　　人们建造系统复杂、造价昂贵的大型航天工程设施设备，其目的就是全过程支撑和保障航天任务的实施，而高质量完成航天任务的能力和水平又是一个国家经济、技术、国防等方面综合实力的反映。航天任务关键环节之一是进行综合、科学和尽可能合理的任务设计。《航天任务分析与设计基础》是在作者多年航天任务分析与设计教学科研和应用实践的基础上，特别是在从事航天任务分析与设计研究生课程教学的基础上，将装备学院教材《航天任务设计基础》进行补充、修订和完善而成的。内容主要包括航天任务设计总体分析、近地空间环境分析、轨道和星座设计、卫星有效载荷分析、卫星公用平台设计、卫星发射系统和地面系统分析。

前言
第1章航天任务设计总体分析
1.1 航天任务概念
1.1.1 航天任务组成
1.1.2 航天任务核心单元
1.1.3 航天任务举例
1.1.4 航天任务周期
1.2 航天任务设计一般步骤
1.2.1 目标确定
1.2.2 任务特性描述
1.2.3 任务评价
1.2.4 系统要求与分配确定
1.3 约束航天任务设计的国际空间法律制度
1.3.1 国际空间法的主要发展历程
1.3.2 国际空间法的主要内容
1.3.3 发射卫星与国际登记
习题

第2章近地空间环境
2.1 空间环境影响要素
2.2 地球引力场
2.3 地球磁场
2.4 地球大气
2.5 真空和微重力
2.6 地球电离层
2.7 空间辐射
2.7.1 空间电磁辐射
2.7.2 空间带电粒子辐射
2.8 空间碎片
习题

第3章轨道和星座设计
3.1 时空基准
3.1.1 空间坐标系
3.1.2 天球坐标系
3.1.3 时间系统
3.2 航天动力学基础
3.2.1 二体问题
3.2.2 轨道摄动
3.2.3 轨道机动
3.3 卫星轨道设计
3.3.1 星下点
3.3.2 地面覆盖
3.3.3 典型轨道
3.3.4 轨道设计过程
3.4 星座设计
3.4.1 星座设计的基本问题
3.4.2 星座覆盖的分析方法
3.4.3 星座设计的一般过程
习题

第4章卫星有效载荷
4.1 有效载荷总体分析
4.1.1 有效载荷的分类
4.1.2 遥感载荷的分类
4.1.3 有效载荷设计过程
4.2 光学遥感载荷工作原理
4.2.1 目标特征
4.2.2 成像望远镜
4.2.3 光-电-数据转换
4.2.4 数据处理
4.3 火灾卫星载荷设计实例
4.3.1 设计过程
4.3.2 计算实例
习题

第5章卫星公用平台
5.1 公用平台设计总体分析
5.1.1 公用平台组成
5.1.2 系统要求和约束条件
5.1.3 总体设计选择与决策
5.1.4 航天器尺寸、质量和功率的分配预算
5.2 姿轨控分系统设计分析
5.2.1 姿轨控分系统的任务及特点
5.2.2 姿态控制硬件组成
5.2.3 姿轨控分系统设计过程
5.3 空间推进分系统设计分析
5.3.1 推进分系统方案选择
5.3.2 推进分系统设计过程
5.4 电源分系统设计分析
5.4.1 电源分系统组成
5.4.2 电源分系统方案选择
5.4.3 电源分系统设计过程
5.5 结构与机构分系统设计分析
5.5.1 卫星构型
5.5.2 卫星构型设计过程
5.5.3 卫星结构
5.5.4 卫星结构设计过程
5.6 星载计算机分系统设计分析
5.6.1 系统组成及设计步骤
5.6.2 软件规模和处理时间估算
5.7 通信分系统设计分析
5.7.1 通信分系统设计要求及选择
5.7.2 通信分系统链路估算
5.8 热控分系统设计分析
5.8.1 系统组成
5.8.2 卫星热平衡
5.8.3 卫星热力学估算
习题

第6章卫星发射系统和地面系统分析
6.1 发射系统分析
6.1.1 运载火箭飞行原理
6.1.2 运载火箭的结构与功能
6.1.3 国内外典型运载火箭
6.1.4 发射系统的确定
6.2 发射场系统设计
6.2.1 发射场选址与建设要求
6.2.2 发射场功能与组成
6.2.3 发射场主要发射设施
6.2.4 航天发射场选址与建设案例——海南发射场
6.3 发射任务要素与诸元分析
6.3.1 发射窗口
6.3.2 发射方位角
6.3.3 发射场位置
6.3.4 发射诸元
6.4 地面飞行与管理系统
6.4.1 地面系统的设计过程
6.4.2 地面系统的基本组成单元
6.4.3 典型的地面系统
6.4.4 设计考虑的关键因素
习题
参考文献

