中有加和性和相干性的指标，不同的设计指标采用不同的分配方法：指标，不同的设计指标采用不同的分配方法： 有些指标不存在分配，如卫星轨道要素；有些指标不存在分配，如卫星轨道要素； 有些指标可以直接进行分配，如卫星质量有些指标可以直接进行分配，如卫星质量; ; 还有一些要经过分析和转换后才能分配，还有一些要经过分析和转换后才能分配，如卫星的准确度指标和可靠性指标如卫星的准确度指标和可靠性指标; ;2021-12-27第第 29 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 总体方案的数学模型是在确定了卫星内总体方案的数学模型是在确定了卫星

14、内部结构的基础上，用数学表达式来描述卫星部结构的基础上，用数学表达式来描述卫星总体设计各变量间的相互作用和因果关系，总体设计各变量间的相互作用和因果关系，用于总体设计优化。用于总体设计优化。 总体方案的数学模型就是把对卫星的设总体方案的数学模型就是把对卫星的设计限制作为约束条件通过设计变量或功能计限制作为约束条件通过设计变量或功能( (性能性能) )变量的一组不等式表示出来，把最能变量的一组不等式表示出来，把最能反映主要设计要求的量做为目标函数，形成反映主要设计要求的量做为目标函数，形成可用数学手段求解的数学模型。可用数学手段求解的数学模型。2021-12-27第第 30 页页卫星总体方案设计

15、卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配 设计变量：各种尺寸、轨道要素，设计变量：各种尺寸、轨道要素，m21.,xxxX 功能变量：地面分辨率、定位精度，卫星功能功能变量：地面分辨率、定位精度，卫星功能是卫星内部组成和外部环境相互作用的结果。是卫星内部组成和外部环境相互作用的结果。m21.,),(yyyZXYY 设计变量与功能变量之间的关系设计变量与功能变量之间的关系rjhj1,2,.,0),(YX 设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命sii1,2,.,0)(Xgsii1,2,.,0)(|XgXR 目标函数目标函数1,|)(),.(

16、)(1pffpRXXXXF2021-12-27第第 31 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配卫星功能要求 确定卫星组成 选择变量 设计变量 X 功能变量 Y 建立分析方法 0),(YXjh 环境变量 Z 形成约束条件 0)(Xgi 选择目标函数 pfff,.,21F 确定评价函数 )(FVV 求最优解 多学科优化多学科优化MDOMDO(Multidiscipinary (Multidiscipinary Optimization)Optimization)MDOeDesicipliniDesign)(多学科优化多学科优化结果形式如下：结果形式如下

17、：2021-12-27第第 32 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 33 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配总体性能参数确定与分配2021-12-27第第 34 页页2021-12-27第第 35 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 卫星在外层空间实现对地面服务的功能，卫星在外层空间实现对地面服务的功能，其前提在于使卫星达到并运行于某一适合任其前提在于使卫星达到并运行于某一适合任务需求的空间轨道。务需求的空间轨道。 由卫星轨道和星座表征的卫星在外层空由卫星轨道和星座表

18、征的卫星在外层空间的分布情况和运动规律，决定了卫星在外间的分布情况和运动规律，决定了卫星在外层空间和空间覆盖的性能。层空间和空间覆盖的性能。 卫星轨道设计与外部工程环境、运行环卫星轨道设计与外部工程环境、运行环境、返回环境以及技术和经济环境的关系密境、返回环境以及技术和经济环境的关系密切，还直接影响到卫星的内部结构。切，还直接影响到卫星的内部结构。2021-12-27第第 36 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计2021-12-27第第 37 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计轨道轨道J2J2长期摄动长期摄动22222222020,0,0

19、,33cos ,5cos1243123sin14eeedadedidtdtdtRRddJniJ nidtpdtpRdMnnJiedtp 2021-12-27第第 38 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计轨道轨道J2J2长期摄动长期摄动2021-12-27第第 39 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计太阳同步轨道太阳同步轨道2021-12-27第第 40 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计太阳同步轨道太阳同步轨道2021-12-27第第 41 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计回归轨道

20、回归轨道2021-12-27第第 42 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计H=700 KmPeriod 98 mini = 98.82021-12-27第第 43 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 卫星轨道方案设计遵循的基本原则卫星轨道方案设计遵循的基本原则：满：满足卫星执行的航天任务的需求，适应卫星的足卫星执行的航天任务的需求，适应卫星的外部环境，可为卫星及其各分系统的功能实外部环境，可为卫星及其各分系统的功能实现创造良好的条件。现创造良好的条件。2021-12-27第第 44 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨

21、道设计 卫星轨道设计的出发点卫星轨道设计的出发点：满足任务需求：满足任务需求对地观测任务对地观测任务：高的地面分辨率，近地近圆轨：高的地面分辨率，近地近圆轨道，可见光成像，道，可见光成像，800Km左右太阳同步轨道左右太阳同步轨道空间科学探测空间科学探测：探测较深远的空间，一般采用：探测较深远的空间，一般采用大偏心率椭圆轨道大偏心率椭圆轨道通信卫星任务通信卫星任务：保证覆盖大范围，一般采用高：保证覆盖大范围，一般采用高轨道；为了保证连续通信，需要星座。轨道；为了保证连续通信，需要星座。2021-12-27第第 45 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 卫星轨道设计的

22、出发点卫星轨道设计的出发点：满足任务需求：满足任务需求导航卫星任务导航卫星任务：减少大气阻力摄动，保持多普：减少大气阻力摄动，保持多普勒频移和降低传递误差，选择中高圆轨道勒频移和降低传递误差，选择中高圆轨道电子侦察任务电子侦察任务：兼顾定位精度和轨道寿命，选：兼顾定位精度和轨道寿命，选择择400-500Km近圆或圆轨道近圆或圆轨道返回式卫星任务返回式卫星任务：近地圆轨道，返回时刻卫星：近地圆轨道，返回时刻卫星的瞬时轨道面内包含预定的着陆场。的瞬时轨道面内包含预定的着陆场。2021-12-27第第 46 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 卫星轨道设计的出发点卫星轨道

23、设计的出发点：满足任务需求：满足任务需求2021-12-27第第 47 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 外部环境对轨道设计的制约关系外部环境对轨道设计的制约关系与运载器和发射场的关系与运载器和发射场的关系：运载性能、费用影：运载性能、费用影响卫星的入轨方式和星上分系统设置；发射场响卫星的入轨方式和星上分系统设置；发射场的地理位置、允许射向影响轨道和卫星方案；的地理位置、允许射向影响轨道和卫星方案；与测控网的关系与测控网的关系：轨道设计时需要考虑地面测：轨道设计时需要考虑地面测控系统的布局和性能控系统的布局和性能与应用系统的关系与应用系统的关系：卫星成果需传输或送回地：卫星成果需传输或送回地面，保证成果有效地为地面利用。面，保证成果有效地为地面利用。2021-12-27第第 48 页页卫星总体方案设计卫星总体方案设计 卫星轨道设计卫星轨道设计 外部环境对轨道设计的制约关系外部环境对轨道设计的制约关系与外层空间环境的关系与外层空间环境的关系：稀薄大气对卫星产生：稀薄大气对卫星产生阻力影响轨道寿命；内、外辐射带对卫星造成阻力影响轨道寿命；内、外辐射带对卫星造成不良影响；不良影响；与外部技术、经济环境的关系与外部技术、经济环境的关系：卫星成果需传：卫星成果需传输或送回地面，保证成果有效地为地面利用。输或送回地面，保证成果有效地