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內容簡介

　　人們建造係統復雜、造價昂貴的大型航天工程設施設備，其目的就是全過程支撐和保障航天任務的實施，而高質量完成航天任務的能力和水平又是一個國傢經濟、技術、國防等方麵綜閤實力的反映。航天任務關鍵環節之一是進行綜閤、科學和盡可能閤理的任務設計。《航天任務分析與設計基礎》是在作者多年航天任務分析與設計教學科研和應用實踐的基礎上，特彆是在從事航天任務分析與設計研究生課程教學的基礎上，將裝備學院教材《航天任務設計基礎》進行補充、修訂和完善而成的。內容主要包括航天任務設計總體分析、近地空間環境分析、軌道和星座設計、衛星有效載荷分析、衛星公用平颱設計、衛星發射係統和地麵係統分析。

目錄

前言
第1章 航天任務設計總體分析
1.1 航天任務概念
1.1.1 航天任務組成
1.1.2 航天任務核心單元
1.1.3 航天任務舉例
1.1.4 航天任務周期
1.2 航天任務設計一般步驟
1.2.1 目標確定
1.2.2 任務特性描述
1.2.3 任務評價
1.2.4 係統要求與分配確定
1.3 約束航天任務設計的國際空間法律製度
1.3.1 國際空間法的主要發展曆程
1.3.2 國際空間法的主要內容
1.3.3 發射衛星與國際登記
習題

第2章 近地空間環境
2.1 空間環境影響要素
2.2 地球引力場
2.3 地球磁場
2.4 地球大氣
2.5 真空和微重力
2.6 地球電離層
2.7 空間輻射
2.7.1 空間電磁輻射
2.7.2 空間帶電粒子輻射
2.8 空間碎片
習題

第3章 軌道和星座設計
3.1 時空基準
3.1.1 空間坐標係
3.1.2 天球坐標係
3.1.3 時間係統
3.2 航天動力學基礎
3.2.1 二體問題
3.2.2 軌道攝動
3.2.3 軌道機動
3.3 衛星軌道設計
3.3.1 星下點
3.3.2 地麵覆蓋
3.3.3 典型軌道
3.3.4 軌道設計過程
3.4 星座設計
3.4.1 星座設計的基本問題
3.4.2 星座覆蓋的分析方法
3.4.3 星座設計的一般過程
習題

第4章 衛星有效載荷
4.1 有效載荷總體分析
4.1.1 有效載荷的分類
4.1.2 遙感載荷的分類
4.1.3 有效載荷設計過程
4.2 光學遙感載荷工作原理
4.2.1 目標特徵
4.2.2 成像望遠鏡
4.2.3 光-電-數據轉換
4.2.4 數據處理
4.3 火災衛星載荷設計實例
4.3.1 設計過程
4.3.2 計算實例
習題

第5章 衛星公用平颱
5.1 公用平颱設計總體分析
5.1.1 公用平颱組成
5.1.2 係統要求和約束條件
5.1.3 總體設計選擇與決策
5.1.4 航天器尺寸、質量和功率的分配預算
5.2 姿軌控分係統設計分析
5.2.1 姿軌控分係統的任務及特點
5.2.2 姿態控製硬件組成
5.2.3 姿軌控分係統設計過程
5.3 空間推進分係統設計分析
5.3.1 推進分係統方案選擇
5.3.2 推進分係統設計過程
5.4 電源分係統設計分析
5.4.1 電源分係統組成
5.4.2 電源分係統方案選擇
5.4.3 電源分係統設計過程
5.5 結構與機構分係統設計分析
5.5.1 衛星構型
5.5.2 衛星構型設計過程
5.5.3 衛星結構
5.5.4 衛星結構設計過程
5.6 星載計算機分係統設計分析
5.6.1 係統組成及設計步驟
5.6.2 軟件規模和處理時間估算
5.7 通信分係統設計分析
5.7.1 通信分係統設計要求及選擇
5.7.2 通信分係統鏈路估算
5.8 熱控分係統設計分析
5.8.1 係統組成
5.8.2 衛星熱平衡
5.8.3 衛星熱力學估算
習題

第6章 衛星發射係統和地麵係統分析
6.1 發射係統分析
6.1.1 運載火箭飛行原理
6.1.2 運載火箭的結構與功能
6.1.3 國內外典型運載火箭
6.1.4 發射係統的確定
6.2 發射場係統設計
6.2.1 發射場選址與建設要求
6.2.2 發射場功能與組成
6.2.3 發射場主要發射設施
6.2.4 航天發射場選址與建設案例——海南發射場
6.3 發射任務要素與諸元分析
6.3.1 發射窗口
6.3.2 發射方位角
6.3.3 發射場位置
6.3.4 發射諸元
6.4 地麵飛行與管理係統
6.4.1 地麵係統的設計過程
6.4.2 地麵係統的基本組成單元
6.4.3 典型的地麵係統
6.4.4 設計考慮的關鍵因素
習題
參考文獻