精彩书摘

　　《航天任务分析与设计基础》：
　　第1章航天任务设计总体分析
　　航天任务（space mission）是整个航天活动的具体规模、目标、方法、技术等方面内容的综合体现。航天任务设计通常是确定具体的航天任务及其实现任务的方案，即确定某个航天任务将要做什么以及某个任务方案如何以最低的成本去实现。航天任务设计总是从一个或多个目标和约束条件出发，然后进一步以可能的最低成本满足这些目标要求和约束条件，其中，总体目标和约束条件是关键。在航天任务设计过程中，除了要以航天活动方法和任务设计理论为支撑、遵循航天装备技术与运用技术一系列客观规律的限制外，还需要依据相关航天政策和法规。本章主要从航天任务分析与设计的总体角度，讨论航天任务相关的基本概念和航天任务设计的一般方法和步骤。
　　1.1航天任务概念
　　航天任务是指人类以空间应用或空间探索为目的而在空间实施的有确定目标（利用空间特性）的技术活动。航天任务极其广泛，可包括通信（中继）、导航、遥感（气象、侦察、观测、海洋）、科学探索（空间探测、空间生产）和其他（太空作战、太空葬礼等）。对几乎所有的航天任务而言，航天工程都是极其昂贵的，成本总是基本的制约因素。在讨论航天任务设计一般方法之前，了解和掌握相关概念是必要的。
　　1.1.1航天任务组成
　　所有航天任务都是由许多相关部分（单元或部件）组成的，如图1.1所示，主要包括航天器及其有效载荷、空间轨道与星座、指挥控制（指令、控制和通信网）、航天运载与发射、地面支持保障（测控）、任务运行（应用）、任务对象等系统。对这些组成部分的合理安排即构成了航天任务体系结构。不同机构、不同的任务项目对任务单元的定义有所不同，但任何一项航天任务通常都离不开这些单元。
　　航天任务通常都是由天地间多个单元系统协同完成的，又可以分别看做由空间、地面、运输三个部分组合而成。空间部分由航天器（卫星）组成，过去通常是采用单个航天器来完成任务，如科学观测航天器或地球静止通信卫星。现代常使用多星合作完成任务，既可以用不同类别的卫星合作，也可以是同类别的卫星合作（铱星系统——66颗）。地面部分包括航天任务交互（控制、接收与处理数据）、发射场、测控站、指控中心、各类用户（航天任务保障与操作、航天任务应用用户）等。运输部分是使航天任务能实施的关键之一，由火箭、航天飞机等实现。
　　图1.1航天任务的结构单元组成示意
　　航天任务的主持机构提供并控制航天项目的预算，例如，美国主持机构包括美国国防部、美国航空航天局（NASA）等。尽管由不同机构主持项目的采购与运营的政策及过程有所不同，但其中的关键角色，即航天任务的运营者、受益人或具体用户、系统研制者却是相同的。任务运营者控制着空间和地面设备并对其进行维护，一般是应用性的工程机构。在我国，航天任务的运营者主要由中国人民解放军总装备部和原国家国防科技工业局所属部门担任。受益人或具体用户接受并使用航天任务的产品及所提供的服务功能，视航天任务的目标不同而有所不同。在科学研究任务中，用户是天文学家和物理学家，气象任务中是气象学家，通信和导航任务中就是广大的军用和民用用户，地球资源遥感任务中是地质学家和农学家，在军事任务中则是作战人员。系统研制者是航天任务的承办机构，主要是航天科技企业界，包括合同承包者、子合同承包者及研制和测试机构。航天任务的运营者和用户负责从技术上和财政上提出系统要求，系统研制者则必须根据变化的政治和资金约束条件，按时提供所需的产品或服务功能。
　　航天器在空间轨道为特定需求服务，装载于航天器上的服务于特定需求的设备，统称为航天器的有效载荷。航天器的有效载荷需要由航天器提供能量、信息以及适当的环境和条件才能正常工作。航天器上用于保证和支持有效载荷工作的设备统称为服务和支持系统。有效载荷、服务和支持系统都装在航天器的结构体上。为了便于安装布置和满足不同的要求，航天器的结构体一般分为几部分，整个航天器的结构体称为航天器结构平台。航天器结构舱和航天器结构平台配上必要的服务和支持系统，就分别称为有效载荷舱和航天器平台。航天器平台也称公用舱，不仅能提供航天器有效载荷所需的安装位置和支撑，而且能提供它们所需的环境和条件。
