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1、卫星工程概论（上）李建辉2018/08/29目录第一章第一章 概概论第二章第二章地球空地球空间环境特征及其境特征及其对航天航天器影响器影响第三章第三章 卫星星总体体设计第四章第四章卫星星轨道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 卫星星结构与机构构与机构第七章第七章卫星星热控制控制第八章第八章卫星姿星姿态控制与控制与轨道控制道控制第一章概第一章概论1.1 航天与航天与卫星工程星工程1.2 人造人造卫星的分星的分类和和应用用1.3 卫星系星系统的的组成成1.4 卫星和星和卫星工程特点星工程特点1.5 世界人造世界人造卫星的星的发展展趋势1.6 中国中国卫星工程的成就和展望星工程的成就
2、和展望1.1 航天与卫星工程1.11 航天与航空系航天与航空系统航天航天航天活航天活动空空间资源源三大三大资源：信息、材料、能源源：信息、材料、能源空空间科学科学三大三大领域互相域互相联系系航天技航天技术空空间应用用航天系航天系统航天器航天器执行任行任务的的飞行器，空行器，空间飞行器行器航天运航天运输系系统运运载器、运器、运输器、器、轨道机道机动飞行器和行器和轨道道转移移飞行器行器航天航天发射射场航天航天测控网控网应用系用系统用用户系系统航天系航天系统分分类是否是否载人人无人及无人及载人航天系人航天系统用途用途民用及民用及军用用航天器种航天器种类卫星工程系星工程系统通信通信卫星工程、气象星工程
3、、气象卫星工程、星工程、导航航卫星系星系统、侦查卫星航天系星航天系统载人人飞船工程船工程月球月球卫星星1.1 航天与卫星工程卫星星应用用卫星技星技术利用利用卫星技星技术可在众多可在众多领域域应用用卫星星应用用领域域卫星通星通讯卫星遥感星遥感卫星气象、星气象、卫星海洋、星海洋、卫星星资源和源和卫星星侦查卫星星导航航卫星空星空间应用用物理物理观测、空、空间天文（天文（观测）、（空、（空间）微重力）微重力实验技技术卫星星应用用系系统卫星通星通讯系系统通信通信卫星星地面地面卫星星测控站控站卫星通信地球站星通信地球站陆地、海洋、空中地、海洋、空中卫星气象星气象观测系系统气象气象卫星星地面地面应用系用系统
4、指令和数接收站指令和数接收站资料料处理中心理中心运行控制中心运行控制中心地面通信系地面通信系统中小中小规模模应用站用站数据收集平台数据收集平台卫星星导航航导航航卫星网星网地面台站地面台站用用户定位定位设备1.2 人造卫星的分类和应用科学科学卫星星空空间物理探物理探测卫星星空空间物理物理现象及象及过程程进行探行探测天文天文卫星星宇宙天体和其他空宇宙天体和其他空间物物质微重力科学微重力科学实验卫星星应用用卫星星通信通信卫星星单颗覆盖全球覆盖全球40%民用民用卫星星军用用卫星星气象气象卫星星极极轨气象气象卫星（也称太阳同步星（也称太阳同步轨道道卫星）星）地球静止地球静止轨道气象道气象卫星星地球地球资
5、源源卫星星利用星利用星载遥感技遥感技术获取地物目取地物目标辐射和射和发射的多射的多种波段信息种波段信息海洋海洋卫星星利用利用红外和微波遥感器外和微波遥感器导航航卫星星侦察察卫星星照相照相侦查卫星星电子子侦查卫星星海洋海洋监视卫星星导弹预警警小型小型卫星星卫星星座星星座技技术试验卫星星用于空用于空间技技术和空和空间应用技用技术的原理性的原理性试验1.3 卫星的系统组成有效载荷卫星平台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
6、星工程特点卫星主要特星主要特点点运运动方式方式环境条件境条件长寿命可靠寿命可靠自自动化程度化程度卫星工程主星工程主要特点要特点设计特点特点多学科，多技多学科，多技术，考考虑因数因数较多多试验特点特点主要主要为环境模境模拟制造特点制造特点制作制作难度高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 地球空地球空间环境特征及其境特征及其对航天器影响航天器影响2.1 概述概述2.2 航
7、天器主要航天器主要轨道上的道上的环境特征境特征2.3 空空间环境境对航天器的影响航天器的影响2.4 航天器研制航天器研制对空空间环境的需求境的需求2.5 空空间环境境预报与与监测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磁场等离子体和低能等离子体和低能带电粒子粒子高能高能带电粒子粒子电磁磁辐射射流星体和空
