卫星总体方案设计概要课件

1、2022/10/11第 1 页三、卫星总体方案设计2022/10/10第 1 页三、卫星总体方案设计2022/10/11第 2 页飞行器现代设计方法 卫星总体方案设计3.1 概述3.2 总体性能参数预算与分配3.3 卫星轨道设计3.4 卫星构型设计3.5 卫星可靠性设计2022/10/10第 2 页飞行器现代设计方法 2022/10/11第 3 页卫星总体方案设计 概述所谓设计，便是创制某一产品之前的构思和体现这一构思结果的过程工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求（系统要求）转化为一组能完整描述系统的参数（文档或图纸）的活动过程 2022/10/10第 3 页卫

2、星总体方案设计 2022/10/11第 4 页卫星总体方案设计 概述 卫星设计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，将设计要求转化为一组能完整描述卫星的参数的过程。2022/10/10第 4 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 5 页卫星总体方案设计 概述制造设计要求概念设计（Conceptual Design）初步设计（Preliminary Design）详细设计（Detail Design）外部设计总体设计2022/10/10第 5 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 6 页卫星总体方

3、案设计 概述 A阶段(可行性论证阶段)：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。要完成任务合理的卫星配置是什么？研制中有什么难点(重大成本、计划和技术问题)？应该做哪些主要的比较研究和分析？花费的成本是多少？需要多长时间？2022/10/10第 6 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 7 页卫星总体方案设计 概述 B阶段(详细定义阶段)：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，进行关键部件的研制。完成任务的最佳卫星设计方案是什么？为什么？所包含的风险是什么？实现的计划是什么？成本估算是多少？是否有为确保计划所必需的长周期项目？2022/10/10第

4、7 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 8 页卫星总体方案设计 概述 C/D阶段(初样产品研制阶段)：完成所有的设计和分析、准备制造图纸和特定项目、完成所有的开发和定量测试以及制造飞行硬件和验收测试。完成各阶段的系统级功能测试；热试验模拟测试；力学环境测试？与地面战的通信链路的检查？任务模拟和环境实验？2022/10/10第 8 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 9 页卫星总体方案设计 概述 E阶段(飞行产品研制阶段)：完成系统正样设计、飞行产品生产、各类环境试验、发射实施和射前测试以及在轨测试及应用维护。2022/10/10第 9 页卫星总体方案设计 2022/10/11第

5、 10 页卫星总体方案设计 概述 卫星总体设计：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。 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关的设计活动。2022/10/10第 10 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 11 页卫星总体方案设计 概述“管中窥豹” 结构在设计过程中的演变详细设计专注于每一个细节尺寸与参数初步设计表示出截面变化概念设计仅仅是一个平面！“简单任务”？2022/10/10第 11 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 12 页卫星总体方案设计 概述 卫星总体方案设计的基本任务：将卫星的需求转变为对卫星的设计要求，把设计要

6、求具体和明确为设计任务书。选择和确定实现整体功能输出和适应外部环境的卫星内部结构 卫星总体方案设计的基本点：获得所需的功能和适应外部环境。2022/10/10第 12 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 13 页卫星总体方案设计 概述（决定的费用）（消耗的费用）2022/10/10第 13 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 14 页卫星总体方案设计 概述2022/10/10第 14 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 15 页卫星总体方案设计 概述总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策投入的人员和花费相对较少，但却决定了一颗卫星大约80%的全寿命周期成

7、本设计阶段人员比例概念设计1初步设计9详细设计902022/10/10第 15 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 16 页卫星总体方案设计 概述高度的综合性 综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调 从孤立专业的角度设计出的飞机气动力把机身、发动机等降低气动效率的部件统统去掉！动力装置飞机？“会飞的发动机”？！重量重量工程师的梦想航模飞机？布鲁恩米勒2022/10/10第 16 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 17 页卫星总体方案设计 概述反复循环迭代的过程概念设计流程参数选择与权衡研究设计分析设计方案设计要求“Design Wheel”2022/10/

8、10第 17 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 18 页卫星总体方案设计 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质量特性参数质量特性参数包括重量、质心和转动惯量。有效载荷性能参数有效载荷性能参数的选择，是总体方案可行性论证是否能完成用户提出的任务要求的最主要参数。卫星轨道特性决定卫星的轨道形状、高低以及卫星在空间运动的方向和飞行时间2022/10/10第 18 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 19 页卫星总体方案设计 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电源系统参数电源功率、蓄电池容量以及供电电压等卫星姿轨控精度参数控制精度和控制稳定

9、度着陆速度返回式卫星，着陆速度参数。2022/10/10第 19 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 20 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配(1) 目标分辨率： 1m （500km高度轨道）(2) 成像幅宽： 100km(3) 高程精度： 5m(4) 目标定位精度： 10m2022/10/10第 20 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 21 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配卫星平台总体方案主要技术指标 (1) 轨道 轨道高度500km（太阳同步圆轨道） 轨道倾角97.4 交点周期94.6min 交点地方时11:00 (2) 发射方式 CZ-2C、CZ-2D

