航天技术概论.docx

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航天技术概论

30 题题目解答：

MATLAB

在 20 世纪 70 年代中期，CleveMoler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用 EISPACK 和 LINPACK 的

FORTRAN 子程序库。

EISPACK 是特征值求解的 FORTRAN 程序库，LINPACK 是解线性方程的程序库。

在当时，这两个程序库代表

矩阵运算的最高水平。

到 20 世纪 70 年代后期，身为美国 New Mexico 大学计算机系系主任的 Clev e Moler，在给学生讲授线性代数课程时，想

教学生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序库，但他发现学生用 FORTRAN 编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时

间为学生编写 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。

Cleve  Moler 给这个接口程序取名为 MATLAB，该名为矩阵（matrix）和实验室

（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。

在以后的数年里，MATLAB 在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面

向大众的免费软件广为流传。

1983年春天，Cleve Moler到Stanford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师John Little。

John Little敏锐地觉察到MATLAB

在工程领域的广阔前景。

同年，他和 Cleve Moler、Sieve Bangert一起，用C语言开发了第二代专业版。

这一代的MATLAB语言同

时具备了数值计算和数据图示化的功能。

1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。

在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。

一类是数值计算型软件，如

MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如

Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。

MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文

字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。

经过多年的国际竞争，

MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。

在 MATLAB 进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以 FORTRAN 和 C 语言等编程语言开发的。

这种软件的缺点是

使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。

MATLAB 的出现，

为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。

在 MATLAB 问世不久的 20 世纪 80 年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷

被淘汰或在 MATLAB 上重建。

时至今日，经过 Math Works 公司的不断完善，MATLAB 已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。

在国外，MATLAB 已经经受了多年考验。

在欧美等高校，MATLAB 已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处

理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业部门，MATLAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。

最新版本为  2010B

C 语言

C 语言是一种计算机程序设计语言。

它既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。

它可以作为系统设计语言， 编

写工作系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。

因此，它的应用范围广泛。

 主要

有以下特点：

 　　 C 语言在很多方面都可以用，不仅仅是在软件开发上，各类科研都是需要用到 C 语言的。

具体应用比如我

是学硬件的，单片机以及嵌入式系统都可以用 C 来开发。

 　　 C 语言发展如此迅速, 而且成为最受欢迎的语言之一,主要因为

它具有强大的功能。

许多著名的系统软件, 如 DBASE Ⅲ PLUS、DBASE Ⅳ 都是由 C 语言编写的。

用 C 语言加上一些汇编

语言子程序, 就更能显示 C 语言的优势了, 像 PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用这种方法编写的。

归纳起来 C 语言具有下列

特点:

1.C 是中级语言它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。

C 语言可以象汇编语言一样对位、字

节和地址进行操作, 而这三者是计算机最基本的工作单元。

2.C 是结构式语言结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。

这种结构化方式 可使程序层次清晰, 便于使用、维护以及调试。

C 语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方

便的调用, 并具有多种循环、条件语 句控制程序流向, 从而使程序完全结构化。

3.C 语言功能齐全 C 语言具有各种各样的数据类型, 并引入了指针概念,可使程序效率更高。

另外 C 语言也具有强大

的图形功能, 支持 多种显示器和驱动器。

而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大,可以实现决策目的编游戏，编

3D 游戏，做数据库，做联众世界，做 聊天室，做 PHOTOSHOP 做 FLASH，做 3DMAX。

4.C 语言适用范围大 C 语言还有一个突出的优点就是适合于多种操作系统, 如 DOS、UNIX,也适用于多种机型。

C 语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用 C 语言明显优于其它解释型高级语言，有一些

大型应用软件也是用 C 语言编写的。

 　　 C 语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系

统软件，三维，二维图形和动画。

它是数值计算的高级语言。

 　　 常用的 C 语言 IDE（集成开发环境）有 Microsoft Visual

C++，Borland C++，WatcomC++ ,Borland C++ ，Borland C++ Builder,Borland C++ 3.1 for DOS,WatcomC++ 11.0 for

DOS,GNU DJGPP C++ ，Lccwin32 C Compiler 3.1,Microsoft C,High C,Turbo C,Dev-C++,C-Free， win-tc 等等......

