ANISE (姿态、导航、仪器、航天器、星历)

ANISE是对NAIF SPICE工具包核心功能的重写，具有增强的性能、易于使用，同时利用Rust的安全性和速度。

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简介

在太空探索、导航和天体物理学领域，精确和高效地计算航天器的位置、姿态和时间至关重要。ANISE（代表“姿态、导航、仪器、航天器、星历”）提供了一种Rust原生方法来解决这些挑战。此工具包提供了一系列功能，包括但不限于

• 加载SPK、BPC、PCK、FK和TPC文件。
• 高精度的平移、旋转及其组合（刚体变换）。
• 使用hifitime库进行全面的时系统转换（包括TT、TAI、ET、TDB、UTC、GPS时间等）。

ANISE经过验证与传统的SPICE工具包相匹配，确保准确性和可靠性，平移达到机器精度（2e-16）且旋转误差最小（旋转轴指向小于两弧秒，绕此旋转轴的角度小于一弧秒）。

特性

• 高精度：在平移上与SPICE匹配到机器精度，在旋转上误差最小。
• 时系统转换：广泛支持在天体动力学中至关重要的各种时系统。
• Rust效率：利用Rust的速度和安全性能进行空间计算。
• 多线程：是的！忘掉你在SPICE中常用的互斥锁和竞态条件吧，ANISE 保证 你不会有任何竞态条件。
• 框架安全：ANISE在执行任何计算之前，甚至内部计算，都会检查所有框架的平移或旋转是否在物理上有效。
• 自动下载功能：ANISE通过自动下载最新的地球定向参数，或任何其他来自远程位置的SPICE或ANISE文件，简化了你的工作流程，无缝地将它们集成到Almanac中以供即时使用。

使用方法

通过将其添加到Rust项目开始使用它

cargo add anise

轨道帧转换

ANISE提供创建笛卡尔状态（也简称为Orbit）的能力，以无错误的方式从它们中计算轨道元素（可能失败的运算返回Result类型），并且通过加载的上下文（称为Almanac），将这些状态转换到其他框架，其中存储了您需要的所有SPICE和ANISE文件。

use anise::prelude::*;
// ANISE provides pre-built frames, but examples below show how to build them from their NAIF IDs.
use anise::constants::frames::{EARTH_ITRF93, EARTH_J2000};

// Initialize an empty Almanac
let ctx = Almanac::default();

// Load a SPK/BSP file
let spk = SPK::load("../data/de440.bsp").unwrap();
// Load the high precision ITRF93 kernel
let bpc = BPC::load("../data/earth_latest_high_prec.bpc").unwrap();
// Build the planetary constants file, which includes the gravitational parameters and the IAU low fidelity rotations
use anise::naif::kpl::parser::convert_tpc;
// Note that the PCK variable can also be serialized to disk to avoid having to rebuild it next time.
let pck = convert_tpc("../data/pck00008.tpc", "../data/gm_de431.tpc").unwrap();

// And add all of these to the Almanac context
let almanac = ctx
    .with_spk(spk)
    .unwrap()
    .with_bpc(bpc)
    .unwrap()
    .with_planetary_data(pck);

// Let's build an orbit
// Start by grabbing a copy of the frame.
let eme2k = almanac.frame_from_uid(EARTH_J2000).unwrap();

// Define an epoch, in TDB, but you may specify UTC, TT, TAI, GPST, and more.
let epoch = Epoch::from_str("2021-10-29 12:34:56 TDB").unwrap();

// Define the orbit from its Keplerian orbital elements.
// Note that we must specify the frame of this orbit: ANISE checks all frames are valid before any translation or rotation, even internally.
let orig_state = Orbit::keplerian(
    8_191.93, 1e-6, 12.85, 306.614, 314.19, 99.887_7, epoch, eme2k,
);

// Transform that orbit into another frame.
let state_itrf93 = almanac
    .transform_to(orig_state, EARTH_ITRF93, None)
    .unwrap();

// The `:x` prints this orbit's Keplerian elements
println!("{orig_state:x}");
// The `:X` prints the prints the range, altitude, latitude, and longitude with respect to the planetocentric frame in floating point with units if frame is celestial,
println!("{state_itrf93:X}");

// Convert back
let from_state_itrf93_to_eme2k = almanac
    .transform_to(state_itrf93, EARTH_J2000, Aberration::NONE)
    .unwrap();

println!("{from_state_itrf93_to_eme2k}");

// Check that our return data matches the original one exactly
assert_eq!(orig_state, from_state_itrf93_to_eme2k);

加载和查询PCK/BPC文件（高精度旋转）

use anise::prelude::*;
use anise::constants::frames::{EARTH_ITRF93, EME2000};

let pck = "../data/earth_latest_high_prec.bpc";

let bpc = BPC::load(pck).unwrap();
let almanac = Almanac::from_bpc(bpc).unwrap();

