空间系统导论：设计与综合

　　著名空间系统工程师米格尔·A.阿吉雷结合其学术研究和工程实践 ，从综合的视角出发，介绍了空间系统设计中系统工程、项目管理、卫星工程学科的多个领域。本书分为两部分。第一部分以抽象的方式分析了空间系统设计的过程。第二部分则重点介绍了空间系统设计过程的具体方面。通过多个实际案例，对空间系统设计所面临的挑战进行综合分析，探讨空间系统设计时技术和非技术因素的相互作用，塑造空间系统设计的方法体系。本书涉及整个系统：空间和地面段、任务目标以及成本、风险和任务成功概率。书中集中讨论了设计决策之间的相互作用，并使用过去的设计实例来说明这些相互作用。其目的是让读者通过分析这些过去的设计，深入了解什么是好的设计。

　　米格尔·A.阿吉雷，西班牙著名空间系统工程师，曾就于ESA工作，参与设计多项空间飞行任务。王忠贵，曾任中国载人航天工程副总设计师，中国探月工程二期副总设计师。获国家科技进步特等奖3项、一等奖2项。王瑞军。获部委科技进步一等奖2项、二等奖4项，获中国载人航天工程突出贡献者、中国青年五四奖章。李海涛，现任探月工程四期嫦娥七号、嫦娥八号副总设计师。获得第18届中国科协求是杰出青年奖。

1绪论
1.1本书的目的
1.2总体架构定义过程中的角色
1.3系统总体架构定义阶段的观点
1.4设计与实现是一个不断演进的过程
1.5项目阶段和项目评审
1.6什么是空间系统
1.7术语
1.8建议补充阅读
2空间学科
2.1空间系统工程
2.1.1集成与控制
2.1.2接口管理
2.1.3需求工程
2.1.4系统分析
2.1.5设计和配置定义
2.1.6验证
2.2空间系统架构设计
2.2.1传统角色中的系统设计师
2.2.2架构定义的形式化
2.3项目管理
2.4卫星工程学科
2.4.1结构
2.4.2热控
2.4.3机构
2.4.4姿态控制
2.4.5推进
2.4.6电力
2.4.7数据处理
2.4.8软件
2.4.9通信
2.5仪器工程
2.6工程支持学科
2.6.1制造组装、集成、验证和测试工程
2.6.2产品保证
2.6.3卫星飞行操作
2.6.4卫星数据输出处理
2.6.5成本工程
2.7用户： 任务背后的科学家
3需求、规格和设计
3.1系统分解的层次
3.2规格和需求的类型
3.2.1规格的类型
3.2.2需求的类型
3.2.3技术规格需求
3.3需求工程
3.4数值工程
3.4.1不同的需求数值
3.4.2系统效能度量
3.5需求与验证
4约束条件与设计
4.1需求与约束条件
4.2空间项目的外部环境
4.2.1STEP分析
4.2.2预测与场景分析
4.3精选的过往空间项目历史
4.3.1私人与公共通信和对地观测
4.3.2阿波罗计划
4.4作为约束条件的计划性框架
4.5依据项目目标划分的项目类型
4.5.1能力验证 
4.5.2技术验证 
4.5.3科学进步
4.5.4运营 
4.6依据项目风险度的项目类型
4.7依据项目规模的项目类型
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成本估算的风险
4.8.4单颗卫星与多颗卫星的成本
4.9风险约束条件
4.9.1质量风险管理
4.9.2量化风险管理
4.9.3技术成熟度与技术开发
4.9.4开发方法与样机思想
4.10进度约束条件
4.11管理趋势作为约束条件
5作为共时过程的系统设计
5.1空间系统要素
5.2系统规格、系统设计和系统设计师
5.3针对约束条件的设计
5.3.1成本
5.3.2风险
5.3.3进度
5.4针对需求的设计
5.5设计工具
5.5.1分析与设计
5.5.2功能分析与功能分解
