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
卫星
1
4
2
3
1.1
1.3
1.2
4.1
1.4
2.1
4.3
4.2
2.3
2.2
4.4
3.1
2.4
3.3
3.2
3.4
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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卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配
1.0
生产
2.0
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
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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
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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
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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%的全寿命周期成本
➢ 目标函数 F (X ) f1(X ),... f p (X ) | X R, p 1
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卫星总体方案设计
卫星功能要求
确定卫星组成
环境变量 Z
选择变量 设计变量 X 功能变量 Y
建立分析方法
hj(X,Y) 0
形成约束条件
gi ( X ) 0
选择目标函数
F f1, f2,... f p
500km（太阳同步圆轨道） 97.4º
94.6min 11:00
CZ-2C、CZ-2D等单独发射
0.0001º/s 0.05º
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
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
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
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！
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： (3) 高程精度： (4) 目标定位精度：
➢ 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
➢ 设计变量与功能变量之间的关系
hj (X ,Y ) 0 j 1,2,..., r
➢ 设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命
gi (X ) 0 i 1,2,..., s R X | gi (X ) 0 i 1,2,..., s
(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
1156W 50Ah(14节25Ah单体电池，2并7并)
干重660kg；燃料75kg；总重735kg 350kg 48% 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
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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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。
卫 星 外 部 设 计
卫 星 概 念 性 设 计
卫 星 可 行 方 案 设 计
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;
设计师的经验丰富，设计余量留得适当。
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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：
方卫
案星
卫 设总
星 计体
方
案
设 计
方 案 设 计
分 系 统
详卫
细星
卫 设总
星 计体
详
细
设 计
详 细 设 计
分 系 统
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。
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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！
与
灾惯性坐标
地理坐标
4.4.2
估计卫 星姿态
与 4.4.4
修正敏感器
安装误差
4.4.3
4.4.6
估计敏感器
估算地球
指向误差
椭球半径
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。
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卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配
和 需 求 描 述
系 统 性 能 参 数
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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； 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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卫星总体方案设计
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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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卫星总体方案设计
概述
设计要求
外部设计
概念设计
三、卫星总体方案设计
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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
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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
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。
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平 台 系 统
有效载 荷
系统名称 姿态控制
电源与总体电路
结构与机构 平台电子系统
测控 推进 热控 立体成像探测相机 数据压缩、存储与数传 设计余量 卫星干重 推进剂 卫星总重
质量(kg)
备注
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
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。
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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
总装和 测试
3.0
发射和 部署
4.0
飞行任 务操作
5.0
培训
7.0
失效报
或
废
6.0
应急 操作
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
4.6
确定火
与
灾级别
4.5
应急 操作
4.4.1
估计星 历表
4.4.5
估计惯性
与
定向矢量
4.4.7
4.4.8
估计森林火 换算成当地
1m （500km高度轨道） 100km 5m 10m
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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
(1) 轨道 轨道高度 轨道倾角 交点周期 交点地方时
(2) 发射方式 (3) 姿态控制系统
三轴姿态测量精度 三轴指向精度 三轴姿态稳定度 姿态机动角速度 机动后稳定时间
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;
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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。
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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？
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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
7.5 30.0 17.5
测控应答机、天线等 贮箱、管道和推力器等
热控材料
300
50
含数据压缩、存储器和数传模块
18.5
660 75
单组元
735
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卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配
系统名称 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
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
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卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配
确定评价函数
V V (F)
求最优解
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：
Design ( i Desicipline ) MDO
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卫星总体方案设计 总体性能参数确定与分配
（Conceptual Design）
初步设计
（Preliminary Design）
详细设计 （Detail Design）
制造
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总 体 设 计
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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？ 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？
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
参数选择与 权衡研究
设计要求
设计分析
设计方案
“Design Wheel”
概述
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
系统方案
系统指标
系统级验证软件/平台
分配分析 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
第二轮修改 考虑其他可选择方案
系统级验 证试验
没通过
风险评估
通过 继续 设计
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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。
可靠性 0.97 0.97 0.92 0.96 0.95 0.92 0.90 0.65
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3.3、卫星轨道设计
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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。