// Load the useful frame constants
use anise::constants::frames::*;

// Define an Epoch in the dynamical barycentric time scale
let epoch = Epoch::from_str("2020-11-15 12:34:56.789 TDB").unwrap();

// Query for the DCM
let dcm = almanac.rotate_from_to(EARTH_ITRF93, EME2000, epoch).unwrap();

println!("{dcm}");

加载和查询文本PCK/KPL文件（低精度旋转）

use anise::prelude::*;
// Load the TPC converter, which will create the ANISE representation too, in ASN1 format, that you may reuse.
use anise::naif::kpl::parser::convert_tpc;

// Note that the ASN1 ANISE format for planetary data also stores the gravity parameters, so we must convert both at once into a single ANISE file.
let planetary_data = convert_tpc("../data/pck00008.tpc", "../data/gm_de431.tpc").unwrap();

let almanac = Almanac {
    planetary_data,
    ..Default::default()
};

// Load the useful frame constants
use anise::constants::frames::*;

// Define an Epoch in the dynamical barycentric time scale
let epoch = Epoch::from_str("2020-11-15 12:34:56.789 TDB").unwrap();

// Query for the DCM to the immediate parent
let dcm = almanac.rotation_to_parent(IAU_VENUS_FRAME, epoch).unwrap();

println!("{dcm}");

加载和查询SPK/BSP文件（星历）

use anise::prelude::*;
use anise::constants::frames::*;

let spk = SPK::load("../data/de440s.bsp").unwrap();
let ctx = Almanac::from_spk(spk).unwrap();

// Define an Epoch in the dynamical barycentric time scale
let epoch = Epoch::from_str("2020-11-15 12:34:56.789 TDB").unwrap();

let state = ctx
    .translate(
        VENUS_J2000, // Target
        EARTH_MOON_BARYCENTER_J2000, // Observer
        epoch,
        None,
    )
    .unwrap();

println!("{state}");

验证

ANISE通过在上面的验证步骤中，以ANISE和SPICE（单线程）运行相同的查询进行验证。此工作流程验证了DE440.BSP文件中的101,000个BSP查询，以及在PCK08文件中的每帧7305个查询（20年每天），以及来自地球高精度BPC文件数千个旋转。

注意： PCK数据来自IAU报告，该报告发布角、角速率和角加速度数据，这些数据以J2000参考历元之前的世纪为单位表示。ANISE使用Hifitime进行时间转换。Hifitime仅对所有时间计算依赖整数，消除了舍入误差的风险。相比之下，SPICE使用浮点值，这会在计算如J2000之前的世纪这样的运算中引入舍入误差。因此，您可能会观察到SPICE和ANISE之间旋转角度的最大1毫弧度差异。然而，这种差异是ANISE卓越精度的证明。

资源/资产

为了方便起见，Nyx Space在公共存储桶中提供了一些重要的SPICE文件

• de440s.bsp：1900年至20250年JPL的最新星历数据集
• de440.bsp：JPL的最新长期星历数据集
• pck08.pca：ANISE行星常数（pca）内核，由JPL的重力数据gm_de431.tpc和JPL行星常数文件pck00008.tpc构建
• pck11.pca：ANISE行星常数（pca）内核，由JPL的重力数据gm_de431.tpc和JPL行星常数文件pck00011.tpc构建
• moon_fk.epa：欧拉参数ANISE（epa）内核，由JPL的月球框架内核moon_080317.txt构建

您可以使用load()快捷方式加载以下内容，该快捷方式会在加载时确定文件类型，例如：let almanac = Almanac::new("pck08.pca").unwrap();或Python中的almanac = Almanac("pck08.pca")。要自动下载远程资产，例如从Nyx Cloud或其他地方，请使用MetaAlmanac：almanac = MetaAlmanac("ci_config.dhall").process()（Python）。

贡献

欢迎为ANISE做出贡献！无论是以功能请求、错误报告、代码贡献或文档改进的形式，每一份帮助都备受感激。

许可证

ANISE遵循Mozilla公共许可证2.0（MPL-2.0）分发，它以平衡的方式开放源代码，允许在开源和专有软件中使用源代码。MPL-2.0要求对受保护代码的修改必须以相同许可证发布，从而确保改进保持开源。然而，它允许将受保护软件与专有部分结合，为学术和商业集成提供灵活性。

更多详细信息，请参阅许可证全文或阅读GitHub的摘要。

致谢

ANISE深受NAIF SPICE工具包及其优秀文档的启发。

联系方式

如有任何询问、反馈或讨论，请在此处提交问题或联系维护者[email protected]。