5.5.3权衡与设计
5.5.4预算分配工程
5.5.5并行工程
5.5.6可靠性
5.6设计与任务性能
5.6.1任务效能度量
5.6.2效能度量限制
5.6.3安全余量、过失与错误
5.7决策的非数值支持
5.8决策的数值支持
5.8.1确定性方法
5.8.2不确定性情况下的非概率数值方法
5.8.3概率方法
6作为历时过程的系统定义
6.1循环及线性的系统定义过程
6.2作为递归过程的系统定义
6.3作为线性过程的系统定义
6.3.10阶段
6.3.2A阶段
6.3.3B1阶段
6.4任务里程碑和评审
6.4.1评审程序
6.4.2任务定义阶段期间的评审
6.5并行开发
6.5.1技术成熟度的提高
6.5.2科学理解的进步
7设计域概述
7.1设计交互和设计域
7.1.1观测量和仪器域
7.1.2轨道和姿态域 
7.1.3卫星构型域
7.1.4卫星操作数据流域
7.1.5仪器输出数据流域
7.2作为空间系统设计示例的天文台任务
7.2.1任务描述
7.2.2任务比较
7.2.3天文台任务的顶层设计交互
7.3多星设计
7.3.1数据量和数据质量与卫星数量的关系
7.3.2任务寿命与卫星数量的关系
7.4体系
8观测量与仪器域
8.1观测量和仪器选择
8.2观测量和仪器域所涉及的要素和部件
8.2.1无源光学
8.2.2有源光学
8.2.3无源微波
8.2.4有源微波
8.2.5原位仪器
8.2.6通信载荷
8.3仪器实例
8.3.1风神
8.3.2詹姆斯·韦布空间望远镜
8.3.3哨兵3
8.3.4热带云
8.3.5尤利西斯
8.4观测需要作为设计驱动
8.4.1观测频率和大气
8.4.2数据质量
8.4.3图像变形
8.4.4数据量
8.4.5系统式与交互式观测
8.4.6响应能力，捕获延迟和滞后
8.4.7观测目标和视线的旋转
8.4.8仪器接口
8.5作为设计驱动因素的端到端性能
8.6功能分配
8.6.1扫描
8.6.2内部和外部校准
8.6.3固体孔径、可展开孔径、合成孔径
8.6.4分辨率与高度 
8.7预算分配
8.7.1辐射测量的质量
8.7.2MTF
8.7.3端到端性能
9轨道与姿态域
9.1涉及本域的要素和部件
9.1.1运载火箭
9.1.2轨道确定和修正工具
9.1.3姿态确定和控制工具
9.2空间环境作为轨道和姿态设计的驱动因素
9.2.1引力场
9.2.2地球磁场
9.2.3中性大气
9.2.4太阳辐射
9.2.5电离层辐射
9.2.6地球以外的空间环境
9.3姿态和姿态类型
9.3.1无控卫星姿态
9.3.2重力梯度姿态控制
9.3.3自旋稳定姿态控制
9.3.4双旋和动量偏置姿态控制
9.3.5惯性稳定姿态控制
9.4轨道及轨道类型
9.4.1低地球轨道
9.4.2LEO太阳同步轨道
9.4.3中等高度地球轨道
9.4.4地球同步轨道和地球静止轨道
9.4.5长周期地球轨道
9.4.6拉格朗日点
9.4.7行星际轨道
9.4.8绕其他行星的轨道
9.5任务阶段、模式及卫星姿态
9.6轨道和姿态示例
9.6.1哨兵-3
9.6.2尤利西斯
9.6.3铱星
9.6.4昴宿星
9.7卫星周围的几何关系
9.7.1天底指向的卫星
9.7.2自旋卫星
9.7.3惯性卫星
9.8指向控制、指向扰动和指向修正
9.8.1卫星和仪器的指向及指向扰动 
9.8.2指向控制、指向扰动力矩、图像获取和频率范围
9.8.3指向误差的类型
9.9功能分配
9.9.1轨道选择
9.9.2姿态选择
9.9.3覆盖及重访
9.10预算分配
9.10.1卫星位置
9.10.2仪器视线指向和恢复
9.10.3指向稳定性实现和恢复