C 语言的发展过程

∙C 语言的原型 ALGOL 60 语言（也成为 A 语言） 。

1963 年，剑桥大学将 ALGOL 60 语言发展成为 CPL（Combined Programming Language）语言。

1967 年，剑桥大学的 Matin Richards 对 CPL 语言进行了简化，于是产生了 BCPL 语言。

1970 年，美国贝尔实验室的 Ken Thompson 将 BCPL 进行了修改，并为它起了一个有趣的名字“B 语言”。

意思是将

CPL 语言煮干，提炼出它的精华。

 并且他用 B 语言写了第一个 UNIX 操作系统。

而在 1973 年，B 语言也给人“煮”了一下，美国贝尔实验室的 D.M.RITCHIE 在 B 语言的基础上最终设计出了一种新

的语言，他取了 BCPL 的第二个 字母作为这种语言的名字，这就是 C 语言。

为了使 UNIX 操作系统推广，1977 年 Dennis M.Ritchie 发表了不依赖于具体机器系统的 C 语言编译文本《可移植

的 C 语言编译程序》。

1978 年 Brian W.Kernighian 和 Dennis M.Ritchie 出版了名著《The C Programming Language》，从而使 C 语言

成为目前世界上流行最广泛的高级程序设计语言。

1987 年，随着微型计算机的日益普及,出现了许多 C 语言版本。

由于没有统一的标准,使得这些 C 语言之间出现了

一些不一致的地方。

 为了改变这种情况,美国国家标准研究所（ANSI）为 C 语言制定了一套 ANSI 标准, 成为现行的

C 语言标准 3.C 语言的主要特点 ，即经典的 87 ANSI C。

C 语言 发展迅速, 而且成为最受欢迎的语言之一,主要因

为它具有强大的功能。

许多著名的系统软件, 如 DBASE Ⅲ PLUS、DBASE Ⅳ 都是由 C 语言编写的。

 用 C 语言

加上一些汇编语言子程序, 就更能显示 C 语言的优势了,象 PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用这种方法编写的。

1990 年，国际化标准组织 ISO（Intrernational StandardOrganization）接受了 87 ANSI C 为 ISO C 的标准

（ISO9899-1990）。

1994 年，ISO 修订了 C 语言的标准。

 目前流行的 C 语言编译系统大多是以 ANSI C 为基础

进行开发的，但不同版本的 C 编译系统所实现的语言功能和语法规则略有差别。

C 语言的特点

C 语言是一种结构化语言。

它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护。

C 语言的表现能力和处理能力

极强。

它不仅具有丰富的运算符和数据类型，便于实现各类复杂的数据结构。

它还可以直接访问内存的物理地址，进行位（bit）

一级的操作。

 　　具体来讲，C 语言的特点 为：

1.简洁紧凑、灵活方便

　　C 语言一共只有 32 个关键字,9 种控制语句，程序书写自由，主要用小写字母表示。

它把高级语言的基本结构

和语句与低级语言的实用性结合起来。

 C 语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作, 而这三者是计算机

最基本的工作单元。

2.运算符丰富

　　C 的运算符包含的范围很广泛，共有种 34 个运算符。

C 语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。

从而使 C 的运算类型极其丰富表达式类型多样化，灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。

3.数据结构丰富

　　C 的数据类型有：

整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。

能用来实现各种

复杂的数据类型的运算。

并引入了指针概念,使程序效率更高。

另外 C 语言具有强大的图形功能, 支持多种显示器和

驱动器。

且计算功能、逻辑判断功能强大。

4.C 是结构式语言

　　结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。

这种结构化

方式可使程序层次清晰,便于使用、维护以及调试。

C 语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具

有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。

5.C 语法限制不太严格、程序设计自由度大

　　一般的高级语言语法检查比较严，能够检查出几乎所有的语法错误。

而 C 语言允许程序编写者有较大的自由度。

6.C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作

　　因此既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而

这三者是计算机最基本的工作单元，可以用来写系统软件。

7.C 语言程序生成代码质量高，程序执行效率高

一般只比汇编程序生成的目标代码效率低 10 へ 20%。

8.C 语言适用范围大，可移植性好

C 语言有一个突出的优点就是适合于多种操作系统, 如 DOS、UNIX,也适用于多种机型。

当然，C 语言也有自身的不足，比如：

C 语言的语法限制不太严格，对变量的类型约束不严格，影响程序的安全性，对

数族下标越界不作检查等。

 从应用的角度，C 语言比其他高级语言较难掌握。

总之，C 语言既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点；既是一个成功的系统设计语言， 又是一个使用的程序设

计语言；既能用来编写不依赖计算机硬件的应用程序，又能用来编写各种系统程序；是一种受欢迎、应用广泛的程序设 计语

言 C 语言版本 。

STK

satellite tool kit（卫星工具箱）

　　stk 的全称是 satellite tool kit（卫星工具箱），是由 Analytical Graphics 公司开发的一款在航天工业

领域中处于绝对领先地位的商品化分析软件。

它支持航天任务周期的全过程，包括概念、需求、设计、制造、测试、发

射、运行和应用等。

 STK 是先进的商用现货（ COTS）分析和可视化工具，它可以支援航天、防御和情报任务。

利用它可

以快速方便地分析复杂任务，获得易于理解的图表和文本形式的分析结果，以确定最佳解决方案。

美国 Analytical Graphics 公司开发的 STK 卫星工具包软件，是航天工业领先的商品化分析软件。

 STK 可以快速方便地分析复

杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，确定最佳解决方案。

它支持航天任务周期的全过程，

包括政策、概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用。

STK/Pro 8.1.1 提供分析引擎用于计算数据、并可显示多种形式的二维地图，显示卫星和其它对象如运载火箭、地面车辆、

目标等。

STK 的核心能力是产生位置和姿态数据、获取时间、遥感器覆盖分析。

STK 专业版扩展了 STK 的基本分析能力，包括

附加的轨道预报算法、姿态定义、坐标类型和坐标系统、遥感器类型、高级的约束条件定义，以及卫星、城市、地面站和恒星

数据库。

对于特定的分析任务，STK 提供了附加分析模块，可以解决通信分析、雷达分析、覆盖分析、轨道机动、精确定轨、

实时操作等问题。

另外，STK 还有三维可视化模块，为 STK 和其它附加模块提供领先的三维显示环境。

主要功能:

∙分析能力——以复杂的数学算法迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置、姿态，评估陆地、海洋、空中和空间对象

间的复杂关系，以及卫星或地面站遥感器的覆盖区域；

∙生成轨道/弹道星历表——STK 8.1.1 包含复杂的数学算法，可以快速而准确地确定卫星在任意时刻的位置。

对于新

手，STK 提供卫星轨道生成向导，指引用户建立常见的轨道类型如：

地球同步、临界倾角、太阳同步、莫尼亚、重

复轨道等等。

∙可见性分析——计算任意对象间的访问时间并在二维地图窗口动画显示，计算结果为图表或文字报告。

可在对象间

增加几何约束条件，如遥感器的可视范围、地基或天基系统最小仰角、方位角和可视距离；

∙遥感器分析——遥感器可以附加在任何空基或地基对象上，用于可见性分析的精确计算。

遥感器覆盖区域的变化动

态地显示在二维地图窗口，包括多种遥感器类型（复杂圆弧、半功率、矩形、扫摆、用户定义）；

∙姿态分析——STK 提供标准姿态定义，或从外部输入姿态文件（标准四元数姿态文件），为计算姿态运动对其它参数

的影响提供多种分析手段；

∙可视化的计算结果——STK 在二维地图窗口可以显示所有以时间为单位的信息，多个窗口可以分别以不同的投影方

式和坐标系显示。

可以向前、向后或实时地显示任务场景的动态变化：

空基或地基对象的位置、遥感器覆盖区域、

可见情况、光照条件、恒星/行星位置，可将结果保存为 BMP 位图或 AVI 动画；

∙全面的数据报告——STK 提供全面的图表和文字报告总结关键信息，包含上百种数据，用户可以为一个对象或一组

对象定制图表和报告。

所有报告均以工业标准格式输出，可以输出到常用的电子制表软件中；

∙STK 8.1.1 专业版为航天领域的专家提供了高级航天分析工具，如附加数据库、轨道预报、姿态调整、坐标类

型和坐标系以及遥感器的定义，STK/Pro 集合以上强大功能用来解决最具挑战性的问题。

STK/Pro 包含了尖端的新功

能以面向卫星系统专家的需求。

STK/Pro 是在广泛征求并了解了每天都在使用 STK 的用户的意见和需求后诞生的直

接满足工业需要的产品，极大的扩展了 STK 8.1.1 的基本功能。

主要功能：

∙1:

内容丰富的数据库：

包括三个附加数据库，城市数据库/地面站数据库/恒星数据库；

2:

用于可见性分析的约束定义：

超过 20 个约束条件定义飞行器、遥感器、地面站和其它对象之间的可见性，增强用

户的分析性能；

3:

高精度轨道预报（HPOP）：

应用高保真力学模型生成不同轨道卫星的星历表，包括：

圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨

道、双曲线轨道，有效范围从地球表面直到月球；

4:

长期轨道预报（LOP）：

精确预报数月或数年的卫星轨道；

5:

寿命工具（Lifetime）：

评估低轨卫星在轨保持圈数；

6:

区域目标：

可定义 N 多边形区域，用于地面区域链路计算；

7:

附加坐标类型和系统：

以不同的方式表现卫星的位置和速度信息；

8:

姿态仿真和指向：

定义飞行器姿态，包括 19 种姿态定义；

9:

多种遥感器类型：

增加了简单圆弧以外的 5 种遥感器类型：

复杂圆弧、半功率、矩形、SAR、自定义。

Nastran

NX Nastran 简介

源于美国国家航空航天局  （NASA）的结构分析软件 Nastran 经过 40 年的发展已经成为世界上最为著名的有限元求解程序，拥

有最为广泛的用户群，其解算结果和数据格式已经成为 CAE 行业标准。

博览达提供的 NX Nastran 是经美国政府认证的两个商业版 Nastran 之一，现正广泛用于美国工业界及 NASA 各研究所。

NX

Nastran 是由西门子/UGS PLM Software 研发、维护的全球标准 Nastran，产品主要包括 Professional Package、Dynamics

