卫星总体方案设计概要
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风险评估
通过 继续 设计
2018/10/26
第 26 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目，设计余量 要较大; 设计阶段越靠前，设计余量要较大;
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
2018/10/26
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
4.4.1 4.4.5
与
4.4.7
与
4.4.8
估计星 历表
4.4.2
估计惯性 定向矢量
估计森林火 灾惯性坐标
换算成当地 地理坐标
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。
估计卫 星姿态
4.4.3
与
4.4.4
修正敏感器 安装误差
4.4.6
估计敏感器 指向误差
估算地球 椭球半径
三轴姿态测量精度
三轴指向精度
0.0001º /s
0.05º
三轴姿态稳定度
姿态机动角速度 机动后稳定时间
0.0001º /s
3º /s 小于20s
2018/10/26
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
(5) 电源系统 供电阵输出功率（末期） 蓄电池组额定容量 1156W 50Ah(14节25Ah单体电池，2并7并) 干重660kg；燃料75kg；总重735kg 350kg 48%
2018/10/26
第 23 页
卫星总体方案设计
卫星
总体性能参数确定与分配
1 4 2 3
1.1 1.3 4.1 4.3 4.4 3.3 3.4 4.2 3.1 3.2 1.4 2.3 2.4 1.2 2.1 2.2
把卫星各 项主要功能自 上而下按层次 逐级分解为若 干功能成分。
2018/10/26
设计师的经验丰富，设计余量留得适当。
2018/10/26
第 27 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;
0.97 0.97 0.92 0.96 0.95 0.92 0.90 0.65
2018/10/26
第 33 页
三、卫星总体方案设计
2018/10/26
第1页
飞行器现代设计方法 3.1 概述
卫星总体方案设计
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
2018/10/26
第2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
5m
10m
2018/10/26
第 20 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 轨道倾角 500km（太阳同步圆轨道） 97.4º
交点周期
交点地方时 (2) 发射方式 (3) 姿态控制系统
94.6min
11:00 CZ-2C、CZ-2D等单独发射
2018/10/26
第 29 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， X x1, x2 ..., xm
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。
Y Y ( X , Z ) y1 , y2 ..., ym
30.0 17.5 300 50
测控应答机、天线等
贮箱、管道和推力器等 热控材料
含数据压缩、存储器和数传模块
设计余量
卫星干重 推进剂 卫星总重
18.5
660 75 735
单组元
2018/10/26
第 32 页
卫星总体方案设计
系 统 名 称
总体性能参数确定与分配
可 靠 性
结构与机构 热 控 平台电子学系统 电源与总体电路 测控通信 姿态控制 有效载荷 整 星
2018/10/26
第 10 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
概念设计 仅仅是一个平面！ 初步设计 表示出截面变化
“简单任务”？
详细设计
专注于每一个细节 尺寸与参数
2018/10/26
第 11 页
卫星总体方案设计
概述
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。 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
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;
2018/10/26
第 28 页
卫星总体方案设计
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 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。
gi ( X ) 0
F f1 , f 2 ,... f p
多学科优化结果形式如下：
Design ( i Desicipline ) MDO
确定评价函数
V V (F )
求最优解
2018/10/26
第 31 页
卫星总体方案设计
系统名称
姿态控制
平 台 系 统 电源与总体电路 结构与机构 平台电子系统
（Conceptual Design）
外部设计
初步设计
（Preliminary Design）
总 体 设 计
详细设计 （Detail Design） 制造
2018/10/26
第5页
卫星总体方案设计
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？
卫 星 概 念 性 设 计 卫 星 可 行 方 案 设 计 方 案 设 计 卫 星 总 体 详 细 设 计 卫 星 总 体
卫 星 外 部 设 计
卫 星 方 案 设 计
方分 案系 设统 计
卫 星 详 细 设 计
详分 细系 设统 计
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。
(6) 卫星质量与功耗
卫星总质量 有效载荷质量 有效载荷比
一次电源长期功耗
(7) 设计寿命与可靠性 设计寿命 可靠性
278W
2年 0.65
2018/10/26
第 22 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。 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。
设计变量与功能变量之间的关系
h j ( X ,Y ) 0 j 1,2,..., r
R X | gi ( X ) 0 i 1,2,..., s
设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命
gi ( X ) 0 i 1,2,..., s
目标函数
F ( X ) f1 ( X ),... f p ( X ) | X R, p 1
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？
2018/10/26
第8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。
2018/10/26
第9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。
动力装置 飞机？ “会飞的发动机”？！
布鲁恩＆米勒
2018/10/26
第 16 页
卫星总体方案设计
反复循环迭代的过程
概述
参数选择与 权衡研究
设计要求
设计分析
设计方案
“Design Wheel”
概念设计流程
2018/10/26
第 17 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
2018/10/26
第 25 页
卫星总体方案设计
系统方案
总体性能参数确定与分配
和 需 求 描 述
系 统 性 能 参 数
系统指标 分配分析
系统级验证软件/平台 预想分配 分系统预 算分析 分系统级 试验
第一轮修改 协调各种修改
不合理分配 方案处理
系统级验 证试验 第二轮修改 考虑其他可选择方案 没通过
