El análisis y el proceso de diseño de misiones espaciales definen un sistema espacial a nivel de sistema para cumplir con los objetivos de la misión espacial. Aunque el proceso tradicional está bien establecido y es completo gracias a varios años de experiencia, proponemos un nuevo marco de proceso de diseño en este documento para ayudar al proceso tradicional, centrándonos en las siguientes áreas de mejora: (1) clarificación de la conexión directa entre los objetivos de la misión y el diseño y requisitos de referencia a nivel de sistema, (2) desarrollo de un criterio de juicio cuantitativo integral para evaluar diversas alternativas de diseño, (3) derivación de los impulsores del sistema y requisitos críticos después de obtener suficiente conocimiento de diseño basado en el análisis de grandes datos obtenidos de la exploración de todo el espacio de diseño utilizando un entorno de diseño integrado, y (4) optimización del sistema incluso a nivel de sistema con una perspectiva holística para garantizar que el diseño de referencia cumpla con los objetivos de la misión. Ejemplos de los pasos de diseño en el marco propuesto son caracterizar las necesidades de los interesados y las características de ingeniería, construir un entorno de diseño integrado, explorar y analizar el espacio de diseño, optimizar el diseño a nivel de sistema y elaborar la utilidad de la misión para asegurar un enfoque de diseño orientado a la misión eficiente. El marco propuesto se implementa en un ejemplo de misión espacial que involucra comunicación cuántica criptográfica. En consecuencia, demostramos que el marco propuesto proporciona un diseño de referencia a nivel de sistema de satélite orientado a la misión eficiente.