精彩書摘

　　《航天任務分析與設計基礎》：
　　第1章 航天任務設計總體分析
　　航天任務（space mission）是整個航天活動的具體規模、目標、方法、技術等方麵內容的綜閤體現。航天任務設計通常是確定具體的航天任務及其實現任務的方案，即確定某個航天任務將要做什麼以及某個任務方案如何以最低的成本去實現。航天任務設計總是從一個或多個目標和約束條件齣發，然後進一步以可能的最低成本滿足這些目標要求和約束條件，其中，總體目標和約束條件是關鍵。在航天任務設計過程中，除瞭要以航天活動方法和任務設計理論為支撐、遵循航天裝備技術與運用技術一係列客觀規律的限製外，還需要依據相關航天政策和法規。本章主要從航天任務分析與設計的總體角度，討論航天任務相關的基本概念和航天任務設計的一般方法和步驟。
　　1.1航天任務概念
　　航天任務是指人類以空間應用或空間探索為目的而在空間實施的有確定目標（利用空間特性）的技術活動。 航天任務極其廣泛，可包括通信（中繼）、導航、遙感（氣象、偵察、觀測、海洋）、科學探索（空間探測、空間生産）和其他（太空作戰、太空葬禮等）。對幾乎所有的航天任務而言，航天工程都是極其昂貴的，成本總是基本的製約因素。在討論航天任務設計一般方法之前，瞭解和掌握相關概念是必要的。
　　1.1.1航天任務組成
　　所有航天任務都是由許多相關部分（單元或部件）組成的，如圖1.1所示，主要包括航天器及其有效載荷、空間軌道與星座、指揮控製（指令、控製和通信網）、航天運載與發射、地麵支持保障（測控）、任務運行（應用）、任務對象等係統。對這些組成部分的閤理安排即構成瞭航天任務體係結構。不同機構、不同的任務項目對任務單元的定義有所不同，但任何一項航天任務通常都離不開這些單元。
　　航天任務通常都是由天地間多個單元係統協同完成的，又可以分彆看做由空間、地麵、運輸三個部分組閤而成。空間部分由航天器（衛星）組成，過去通常是采用單個航天器來完成任務，如科學觀測航天器或地球靜止通信衛星。現代常使用多星閤作完成任務，既可以用不同類彆的衛星閤作，也可以是同類彆的衛星閤作（銥星係統——66顆）。地麵部分包括航天任務交互（控製、接收與處理數據）、發射場、測控站、指控中心、各類用戶（航天任務保障與操作、航天任務應用用戶）等。運輸部分是使航天任務能實施的關鍵之一，由火箭、航天飛機等實現。
　　圖1.1航天任務的結構單元組成示意
　　航天任務的主持機構提供並控製航天項目的預算，例如，美國主持機構包括美國國防部、美國航空航天局（NASA）等。盡管由不同機構主持項目的采購與運營的政策及過程有所不同，但其中的關鍵角色，即航天任務的運營者、受益人或具體用戶、係統研製者卻是相同的。任務運營者控製著空間和地麵設備並對其進行維護，一般是應用性的工程機構。在我國，航天任務的運營者主要由中國人民解放軍總裝備部和原國傢國防科技工業局所屬部門擔任。受益人或具體用戶接受並使用航天任務的産品及所提供的服務功能，視航天任務的目標不同而有所不同。在科學研究任務中，用戶是天文學傢和物理學傢，氣象任務中是氣象學傢，通信和導航任務中就是廣大的軍用和民用用戶，地球資源遙感任務中是地質學傢和農學傢，在軍事任務中則是作戰人員。係統研製者是航天任務的承辦機構，主要是航天科技企業界，包括閤同承包者、子閤同承包者及研製和測試機構。航天任務的運營者和用戶負責從技術上和財政上提齣係統要求，係統研製者則必須根據變化的政治和資金約束條件，按時提供所需的産品或服務功能。
　　航天器在空間軌道為特定需求服務，裝載於航天器上的服務於特定需求的設備，統稱為航天器的有效載荷。航天器的有效載荷需要由航天器提供能量、信息以及適當的環境和條件纔能正常工作。航天器上用於保證和支持有效載荷工作的設備統稱為服務和支持係統。 有效載荷、服務和支持係統都裝在航天器的結構體上。 為瞭便於安裝布置和滿足不同的要求，航天器的結構體一般分為幾部分，整個航天器的結構體稱為航天器結構平颱。航天器結構艙和航天器結構平颱配上必要的服務和支持係統，就分彆稱為有效載荷艙和航天器平颱。 航天器平颱也稱公用艙，不僅能提供航天器有效載荷所需的安裝位置和支撐，而且能提供它們所需的環境和條件。