　　1.1.2航天任务核心单元
　　航天任务中，航天器是核心单元，航天任务的主要特征是由航天器上携带的有效载荷确定的。航天器包括载人航天器和无人航天器两大类。载人航天器主要包括载人飞船、空间站、航天飞机和空天飞机等。无人航天器按其轨道是否环绕地球分为空间探测器和环绕地球航天器。空间探测器主要包括如月球探测器、行星和行星际探测器等。人们习惯于把在空间轨道上环绕地球运行（至少一圈）的无人航天器称为人造地球卫星，在不引起歧义时也简称人造卫星或卫星。人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。人造卫星发射数量约占航天器发射总数的90％以上。苏联于1957年10月4日发射了世界上第一颗人造地球卫星。美国于1958年2月1日首次发射人造地球卫星（“探险者1号”）。20世纪60～70年代，法国、日本也发射了本国的卫星。中国于1970年4月24日发射了人造地球卫星“东方红1号”，到目前已发射多种类型的人造地球卫星。
　　人造卫星由包含各种仪器设备的若干系统或分系统组成，可分为专用系统和保障系统两类。专用系统是指与卫星所执行的任务直接相关的系统，大致可分为探测仪器、遥感仪器和转发器三类。探测仪器如红外天文望远镜、宇宙线探测器和磁强计等，各种遥感器如可见光照相机、成像雷达、多光谱相机等。保障系统（公用平台）主要由结构、热控制、电源、测控通信、姿态和轨道控制等组成。有些卫星还装有计算机，用以处理、协调和管理各分系统的工作。返回型卫星还有返回着陆系统，它由制动火箭、降落伞和信标机组成。
　　按航天任务用途可把人造卫星分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星三大类。科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星；技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星；应用卫星是直接为国民经济和军事服务的卫星，其种类最多，发射数量也最多。按其是否专门用于军事目的又可分为军用卫星和民用卫星，有许多应用卫星都是军民兼用的。应用卫星主要有三大用途：①无线电信号中继；②对地观测；③导航定位。
　　1.1.3航天任务举例
　　1. 科学探测任务
　　科学探测任务中卫星使用的仪器包括望远镜、光谱仪、盖革计数器、电离计、压力测量仪和磁强计等。借助这些仪器可研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、宇宙线、太阳辐射和极光，观测太阳和其他天体。
　　2. 技术试验任务
　　技术试验任务中的卫星主要用于在空间轨道上对航天技术中的新原理、新技术、新方案、新仪器设备和新材料进行试验，试验成功后才投入使用。这类卫星数量较少，但试验内容广泛，例如，重力梯度稳定试验、电火箭试验、生物对空间环境适应性的试验、载人飞船生命保障系统和返回系统的验证试验、交会对接试验、无线电新频段的传输试验、新遥感器的飞行试验和轨道上截击试验等。
　　3. 无线电信号中继任务
　　这类卫星的种类较多，按服务区域不同，通信卫星可分为国际通信卫星、国内通信卫星、区域通信卫星；按用途不同，可分为军用通信卫星、海事通信卫星、电视广播卫星、数据中继卫星等。军用通信卫星又分为战略通信卫星和战术通信卫星，前者提供远程直至全球范围的战略通信，后者提供地区性战术通信和舰艇、飞机、车辆乃至单兵的移动通信。这些卫星上装有工作在各种频段的转发器和天线，它们转发来自地面、海上、空中和低轨道卫星的无线电信号，用于传输电话、电报和电视广播节目以及数据通信。这类卫星大部分运行在静止轨道上，还有一些采用大椭圆轨道，如苏联的“闪电号”通信卫星。卫星通信已成为现代通信的重要手段，在军事指挥控制上更具有特别重要的意义。1958年，美国发射了第一颗军事通信试验卫星“斯科尔号”。1963年2月发射了第一颗地球同步轨道通信卫星。地球同步轨道卫星能24h连续通信，是近40多年来发展最迅速的一种人造地球卫星，并且变成了商用通信工具。1964年8月，正式成立了由八个国家参加的“国际通信卫星财团”。从1965年4月到现在，使用国际通信卫星的国家已经有100多个。美国从 1976年开始研制跟踪和数据中继卫星（TDRS），能对轨道高度在200～12000km范围内的所有用户卫星、载人飞船和空间站实现连续跟踪和数据通信。我国于1984年发射试验通信卫星，之后又成功发射了多颗地球同步通信卫星。目前世界上已有多频段、多用途、多类型的多种战略和战术通信卫星系统，涵盖UHF、SHF、EHF波段；运行轨道包括静止轨道、大椭圆轨道、低轨道等。卫星通信距离远、容量大、质量好、可靠性高、保密性强、生存能力好、灵活机动。
　　国外已经建立军用通信卫星系统的国家和国际组织有美国、俄罗斯、英国、法国和北约组织。典型的军用通信卫星包括：美国的“国防通信卫星”“舰队通信卫星” “军事星”；俄罗斯的“闪电”“虹”“地平线”等；英国的“天网”；法国的“电信”和北约的“纳托”等。美国在海湾战争中曾使用11颗不同的通信卫星为战场提供通信服务。通信卫星的发展趋势如下：建立卫星间通信链路和向高频段扩展；发射造价低、性能好的低轨道小卫星群；大力发展卫星移动通信和直播电视卫星；军用通信卫星将进一步提高保密性、抗干扰性、灵活性和生存能力。例如，美国战略战术卫星通信系统（Milstar）战时向总统和最高指挥当局提供最低限度的基本通信需求，以便在所有级别的冲突中指挥和控制美国战略和战术部队。主要技术为：采用星间链路，在地面设施受到破坏时可用来迂回，减少远距通信对中继的依赖，60GHz无法被地面截收和干扰；采用多样化天线，进一步提高抗干扰能力；多层次部署，静止轨道+大椭圆轨道+备份轨道；以EHF为主，可用较小尺寸天线阵获得高方向性传输，采用宽频段扩频；采用星上信号处理技术，可自动控制与各系统的连接、自动控制到终端用户的传输路径；采用卫星自主控制技术，位置与姿态保持半年内无需地面支持；采用轨道机动，星上储备大量燃料供被攻击时变轨；采用抗核加固技术。
　　4. 对地观测任务
　　对地观测任务中主要使用地球资源卫星、军事侦察卫星、海洋卫星和测地卫星等。在这些卫星上装有对地观测的从紫外光到远红外光各种波长的遥感仪器或其他探测仪器，收集来自陆地、海洋、大气的各种频段的电磁波，从中提取有用的信息，分析、判断、识别被测物体的性质和所处的状态，因此又可称为遥感卫星。这些卫星可以直接服务于气象、农林、地质、水利、测绘、海洋、环境污染和军事侦察等方面。这类卫星许多采用太阳同步轨道，也有使用静止轨道和其他轨道的。
　　1）地球资源卫星
　　1972年7月美国发射了第一颗实验型“地球资源卫星I”，后改称“陆地I”，发现了世界上许多重要的矿藏资讯，纠正了一些地理参数，发现了日本大阪湾海面和美国纽约州的一条河流的严重污染状况，还拍摄了我国首都的照片，可以清晰地看出故宫、北京大学、东郊机场、密云水库和长城等建筑物。
　　法国政府于1978年开始研制“斯波特（SPOT）”地球资源卫星，“斯波特1号”从1986年起已开始服务。“斯波特”卫星上装有两台高分辨率摄像机。摄像机焦距长1m，孔径f/3.5。它们工作在四个光谱带：前三个波段的地面分辨率为20m；最后一个波段的地面分辨率为10m。“斯波特”卫星运行在太阳同步轨道上，轨道高832km，倾角98.7°。两台摄像机同时工作，26天内可以覆盖全球。
　　我国于1977年开始发射返回式对地观测卫星。轨道倾角59.5°，近地点180km，远地点490km。卫星由仪器舱和返回舱两部分组成。仪器舱内安装一台可见光地物相机和一台星空相机。地物相机在轨道上对国内预定地区进行摄影。星空相机对星空摄影，用于分析卫星对地摄影时的姿态误差。返回舱内装有返回用的制动火箭、回收系统和胶片盒等。
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