10、等单独发射 (3) 姿态控制系统 三轴姿态测量精度0.0001/s 三轴指向精度0.05 三轴姿态稳定度0.0001/s 姿态机动角速度3/s 机动后稳定时间小于20s2022/10/10第 21 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 22 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配卫星平台总体方案主要技术指标 (5) 电源系统 供电阵输出功率（末期）1156W 蓄电池组额定容量50Ah(14节25Ah单体电池，2并7并) (6) 卫星质量与功耗 卫星总质量干重660kg；燃料75kg；总重735kg 有效载荷质量350kg 有效载荷比48% 一次电源长期功耗278W (7) 设计寿命与

11、可靠性 设计寿命2年 可靠性0.652022/10/10第 22 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 23 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配功能分析：卫星的功能是卫星个组成部分协同作用和有序工作的结果，卫星与外部环境的适应关系也需由卫星各组成部分相互配合才能实现，因此必须将指标分解到各分系统。 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系，分解或转化到各分系统的设计工作。2022/10/10第 23 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 24 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配 把卫星各项主要功能自上而下按层次逐级分解为若干

12、功能成分。2022/10/10第 24 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 25 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配 功能流程图通过对功能逐级分解得到，能展示各功能间的时间逻辑顺序关系。2022/10/10第 25 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 26 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配2022/10/10第 26 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 27 页卫星总体方案设计 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不可预见的事情发生，且随着研制工作的推进和深入，部分指标有上升趋势，故指标分配要留有适当余地。 技术新或复杂成分多的项

13、目，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。2022/10/10第 27 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 28 页卫星总体方案设计 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： 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; 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;2022/10/10第 28 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 29 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分

14、配 总体方案的数学模型是在确定了卫星内部结构的基础上，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，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计限制作为约束条件通过设计变量或功能(性能)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，形成可用数学手段求解的数学模型。2022/10/10第 29 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 30 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配 设计变量：各种尺寸、轨道要素， 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。 设计变量与功能变量之间的关系 设计变量满足约束关系，

15、如运载能力、寿命 目标函数2022/10/10第 30 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 31 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配多学科优化MDO(Multidiscipinary Optimization)多学科优化结果形式如下：2022/10/10第 31 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 32 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配系统名称质量(kg)备 注平台系统姿态控制81.5 姿态敏感器和控制执行机构电源与总体电路85.0含太阳电池阵、蓄电池组、电源控制器、配电器和星上电缆网等结构与机构64.0含结构板、安装支架和电池阵驱动机构等平台电子系统6.0星

16、务管理、姿轨控处理与控制、热控管理等测控 7.5测控应答机、天线等 推进30.0贮箱、管道和推力器等热控17.5热控材料有效载荷立体成像探测相机300数据压缩、存储与数传50含数据压缩、存储器和数传模块 设计余量18.5卫星干重660推进剂75单组元卫星总重7352022/10/10第 32 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 33 页卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配系 统 名 称可 靠 性 结构与机构0.97热 控0.97平台电子学系统0.92电源与总体电路0.96测控通信0.95姿态控制0.92有效载荷0.90 整 星0.652022/10/10第 33 页卫星总体方案设计

17、 2022/10/11第 34 页3.3、卫星轨道设计2022/10/10第 34 页3.3、卫星轨道设计2022/10/11第 35 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 卫星在外层空间实现对地面服务的功能，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。 由卫星轨道和星座表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。2022/10/10第 35 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 36 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计2022/10/10第

18、 36 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 37 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计轨道J2长期摄动2022/10/10第 37 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 38 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计轨道J2长期摄动2022/10/10第 38 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 39 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计太阳同步轨道2022/10/10第 39 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 40 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计太阳同步轨道2022/10/10第 40 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 41 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计回归轨

19、道2022/10/10第 41 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 42 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计H=700 KmPeriod 98 mini = 98.82022/10/10第 42 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 43 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 卫星轨道方案设计遵循的基本原则：满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现创造良好的条件。2022/10/10第 43 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 44 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 卫星轨道设计的出发点：满足任务需求对地观测任务：高的地面分辨率，近地近圆

20、轨道，可见光成像，800Km左右太阳同步轨道空间科学探测：探测较深远的空间，一般采用大偏心率椭圆轨道通信卫星任务：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。2022/10/10第 44 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 45 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 卫星轨道设计的出发点：满足任务需求导航卫星任务：减少大气阻力摄动，保持多普勒频移和降低传递误差，选择中高圆轨道电子侦察任务：兼顾定位精度和轨道寿命，选择400-500Km近圆或圆轨道返回式卫星任务：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。2022/10/10第 45 页卫星总体方案设计 2022

21、/10/11第 46 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 卫星轨道设计的出发点：满足任务需求2022/10/10第 46 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 47 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 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：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：轨道设计时需要考虑地面测控系统的布局和性能与应用系统的关系：卫星成果需传输或送回地面，保证成果有效地为地面利用。2022/10/10第 47 页卫星总体方案设计 2022/10/11第 48 页卫星总体方案设计 卫星轨道设计 外部环境对轨道设计的制约关系与外层空间环境的关系：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不良影响；与外部技术、经济环境的关系：卫星成果需传输或送回地