Package、TMG Thermal Package、Server Package 四个标准包及配选的功能模块。

博览达合理的价格及坚强的技术团队让

每个 CAE 工程师都能使用全功能的 Nastran 圆满地完成分析、仿真任务。

DMAP

DMAP （直接矩阵提取程序）是 NX Nastran 高效的二次开发语言，已有 30 多年历史。

DMAP 主要功能包括：

帮助用户改变或直接产生新的求解序列,实现矩阵的合并、分离、增加、删除， 或将矩阵输出到有限元后处理、 机构分析以及

测试相关性等一些外部程序中。

用户可利用 DMAP 编写用户化程序,操作数据库流程。

Enhanced Parallel Processing（增强的并行计算性能）

NX Nastran 包含强大的并行计算求解功能，大大提高了在求解超大模型时的效率。

NX Nastran 不仅支持共享内存式单机多

CPU 并行 SMP；同时也支持分布式多机多 CPU 并行 DMP，可用于工作站集群，尤其特别地，其独特的 HDMP 支持模型同时

按几何和频率范围进行分割，极大地提高计算效率。

TMG Thermal（TMG 热分析）

TMG Thermal 包含了解决大多数通用工程问题所需的静态和瞬态热力 分析功能，包括传导、对流、辐射和相位变化的建模与

分析。

TMG Thermal 提供了一套完整的热力边界条件和求解程序控制，以及一套供装配件使用的功能强大的热力建模工具。

TMG Advanced Thermal（TMG 高级热分析）

TMG Advanced Thermal 中增加了许多高级热力和流体流动分析功能，包括管流分析建模、强迫对流分析。

此外，它还提供广

泛的高级工具，用于分析高级辐射和航天器模型，模拟包含太阳和行星的环境热、轨道、镜面反射和光影追踪与铰接的相对运

动结构等。

它同样支持高级求解特征，如用户编写的子程序、模型简化、子结构以及与其他工业软件的接口。

TMG Flow（TMG 流分析）

TMG Flow 提供一套综合的三维计算流体动力学（CFD）解决方案。

TMG Flow 使用高效的基于单元的有限体积法求解程序，

计算静态和瞬态 应用中的三维流体速度、温度和压力。

当它与 TMG Thermal 组合使用时，可以解决范围广泛的多种物理问题，

这些问题涉及流体流动和热传导，低速与高速的可压缩或不可压流动等。

LABVIEW

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由美国国家仪器公司

所开发的图形化程序编译平台，发明者为杰夫·考度斯基（Jeff Kodosky），程序最初于 1986 年在苹果电脑上发表。

LabVIEW

早期是为了仪器自动控制所设计，至今转变成为一种逐渐成熟的高级编程语言。

图形化程序与传统编程语言之不同点在于程序

流程采用"数据流"之概念打破传统之思维模式，使得程序设计者在流程图构思完毕的同时也完成了程序的撰写。

LabVIEW 率先引入了特别的虚拟仪表的概念，用户可通过人机界面直接控制自行开发之仪器。

此外 LabVIEW 提供的库包含：

信号截取、信号分析、机器视觉、数值运算、逻辑运算、声音震动分析、数据存储...等。

目前可支持

Windows，UNIX，Linux，Mac OS 等操作系统。

由于 LabVIEW 特殊的图形程序简单易懂的开发接口，缩短了开发原型的速

度以及方便日后的软件维护，因此逐渐受到系统开发及研究人员的喜爱。

目前广泛的被应用于工业自动化之领域上。

LabVIEW

缺省以 多线程运行程序，对于程序设计者更是一大利器。

此外 LabVIEW 通信接口方面支持：

GPIB，USB，IEEE1394，MODBUS，串口，并行端口，IrDA，TCP，UDP，Bluetooth，.NET，ActiveX，SMTP...等接口。

版本：

LabVIEW 8.X

LabVIEW 8.X 之版本中引入了面向对象（OOP）之程序设计概念，使 LabVIEW 更接近一个完整的编程语言。

LabVIEW 8.20

版的命名是为了庆祝 LabVIEW 第 20 周年。

目前最新的版本为 LabVIEW 8.6。

LabVIEW 8.5 新增的功能如下：

·轻松集成如多核心处理器的最新技术

·以新功能管理软件开发，如图形化合并 VI 的功能

·以新的 BLAS 信号处理程序库，更迅速地分析数据

·以新的状态图程序设计方式，开发完整的应用

PROTEL

Protel99SE 是 Protel 公司近 10 年来致力于 Windows 平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及

这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

因而今天的 Protel 最新产品已不是单纯的 PCB（印制电路板）设计工具，而是一个

系统工具，覆盖了以 PCB 为核心的整个物理设计。

 最新版本的 Protel 软件可以毫无障碍地读 Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知

名 EDA 公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的 EDA 平台。

　　Protel99 SE 共分 5 个模块，分别是原理图设计、PCB 设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、

PLD 设计。

 以下介绍一些 Protel99SE 的部分最新功能：

　　◆可生成 30 多种格式的电气连接网络表；

　　◆强大的全局编辑功能；

　　◆在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中； 　　◆同时运行原理图和 PCB，在打开的原理图和 PCB 图间

允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 　　◆既可以进行正向注释元器