國之重器出版工程星務小衛星技術

內容簡介

本書基於我國小衛星事務管理技術（簡稱星務技術）二十多年的成功經驗和創新內涵，將其推廣到整個小微衛星的設計、製造和運行套用中，建立另一種新型衛星體系架構，稱之謂“星務小衛星”。目前，國內許多小衛星都是依據它，在星上建立了星務系乃鑽嬸少統巴促匪。由於它的存在，使得複雜的衛星製造可以簡化，使得星上的許多分系統“虛擬化嬸旋斷”，部分硬體功能被軟體功能替代，設備戲嚷的功能可以軟體定義，帶來衛星運行管理的靈話性。同時，基於星務管理技術，使得衛星分系統、星上設備容易模組化，使其與衛星總體的接口和信息交換方便，帶來總體與分系統的協調融合，整星運行有序無衝突。此外，本書還提出了一些企圖在小微衛星工程中採用的部分新技術的不同構想或猜想，藉以“拋磚引玉”促進小微衛星工程的進步。

圖書目錄

第１章　緒　論…………………………………………………………………… 001

１．１　小微衛星的出現……………………………………………………… 002

１．２　小微衛星需求分析…………………………………………………… 005

１．３　國外小微衛星發展概況……………………………………………… 008

１．３．１　美國小微衛星發展現狀…………………………………… 008

１．３．２　歐洲小微衛星發展現狀…………………………………… 016

１．３．３　亞洲小微衛星發展現狀…………………………………… 023

１．４　我國小微衛星發展概況……………………………………………… 028

１．４．１　“ 希望一號” 衛星………………………………………… 029

１．４．２　“ 希望二號” 衛星………………………………………… 030

１．４．３　“ 珠海一號” 衛星………………………………………… 032

１．４．４　“ 創新一號” ／ “ 向日葵一號” 衛星…………………… 034

１．４．５　“ 皮星一號” ／ “ 皮星二號” 衛星……………………… 035

１．４．６　“ 天拓” 系列衛星………………………………………… 036

１．４．７　“ 紫丁香” 系列…………………………………………… 037

１．５　小微衛星的特點……………………………………………………… 038

第２章　小微衛星工程系統概論……………………………………………… 043

２．１　小微衛星的航天任務工程系統……………………………………… 044

２．１．１　航天任務工程系統………………………………………… 044

２．１．２　小微衛星的航天任務的特點……………………………… 047

２．１．３　小微衛星的航天任務的目標……………………………… 049

２．２　小微衛星自動化技術………………………………………………… 050

２．２．１　衛星自動化技術的內容…………………………………… 050

２．２．２　衛星自動化系統的發展階段……………………………… 053

２．２．３　小微衛星自動化系統的進展………厚估和……………………… 058

２．３　小微衛星工程及其進展……………………………………………… 061

２．３．１　小微衛星工程……………………………………………… 061

２．３．２　小微衛星的發展…………………………………………… 061

２．４　小微衛星在航天任務中可承擔的角色…………………………… 067

２．４．１　作為空間的觀察平台……………………………………… 067

２．４．２　作為空間的中繼站………………………………………… 067

２．４．３　作為空間基準點…………………………………………… 067

２．４．４　作為無人空間試驗室……………………………………… 068

２．４．棗察鞏棵５　作為空間星群組趨料廈合體……………………………………… 069

２．５　小微衛星總體設計…………………………………………………… 071

２．５．１　小微衛星是一個複雜系統………………………………… 072

２．５．２　小微衛星總體工作的基本方法…………………………… 077

２．５．３　總體部的設計工作：總體設計…………………………… 085

２．５．４　小微衛星總體設計過程的流程再造……………………… 095

第３章　近地空間環境對小微衛星的影響…………………………………… 101

３．１　地球引力場…………………………………………………………… 103

３．１．１　地球引力場對運行軌道的影響…………………………… 103

３．１．２　地球引力場對衛星姿態的影響…………………………… 109

３．２　地磁場………………………………………………………………… 113

３．２．１　地磁場模型…………………………………………………… 113

３．２．２　地磁場對太空飛行器的影響…………………………………… 116

３．２．３　地磁場在太空飛行器姿態測量和控制方面的套用…………… 118

３．２．４　減少太空飛行器剩磁矩的控制方法…………………………… 124

３．３　地球大氣……………………………………………………………… 125

