通信卫星总体设计和动力学分析(平装)(见选题2012D0141)

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周志成 等 著
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出版社: 中国科学技术出版社
ISBN:9787504662545
商品编码:29831704667
包装:平装
出版时间:2013-01-01

具体描述

基本信息

书名:通信卫星总体设计和动力学分析(平装)(见选题2012D0141)

定价:126.00元

作者:周志成 等

出版社:中国科学技术出版社

出版日期:2013-01-01

ISBN:9787504662545

字数:

页码:

版次:1

装帧:平装

开本:16开

商品重量:1.022kg

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内容提要


  《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章为航天器总体设计、分析、优化范例;5章为可靠性设计、分析、 验证。
  《通信卫星总体设计和动力学分析》读者对象为航天科研院所和高等 院校从事航天器总体设计、动力学与控制分析仿真、优化设计理论方法研究应用的科技人员、教 师和研究生,也可作为空间飞行器设计专业及相关专业的教学参考书。

目录


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
第8章 航天器结构动力学与力学环境
第9章 航天器柔性耦合动力学
第9章 航天器柔性耦合动力学
0章 航天器液体晃动动力学
1章 航天器多体动力学
2章 航天器热致微振动动力学
3章 航天器动力学与控制总体仿真
4章 航天器总体方案设计分析优化范例
5章 航天器可靠性设计和故障对策
缩略词表

