Week 9 — 期中考
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week09_midterm/基礎知識導論
Week 9 基礎知識導論 — 期中複習:前八週的觀念地圖
本週沒有實驗。這一頁的用途是把 Week 1–8 串成一條因果鏈,
而不是八個各自獨立的主題。期中考考的是這條鏈,不是單點記憶。
1. 一條主線:從一句任務目標到一顆可行的衛星
Week 1 物件與幾何 什麼是 CubeSat、STK 怎麼描述一個任務
↓
Week 2 架構與 CONOPS 把「監測火山」變成可被違反的量化需求
↓
Week 3 四大預算 質量 / 功率 / 鏈路 / 資料,以及餘裕管理
↓
Week 4 軌道選擇 ★ 最早凍結、最難更改的決定
↓ (軌道一定,以下全部被決定)
Week 5 結構 ← 發射環境
Week 6 熱 ← 日照 / 地影時間線(來自 Week 4)
Week 7 電力 ← 日照幾何 + cos(θ)(來自 Week 4)
Week 8 姿態 ← 決定 cos(θ)、天線指向、成像指向
每一週的輸入,都是前面某一週的輸出。 這就是系統工程的耦合。
2. 八週的核心觀念濃縮
| 週 | 一句話重點 | 最容易忘的那個細節 |
|---|---|---|
| 1 | STK 是計算引擎,3D 只是呈現 | Connect 距離預設公尺,物件模型多為公里 |
| 2 | 沒有數字的需求無法被違反 | 分析窗太短會讓 access 假性為 0 |
| 3 | 預算表是控制器,不是報表 | 功率預算必須沿 CONOPS 時間軸,不能只用平均 |
| 4 | 傾角決定緯度覆蓋,J2 決定 SSO | HPOP 設定是延後提交,STK 12 要自己補 Propagate |
| 5 | 結構由發射決定,不由任務決定 | 提高 f_n 會讓隨機振動響應變大(Miles) |
| 6 | 沒有對流,只能輻射 | 熱設計看極端工況,不看平均地影比例 |
| 7 | 電池容量由壽命 (DOD) 決定 | cos(θ)、封裝、衰減三個折扣加起來可能砍掉一半 |
| 8 | 磁力矩器欠致動,B-dot 只耗散動能 | 偶極模型高估消旋效能(80.3% vs 99.1%) |
3. 貫穿全課的三個方法論
3.1 ACK 不等於生效
STK Connect 對絕大多數指令只回「收到」。本教材實測 396 條指令全部 ACK,
但真正能證明生效的只有一部分。前八週的驗證段已經抓出多個 0 個 NACK 的靜默失敗:
Model.DesignFrequency屬性不存在(Week 2、11)- 設定天線型別會沖掉先前寫入的設計頻率(順序問題)
- Week 4 的
SolarPanel DeleteData讓 Week 7 的發電報告變成空檔案 - Week 2 原本 2.5 小時的分析窗使成像 access 為 0
方法:設過的值要讀回來比對(*_RM ... GetValue 或物件模型),
把手冊裡寫死的基準數字變成可執行的斷言。
3.2 兩個獨立方法互相驗證
| 週 | 方法 A | 方法 B |
|---|---|---|
| 5 | Python 解析(板公式) | CalculiX 3D FEA |
| 8 | 傾斜偶極 | IGRF-13 |
| 4 | 兩體 / J2 | HPOP |
兩個都對不代表對,但兩個差很多一定有一個錯。這是最便宜的除錯手段。
3.3 基準案例故意失敗
Week 5 的 71 Hz、Week 6 的電池低於 0 °C 都是刻意設計的 FAIL。
只有先看到失敗,設計迭代才有意義。 期中考會問「為什麼失敗」與「怎麼改」,
不會問「基準值是多少」。
4. 期中考自我檢核清單
week09_midterm/README.md 有完整清單。以下是必須答得出來的核心題:
軌道與幾何
- 週期 95 分鐘的圓軌道高度大約多少?自己算一次
T = 2π√(a³/μ)。 - 為什麼太陽同步軌道一定是逆行軌道?
- 傾角 56° 的衛星,星下點最高到什麼緯度?能不能觀測到更高緯度的目標?
- 仰角遮罩從 5° 改到 10°,access 總時長變化的方向與量級。
子系統
- 電池容量為什麼不是「地影時間 × 平均負載」?差幾倍?
- 為什麼提高第一模態頻率會讓隨機振動響應變大?
α/ε高的表面比較熱還是比較冷?為什麼是四次方根關係?- 磁力矩器為什麼無法在單一瞬間控制三軸?
系統整合
- 把成像速率提高 2 倍,四張預算表各自怎麼動?哪一張先破?
- 軌道高度從 550 km 改到 700 km,列出至少五個受影響的子系統及其方向。
方法論
- 「指令回了 ACK」證明了什麼、沒有證明什麼?舉一個本課的真實案例。
- 你有兩個模型算出差 20% 的答案。接下來的三個步驟是什麼?
5. 常見的期中失分點
- 只記結論不記推導 — 「SSO 傾角約 98°」記得住,但問「為什麼一定 > 90°」就答不出來。
- 忘記單位 — 公尺 vs 公里、dB vs 線性、°/s vs rad/s。本課至少三個真實 bug 出自單位。
- 平均值思維 — 平均功耗、平均地影、平均資料率。系統的失效發生在極端,不在平均。
- 把工具當答案 — 「STK 算出來就是這樣」不是論證。要能說明數字的物理意義與可信度來源。
6. 延伸閱讀(複習用的整合性資源)
- NASA CubeSat 101(PDF)
— 一本讀完就能把八週串起來的入門書,複習首選。 - NASA State of the Art of Small Spacecraft Technology
— 各子系統一章,正好對應本課 Week 5–8。 - MIT OCW 16.851 Satellite Engineering
— 用另一位老師的講法再看一次同樣的主題,是很有效的複習方式。 - eoPortal 衛星任務資料庫
— 挑一顆真實的地球觀測 CubeSat,把它的軌道、功率、熱、姿態設計全部查一遍,
跟你的 FIREYE 對照。這是最好的期末專題暖身。 - NASA Lessons Learned Information System
— 看真實任務怎麼失敗的。多數失敗來自介面與驗證,不是來自物理算錯。
7. 期中之後會發生什麼
後半學期把前八週的設計變成可運作的系統:
Week 10 推進 用 Astrogator 真的把軌道機動算出來(含去軌)
Week 11 通訊 把 Week 3 的鏈路預算變成 STK 的真實鏈路
Week 12 資料 把 access 統計變成記錄器填充曲線與速率上限
Week 13 自動化 用 Python 物件模型把整條流程變成可重複執行的程式
Week 14 運作 從 TLE 排出真實的通聯時刻表
Week 15 發射 用 Aviator 做發射載具 trade study
Week 16 星座 回答「一顆到底夠不夠」
期中考的功能,是確認你手上有足夠的地基去承接這七週。
README.md
Week 9 — 期中考
本週為期中考週,沒有實驗。這個資料夾與同名 notebook 只是為了讓 16 週的教材編號連續,
方便學生按週瀏覽。
考試範圍
Week 1–8,對應到 FIREYE 火山觀測任務的前半段:
| 週 | 主題 | 關鍵交付 |
|---|---|---|
| 1 | 導論:場景與物件模型 | FIREYE 衛星 + 成像酬載 |
| 2 | 系統架構:通訊、地面站、access | chain access → coverage 換 volume |
| 3 | 系統工程:四大預算 | 質量/功率/鏈路/資料預算 + margin |
| 4 | 任務規劃與軌道選擇 | (a, i) 掃描 + 完整 FIREYE 場景 |
| 5 | 結構:FEA 與發射振動 | 模態分析 + GEVS 隨機振動 |
| 6 | 熱管理:節點熱網路 | 溫度曲線 + 電池工作區間判定 |
| 7 | 功率系統 | 發電曲線 + 功率收支 |
| 8 | 姿態:B-dot 消旋 | 消旋曲線 + STK 3D 姿態串接 |
考前自我檢核
各週都附了驗證段,可以用它確認自己的場景與結果是否正確:
python week01_intro/week01_verify.py
python week02_architecture/week02_verify.py
python week03_budgets/week03_verify.py
python week04_orbit/week04_verify.py
python week05_fea/week05_verify.py
python week06_thermal/week06_verify.py
python week07_power/week07_verify.py
python week08_adcs/week08_verify.py
需要 STK 的是 Week 1、2、4、7(請開啟 STK 12 桌面版,不能用無介面的 Engine)。
Week 3、5、6、8 是純 Python,隨時可跑。
全部通過,代表你手上的 FIREYE 場景與各週結論都重現得出來 —— 那才是期末報告的可用素材。