卫星工程概论上

1、卫星工程概论（上）2018/08/29.目目录录第一章第一章 概论概论第二章第二章地球空间环境特征及其对航天地球空间环境特征及其对航天器影响器影响第三章第三章 卫星总体设计卫星总体设计第四章第四章卫星轨道卫星轨道第五章第五章卫星有效载荷卫星有效载荷第六章第六章 卫星结构与机构卫星结构与机构第七章第七章卫星热控制卫星热控制第八章第八章卫星姿态控制与轨道控制卫星姿态控制与轨道控制.第一章概论第一章概论1.1 航天与卫星工程航天与卫星工程1.2 人造卫星的分类和应用人造卫星的分类和应用1.3 卫星系统的组成卫星系统的组成1.4 卫星和卫星工程特点卫星和卫星工程特点1.5 世界人造卫星的发展趋势世界人

2、造卫星的发展趋势1.6 中国卫星工程的成就和展望中国卫星工程的成就和展望.1.1 航天与卫星工程1.11 航天与航空系统航天与航空系统航天航天航天活动航天活动空间资源空间资源三大资源：信息、材料、能源三大资源：信息、材料、能源空间科学空间科学三大领域互相联系三大领域互相联系航天技术航天技术空间应用空间应用航天系统航天系统航天器航天器执行任务的飞行器，空间飞行器执行任务的飞行器，空间飞行器航天运输系统航天运输系统运载器、运输器、轨道机动飞行器和轨道转移飞行运载器、运输器、轨道机动飞行器和轨道转移飞行器器航天发射场航天发射场航天测控网航天测控网应用系统应用系统用户系统用户系统航天航天系统系统分类分

3、类是否载人是否载人无人及载人航天系统无人及载人航天系统用途用途民用及军用民用及军用航天器种类航天器种类卫星工程系统卫星工程系统通信卫星工程、气象卫星工程、通信卫星工程、气象卫星工程、导航卫星系统、侦查卫星航天系导航卫星系统、侦查卫星航天系统统载人飞船工程载人飞船工程月球卫星月球卫星.1.1 航天与卫星工程卫星应用卫星应用卫星技术卫星技术利用卫星技术可在众多领域应用利用卫星技术可在众多领域应用卫星应用领域卫星应用领域卫星通讯卫星通讯卫星遥感卫星遥感卫星气象、卫星海洋、卫星卫星气象、卫星海洋、卫星资源和卫星侦查资源和卫星侦查卫星导航卫星导航卫星空间应用卫星空间应用物理观测、空间天文（观物理观测、空

4、间天文（观测）、（空间）微重力实验测）、（空间）微重力实验技术技术卫星应用卫星应用系统系统卫星通讯系统卫星通讯系统通信卫星通信卫星地面卫星测控站地面卫星测控站卫星通信地球站卫星通信地球站陆地、海洋、空中陆地、海洋、空中卫星卫星气象气象观测系统观测系统气象卫星气象卫星地面应用系统地面应用系统指令和数接收站指令和数接收站资料处理中心资料处理中心运行控制中心运行控制中心地面通信系统地面通信系统中小规模应用站中小规模应用站数据收集平台数据收集平台卫星导航卫星导航导航卫星网导航卫星网地面台站地面台站用户定位设备用户定位设备.1.2 人造卫星的分类和应用科学卫星科学卫星空间物理探测卫星空间物理探测卫星空间

5、物理现象及过程进行探测空间物理现象及过程进行探测天文卫星天文卫星宇宙天体和其他空间物质宇宙天体和其他空间物质微重力科学实验卫星微重力科学实验卫星应用卫星应用卫星通信卫星通信卫星单颗覆盖全球单颗覆盖全球40%民用卫星民用卫星军用卫星军用卫星气象卫星气象卫星极轨气象卫星（也称太阳同步轨道卫星）极轨气象卫星（也称太阳同步轨道卫星）地球静止轨道气象卫星地球静止轨道气象卫星地球资源卫星地球资源卫星利用星载遥感技术获取地物目标辐射和发射的多利用星载遥感技术获取地物目标辐射和发射的多种波段信息种波段信息海洋卫星海洋卫星利用红外和微波遥感器利用红外和微波遥感器导航卫星导航卫星侦察卫星侦察卫星照相侦查卫星照相侦