8、流星体和空间碎片碎片对轨道的影响道的影响高层大气、电离气体、太阳辐射、日月摄动、地球非球形对姿姿态的影响的影响地球磁场、高层大气阻力矩负三次方影响对材料表面的影响材料表面的影响机构和化学损伤高能高能带电粒子粒子损伤航天器电子元器件充充电效效应等离子电子充电光电子离去带正电对温度的影响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、
9、运行阶段监视空间环境变化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空间环境的境的变化化规律律11年年变化化太阳黑子数太阳黑子数规律性律性变化化27天天变化化太阳自太阳自转引起引起突突发性性太阳表面耀斑、日冕物太阳表面耀斑、日冕物质抛射等抛射等太阳太阳扰动向向地球空地球空间环境境扰动太阳太阳总电磁磁辐射射强度度等离子体等离子体高能高能带电粒子粒子空空间环境境检测连续性、性、稳定性、定性、实时性性空空间环境境预报以以经验和和统计关系关系为基基础以以扰动发生和生和传播播为基基础第三章 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
10、 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 概述总体设计基本任务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，
11、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 任务分析用用户任任务任任务要求要求及初步分及初步分析析卫星星轨道道类型和型和选择卫星研制星研制技技术流程流程 初步制定初步制定约束条件确定束条件确定提出提出总体方案体方案设想想关关键技技术分析分析轨道类型应用范围地球静止轨道及星座国际通信、通信广播、海事通信、区域通信、区域导航及气象观测等太阳同步（回归）及其星座地球资源观测、全球气象观测、空间探测等甚低轨道返回式遥感卫星、载人飞船、航天飞机、空间站等临界倾角大椭圆轨道（12h
12、）空间环境探测和科学技术试验卫星、三颗组网可是下高纬度连续通信高（20000km）、中（1000km）低轨道全球覆盖全球通信网、全球导航、全球环境监测3.3 卫星可行性总体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体性性能能指指标预算算卫星星构构型型质量量特特征征动力力学学分分析析方方案案评估估及及对分分系系统要要求求
13、3.5 总体详细设计3.6 总体设计展望 随着卫星就计算技术发展，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 卫星星轨道道4.1 概述概述4.2 卫星星轨道力学道力学4.3 轨道道设计4.4 几种常用几种常用轨道道4.5 轨道确定道确定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
14、研究空间大气，引力磁场等。 然而需要注意的是，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道参数选择卫星食星食星下点星下点轨迹迹太阳高度角太阳高度角计算算发射窗口射窗口卫星星轨道寿命道寿命近地近地卫星的星的轨道控制道控制变轨策略策略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GPS轨道双星定位卫星组网中继卫星4.5 轨道确定l初轨确定概况利用少量测量数据
15、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、研究限制条件3、合理分配技术指标4
16、、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 地球资源卫星有效载荷光学成像遥感器多光谱类遥
17、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主要探测对象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