３．３．１　標準大氣……………………………………………………… 126

３．３．２　地球大氣對太空飛行器飛行軌道的影響……………………… 127

３．３．３　地球大氣對太空飛行器姿態的影響…………………………… 131

３．４　電離層環境…………………………………………………………… 132

３．４．１　電離層及其對航天任務的影響…………………………… 132

３．４．２　短波電磁波在航天任務中的套用猜想…………………… 136

第４章　星務小微衛星概述……………………………………………………… 139

４．１　星務小微衛星的體系結構…………………………………………… 141

４．１．１　星務小微衛星的硬體體系結構…………………………… 141

４．１．２　星務小微衛星的軟體體系結構…………………………… 145

４．２　星務小微衛星的元技術……………………………………………… 147

４．２．１　內嵌式技術…………………………………………………… 147

４．２．２　封裝技術……………………………………………………… 155

４．２．３　網路技術……………………………………………………… 157

４．２．４　虛擬化技術…………………………………………………… 158

４．２．５　核心晶片技術……………………………………………… 161

４．３　星務小微衛星組成之一：星務系統……………………………… 161

４．３．１　星務系統的定義…………………………………………… 161

４．３．２　星務系統的基本設計思想………………………………… 163

４．３．３　星務系統的發展階段……………………………………… 165

４．３．４　星務系統的組成…………………………………………… 170

４．３．５　星務系統的功能…………………………………………… 172

４．３．６　星務系統的技術特點……………………………………… 174

４．３．７　星務系統的標準檔案……………………………………… 179

４．４　星務小微衛星組成之二：星體系統……………………………… 185

４．４．１　星體系統的定義…………………………………………… 185

４．４．２　星體系統的基本組成……………………………………… 186

４．５　星務小微衛星組成之三：載荷系統……………………………… 192

４．５．１　載荷設備的總體架構……………………………………… 193

４．５．２　光學遙感衛星的載荷系統………………………………… 198

第５章　星務小衛星的製造技術和軟體定義方法…………………………… 201

５．１　引言…………………………………………………………………… 202

５．２　星務小衛星（ＸＷＳａｔ） ……………………………………………… 206

５．２．１　概述…………………………………………………………… 208

５．２．２　基於星務的新型小衛星（ＸＷＳａｔ）的架構……………… 214

５．２．３　ＸＷＳａｔ的技術特點………………………………………… 218

５．２．４　ＸＷＳａｔ的關鍵技術方法…………………………………… 225

５．２．５　ＸＷＳａｔ的生產過程………………………………………… 229

５．３　即插即用衛星與星務小衛星的對比……………………………… 230

５．３．１　主要目的基本相似：快…………………………………… 230

５．３．２　製造的技術路線不同……………………………………… 231

５．３．３　基本組成結構相同：計算機系統＋網路………………… 232

５．３．４　集成生產的基本元素（硬體）來源不同………………… 232

５．３．５　星上基本元素（硬體）的架構基本相同：

設備本體＋計算機系統…………………………………… 233

５．３．６　軟體生產方式不同………………………………………… 233

５．３．７　星上網的類型不同………………………………………… 235

５．３．８　星上網運行管理原則基本相同：發布／訂閱模型……… 235

５．４　星務小衛星的軟體定義方法………………………………………… 236

５．４．１　軟體無線電的硬體架構…………………………………… 236

５．４．２　軟體定義衛星的硬體架構………………………………… 243

５．４．３　星務小衛星（ＸＷＳａｔ）的軟體定義方法………………… 245

５．５　小結…………………………………………………………………… 247

第６章　虛擬（軟體）化測控管技術………………………………………… 249

６．１　虛擬遙測分系統及其技術…………………………………………… 252

６．１．１　小衛星星務系統的遙測技術……………………………… 252

６．１．２　統一遙測……………………………………………………… 257

６．１．３　可控遙測……………………………………………………… 267

６．１．４　虛擬遙測分系統…………………………………………… 269

６．１．５　頂層標準檔案之三：遙測數據格式約定………………… 272