作者介绍


文摘


序言



通信卫星总体设计与动力学分析:解锁太空通信的奥秘 在浩瀚无垠的宇宙深处,通信卫星如同人类文明的信使,穿越星际鸿沟,连接着地球上每一个角落。它们不仅是电视广播、电话通信、互联网接入的基石,更是气象预报、导航定位、科学探测不可或缺的平台。然而,这看似平常的服务背后,凝聚着无数工程师和科学家的智慧与汗水。本书旨在深入剖析通信卫星从概念设计到动力学分析的每一个关键环节,为读者构建一个全面而深刻的认识框架。 第一部分:通信卫星总体设计——构筑太空中的信息枢纽 通信卫星的诞生,是一项集多学科知识于一体的系统工程。其总体设计,便是如何将各种精密组件有机整合,使其在严酷的太空环境中稳定运行,并高效完成通信任务的艺术。 1. 任务需求与系统需求分析: 万丈高楼平地起,通信卫星的起点,是对其预期任务的清晰定义。我们需要回答:这颗卫星将提供何种通信服务?目标用户是谁?需要覆盖的地理范围有多大?数据传输速率要求如何?其服务寿命需要多长?这些根本性的问题,将直接影响卫星的性能指标、技术选型以及成本预算。 通信业务类型: 是固定卫星通信(服务于地面固定用户)、移动卫星通信(服务于船只、飞机、车辆等移动平台)、广播卫星服务(如直播电视)、宽带卫星互联网,还是应急通信?不同的业务类型对卫星的转发器能力、覆盖范围、功率输出等方面有截然不同的要求。 性能指标: 包括但不限于载波噪声比(C/N)、信噪比(SNR)、信号衰减、覆盖区的信号强度、数据传输速率、误码率等。这些指标是衡量卫星通信质量的核心。 覆盖区域与几何学: 卫星需要覆盖的地理区域决定了其轨道高度和倾角。例如,地球同步轨道(GEO)卫星可以提供近乎不变的区域覆盖,而低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)卫星则需要星座部署才能实现连续覆盖。 寿命与可靠性: 卫星设计寿命通常为10-15年,甚至更长。这意味着所有组件都必须具备极高的可靠性,并且需要考虑部件的老化和潜在故障。 成本约束: 经济性是不可忽视的因素。设计方案需要在满足性能需求的同时,将制造成本、发射成本和运营成本控制在合理范围内。 2. 轨道设计: 卫星的轨道是其在太空中工作的“舞台”,直接决定了其覆盖范围、通信延迟以及与地面站的通信条件。 轨道类型选择: 地球同步轨道(GEO): 周期与地球自转周期相同,卫星相对于地面固定点的位置不变。通信延迟较大(约250毫秒),但覆盖范围广,单个卫星可覆盖近三分之一的地球表面。适用于广播电视、固定通信等。 中地球轨道(MEO): 轨道高度介于LEO和GEO之间。通信延迟适中,星座部署可实现全球覆盖。如GPS、伽利略等导航系统采用MEO。 低地球轨道(LEO): 轨道高度较低,通信延迟小(几十毫秒)。需要大规模星座才能实现连续覆盖。如Starlink、OneWeb等互联网卫星星座。 轨道参数确定: 包括轨道高度、倾角、偏心率、升交点赤经等。这些参数的精确计算和选择,需要考虑地球引力、太阳光压、大气阻力等多种因素。 轨道维持与规避: 卫星在轨道上会受到各种扰动,需要进行轨道维持机动以保持其位置。同时,还需要考虑与空间碎片的碰撞风险,并进行规避机动。 3. 卫星平台设计: 卫星平台是卫星的主体结构,承载着所有有效载荷和次系统,并为其提供必要的动力、热量、姿态控制和通信能力。 结构设计: 采用轻质高强度的材料,如铝合金、碳纤维复合材料,以最大限度地减小卫星质量,降低发射成本。结构设计需要考虑发射时的振动、加速度载荷,以及在轨运行时的热应力、力学载荷。 电源系统: 通常由太阳能电池板和蓄电池组成。太阳能电池板在阳光照射下产生电能,为卫星提供动力;蓄电池则储存电能,供卫星在地球阴影区使用。需要精确计算每天的能量需求,并设计足够容量的电源系统。 热控系统: 太空环境温度变化剧烈,需要一套高效的热控系统来维持卫星内部组件的工作温度在安全范围内。包括被动热控(如隔热材料、表面涂层)和主动热控(如散热器、加热器、热管)。 姿态与轨道控制系统(AOCS): 确保卫星在轨姿态稳定,指向正确,并维持在预定轨道上。主要包括: 姿态测量单元: 如星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器、陀螺仪、磁力计等,用于感知卫星的姿态。 姿态执行机构: 如反作用轮、磁力矩器、推进器等,用于改变和稳定卫星的姿态。 