18、星有效载荷5.7 侦查卫星有效载荷成像侦查卫星电子侦查卫星导弹预警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 第六章第六章 卫星星结构与机构构与机构6.1 概述概述6.2 卫星星结构与机构的材料构与机构的材料6.3 卫星星结构的构的设计和分析和分析6.4 卫星机构的星机构的设计与分析与分析6.5 卫星星结构与机构的构与机
19、构的实验验证6.1 概述机械系机械系统卫星星结构构主主结构构次次结构构卫星机构星机构链接分离接分离压紧释放放展开展开驱动6.2 卫星结构与机构材料 对材材料料的的要要求求金属材金属材料料镁合金、合金、镁合金、合金、钛合金合金金属材料金属材料与复合材与复合材料的比料的比较材料的材料的应用和用和发展展复合材复合材料料纤维材料、材料、基体材料基体材料6.3 卫星结构的设计与分析6.4 卫星机构设计与分析 6.5 卫星结构与机构的实验验证 结构构验证研制研制实验静静载加加载实验正弦正弦压力力鉴定定实验 噪声噪声环境境实验随即振随即振动验收收实验 火工品冲火工品冲击热真空和真空和热循循环分析分析证实实验
20、热结构构机机构构验证功能功能试验空空间环境境第七章第七章 卫星星热控制控制7.1 概述概述7.2 卫星星热设计7.3 卫星星热控制技控制技术7.4 卫星星热试验7.5 展望展望7.1 概述 热控制就是通控制就是通过对卫星内外的星内外的热交交换过程的控制，程的控制，保保证卫星各部位及星各部位及载荷正常工作的温度荷正常工作的温度。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、热分析计算热计算与方案设计同步进行，包括轨道计算、外
21、流热计算和温度计算4、再入卫星的防热7.2 卫星热设计 7.3 卫星热控技术被动热控制技术主主动热控控制技制技术卫星星应用用制冷技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 卫星热试验地面模拟空间热环境热平衡试验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357.5 展望1.热设计理念
22、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 卫星姿星姿态控制与控制与轨道控制道控制8.1 概述概述8.2 卫星姿星姿态动力学和运力学和运动学学8.3 姿姿态确定确定8.4 姿姿态控制控制8.5 轨道运道运动与与轨道道动力学力学8.6 轨道控制道控制8.7 卫星星座的星星座的轨道控制道控制8.1 概述任任务轨道控制任道控制任务变轨轨道保持道保持返回控制返回控制轨道交会道交会姿姿态控制任控制任务自旋自旋稳定定三三轴稳定定分分类组成成卫星姿星姿
23、态和和轨道控道控制制被被动控制控制主主动控制控制卫星控制系星控制系统星上自主控制星上自主控制星星-地大回路控制地大回路控制姿姿态和和轨道控制部道控制部件件敏感器敏感器控制器控制器执行机构行机构8.2 卫星姿态动力学和运动学参考坐参考坐标系系与运与运动学工学工程程参考坐参考坐标系系赤道、星体、赤道、星体、轨道、道、质心平心平动坐坐标系系姿姿态参数的描述参数的描述方向余弦、四元方向余弦、四元数、欧拉角数、欧拉角运运动学方程学方程动力学方程力学方程钢体体动力学力学带有有扰动性附件和液体燃料性附件和液体燃料储存存8.3 姿态确定自旋卫星自旋轴姿态确定三轴稳定卫星的三轴姿态确定姿态确定的状态估计8.4
24、姿态控制自旋卫星姿态控制依靠装在卫星上的推力器双自旋卫星的消旋控制采用锁相伺服系统，使天线指向指定区域自旋卫星的章动主动章动、章动阻尼控制三轴稳定卫星的三轴姿态控制零动量系统偏置动量系统姿态捕获根据目的和星上能源确定捕获方式磁控以磁强计为测量基础，以磁力矩器为执行机构复合控制平台姿态和有效载荷复合，互相补偿8.6 轨道控制 8.6 轨道控制 地球静止轨道卫星的轨道控制轨道保持再入和返回控制远地点、轨道倾角、东西定点捕获控制落点精度、再入大气层的卫星表面受热限制8.6 轨道控制 8.7 卫星星座的轨道控制地面控制地面控制自主控制系自主控制系统谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH
