通信卫星总体设计和动力学分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

作  者:周志成 等 著作 定  价:126 出 版 社:中国科学技术出版社 出版日期:2013年01月01日 页  数:577 装  帧:平装 ISBN:9787504662545 ●第1章 绪论
●1．1 航天器设计的研究范畴和基本内涵
●1．2 航天器系统工程和总体设计方法
●1．2．1 航天器工程
●1．2．2 航天器系统工程
●1．2．3 航天器任务分析和总体设计方法
●1．3 航天器动力学(工程)的分析研究方法
●1．3．1 现代航天器动力学的主要特征
●1．3．2 航天器动力学(工程)的基本概念、研究范畴和研究内容
●1．3．3 航天器动力学(工程)的研究方法
●1．4 我国通信卫星工程的研究进展和重要意义
●1．4．1 通信卫星工程发展应用概况
●1．4．2 通信卫星关键技术研究进展
●1．4．3 发展通信卫星工程重要意义
●第2章 航天器轨道动力学
●第3章 航天器空间环境
●第4章 航天器总体设计
●第5章 航天器有效载荷设计
●第6章 航天器主要分系统设计
●第7章 航天器总体设计优化方法
●部分目录

内容简介

《通信卫星总体设计和动力学分析》(作者周志成、曲广吉)以现代通信卫星为代表的地球静止轨道(GEO)航天器为设计研究对象，在系统工程方法论和航天器总体设计框架体系指导下，结合几十年航天工程实践，并从航天器设计学科高度，系统总结和详细介绍了GEO航天器总体设计、动力学与控制分析仿真、多学科设计优化和设计验证的技术内容和理论方法。全书编写遵循系统性、可读性、科学性、创新性、实用性的宗旨要求，并在有关章节设置了工程应用范例。
全书共分15章。**章为绪论；第2、3章为轨道动力学和空间环境；第4、5、6章为航天器总体设计、有效载荷设计和主要分系统设计；第7章为航天器总体设计优化方法，包括构型拓扑优化、设备布局优化、结构参数优化、总体参数多学科设计优化；第8章为航天器结构动力学、模型修正、力学环境和力学试验；第9～13章为柔性、晃动、多体和热致微振动等动力学以及动力学与控制仿真；**4章为航天等

《星辰之语：通信卫星动力学与控制系统设计前沿》 引言 自人类仰望星空的那一刻起，探索宇宙的渴望便从未停歇。而通信卫星，作为人类拓展信息疆域、连接地球两端的重要载体，其背后凝聚着无数科学家与工程师的智慧与汗水。它们在浩瀚的太空中静默运行，却将信息以光速传遍世界的每个角落，深刻地改变着我们的生活方式、经济模式乃至全球格局。然而，要让这些精密的“太空使者”在严酷的宇宙环境中可靠地执行任务，其设计与控制的复杂性远超人们的想象。 本书《星辰之语：通信卫星动力学与控制系统设计前沿》并非直接阐述某一特定通信卫星的总体设计方案，也不是一本详尽的动力学分析手册。它旨在以更宏观、更具前瞻性的视角，深入剖析通信卫星设计与动力学控制领域的核心理念、关键技术挑战以及未来的发展趋势。我们将聚焦于通信卫星系统工程的整体框架，探讨如何将抽象的理论转化为切实可行的工程实践，并通过对动力学控制这一核心环节的深入剖析，揭示其在确保卫星稳定运行、精准姿态控制、高效轨道维持等方面所扮演的至关重要角色。本书将带领读者穿越技术迷雾，领略通信卫星设计背后的科学之美与工程之魅。 第一篇：通信卫星系统工程的宏观视野 本篇将跳出对单一卫星型号的微观审视，而是从系统工程的全局角度出发，探讨通信卫星的诞生与演进。我们将深入理解通信卫星作为一个复杂系统的构成要素，以及这些要素之间错综复杂的关系。 第一章：通信卫星发展历程与使命演进 从梦想的萌芽到现实的星辰： 回顾人类早期关于太空通信的设想，以及第一颗通信卫星（如Telstar、Syncom）的诞生所带来的革命性影响。了解它们如何在技术上实现突破，以及在通信领域打开的新局面。 不同时代使命的变迁： 探讨通信卫星从最初的固定通信、广播电视，到如今覆盖移动通信、宽带互联网、物联网，乃至未来的深空通信等多元化使命的演进过程。分析技术进步如何驱动卫星功能的拓展与升级。 全球通信格局的重塑： 剖析通信卫星在连接偏远地区、支持应急通信、促进全球化信息流动等方面发挥的关键作用。理解其如何成为现代社会不可或缺的基础设施。 面向未来的探索： 展望下一代通信卫星可能面临的挑战与机遇，例如低轨星座的兴起、天地一体化网络的发展、以及对更高数据传输速率和更低延迟的需求。 第二章：通信卫星系统的整体构成与相互耦合 “星载”与“星地”的协同： 详细阐述通信卫星系统的两大核心部分：星载系统（卫星本体、有效载荷、姿态控制、电源、通信分系统等）和星地系统（地面站、用户终端、网络管理中心等）。强调两者之间紧密协同、缺一不可的关系。 系统设计的多学科融合： 深入解析通信卫星设计并非单一学科的产物，而是需要电磁场、通信理论、轨道力学、材料科学、热力学、控制理论、计算机科学等众多学科知识的深度融合。 生命周期与全过程管理： 探讨通信卫星从概念提出、方案设计、详细设计、制造、总装、测试、发射、在轨运行到退役的全生命周期流程。强调全过程管理在保障系统成功中的重要性。 可靠性与安全性基石： 分析在极端太空环境下，如何通过严格的设计、制造、测试流程来确保通信卫星的可靠性与安全性。讨论冗余设计、故障诊断与恢复等关键技术。 第三章：有效载荷的“核心大脑”：通信技术的演进与趋势 从模拟到数字的飞跃： 回顾通信卫星技术的发展，从早期模拟信号传输到如今成熟的数字信号处理。分析数字技术的优势，如更高的频谱利用率、更强的抗干扰能力和更灵活的业务支持。 调制解调与编码技术： 深入探讨当前主流的调制解调技术（如QPSK、QAM）和前向纠错编码技术（如LDPC、Turbo码）在提高通信效率和可靠性方面的作用。 天线技术的革新： 介绍通信卫星天线的类型（如喇叭天线、相控阵天线、可展开天线）及其设计原理，以及如何实现波束形成、跟踪目标等功能。 软件定义通信卫星： 探讨软件定义通信卫星（SDCS）的概念，即通过软件的灵活配置实现通信功能的可重构、业务的快速更新。分析其在应对未来通信需求变化中的战略意义。 更高频段与更大数据流： 展望通信卫星向更高频段（如Ka、V、W等频段）发展，以及如何应对由此带来的大气衰减、雨衰等挑战，以支持万亿比特级的数据传输。 第二篇：通信卫星动力学与姿态控制的“灵魂” 本篇将聚焦于通信卫星的核心技术——动力学与姿态控制。我们将深入剖析卫星在太空中的运动规律，以及如何通过精密的控制系统来维持其稳定、精确的姿态，确保通信任务的顺利进行。 第四章：轨道动力学基础与轨道维持 Kepler定律的宇宙律动： 从牛顿万有引力定律出发，阐述轨道动力学的基本原理，包括卫星的运动轨道类型（如地球同步轨道、中圆轨道、低地球轨道）、轨道参数（如半长轴、偏心率、倾角）的定义与意义。 轨道摄动力的源泉： 分析影响卫星轨道的各种摄动力，包括地球非球形引力、太阳和月球引力、大气阻力、太阳光压等。理解这些摄动力如何导致卫星轨道的偏移。 轨道维持的艺术： 详细介绍轨道维持的概念与必要性，以及常用的轨道维持策略，如定点保持、离轨控制、星座组网中的轨道调控等。 轨道控制的手段： 阐述实现轨道维持的常用方法，包括使用推进系统（如化学推进、电推进）进行变轨机动，以及被动轨道控制技术。 星座的星辰大海： 探讨多颗通信卫星组成的星座系统在轨道设计、编队飞行、相对位置保持等方面的独特性质与挑战。 第五章：姿态动力学与运动耦合 刚体动力学的基本方程： 引入欧拉方程等刚体动力学基本方程，描述卫星在无外力矩作用下的自主运动特性。解释角动量守恒定律在姿态动力学中的应用。 外力矩的“推手”： 分析导致卫星姿态发生变化的各种外力矩，如地球梯度力矩、太阳光压力矩、磁力矩、推进器推力引起的力矩等。理解这些力矩的产生机理及其影响。 姿态运动的耦合性： 深入探讨卫星的轨道运动与姿态运动之间的耦合关系，以及这种耦合如何影响姿态控制的复杂性。 陀螺效应与进动： 解释卫星的自旋（陀螺效应）及其对姿态稳定性的影响，以及当受到外力矩作用时产生的进动和章动现象。 第六章：姿态测量与传感器技术 “眼睛”与“耳朵”的感知： 介绍用于测量卫星姿态的关键传感器，包括： 星敏感器： 如何通过识别星图来确定卫星的绝对姿态。 太阳敏感器： 如何利用太阳光方向来辅助姿态确定。 地球敏感器： 如何通过探测地球边缘来确定卫星相对于地球的方向。 陀螺仪： 如何测量姿态角速度，用于短时间内的姿态变化跟踪。 磁力计： 如何利用地球磁场来辅助姿态测量。 传感器融合的智慧： 探讨如何通过传感器融合算法，将来自不同传感器的信息进行整合，以提高姿态测量精度、鲁棒性和可靠性，克服单一传感器的局限性。 