轨道控制推进器: 用于轨道维持、轨道转移等。 通信与遥测系统: 负责卫星与地面站之间的指令接收、遥测数据下传、科学数据上报等。需要设计高增益天线、低噪声放大器、功率放大器等。 指令与数据处理系统(C&DH): 卫星的“大脑”,负责处理地面发送的指令,控制卫星各子系统的工作,并对采集到的数据进行存储和预处理。 4. 有效载荷设计: 有效载荷是通信卫星的核心功能部分,直接决定了其通信能力。 转发器: 是通信卫星的核心组件,负责接收地面上传输的信号,进行频率转换、放大,然后下传回地面。转发器的设计需要考虑频率带宽、功率、线性度、噪声系数等关键参数。 天线系统: 包括上行天线(接收地面信号)和下行天线(发射信号)。天线的设计需要考虑增益、波束宽度、指向精度以及对不同频率的支持能力。对于需要覆盖特定区域的卫星,还会采用相控阵天线等先进技术。 其他可选载荷: 根据任务需求,通信卫星还可能搭载其他载荷,如导航信号增强器、空间天气监测器等。 第二部分:通信卫星动力学分析——驾驭太空的物理规律 通信卫星在太空中并非静止不动,它受到地球引力、太阳光压、大气阻力、磁场力等多种力的作用,并以特定的轨道运行。动力学分析,就是研究这些力如何影响卫星的运动状态,以及如何通过控制手段来维持其稳定的运行。 1. 轨道动力学: 轨道动力学研究卫星在引力场中的运动规律。 牛顿万有引力定律: 是轨道动力学的基础。地球的引力是卫星轨道运动的最主要原因。 轨道摄动: 除了地球中心引力,其他因素也会对卫星轨道产生影响,这些因素称为摄动。 地心引力的不均匀性: 地球并非完美的球体,赤道隆起和极地扁平都会引起引力场的非均匀性,导致卫星轨道发生变化。 太阳和月球引力: 太阳和月球对卫星轨道也会产生引力摄动。 太阳光压: 卫星表面受到太阳光照射时会产生一个微小的推力,长期积累会对轨道产生影响。 大气阻力: 在低轨道运行的卫星会受到稀薄大气的阻力,导致轨道衰减。 轨道保持与轨道转移: 需要通过推进器点火来抵消摄动影响,维持卫星在预定轨道上(轨道保持),或将卫星从一个轨道转移到另一个轨道(轨道转移)。这些机动操作需要精确计算推进器的推力、作用时间和方向。 2. 姿态动力学: 姿态动力学研究卫星在太空中的姿态(朝向)如何变化,以及如何通过控制系统来稳定姿态。 角动量守恒: 是姿态动力学的重要原理。卫星在没有外力矩作用时,其总角动量保持不变。 外力矩: 导致卫星姿态发生变化的外力矩包括: 地球磁场力矩: 地球磁场与卫星上的磁性物质相互作用产生力矩。 地球引力梯度力矩: 地球引力在卫星不同部位的差异产生力矩。 太阳光压矩: 太阳光压作用在卫星质心以外的点上会产生力矩。 推进器推力矩: 姿态控制推进器喷射产生的力矩。 姿态控制策略: 被动姿态控制: 利用自然存在的力矩来稳定姿态,如利用地球磁场或引力梯度。 主动姿态控制: 利用反作用轮、磁力矩器、推进器等执行机构来主动控制卫星姿态。例如,反作用轮通过改变自身转速来产生反作用力矩,从而改变卫星的姿态。 卫星自转与振动: 卫星在设计、制造和发射过程中可能会产生固有的自转或振动模式。这些动力学特性需要进行分析和评估,以避免对有效载荷和通信性能产生不利影响。 3. 动力学建模与仿真: 为了精确预测和控制卫星的运动,需要建立详细的动力学模型,并利用计算机进行仿真。 建立动力学方程: 基于物理学原理,建立描述卫星轨道运动和姿态运动的微分方程组。 数值积分: 由于实际的动力学方程通常难以解析求解,需要采用数值方法(如龙格-库塔法)进行求解,以获得卫星在不同时刻的位置、速度、姿态等信息。 仿真平台: 利用专业的仿真软件(如STK、GMAT等)构建虚拟的太空环境,模拟卫星的运动,并验证设计方案的有效性。仿真可以帮助工程师在地面上发现潜在的设计缺陷,并进行优化。 结论: 通信卫星总体设计和动力学分析是现代航天工程中至关重要的两个领域。本书从任务需求出发,详细阐述了通信卫星的各个子系统设计,包括轨道设计、平台设计和有效载荷设计。同时,深入剖析了卫星在太空中的轨道动力学和姿态动力学,以及如何通过建模与仿真来预测和控制其运动。通过对这两个领域的深入理解,我们能够更好地设计、建造和运行日益复杂的通信卫星系统,为人类构建更美好的太空通信未来。本书的读者群包括但不限于航天工程专业的学生、研究人员,以及对卫星技术感兴趣的工程师和技术爱好者。希望本书能够为您打开一扇通往太空通信奥秘的大门。

