空間系統(tǒng)導論：設計與綜合

1緒論
1.1本書的目的
1.2總體架構定義過程中的角色
1.3系統(tǒng)總體架構定義階段的觀點
1.4設計與實現(xiàn)是一個不斷演進的過程
1.5項目階段和項目評審
1.6什么是空間系統(tǒng)
1.7術語
1.8建議補充閱讀
2空間學科
2.1空間系統(tǒng)工程
2.1.1集成與控制
2.1.2接口管理
2.1.3需求工程
2.1.4系統(tǒng)分析
2.1.5設計和配置定義
2.1.6驗證
2.2空間系統(tǒng)架構設計
2.2.1傳統(tǒng)角色中的系統(tǒng)設計師
2.2.2架構定義的形式化
2.3項目管理
2.4衛(wèi)星工程學科
2.4.1結構
2.4.2熱控
2.4.3機構
2.4.4姿態(tài)控制
2.4.5推進
2.4.6電力
2.4.7數(shù)據(jù)處理
2.4.8軟件
2.4.9通信
2.5儀器工程
2.6工程支持學科
2.6.1制造組裝、集成、驗證和測試工程
2.6.2產(chǎn)品保證
2.6.3衛(wèi)星飛行操作
2.6.4衛(wèi)星數(shù)據(jù)輸出處理
2.6.5成本工程
2.7用戶： 任務背后的科學家
3需求、規(guī)格和設計
3.1系統(tǒng)分解的層次
3.2規(guī)格和需求的類型
3.2.1規(guī)格的類型
3.2.2需求的類型
3.2.3技術規(guī)格需求
3.3需求工程
3.4數(shù)值工程
3.4.1不同的需求數(shù)值
3.4.2系統(tǒng)效能度量
3.5需求與驗證
4約束條件與設計
4.1需求與約束條件
4.2空間項目的外部環(huán)境
4.2.1STEP分析
4.2.2預測與場景分析
4.3精選的過往空間項目歷史
4.3.1私人與公共通信和對地觀測
4.3.2阿波羅計劃
4.4作為約束條件的計劃性框架
4.5依據(jù)項目目標劃分的項目類型
4.5.1能力驗證 
4.5.2技術驗證 
4.5.3科學進步
4.5.4運營 
4.6依據(jù)項目風險度的項目類型
4.7依據(jù)項目規(guī)模的項目類型
4.8成本
4.8.1自上而下的成本估算
4.8.2自下而上的成本估算
4.8.3成本估算的風險
4.8.4單顆衛(wèi)星與多顆衛(wèi)星的成本
4.9風險約束條件
4.9.1質(zhì)量風險管理
4.9.2量化風險管理
4.9.3技術成熟度與技術開發(fā)
4.9.4開發(fā)方法與樣機思想
4.10進度約束條件
4.11管理趨勢作為約束條件
5作為共時過程的系統(tǒng)設計
5.1空間系統(tǒng)要素
5.2系統(tǒng)規(guī)格、系統(tǒng)設計和系統(tǒng)設計師
5.3針對約束條件的設計
5.3.1成本
5.3.2風險
5.3.3進度
5.4針對需求的設計
5.5設計工具
5.5.1分析與設計
5.5.2功能分析與功能分解
5.5.3權衡與設計
5.5.4預算分配工程
5.5.5并行工程
5.5.6可靠性
5.6設計與任務性能
5.6.1任務效能度量
5.6.2效能度量限制
5.6.3安全余量、過失與錯誤
5.7決策的非數(shù)值支持
5.8決策的數(shù)值支持
5.8.1確定性方法
5.8.2不確定性情況下的非概率數(shù)值方法
5.8.3概率方法
6作為歷時過程的系統(tǒng)定義
6.1循環(huán)及線性的系統(tǒng)定義過程
6.2作為遞歸過程的系統(tǒng)定義
6.3作為線性過程的系統(tǒng)定義
6.3.10階段
6.3.2A階段
6.3.3B1階段
6.4任務里程碑和評審
6.4.1評審程序
6.4.2任務定義階段期間的評審
6.5并行開發(fā)
6.5.1技術成熟度的提高
6.5.2科學理解的進步
7設計域概述
7.1設計交互和設計域
7.1.1觀測量和儀器域
7.1.2軌道和姿態(tài)域 
7.1.3衛(wèi)星構型域
7.1.4衛(wèi)星操作數(shù)據(jù)流域
7.1.5儀器輸出數(shù)據(jù)流域