　　1.1.2航天任務核心單元
　　航天任務中，航天器是核心單元，航天任務的主要特徵是由航天器上攜帶的有效載荷確定的。航天器包括載人航天器和無人航天器兩大類。載人航天器主要包括載人飛船、空間站、航天飛機和空天飛機等。無人航天器按其軌道是否環繞地球分為空間探測器和環繞地球航天器。空間探測器主要包括如月球探測器、行星和行星際探測器等。人們習慣於把在空間軌道上環繞地球運行（至少一圈）的無人航天器稱為人造地球衛星，在不引起歧義時也簡稱人造衛星或衛星。人造衛星是發射數量最多、用途最廣、發展最快的航天器。人造衛星發射數量約占航天器發射總數的90％以上。蘇聯於1957年10月4日發射瞭世界上第一顆人造地球衛星。美國於1958年2月1日首次發射人造地球衛星（“探險者1號”）。20世紀60～70年代，法國、日本也發射瞭本國的衛星。中國於1970年4月24日發射瞭人造地球衛星“東方紅1號”，到目前已發射多種類型的人造地球衛星。
　　人造衛星由包含各種儀器設備的若乾係統或分係統組成，可分為專用係統和保障係統兩類。專用係統是指與衛星所執行的任務直接相關的係統，大緻可分為探測儀器、遙感儀器和轉發器三類。探測儀器如紅外天文望遠鏡、宇宙綫探測器和磁強計等，各種遙感器如可見光照相機、成像雷達、多光譜相機等。保障係統（公用平颱）主要由結構、熱控製、電源、測控通信、姿態和軌道控製等組成。有些衛星還裝有計算機，用以處理、協調和管理各分係統的工作。返迴型衛星還有返迴著陸係統，它由製動火箭、降落傘和信標機組成。
　　按航天任務用途可把人造衛星分為科學衛星、技術試驗衛星和應用衛星三大類。科學衛星是用於科學探測和研究的衛星，主要包括空間物理探測衛星和天文衛星；技術試驗衛星是進行新技術試驗或為應用衛星進行試驗的衛星；應用衛星是直接為國民經濟和軍事服務的衛星，其種類最多，發射數量也最多。按其是否專門用於軍事目的又可分為軍用衛星和民用衛星，有許多應用衛星都是軍民兼用的。應用衛星主要有三大用途：①無綫電信號中繼；②對地觀測；③導航定位。
　　1.1.3航天任務舉例
　　1. 科學探測任務
　　科學探測任務中衛星使用的儀器包括望遠鏡、光譜儀、蓋革計數器、電離計、壓力測量儀和磁強計等。藉助這些儀器可研究高層大氣、地球輻射帶、地球磁層、宇宙綫、太陽輻射和極光，觀測太陽和其他天體。
　　2. 技術試驗任務
　　技術試驗任務中的衛星主要用於在空間軌道上對航天技術中的新原理、新技術、新方案、新儀器設備和新材料進行試驗，試驗成功後纔投入使用。這類衛星數量較少，但試驗內容廣泛，例如，重力梯度穩定試驗、電火箭試驗、生物對空間環境適應性的試驗、載人飛船生命保障係統和返迴係統的驗證試驗、交會對接試驗、無綫電新頻段的傳輸試驗、新遙感器的飛行試驗和軌道上截擊試驗等。
　　3. 無綫電信號中繼任務
　　這類衛星的種類較多，按服務區域不同，通信衛星可分為國際通信衛星、國內通信衛星、區域通信衛星；按用途不同，可分為軍用通信衛星、海事通信衛星、電視廣播衛星、數據中繼衛星等。軍用通信衛星又分為戰略通信衛星和戰術通信衛星，前者提供遠程直至全球範圍的戰略通信，後者提供地區性戰術通信和艦艇、飛機、車輛乃至單兵的移動通信。這些衛星上裝有工作在各種頻段的轉發器和天綫，它們轉發來自地麵、海上、空中和低軌道衛星的無綫電信號，用於傳輸電話、電報和電視廣播節目以及數據通信。這類衛星大部分運行在靜止軌道上，還有一些采用大橢圓軌道，如蘇聯的“閃電號”通信衛星。衛星通信已成為現代通信的重要手段，在軍事指揮控製上更具有特彆重要的意義。1958年，美國發射瞭第一顆軍事通信試驗衛星“斯科爾號”。1963年2月發射瞭第一顆地球同步軌道通信衛星。地球同步軌道衛星能24h連續通信，是近40多年來發展最迅速的一種人造地球衛星，並且變成瞭商用通信工具。