6、查卫星电子侦查卫星电子侦查卫星海洋监视卫星海洋监视卫星导弹预警导弹预警小型卫星小型卫星卫星星座卫星星座技术试验卫技术试验卫星星用于空间技术和空间应用技术的原理性试验用于空间技术和空间应用技术的原理性试验.1.3 卫星的系统组成有效载荷有效载荷卫星平台卫星平台科学探测和实验类有效载荷信息获取类有效载核信息传输类有效载核信息基准类有效载荷机构与机构分系统热控制分系统电源分系统姿态与轨道控制分系统推进分系统测控分系统数据管理分系统总体电路分系统返回分系统.1.4 卫星和卫星工程特点卫星主要特卫星主要特点点运动方式运动方式环境条件环境条件长寿命可靠长寿命可靠自动化程度自动化程度卫星工程主卫星工程主要特

7、点要特点设计特点设计特点多学科，多技术，多学科，多技术，考虑因数较多考虑因数较多试验特点试验特点主要为环境模拟主要为环境模拟制造特点制造特点制作难度高制作难度高管理特点管理特点.1.5 世界人造卫星发展趋势通信卫星高信息传输比、提高覆盖气象卫星新的遥感技术地球资源发展融合技术、高分辨率海洋卫星海洋水色、地形和动力导航卫星改善已有卫星，形成导航网侦查卫星改善遥感技术、提高自防能力小型卫星性能好结构优秀的星座网.第二章第二章 地球空间环境特征及其对航天器影响地球空间环境特征及其对航天器影响2.1 概述概述2.2 航天器主要轨道上的环境特征航天器主要轨道上的环境特征2.3 空间环境对航天器的影响空间

8、环境对航天器的影响2.4 航天器研制对空间环境的需求航天器研制对空间环境的需求2.5 空间环境预报与监测空间环境预报与监测.2.1 概述三个阶段研创初期、全面普查、收集资料编制部分静态模式：太阳电磁辐射、流星体、地球磁场、地球大气、地球辐射带等研究航天器与可能因数的相互作用，并制定航天飞机和空间站设计标准.2.2 航天器主要轨道上的环境特征四种轨道：低轨道100-1000km中轨道1000-10000km地球同步36000km行星际飞行轨道中性气体中性气体磁场磁场等离子体和低能带电粒子等离子体和低能带电粒子高能带电粒子高能带电粒子电磁辐射电磁辐射流星体和空间碎片流星体和空间碎片.对轨道的影响对

9、轨道的影响高层大气、电离气体、太阳辐射、日月摄动、地球非球形对姿态的影响对姿态的影响地球磁场、高层大气阻力矩负三次方影响对材料表面的影响对材料表面的影响机构和化学损伤高能带电粒子高能带电粒子损伤航天器电子元器件充电效应充电效应等离子电子充电光电子离去带正电对温度的影响对温度的影响太阳能电磁辐射、大气层反射、空间背景辐射单粒子事件单粒子事件高能粒子穿越半导体造成电离，导致逻辑错误2.3 空间环境对航天器的影响.2.4 航天器研制对空间环境的需求1、可行性阶段对总体方案选择和决策2、方案设计阶段空间环境因数是航天器设计的重要因数3、生产阶段选择合适元器件4、发射阶段选择空间环境稳定期5、运行阶段监

10、视空间环境变化6、发生异常及故障阶段及时收集分析环境数据以判定或排除.2.5 空间环境预报与监测空间环境的空间环境的变化规律变化规律11年变化年变化太阳黑子数规律性变化太阳黑子数规律性变化27天变化天变化太阳自转引起太阳自转引起突发性突发性太阳表面耀斑、日冕物质抛射等太阳表面耀斑、日冕物质抛射等太阳扰动向太阳扰动向地球空间环地球空间环境扰动境扰动太阳总电磁辐射强度太阳总电磁辐射强度等离子体等离子体高能带电粒子高能带电粒子空间环境检空间环境检测测连续性、稳定性、实时性连续性、稳定性、实时性空间环境预空间环境预报报以经验和统计关系为基础以经验和统计关系为基础以扰动发生和传播为基础以扰动发生和传播为

