🛰️ 航天仿真算法库 SpaceAST

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space-ast 是一个专注于航天仿真领域的算法库。

它提供了轨道动力学、姿态仿真、轨迹规划、测控窗口分析等核心算法的现代C++实现，为航天任务分析和设计提供计算基础。

预编译二进制包与自安装源码包的下载地址：https://github.com/space-ast/ast/releases

如果你想要了解更多，请参考：使用指南, API文档, Github以及 Gitee 和 GitCode。

主要功能模块

数学模块

提供航天动力学所需的底层数学支持，是整个库的数值计算基础。

线性代数：矩阵、向量以及相关运算函数；
姿态：四元数、轴角、欧拉角等表示方法与转换函数；
坐标转换：包括位置坐标的转换，以及附带速度转换的运动学版本，支持坐标转换的任意组合与求逆；
常微分方程：固定步长积分器（RK4、RK8、RKV8）与自适应步长积分器（RKF45、RKF56、RKF78、RKCK），含事件检测器与状态观测器；
非线性方程：割线法、Ridder、Brent、二分法等多种求根算法；
函数极值：Brent、黄金分割等求极值算法；
插值：抽象插值接口与拉格朗日插值器；

工具模块

提供解析、压缩、网络、反射等通用基础设施。

单位量纲：提供高效灵活的量纲类型与单位类型，支持基本运算、单位转换、自定义单位等；
反射：提供运行时类型信息，支持动态类型检查、属性访问等操作；
解析器：提供 JSON、XML、Markdown、DAF、键值文件等格式的解析器；
压缩解压：支持 tar/tgz/zip 多种格式的压缩解压操作；
网络：提供文件下载、HTTP请求等支持；
其他：字符串处理、文件系统、日志系统、国际化、颜色、C++拓展容器等；

太空环境模块

提供大气密度、地磁场与辐射带模型。

大气模型：USSA1976、JacchiaRoberts、Harris-Priester、NRLMSISE-00、MSIS-86、MSISE-90、DTM-2012 等模型；
地磁场模型：IGRF 国际地磁参考场；
辐射带模型：AE8/AP8 辐射带电子/质子模型；

核心计算模块

提供坐标系统、力模型、轨道预报、轨道设计、可见性分析、碰撞检测等完整的航天动力学计算能力。

时间系统：包括高精度时间点类型、儒略日、闰秒、EOP、不同时间系统转换；
坐标系统：提供完整的坐标系层次，包括ICRF、J2000、天体惯性系、天体固连系、真赤道系、平赤道系、VVLH、VNC等；
轨道预报：SGP4、HPOP、J2/J4 解析解、二体、Vinti等轨道预报器；
星历加载：支持加载DE、SPK、STK等格式的星历文件；
力模型：提供点质量引力、重力场、三体引力、大气阻力、太阳光压等摄动力模型；
轨道根数：经典轨道根数、春分点根数、德洛奈根数、球坐标、大地坐标、B平面状态等状态量的定义与相互转换；
轨道设计器：冻结轨道、太阳同步轨道、闪电轨道、回归轨道、静止轨道等轨道设计器；
访问窗口分析：可精确计算满足给定约束的时间窗口，并支持约束之间的任意逻辑组合；
碰撞检测：检测航天器之间的碰撞，返回最接近时刻、最小距离、相对速度等数据；
数据库：TLE数据库加载、CelesTrak卫星数据库加载；

其他扩展模块

仿真模块: 定义各类对象（飞行器、地面站、天线、传感器等）及其运动与姿态模型；
AI模块: 提供与大语言模型集成的框架，支持工具调用、Agent定义、群聊等；
脚本模块: 提供内置的脚本解释器，并提供了外部脚本语言执行器；
可视化模块: 提供仿真数据的二维和三维可视化功能；
用户界面模块: 提供算法组件的交互式界面控件，以支持参数配置、结果展示等；
SPICE模块: 对核心算法进行轻量封装，提供与 NASA SPICE 兼容的接口；
场景加载模块: 解析 STK/GMAT 格式的配置文件，构建仿真对象；
Web Assembly模块: 提供Web Assembly接口，支持在浏览器中调用算法；
Python模块: 提供Python接口，支持在Python环境中调用算法；

快速开始

环境要求

C++11兼容编译器 (MSVC 2015+, GCC 5+, clang)
xmake 2.9+

构建项目

git clone https://github.com/space-ast/ast.git --depth=1
cd ast
xmake

项目架构

ast/
├── data/          # 数据
├── docs/          # 文档
├── examples/      # 示例代码
├── include/       # 头文件
├── projects/      # 示例工程
├── repo/          # 第三方库配置文件
├── scripts/       # 工具脚本
├── src/           # 源文件
├── test/          # 单元测试
└── thirdparty/    # 第三方库

API 设计理念

简单易用：提供简洁的API接口，方便开发者快速集成到项目中。
高度可定制：允许开发者根据需求自定义算法参数和行为。
性能优化：针对航天仿真场景，对关键算法进行了性能优化。