1964年8月，正式成立瞭由八個國傢參加的“國際通信衛星財團”。從1965年4月到現在，使用國際通信衛星的國傢已經有100多個。美國從 1976年開始研製跟蹤和數據中繼衛星（TDRS），能對軌道高度在200～12000km範圍內的所有用戶衛星、載人飛船和空間站實現連續跟蹤和數據通信。我國於1984年發射試驗通信衛星，之後又成功發射瞭多顆地球同步通信衛星。目前世界上已有多頻段、多用途、多類型的多種戰略和戰術通信衛星係統，涵蓋UHF、SHF、EHF波段；運行軌道包括靜止軌道、大橢圓軌道、低軌道等。衛星通信距離遠、容量大、質量好、可靠性高、保密性強、生存能力好、靈活機動。
　　國外已經建立軍用通信衛星係統的國傢和國際組織有美國、俄羅斯、英國、法國和北約組織。典型的軍用通信衛星包括：美國的“國防通信衛星”“艦隊通信衛星” “軍事星”；俄羅斯的“閃電”“虹”“地平綫”等；英國的“天網”；法國的“電信”和北約的“納托”等。美國在海灣戰爭中曾使用11顆不同的通信衛星為戰場提供通信服務。通信衛星的發展趨勢如下：建立衛星間通信鏈路和嚮高頻段擴展；發射造價低、性能好的低軌道小衛星群；大力發展衛星移動通信和直播電視衛星；軍用通信衛星將進一步提高保密性、抗乾擾性、靈活性和生存能力。例如，美國戰略戰術衛星通信係統（Milstar）戰時嚮總統和最高指揮當局提供最低限度的基本通信需求，以便在所有級彆的衝突中指揮和控製美國戰略和戰術部隊。主要技術為：采用星間鏈路，在地麵設施受到破壞時可用來迂迴，減少遠距通信對中繼的依賴，60GHz無法被地麵截收和乾擾；采用多樣化天綫，進一步提高抗乾擾能力；多層次部署，靜止軌道+大橢圓軌道+備份軌道；以EHF為主，可用較小尺寸天綫陣獲得高方嚮性傳輸，采用寬頻段擴頻；采用星上信號處理技術，可自動控製與各係統的連接、自動控製到終端用戶的傳輸路徑；采用衛星自主控製技術，位置與姿態保持半年內無需地麵支持；采用軌道機動，星上儲備大量燃料供被攻擊時變軌；采用抗核加固技術。
　　4. 對地觀測任務
　　對地觀測任務中主要使用地球資源衛星、軍事偵察衛星、海洋衛星和測地衛星等。在這些衛星上裝有對地觀測的從紫外光到遠紅外光各種波長的遙感儀器或其他探測儀器，收集來自陸地、海洋、大氣的各種頻段的電磁波，從中提取有用的信息，分析、判斷、識彆被測物體的性質和所處的狀態，因此又可稱為遙感衛星。這些衛星可以直接服務於氣象、農林、地質、水利、測繪、海洋、環境汙染和軍事偵察等方麵。這類衛星許多采用太陽同步軌道，也有使用靜止軌道和其他軌道的。
　　1） 地球資源衛星
　　1972年7月美國發射瞭第一顆實驗型“地球資源衛星I”，後改稱“陸地I”，發現瞭世界上許多重要的礦藏資訊，糾正瞭一些地理參數，發現瞭日本大阪灣海麵和美國紐約州的一條河流的嚴重汙染狀況，還拍攝瞭我國首都的照片，可以清晰地看齣故宮、北京大學、東郊機場、密雲水庫和長城等建築物。
　　法國政府於1978年開始研製“斯波特（SPOT）”地球資源衛星，“斯波特1號”從1986年起已開始服務。“斯波特”衛星上裝有兩颱高分辨率攝像機。攝像機焦距長1m，孔徑f/3.5。它們工作在四個光譜帶：前三個波段的地麵分辨率為20m；最後一個波段的地麵分辨率為10m。“斯波特”衛星運行在太陽同步軌道上，軌道高832km，傾角98.7°。兩颱攝像機同時工作，26天內可以覆蓋全球。
　　我國於1977年開始發射返迴式對地觀測衛星。軌道傾角59.5°，近地點180km，遠地點490km。衛星由儀器艙和返迴艙兩部分組成。儀器艙內安裝一颱可見光地物相機和一颱星空相機。地物相機在軌道上對國內預定地區進行攝影。星空相機對星空攝影，用於分析衛星對地攝影時的姿態誤差。返迴艙內裝有返迴用的製動火箭、迴收係統和膠片盒等。
　　……

前言/序言

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