11、基础.第三章 卫星总体设计3.1 概述3.2 任务分析3.3 卫星可行性总体方案论证3.4 卫星总体设计方案3.5 总体详细设计3.6 总体设计展望.3.1 概述 理论基础 卫星系统总体设计是卫星系统研制的顶层设计。卫星设计与系统工程观念了解系统学六个基本特征系统与工程结合形成系统工程概念系统工程方法.3.1 概述系统工程概念三个系统的观念目的、环境和过程两个过程运用自然规律、控制过程分析和综合观念行动程序观念价值和时间观念创造思维观念试验验证反馈协调整体最优系统工程方法建立于系统工程观念、解决问题的辩证程序。.3.1 概述总体设计基本总体设计基本任务任务按客户要求转化为性能参数，并分解到各分

12、系统中，最终完按客户要求转化为性能参数，并分解到各分系统中，最终完成总体详细设计成总体详细设计设计原则系统满足客户需求，具有整体性、层次性、创新性、继承性远侧，因此也具有阶段性，当然效益性原则需要考虑。卫星设计的特点和要求1）空间环境适应2）各系统的互相约束3）高可靠和高安全4）高度自主控制功能5）制定研制技术流程6）满足公用平台设计要求.3.2 任务分析用户任务用户任务任务任务要求要求及初步分及初步分析析卫星轨道类型和选择卫星轨道类型和选择卫星研制卫星研制技术流程技术流程 初步制定初步制定约束条件确定约束条件确定提出总体方案设想提出总体方案设想关键技术分析关键技术分析.3.3 卫星可行性总体

13、方案论证方案分析和综合分系统组成、论证实现卫星技术的途径、卫星构型初步设计卫星与卫星工程接口不同分系统与大系统接口协调卫星总体性能指标分析明确指标内容及分析方法论方案优选满足条件下选择合理方案总体优化设计按照优化原则作为最优设计方案论证报告和技术要求可行性报告分系统技术要求环境模拟试验要求.3.4 卫星总体设计方案设计总体性能指标预算总体性能指标预算卫星构型卫星构型质量特征质量特征动力学分析动力学分析方案方案评估及对评估及对分系统要求分系统要求.3.5 总体详细设计1、总装设计2、总体电路设计3、卫星整体综合测试4、卫星整体环境模拟试验方案的制定.3.6 总体设计展望 随着卫星就计算技术发展，

14、卫星总体设计技术也得到很大的进步，目前应用卫星箱大型复杂多能化和微小型一体化两个方向发展。 这需要我们在创新思路、设计内容、设计手段提出更高要求，例如：分仓设计、一星多用。采用新型分析技术等。.第四章第四章 卫星轨道卫星轨道4.1 概述概述4.2 卫星轨道力学卫星轨道力学4.3 轨道设计轨道设计4.4 几种常用轨道几种常用轨道4.5 轨道确定轨道确定.4.1 概述 轨道力学是卫星应用及设计的基本要求，是研究航天器质心运动规律的学科，其主要任务是精确解算任意时刻卫星质量位置和速度。 卫星轨道的实时监测对卫星状态的了解，导航应用等具有极大意义，且能更好的研究空间大气，引力磁场等。 然而需要注意的是

15、，卫星与经典力学中自然天体研究有较大不同，需要更多的人为精确控制卫星运行也使得对轨道力学进行更基础更深的理解。.4.2 卫星轨道力学坐标系二体问题一些重要近视解常数变易法和摄动方程卫星运动方程.4.2 卫星轨道力学卫星运动方程地球非球形摄动加速度大气阻力太阳引力摄动加速度运球引力摄动太阳光压辐射.4.3 轨道设计共同性问题轨道参数选择轨道参数选择卫星食卫星食星下点轨迹星下点轨迹太阳高度角计算太阳高度角计算发射窗口发射窗口卫星轨道寿命卫星轨道寿命近地卫星的轨道控制近地卫星的轨道控制变轨策略变轨策略.4.4 几种常用轨道常用轨道太阳同步轨道回归轨道冻结轨道地球静止轨道.4.5 轨道确定l初轨确定概