7.2作為空間系統(tǒng)設計示例的天文臺任務
7.2.1任務描述
7.2.2任務比較
7.2.3天文臺任務的頂層設計交互
7.3多星設計
7.3.1數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量與衛(wèi)星數(shù)量的關系
7.3.2任務壽命與衛(wèi)星數(shù)量的關系
7.4體系
8觀測量與儀器域
8.1觀測量和儀器選擇
8.2觀測量和儀器域所涉及的要素和部件
8.2.1無源光學
8.2.2有源光學
8.2.3無源微波
8.2.4有源微波
8.2.5原位儀器
8.2.6通信載荷
8.3儀器實例
8.3.1風神
8.3.2詹姆斯·韋布空間望遠鏡
8.3.3哨兵3
8.3.4熱帶云
8.3.5尤利西斯
8.4觀測需要作為設計驅(qū)動
8.4.1觀測頻率和大氣
8.4.2數(shù)據(jù)質(zhì)量
8.4.3圖像變形
8.4.4數(shù)據(jù)量
8.4.5系統(tǒng)式與交互式觀測
8.4.6響應能力，捕獲延遲和滯后
8.4.7觀測目標和視線的旋轉(zhuǎn)
8.4.8儀器接口
8.5作為設計驅(qū)動因素的端到端性能
8.6功能分配
8.6.1掃描
8.6.2內(nèi)部和外部校準
8.6.3固體孔徑、可展開孔徑、合成孔徑
8.6.4分辨率與高度 
8.7預算分配
8.7.1輻射測量的質(zhì)量
8.7.2MTF
8.7.3端到端性能
9軌道與姿態(tài)域
9.1涉及本域的要素和部件
9.1.1運載火箭
9.1.2軌道確定和修正工具
9.1.3姿態(tài)確定和控制工具
9.2空間環(huán)境作為軌道和姿態(tài)設計的驅(qū)動因素
9.2.1引力場
9.2.2地球磁場
9.2.3中性大氣
9.2.4太陽輻射
9.2.5電離層輻射
9.2.6地球以外的空間環(huán)境
9.3姿態(tài)和姿態(tài)類型
9.3.1無控衛(wèi)星姿態(tài)
9.3.2重力梯度姿態(tài)控制
9.3.3自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制
9.3.4雙旋和動量偏置姿態(tài)控制
9.3.5慣性穩(wěn)定姿態(tài)控制
9.4軌道及軌道類型
9.4.1低地球軌道
9.4.2LEO太陽同步軌道
9.4.3中等高度地球軌道
9.4.4地球同步軌道和地球靜止軌道
9.4.5長周期地球軌道
9.4.6拉格朗日點
9.4.7行星際軌道
9.4.8繞其他行星的軌道
9.5任務階段、模式及衛(wèi)星姿態(tài)
9.6軌道和姿態(tài)示例
9.6.1哨兵-3
9.6.2尤利西斯
9.6.3銥星
9.6.4昴宿星
9.7衛(wèi)星周圍的幾何關系
9.7.1天底指向的衛(wèi)星
9.7.2自旋衛(wèi)星
9.7.3慣性衛(wèi)星
9.8指向控制、指向擾動和指向修正
9.8.1衛(wèi)星和儀器的指向及指向擾動 
9.8.2指向控制、指向擾動力矩、圖像獲取和頻率范圍
9.8.3指向誤差的類型
9.9功能分配
9.9.1軌道選擇
9.9.2姿態(tài)選擇
9.9.3覆蓋及重訪
9.10預算分配
9.10.1衛(wèi)星位置
9.10.2儀器視線指向和恢復
9.10.3指向穩(wěn)定性實現(xiàn)和恢復
9.10.4地理定位
9.10.5配準
9.10.6重新指向敏捷性要求
9.10.7速度增量和燃料
9.10.8機械擾動
9.11星座的實現(xiàn)與保持
10衛(wèi)星構型域
10.1本域的組成部分
10.1.1結構
10.1.2熱 
10.1.3機械
10.1.4太陽能電池陣
10.2作為構型驅(qū)動因素的外部環(huán)境
10.2.1運載火箭
10.2.2負荷環(huán)境
10.2.3熱輻射環(huán)境： 太陽、地球和深空
10.2.4空間環(huán)境產(chǎn)生的外部壓力和力矩
10.2.5電磁輻射環(huán)境