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？
2018/10/26
第6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？
设计阶段 概念设计 初步设计 详细设计 人员比例 1％ 9％ 90％
2018/10/26
第 15 页
卫星总体方案设计
高度的综合性
概述
—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
重量 重量工程师的梦想 －航模飞机？
气动力 把机身、发动机等降低气 动效率的部件统统去掉！
2018/10/26
第3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。
2018/10/26
第4页
卫星总体方案设计
设计要求
概述
概念设计
总体性能参数确定与分配
备 注
质量(kg)
81.5
85.0 64.0 6.0
姿态敏感器和控制执行机构
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
含结构板、安装支架和电池阵驱动机构等
星务管理、姿轨控处理与控制、热控管理等
测控
推进 热控 有效载 荷 立体成像探测相机 数据压缩、存储与数传
7.5
第 24 页
卫星总体方案设计
1.0 2.0 3.0 4.0 7.0
或
总体性能参数确定与分配
失效报 废
生产
总装和 测试
发射和 部署
飞行任 务操作
5.0
培训
6.0
应急 操作
4.1
4.2
4.3
4.4
4.6
与
搜索森 林火灾
发现森 林火灾
跟踪已发现 的森林火灾
确定对地 定位数据
4.5
确定火 灾级别
应急 操作
2018/10/26
第 12 页
卫星总体方案设计
概述
（决定的费用） （消耗的费用）
2018/10/26
第 13 页
卫星总体方案设计
概述
2018/10/26
第 14 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Biblioteka Baidu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%的全寿命周期成本
2018/10/26
第 30 页
卫星总体方案设计
卫星功能要求 确定卫星组成
总体性能参数确定与分配
环境变量 Z
选择变量 设计变量 X 功能变量 Y
多学科优化MDO (Multidiscipinary Optimization)
建立分析方法
h j ( X ,Y ) 0
形成约束条件
选择目标函数
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度
着陆速度
返回式卫星，着陆速度参数。
2018/10/26
第 19 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： (2) 成像幅宽：
1m （500km高度轨道） 100km
(3) 高程精度：
(4) 目标定位精度：
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？
2018/10/26
第7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；
通过 继续 设计
2018/10/26
第 26 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目，设计余量 要较大; 设计阶段越靠前，设计余量要较大;
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
2018/10/26
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
4.4.1 4.4.5
与
4.4.7
与
4.4.8
估计星 历表
4.4.2
估计惯性 定向矢量
估计森林火 灾惯性坐标
换算成当地 地理坐标
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。
估计卫 星姿态
4.4.3
与
4.4.4
修正敏感器 安装误差
4.4.6
估计敏感器 指向误差
估算地球 椭球半径
三轴姿态测量精度
三轴指向精度
0.0001º /s
0.05º
三轴姿态稳定度
姿态机动角速度 机动后稳定时间
0.0001º /s
3º /s 小于20s
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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） 蓄电池组额定容量 1156W 50Ah(14节25Ah单体电池，2并7并) 干重660kg；燃料75kg；总重735kg 350kg 48%
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卫星总体方案设计
卫星
总体性能参数确定与分配
1 4 2 3
1.1 1.3 4.1 4.3 4.4 3.3 3.4 4.2 3.1 3.2 1.4 2.3 2.4 1.2 2.1 2.2
把卫星各 项主要功能自 上而下按层次 逐级分解为若 干功能成分。
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设计师的经验丰富，设计余量留得适当。
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第 27 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;
0.97 0.97 0.92 0.96 0.95 0.92 0.90 0.65
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三、卫星总体方案设计
2018/10/26
第1页
飞行器现代设计方法 3.1 概述
卫星总体方案设计
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
2018/10/26
第2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
5m
10m
2018/10/26
第 20 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 轨道倾角 500km（太阳同步圆轨道） 97.4º
交点周期
交点地方时 (2) 发射方式 (3) 姿态控制系统
94.6min
11:00 CZ-2C、CZ-2D等单独发射
2018/10/26
第 29 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， X x1, x2 ..., xm
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。
Y Y ( X , Z ) y1 , y2 ..., ym
30.0 17.5 300 50
测控应答机、天线等
贮箱、管道和推力器等 热控材料
含数据压缩、存储器和数传模块
设计余量
卫星干重 推进剂 卫星总重
18.5
660 75 735
单组元
2018/10/26
第 32 页
卫星总体方案设计
系 统 名 称
总体性能参数确定与分配
可 靠 性
结构与机构 热 控 平台电子学系统 电源与总体电路 测控通信 姿态控制 有效载荷 整 星
2018/10/26
第 10 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
概念设计 仅仅是一个平面！ 初步设计 表示出截面变化
“简单任务”？
详细设计
专注于每一个细节 尺寸与参数
2018/10/26
第 11 页
卫星总体方案设计
概述
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。 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
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;
2018/10/26
第 28 页
卫星总体方案设计