用户评价

评分

在阅读过程中,我深刻体会到了作者在内容上的广度和深度。本书不仅涵盖了通信卫星设计和动力学分析的核心知识,还涉及了许多相关的领域,例如射频传输、信号处理、空间环境效应等。作者在处理这些交叉学科内容时,都能够恰到好处地进行介绍,并且能够将其与通信卫星的主题紧密联系起来,展现了作者宽广的知识视野。我尤其欣赏作者在解释一些前沿技术时,能够将其置于通信卫星的发展背景下进行讨论,让我对这些技术的意义和价值有了更深刻的理解。虽然某些章节涉及的内容对我来说有些超出了我目前的需求,但我相信,随着我研究的深入,这些内容将会变得越来越重要。这种“未雨绸缪”的知识体系构建,让我觉得这本书是一本能够伴随我长期学习和发展的宝贵参考资料。

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这本书的封面设计给我留下了深刻的第一印象。朴实无华的平装封面,没有花哨的插图或醒目的标题字体,反而透露出一种扎实、严谨的学术气息,让人觉得它是一本真正专注于内容的书籍。封面中央的“通信卫星总体设计和动力学分析”几个字,字体清晰,排版工整,没有丝毫的张扬,但却准确地传达了书籍的核心主题。封底的简要介绍也同样简洁明了,没有过多的营销词汇,而是直接点出了本书的价值所在——为读者提供深入的理论指导和实践参考。虽然我还没有开始阅读,但仅凭这封面和封底传递出的信息,我就已经对这本书充满了期待,相信它能够为我在通信卫星领域的研究或工作带来实质性的帮助。我特别欣赏这种低调而有内涵的设计风格,它让我觉得作者和出版社都将精力更多地投入到了书籍内容的打磨上,而非表面的包装。在如今信息爆炸的时代,一本真正有深度、有价值的书籍,往往不需要过多的外部修饰来吸引读者,其内在的品质才是决定性的。这本《通信卫星总体设计和动力学分析》给我的感觉正是如此,它像一位沉默寡言但学识渊博的长者,静静地等待着那些真正渴望知识的求学者。

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我注意到,本书在参考文献的引用上也显得非常严谨和专业。作者引用了大量国际知名的学术论文、研究报告和行业标准,这充分证明了本书内容的权威性和前沿性。在阅读过程中,我多次被某个观点或论述所吸引,并主动去查阅作者引用的参考文献,这让我不仅加深了对当前章节内容的理解,也拓宽了我的知识面,让我接触到了更多相关的研究成果。我特别欣赏作者在引用文献时,能够对文献的内容进行简要的介绍和评价,这让我能够快速地判断哪些文献对我来说最有价值,并进行有针对性的深入阅读。这种严谨的学术态度,也深深地影响了我,让我更加重视知识的来源和信息的准确性。

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关于通信卫星总体设计的论述,可以说是我阅读这本书的最大收获之一。作者并没有仅仅停留在理论层面,而是从实际工程的角度出发,详细介绍了卫星的各个子系统的设计原则、技术要求和相互之间的接口关系。我了解到,一个成功的通信卫星设计,需要综合考虑天线、转发器、电源、姿态控制、热控等众多子系统的协同工作。作者在描述每个子系统时,都充分考虑了其在整个任务中的作用以及与其他子系统的配合,这让我对卫星的系统集成和整体性能有了更全面的认识。我特别注意到,作者在讨论不同设计方案时,都权衡了其优缺点,并给出了选择依据,这对于我在未来进行实际设计时,提供了宝贵的参考。这本书让我明白,通信卫星的设计并非孤立的技术叠加,而是一个高度集成、相互制约的复杂系统工程,需要全局的视野和精细的协调。

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本书的出版时间(尽管我没有看到具体年份,但我可以从内容中推断其为近年的出版物)和所包含的选题信息(“见选题2012D0141”)表明,这本书可能与某个特定时期的研究项目或学术动态有关,这对我来说是一个重要的信息。这让我猜测,本书的内容可能不仅仅是对现有知识的梳理,更可能包含了作者在实际研究项目中的经验、思考和创新。我对于这种理论与实践相结合的成果非常感兴趣,因为它们往往更能反映出当前学科的前沿和发展趋势,也更容易为实际工程提供指导。我期待着在阅读过程中,能够发掘出作者在选题研究中所提出的独到见解和解决方案,这对我启发思路、解决实际问题,甚至进行创新性研究,都将具有非常重要的价值。