噪声与误差的挑战： 分析各种传感器可能存在的噪声和误差来源，以及如何通过滤波技术（如卡尔曼滤波）来估计和补偿这些误差。 第七章：姿态控制器的设计与实现 控制目标：精准稳定： 明确姿态控制的目标，即期望姿态、姿态角速度等状态量的精确跟踪与稳定。 执行机构的“手臂”： 介绍姿态控制执行机构，包括： 反作用轮（CMG）/动量轮（Momentum Wheel）： 如何通过改变其转速来产生反作用力矩，实现姿态调整。 推力器（Thruster）： 如何通过喷射工质来产生直接的力矩，实现快速姿态机动。 磁力矩器（Magnetorquer）： 如何利用地球磁场来产生力矩，实现姿态调整，尤其适用于低轨道卫星。 经典与现代控制理论的应用： 探讨PID控制、线性二次调节（LQR）、模型预测控制（MPC）等经典与现代控制理论在姿态控制器设计中的应用。 鲁棒性与抗扰性： 分析如何设计控制器，使其能够有效地应对模型不确定性、外部干扰以及执行机构的非线性特性，保证控制系统的鲁棒性和抗扰性。 变体控制与自主控制： 展望更高级的控制策略，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等，以及未来通信卫星姿态控制向高度自主化、智能化发展。 第八章：推进系统与轨道/姿态协同控制 推进系统的“心脏”： 详细介绍通信卫星常用的推进系统，包括： 化学推进系统： 固体火箭发动机、液体火箭发动机等，适用于大推力、短时间工作。 电推进系统： 离子推进器、霍尔推进器等，具有高比冲、低推力、长时间工作的特点，尤其适用于轨道维持和精细姿态调整。 轨道与姿态的联动： 深入分析轨道控制机动与姿态控制之间的相互影响。例如，在变轨过程中，如何精确控制推力器的指向与点火时机，以同时完成轨道转移和姿态稳定。 轨道/姿态协同控制策略： 探讨实现轨道与姿态协同控制的策略，例如，在变轨过程中，如何利用姿态控制系统产生的反作用力矩来辅助完成轨道机动，或者如何协调推进系统的工作模式以达到最佳的能源效率。 多目标优化控制： 讨论在执行轨道和姿态控制任务时，如何考虑能量消耗、任务时间、控制精度等多个目标，并通过优化控制算法来达到最优的系统性能。 第三篇：通信卫星设计中的挑战与未来展望 本篇将聚焦于通信卫星设计过程中面临的挑战，并对未来的发展方向进行展望。 第九章：极端环境下的工程挑战 空间微重力与真空： 分析微重力环境对材料、流体、机构设计的影响，以及真空环境可能带来的材料挥发、热失控等问题。 辐射环境的考验： 探讨宇宙射线、高能粒子等对卫星电子元器件的损伤机理，以及如何通过加固设计、辐射屏蔽等技术来提高器件的抗辐射能力。 温度的极端波动： 分析卫星在阳光照射下和阴影区域之间的巨大温差，以及如何通过热控设计（如隔热材料、散热器、热控涂层）来维持电子设备的工作温度。 空间碎片的威胁： 探讨空间碎片撞击对卫星结构的潜在危害，以及如何通过轨道选择、结构设计、碎片监测与规避等方式来降低风险。 第十章：通信卫星设计的创新驱动与前沿技术 新材料与制造工艺： 介绍碳纤维复合材料、3D打印等新材料与制造技术在减轻卫星重量、提高结构强度、实现复杂构件制造方面的应用。 人工智能在卫星设计与运行中的应用： 展望AI在故障诊断、自主决策、任务规划、地面站优化等方面的应用前景。 软件定义与可重构卫星： 再次强调软件定义通信卫星的潜力，使其能够适应不断变化的市场需求和技术发展。 小型化、星座化与智能化： 分析微纳卫星、纳卫星以及星链等低轨星座的兴起，以及其对系统设计、任务规划、地面支持提出的新要求。 深空通信的未来： 展望通信卫星在深空探测、行星际探索中的应用，以及由此带来的长距离通信、大时延通信等新挑战。 结论 《星辰之语：通信卫星动力学与控制系统设计前沿》旨在为读者勾勒出通信卫星设计与动力学控制领域的全景图，从系统工程的宏观视角到核心技术的微观剖析，再到面向未来的前沿探索。本书并非试图涵盖所有细节，而是希望通过清晰的逻辑、深刻的洞察，激发读者对这一复杂而迷人领域的兴趣，并为相关专业的研究人员、工程师以及有志于投身航天事业的学子提供一个系统性的知识框架和宝贵的思考方向。通信卫星的设计是一项充满挑战但也极富成就感的事业，它连接着过去、现在与未来，是人类探索未知、拓展认知的重要桥梁。让我们一同在星辰大海中，聆听那无声却强大的“星辰之语”。