代码规范

命名规范

项目采用以下命名约定：

// 命名空间 ast
namespace ast
{
    // 类型 - 无前缀
    class OrbitPropagator;

    // 全局函数 - 单个'a'前缀
    aPropagateOrbit();
    aSolveLambert();
    aRotateQuaternion();

    // 枚举 - 'E' 和 'e' 前缀
    enum EFrame { eECI, eECEF }; 

    // 常量 - 'k' 前缀
    const kEps15 = 1e-15;
}

在以上命名规范里，所有以小写字母开头的都有值或者地址

注释规范

遵循Doxygen注释规范，函数、文件、类的注释采用///格式，其他多行注释也可采用/*! ... */格式。

函数注释：每个函数都需要包含详细的注释，包括参数说明、返回值、异常情况等。
类注释：每个类都需要包含详细的注释，包括功能描述、成员变量、成员函数等。
文件注释：每个源文件都需要包含文件头注释，包括文件名、作者、日期、版权信息等。

参与贡献

我们欢迎各种形式的贡献！无论是代码改进、文档完善、bug报告还是新功能建议，都是对项目的宝贵支持。

贡献流程

Fork 本仓库
创建功能分支 (git checkout -b feature/AmazingFeature)
提交更改 (git commit -m 'feat: 新增某功能特性')
推送到分支 (git push origin feature/AmazingFeature)
开启 Pull Request

请确保代码遵循项目的编码规范，并添加相应的测试用例。

许可证

本项目采用 Apache2.0 许可证 - 详见 LICENSE 文件。

联系我们

讨论区: GitHub Discussions
问题报告: GitHub Issues

参考资料

本项目的开发参考和使用了很多资料与工具，感谢所有开源社区贡献者的辛勤工作、航天仿真领域研究人员的理论贡献，以及行业标杆软件的启发，这些宝贵的资源为ast项目的开发提供了坚实的基础。

开源代码

Orekit: Java语言编写的航天动力学库，提供丰富的轨道和姿态算法
GMAT: 通用任务分析工具，NASA开源的航天任务分析软件
Pagmo2: 欧洲空间局开发的并行全局优化库
PyGMO2: Pagmo2的Python绑定，用于科学计算的优化工具
PyKEP: 欧洲空间局的航天动力学Python库，专注于轨道优化
brahe: 一个Rust航天动力学库，可用于研究和工程应用
satkit: 一个Rust航天动力学库，实现了一些航天中的基础功能
AstroLib: 航天/卫星建模与仿真算法库
Eigen: 高性能C++模板库，用于线性代数、矩阵和向量运算
Scipy: 一个Python库，用于科学计算和技术计算，提供了许多数学、科学和工程领域的功能
GNU Octave: 开源数值计算软件，提供与MATLAB兼容的语法
Hipparchus: 一个Java数学库，提供了丰富的数学函数和算法
Qt: 跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架
Python: 流行的通用编程语言，在科学计算领域广泛应用
julia: 一种高性能的动态编程语言，专为科学计算和数值分析而设计
glibc: GNU C库，提供了C语言标准库的实现
abseil: 一个C++库，提供了许多常用的功能，如字符串处理、内存管理、并发编程等，是Google开源的一个项目

行业软件

以下行业软件为航天仿真领域的标杆工具，其功能设计为本项目提供了重要参考：

STK: Ansys公司（原AGI）的商业航天任务分析、设计与可视化软件，广泛用于航天任务全生命周期
FreeFlyer: a.i. solutions公司的商业航天任务设计与分析软件，支持轨道规划、机动分析和星座设计
Copernicus: NASA开发的航天任务轨迹设计与优化软件，支持从近地轨道到深空探测的全场景轨迹规划

项目依赖

工具链

Xmake: 基于Lua的现代化C/C++构建工具

第三方库

项目所依赖的第三方库均为可选项，用户可以根据需要选择是否引入

fmt: 用于格式化字符串的C++库，提供了类似于Python的格式化语法
Qt: 跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架
SPICE: NASA导航和辅助信息设施(NAIF)提供的一套软件库
Matplot++: 用于绘制2D和3D图表的C++库，提供了类似于MATLAB的语法
agg: 提供高质量 2D 矢量图形渲染能力，支持子像素分辨率和抗锯齿
gtest: C++单元测试框架，用于编写和运行单元测试
benchmark: C++性能测试框架，用于测量代码性能指标
vtk: 一个跨平台的可视化工具库，用于渲染和交互显示科学数据
replxx: 提供交互式命令行输入功能，包括行编辑、历史记录、Tab 补全、提示符等

项目名称灵感

ast 源自希腊语词根 astēr(ἀστήρ)，意为星辰，天然带有星际空间的意象，并与 astronomy（天文学）、astronaut（宇航员）、astrodynamics（航天动力学）、asteroid（小行星）等同源。专业上，AST 可展开为：

Aerospace Simulation Tool: 航天仿真工具
Advanced Space Technology: 先进空间技术
Astrodynamics Solver Tool: 航天动力学求解工具