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 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。
gi ( X ) 0
F f1 , f 2 ,... f p
多学科优化结果形式如下：
Design ( i Desicipline ) MDO
确定评价函数
V V (F )
求最优解
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第 31 页
卫星总体方案设计
系统名称
姿态控制
平 台 系 统 电源与总体电路 结构与机构 平台电子系统
（Conceptual Design）
外部设计
初步设计
（Preliminary Design）
总 体 设 计
详细设计 （Detail Design） 制造
2018/10/26
第5页
卫星总体方案设计
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？
卫 星 概 念 性 设 计 卫 星 可 行 方 案 设 计 方 案 设 计 卫 星 总 体 详 细 设 计 卫 星 总 体
卫 星 外 部 设 计
卫 星 方 案 设 计
方分 案系 设统 计
卫 星 详 细 设 计
详分 细系 设统 计
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。
(6) 卫星质量与功耗
卫星总质量 有效载荷质量 有效载荷比
一次电源长期功耗
(7) 设计寿命与可靠性 设计寿命 可靠性
278W
2年 0.65
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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。 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。
设计变量与功能变量之间的关系
h j ( X ,Y ) 0 j 1,2,..., r
R X | gi ( X ) 0 i 1,2,..., s
设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命
gi ( X ) 0 i 1,2,..., s
目标函数
F ( X ) f1 ( X ),... f p ( X ) | X R, p 1
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？
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第8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。
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第9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。
动力装置 飞机？ “会飞的发动机”？！
布鲁恩＆米勒
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卫星总体方案设计
反复循环迭代的过程
概述
参数选择与 权衡研究
设计要求
设计分析
设计方案
“Design Wheel”
概念设计流程
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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
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卫星总体方案设计
系统方案
总体性能参数确定与分配
和 需 求 描 述
系 统 性 能 参 数
系统指标 分配分析
系统级验证软件/平台 预想分配 分系统预 算分析 分系统级 试验
第一轮修改 协调各种修改
不合理分配 方案处理
系统级验 证试验 第二轮修改 考虑其他可选择方案 没通过
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？
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第6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？
设计阶段 概念设计 初步设计 详细设计 人员比例 1％ 9％ 90％
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卫星总体方案设计
高度的综合性
概述
—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
重量 重量工程师的梦想 －航模飞机？
气动力 把机身、发动机等降低气 动效率的部件统统去掉！
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第3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。
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第4页
卫星总体方案设计
设计要求
概述
概念设计
总体性能参数确定与分配
备 注
质量(kg)
81.5
85.0 64.0 6.0
姿态敏感器和控制执行机构
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
含结构板、安装支架和电池阵驱动机构等
星务管理、姿轨控处理与控制、热控管理等
测控
推进 热控 有效载 荷 立体成像探测相机 数据压缩、存储与数传
7.5
第 24 页
卫星总体方案设计
1.0 2.0 3.0 4.0 7.0
或
总体性能参数确定与分配
失效报 废
生产
总装和 测试
发射和 部署
飞行任 务操作
5.0
培训
6.0
应急 操作
4.1
4.2
4.3
4.4
4.6
与
搜索森 林火灾
发现森 林火灾
跟踪已发现 的森林火灾
确定对地 定位数据
4.5
确定火 灾级别
应急 操作
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卫星总体方案设计
概述
（决定的费用） （消耗的费用）
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卫星总体方案设计
概述
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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Biblioteka Baidu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%的全寿命周期成本
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卫星总体方案设计
卫星功能要求 确定卫星组成
总体性能参数确定与分配
环境变量 Z
选择变量 设计变量 X 功能变量 Y
多学科优化MDO (Multidiscipinary Optimization)
建立分析方法
h j ( X ,Y ) 0
形成约束条件
选择目标函数
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度
着陆速度
返回式卫星，着陆速度参数。
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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： (2) 成像幅宽：
1m （500km高度轨道） 100km
(3) 高程精度：
(4) 目标定位精度：
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？
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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；