16、况利用少量测量数据计算轨道根数，必须具备三个地理位置时间点l利用卡尔曼滤波的轨道改进方法用大量观测数据来优化轨道，最常用的为最小二乘法和卡尔曼滤波方法.4.5 轨道确定.第五章 卫星有效载荷5.1 概述5.2 通信微信有效载荷5.3 地球卫星有效载荷5.4 气象卫星有效载荷5.5 海洋卫星有效载荷5.6 导航卫星有效载荷5.7 侦查微信有效载荷5.8 科学卫星有效载荷.5.1 概述卫星有效载荷的分类A有效载荷设计的一般原则B有效载荷设计的一般技术要求C 卫星有效载荷是指实行卫星在轨任特定任务的仪器、设备和分系统1、科学探测和实验2、信息获取3、信息传输4、信息基准1、理解用户需求2、研究限制条

17、件3、合理分配技术指标4、优化设计.5.1 概述一般技术要求1、对环境的适应性2、质量、体积、功耗与可靠性3、与卫星平台之间的特定关系4、满足与应用系统的特定关系.5.2 通信卫星有效载荷基本组成与工作原理天线系统转发器系统性能参数和主要考虑与通信有关及通信质量有关的参数在规定的频段、带宽、服务区覆盖要求下对指标进行合理的分配.5.2 通信卫星有效载荷 东方红五号平台卫星通，信量达数百Gbps，中国通信卫星由此迈入“高通量时代”，切具有“高承载、大功率、高散热、长寿命、可扩展、多适应”等特点，性能大幅度提高。.5.3 地球资源卫星有效载荷用于地球资源探测和环境监测的遥感卫星.5.3 地球资源卫

18、星有效载荷光学成像遥感器多光谱类遥感器高空间分辨率遥感器成像光谱仪有源微波遥感器合成孔径雷达（SAR）数据传输设备.5.4 气象卫星有效载核遥感器名称遥感器名称主要探测对象主要探测对象卫星类型卫星类型可见光及红外扫描辐射计云及地表景象，目标反射率和温度极轨，静止大气红外垂直有探测仪大气温度计水汽垂直分布极轨，静止太阳紫外后向散射仪臭氧垂直分布及总量极轨微波辐射计大气温度计水汽垂直分布极轨微波成像仪水汽含量及降水、海绵风速极轨.5.4 气象卫星有效载核扫描辐射成像仪扫描辐射成像仪大气探测仪大气探测仪.5.5 海洋卫星有效载荷 海洋卫星可探测内容较多，如水色要素、叶绿素、悬浮海洋卫星可探测内容较多

19、，如水色要素、叶绿素、悬浮物、海平面拓扑、探测海洋动力环境等。物、海平面拓扑、探测海洋动力环境等。光学遥感器海洋水色扫描仪CCD成像仪微波遥感器雷达高度计微波散射计.5.6 导航卫星有效载荷低轨测速卫星导航系统全球定位系统地球同步卫星测定系统.5.7 侦查卫星有效载荷成像侦查卫星成像侦查卫星电子侦查卫星电子侦查卫星导弹预警卫星导弹预警卫星海洋监视卫星海洋监视卫星直接观察方式，提高分辨为主要方向，顺带传输器通过通信情报及电子情报。运用星载红外对各种导弹发射提前探测通过微信遥感对海面船舰和水下潜艇进行跟踪、监视.5.8 科学卫星有效载荷科学探测有效载荷空间带电粒子探测器空间辐射效应探测器太阳辐射探

20、测器科学实验有效载荷空间材料实验搭载实验设备空间生物科学实验搭载生物仓. 第六第六章章 卫星结构与机构卫星结构与机构6.1 概述概述6.2 卫星结构与机构的材料卫星结构与机构的材料6.3 卫星结构的设计和分析卫星结构的设计和分析6.4 卫星机构的设计与分析卫星机构的设计与分析6.5 卫星结构与机构的实验验证卫星结构与机构的实验验证.6.1 概述机械系统机械系统卫星结构卫星结构主结构主结构次结构次结构卫星机构卫星机构链接分离链接分离压紧释放压紧释放展开展开驱动驱动.6.2 卫星结构与机构材料 对对材材料料的的要要求求金属材金属材料料镁合金、镁合金、镁合金、镁合金、钛合金钛合金金属材料金属材料与复

21、合材与复合材料的比较料的比较材料的应材料的应用和发展用和发展复合材复合材料料纤维材料、纤维材料、基体材料基体材料.6.3 卫星结构的设计与分析设计要求设计原则载荷确定结构分析结构优化设计.6.4 卫星机构设计与分析 设计原则机构分析设计要求.6.5 卫星结构与机构的实验验证 结结构构验验证证研制研制实验实验静载静载加载实验加载实验正弦正弦压力压力鉴定实验鉴定实验 噪声噪声环境实验环境实验随即振动随即振动验收实验验收实验 火工品冲击火工品冲击热真空和热循环热真空和热循环分析证实实验分析证实实验热结构热结构机机构构验验证证功能试验功能试验空间环境空间环境.第七章第七章 卫星热控制卫星热控制7.1

22、概述概述7.2 卫星热设计卫星热设计7.3 卫星热控制技术卫星热控制技术7.4 卫星热试验卫星热试验7.5 展望展望.7.1 概述 热控制就是通过对卫星内外的热交换过程的控制，热控制就是通过对卫星内外的热交换过程的控制，保证卫星各部位及载荷正常工作的温度保证卫星各部位及载荷正常工作的温度。地面段上升段轨道段返回段四个阶段3个基本空间环境真空和低温地球大气环境太阳辐射.7.2 卫星热设计1、卫星热设计的任务和原则热设计任务根据飞行任务选择合理方案设备温度热设计原则便于分析计算热措施在工艺上可控热控制系统的质量不超过3%-5%2、热控制系统的方案设计热设计基本条件设计工况选择热控措施3、热分析计算

23、热计算与方案设计同步进行，包括轨道计算、外流热计算和温度计算4、再入卫星的防热.7.2 卫星热设计 再入轨道再入轨道弹道式弹道式飞翔式飞翔式起伏式起伏式防热方法防热方法吸热式吸热式辐射防热辐射防热烧蚀防热烧蚀防热.7.3 卫星热控技术被动热控被动热控制技术制技术主动热控主动热控制技术制技术卫星应用卫星应用制冷技术制冷技术热控涂层吸收与发射多层隔热材料保持合适温度热管毛细结构抽力相变热控材料潜热高，固-液可逆辐射式主动热控控制辐射热阻传导式主动热控控制传导通路热阻对流式主动热控机械驱动液体对流辐射制冷辐射制冷器低温液体闭式循环固态剂制冷开式循环消耗工质.7.4 卫星热试验地面地面模拟模拟空间空间

24、热环热环境境热平衡试验1、试验卫星模型2、试验工况确定3、实验过程及其参数启动加热试验利用液氮和红外热流可模拟加热制冷过程地面调温试验热缩比试验比例模型2:14:1，结果相差35.7.5 展望1.热设计理念2.热控制技术3.热分析技术4.研究新的热试验验证方法 卫星除了提高使用水平外，必将向大型的，长寿命的乃至深空探测方向发展，同时也会向微型、集成度高的方向发展，这给卫星热控技术带来新的挑战.第八章第八章 卫星姿态控制与轨道控制卫星姿态控制与轨道控制8.1 概述概述8.2 卫星姿态动力学和运动学卫星姿态动力学和运动学8.3 姿态确定姿态确定8.4 姿态控制姿态控制8.5 轨道运动与轨道动力学轨道运动与轨道动力学8.6 轨道控