9.10.4地理定位
9.10.5配准
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机械扰动
9.11星座的实现与保持
10卫星构型域
10.1本域的组成部分
10.1.1结构
10.1.2热 
10.1.3机械
10.1.4太阳能电池阵
10.2作为构型驱动因素的外部环境
10.2.1运载火箭
10.2.2负荷环境
10.2.3热辐射环境： 太阳、地球和深空
10.2.4空间环境产生的外部压力和力矩
10.2.5电磁辐射环境
10.2.6外部环境的其他影响
10.3构型实例
10.3.1海洋环流探测卫星
10.3.2尤利西斯号
10.3.3JWST
10.3.4铱星
10.4围绕着卫星的几何与构型
10.4.1天底指向卫星
10.4.2自旋卫星
10.4.3惯性指向卫星
10.4.4敏捷卫星
10.5功能分配
10.5.1主体结构形状
10.5.2可展开的结构与机构： 固定的与展开的
10.5.3标准平台与专用平台
10.5.4被动与主动热控
10.5.5仪器指向与卫星指向
10.6性能分配
10.6.1质量预算
10.6.2热预算
10.6.3功率生成预算
10.6.4校准预算
10.6.5体积预算
11操作数据流域
11.1与本域相关的在轨要素
11.1.1电源子系统
11.1.2卫星数据管理子系统
11.1.3遥测与遥控数据通信子系统
11.2包含在本域中的地面要素
11.2.1操作地面站与数据中继卫星
11.2.2任务操作控制中心
11.3任务阶段
11.3.1发射及早期运行段
11.3.2卫星试运行阶段
11.3.3正常运行阶段
11.3.4安全模式和其他休眠模式
11.3.5正常轨道修正机动
11.3.6退役与离轨处置
11.4数据管理架构实例
11.4.1Cluster任务
11.4.2罗塞塔
11.4.3哨兵-3
11.4.4SSTL-DMC
11.5功能分配
11.5.1计划式与交互式操作
11.5.2自主运行与地面干预
11.5.3快指令与慢指令
11.5.4操作地面站的数量及其位置
11.5.5轨道确定与控制功能分配
11.6性能分配
11.6.1功率预算
11.6.2通信链路预算
11.6.3计算机负荷预算
11.6.4星载运算存储器
11.6.5数据获取时延预算
11.6.6服务等级与可用度预算
12仪器输出数据流域
12.1本域包含的在轨部件
12.1.1仪器输出数据处理
12.1.2仪器数据输出下行链路
12.2包含在本域的地面部件
12.2.1仪器下行数据接收地面站和数据中继卫星
12.2.2有效载荷数据地面段
12.3架构的例子
12.3.1Cluster
12.3.2罗塞塔
12.3.3哨兵-3
12.3.4NOAA-POESS任务
12.4功能分配
12.4.1大数据量与小数据量
12.4.2短数据延迟与长数据延迟
12.4.3现有的、待获取的和已订购的产品
12.4.4在轨与地面处理
12.4.5地面站的数量和位置
12.4.6集中式与分散式处理
12.4.7独立的科学操作或作为整体操作一部分的科学操作
12.5性能分配
12.5.1星载存储内存预算
12.5.2数据下行链路预算
12.5.3数据延迟预算
13空间任务成本与替代设计方法
13.1空间任务和成本
13.2降低成本的方法
13.2.1适当的架构定义
13.2.2硬件优化
13.2.3组织优化
13.2.4以组织和硬件为中心： 在精简的项目组织领导下的小型简单卫星
13.3没有投资方/用户二元性的项目
13.4极低创新度项目，没有客户的项目
13.5成本工程是艺术和科学