６．２　虛擬遙控分系統及其技術…………………………………………… 277

６．２．１　遙控分系統的組成………………………………………… 277

６．２．２　ＰＣＭ遙控…………………………………………………… 280

６．２．３　分包遙控和統一遙控……………………………………… 294

６．２．４　虛擬遙控系統……………………………………………… 306

６．２．５　頂層標準檔案之四：遙控數據格式約定………………… 307

６．３　虛擬程控技術………………………………………………………… 314

６．３．１　虛擬程控分系統及其技術………………………………… 314

６．３．２　衛星自主管理……………………………………………… 336

６．３．３　全星運行架構與工作流管理……………………………… 350

第７章　虛擬姿控分系統及其技術…………………………………………… 353

７．１　概述…………………………………………………………………… 354

７．２　姿態確定工作從姿控過程中分離出來…………………………… 356

７．２．１　單周期順序流程姿態控制………………………………… 357

７．２．２　快慢雙周期姿控並行工作流程…………………………… 358

７．３　網路姿態控制系統…………………………………………………… 362

７．３．１　虛擬姿控分系統的架構及其軟體可定義方法…………… 362

７．３．２　網路姿控系統的組成和關鍵問題………………………… 366

７．３．３　ＴＥＣＡＮ協定………………………………………………… 369

７．．３．．４　ＴＥＣＡＮ協定調度算法及其在小衛星姿態控制

中的套用……………………………………………………… 372

７．４　衛星姿態的邏輯控制………………………………………………… 380

７．４．１　從姿態控制的推力器系統談起…………………………… 381

７．４．２　衛星姿態的邏輯控制方法………………………………… 389

７．５　小結…………………………………………………………………… 401

第８章　電源管理………………………………………………………………… 403

８．１　概述…………………………………………………………………… 404

８．１．１　電源分系統的組成和性能提升的方向…………………… 404

８．１．２　工作原理和發展…………………………………………… 406

８．２　數字分流調節器……………………………………………………… 409

８．２．１　傳統衛星電源的分流調節器……………………………… 409

８．２．２　數字分流調節器的組成…………………………………… 413

８．２．３　數字分流調節器的工作原理……………………………… 415

８．２．４　三餘度信號表決器的功能………………………………… 415

８．２．５　數字分流調節器的好處…………………………………… 417

８．３　自主充放電管理的蓄電池模組……………………………………… 417

８．３．１　概述…………………………………………………………… 417

８．３．２　雙向ＤＣ／ＤＣ變換器………………………………………… 419

８．３．３　蓄電池控制管理器………………………………………… 432

８．４　太陽電池陣的兩個極值跟蹤問題…………………………………… 438

８．４．１　問題的提出…………………………………………………… 438

８．４．２　自尋優峰值功率跟蹤……………………………………… 443

８．４．３　太陽電池陣對日跟蹤……………………………………… 456

８．５　蓄電池的過充過放電保護、蓄電池充電的安時控制和

鋰離子電池組的均勻充電控制……………………………………… 464

８．５．１　蓄電池的過充過放電保護………………………………… 464

８．５．２　蓄電池充電的安時控制…………………………………… 465

８．５．３　鋰離子電池組的均勻充電控制…………………………… 466

８．６　帶管理匯流排的電源母線技術………………………………………… 468

８．６．１　問題的提出…………………………………………………… 468

８．６．２　帶電源管理的星上電網實現技術………………………… 472

８．６．３　電源母線管理執行單元：ＭＥＵｐ ………………………… 474

８．７　分散式電源系統……………………………………………………… 478

８．７．１　問題的提出…………………………………………………… 478

８．７．２　光熱發電系統……………………………………………… 479

８．７．３　廢熱發電系統……………………………………………… 480

參考文獻…………………………………………………………………………… 481

索　引……………………………………………………………………………… 489

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