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读完第一章,我对本书的结构安排感到非常满意。它并没有一上来就深入到复杂的公式和理论推导,而是从通信卫星的基本概念和发展历程入手,为我这个初学者建立了一个清晰的宏观认知框架。作者循序渐进的叙述方式,让我在理解卫星的基本组成、轨道力学原理以及通信系统架构时,感到毫不费力。特别是在介绍地球同步轨道卫星和低地球轨道卫星的差异时,作者通过形象的比喻和图文并茂的讲解,将抽象的轨道概念变得生动易懂。我发现,作者在内容组织上非常注重逻辑性和连贯性,每一部分的内容都紧密衔接,前呼后应,使得整个学习过程如同一次精心设计的徒步旅行,每一步都有明确的目标和清晰的路径。这种精心设计的章节结构,让我能够更有效地吸收和理解信息,而不会感到信息过载或迷失方向。我尤其喜欢作者在引入新概念时,都会先铺垫好相关的背景知识,确保读者能够理解其出现的原因和意义,而不是凭空出现。这种严谨的教学方法,对于那些希望系统性学习通信卫星技术的读者来说,无疑是一笔宝贵的财富。

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本书在图表的使用上也显得格外用心。作者并非简单地插入图表来填充版面,而是精心选择了能够最直观、最清晰地展示信息和概念的图表。例如,在讲解轨道力学时,作者提供了大量清晰的轨道示意图,让我能够直观地理解卫星的运动轨迹和轨道参数;在介绍天线方向图时,作者也使用了专业的二维和三维图表,让我能够准确地把握天线的辐射特性。这些图表不仅增强了文章的可读性,更重要的是,它们极大地帮助我理解了那些抽象的、难以用文字完全表达的科学原理。我发现,很多时候,一张精美的图表胜过千言万语。作者在图表的注释上也做得非常到位,每一个图表都有清晰的标题和详细的说明,让我能够准确地理解图表所传达的信息。

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总而言之,这是一本令我非常满意的技术类书籍。从其严谨的学术内容,到清晰的逻辑结构,再到流畅的语言表达,以及用心设计的图表,都体现了作者和出版社的专业性和高度的敬业精神。这本书不仅仅是一本教科书,更像是一位循循善诱的良师益友,它能够引导我深入探索通信卫星的奥秘。我深信,通过对这本书的深入学习和反复研读,我不仅能够掌握通信卫星总体设计和动力学分析的基础知识,更能从中汲取宝贵的经验和启示,为我未来的学术研究或工程实践打下坚实的基础。我强烈推荐给所有对通信卫星技术感兴趣的同行、学生以及研究人员。

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在动力学分析的章节,作者展现了他深厚的专业功底。他对卫星轨道运动的数学模型进行了详尽的阐述,从开普勒定律到更复杂的摄动理论,都进行了深入的剖析。我尤其欣赏作者在推导公式时,对于每一步的逻辑都进行了详细的说明,并且解释了每个变量的物理意义。这对于我理解和掌握这些复杂的数学模型至关重要。他不仅给出了推导过程,还提供了具体的计算方法和实例,这让我能够将理论知识应用到实际的计算和仿真中。我曾尝试过自己推导一些基本的轨道方程,但总感觉有些地方不够清晰,这本书的讲解则为我提供了清晰的思路和完整的框架。作者还介绍了常用的轨道动力学仿真软件的使用方法,这对于提高我的实际操作能力非常有帮助。我相信,通过对这部分内容的深入学习,我将能够更好地理解卫星的运动轨迹,并进行精确的轨道预测和控制。

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本书的语言风格真是令人耳目一新。作者的文笔非常流畅,同时又不失严谨。他能够用清晰、准确的语言阐述复杂的科学概念,避免了许多专业书籍中常见的晦涩难懂的术语堆砌。我在阅读过程中,几乎没有遇到需要反复查阅字典或专业词典才能理解的句子。作者在解释物理原理时,常常会穿插一些历史故事或实际应用案例,这不仅让枯燥的理论变得生动有趣,也帮助我更好地理解这些原理在实际工程中的重要性。例如,在讲解轨道动力学时,作者引用了牛顿的万有引力定律,并将其与现代卫星轨道计算联系起来,这种历史的纵深感让我对学科的发展有了更深刻的认识。同时,作者的叙述又非常富有条理,即使在讨论一个复杂的问题时,他也能将其分解成若干个小部分,逐一进行分析,使得读者能够清晰地把握问题的关键。这种既有学术深度又不失文学色彩的语言风格,让我在享受知识盛宴的同时,也获得了一种阅读的愉悦感。

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