10.2.6外部環(huán)境的其他影響
10.3構型實例
10.3.1海洋環(huán)流探測衛(wèi)星
10.3.2尤利西斯號
10.3.3JWST
10.3.4銥星
10.4圍繞著衛(wèi)星的幾何與構型
10.4.1天底指向衛(wèi)星
10.4.2自旋衛(wèi)星
10.4.3慣性指向衛(wèi)星
10.4.4敏捷衛(wèi)星
10.5功能分配
10.5.1主體結構形狀
10.5.2可展開的結構與機構： 固定的與展開的
10.5.3標準平臺與專用平臺
10.5.4被動與主動熱控
10.5.5儀器指向與衛(wèi)星指向
10.6性能分配
10.6.1質(zhì)量預算
10.6.2熱預算
10.6.3功率生成預算
10.6.4校準預算
10.6.5體積預算
11操作數(shù)據(jù)流域
11.1與本域相關的在軌要素
11.1.1電源子系統(tǒng)
11.1.2衛(wèi)星數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
11.1.3遙測與遙控數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)
11.2包含在本域中的地面要素
11.2.1操作地面站與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星
11.2.2任務操作控制中心
11.3任務階段
11.3.1發(fā)射及早期運行段
11.3.2衛(wèi)星試運行階段
11.3.3正常運行階段
11.3.4安全模式和其他休眠模式
11.3.5正常軌道修正機動
11.3.6退役與離軌處置
11.4數(shù)據(jù)管理架構實例
11.4.1Cluster任務
11.4.2羅塞塔
11.4.3哨兵-3
11.4.4SSTL-DMC
11.5功能分配
11.5.1計劃式與交互式操作
11.5.2自主運行與地面干預
11.5.3快指令與慢指令
11.5.4操作地面站的數(shù)量及其位置
11.5.5軌道確定與控制功能分配
11.6性能分配
11.6.1功率預算
11.6.2通信鏈路預算
11.6.3計算機負荷預算
11.6.4星載運算存儲器
11.6.5數(shù)據(jù)獲取時延預算
11.6.6服務等級與可用度預算
12儀器輸出數(shù)據(jù)流域
12.1本域包含的在軌部件
12.1.1儀器輸出數(shù)據(jù)處理
12.1.2儀器數(shù)據(jù)輸出下行鏈路
12.2包含在本域的地面部件
12.2.1儀器下行數(shù)據(jù)接收地面站和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星
12.2.2有效載荷數(shù)據(jù)地面段
12.3架構的例子
12.3.1Cluster
12.3.2羅塞塔
12.3.3哨兵-3
12.3.4NOAA-POESS任務
12.4功能分配
12.4.1大數(shù)據(jù)量與小數(shù)據(jù)量
12.4.2短數(shù)據(jù)延遲與長數(shù)據(jù)延遲
12.4.3現(xiàn)有的、待獲取的和已訂購的產(chǎn)品
12.4.4在軌與地面處理
12.4.5地面站的數(shù)量和位置
12.4.6集中式與分散式處理
12.4.7獨立的科學操作或作為整體操作一部分的科學操作
12.5性能分配
12.5.1星載存儲內(nèi)存預算
12.5.2數(shù)據(jù)下行鏈路預算
12.5.3數(shù)據(jù)延遲預算
13空間任務成本與替代設計方法
13.1空間任務和成本
13.2降低成本的方法
13.2.1適當?shù)募軜嫸x
13.2.2硬件優(yōu)化
13.2.3組織優(yōu)化
13.2.4以組織和硬件為中心： 在精簡的項目組織領導下的小型簡單衛(wèi)星
13.3沒有投資方/用戶二元性的項目
13.4極低創(chuàng)新度項目，沒有客戶的項目
13.5成本工程是藝術和科學