星历系统与动力学

e2m2e 提供基于 SPICE 的星历系统和 N 体动力学模型，用于高精度轨道设计。

SPICE 管理器

SPICEManager 封装 NASA SPICE 工具包，提供天体星历查询、时间转换和内核管理。

内核类型：

闰秒内核 (.tls)：UTC ↔ ET 时间转换，自动加载
星历内核 (.bsp)：天体位置/速度数据，需手动加载

推荐星历内核：

文件名	说明
de440.bsp	JPL DE440（推荐，覆盖 1550–2650 年）
de440s.bsp	JPL DE440 精简版（1849–2150 年）
de435.bsp	JPL DE435（1550–2650 年）

内核文件从 NASA NAIF 下载。

from e2m2e.core.spice import SPICEManager

mgr = SPICEManager()
mgr.load_kernel("path/to/de440.bsp")

# 时间转换
et = mgr.utc_to_et("2024-01-01T00:00:00")

# 获取月球状态
state = mgr.get_body_state("MOON", et, "J2000", "EARTH")

mgr.unload_kernel("path/to/de440.bsp")

星历系统

EphemerisSystem 管理一组天体的星历查询，提供统一的数据访问层。

from e2m2e.core.spice import SPICEManager
from e2m2e.core.ephemeris_system import EphemerisSystem

mgr = SPICEManager()
mgr.load_kernel("path/to/de440.bsp")

system = EphemerisSystem(
    bodies=["EARTH", "MOON", "SUN"],
    spice=mgr,
    origin="EARTH",
    frame="J2000"
)

# 查询月球位置
moon_pos = system.get_body_position("MOON", et)  # km

# 查询太阳状态（位置+速度）
sun_state = system.get_body_state("SUN", et)  # [km, km/s]

# 获取引力参数
gm_moon = system.get_gm("MOON")

星历动力学

EphemerisDynamics 实现受限 N 体问题，利用 SPICE 星历数据计算多体引力加速度。

物理模型：

以 system.origin 为坐标原点（通常是地球），原点天体施加中心引力，其余天体施加第三体摄动：

\[\mathbf{a} = -\frac{\mu_0 \mathbf{r}}{|\mathbf{r}|^3} - \sum_i \mu_i \left[ \frac{\mathbf{r} - \mathbf{r}_i}{|\mathbf{r} - \mathbf{r}_i|^3} + \frac{\mathbf{r}_i}{|\mathbf{r}_i|^3} \right]\]

其中 \(\mathbf{r}_i\) 为第 i 个天体的位置，\(\mu_i\) 为其引力参数。

from e2m2e.core.ephemeris_dynamics import EphemerisDynamics

dynamics = EphemerisDynamics(system)

# 传播轨道
import numpy as np
state0 = np.array([r1, r2, r3, v1, v2, v3])  # km, km/s
t_span = (0, 86400)  # 秒
result = dynamics.propagate(state0, t_span)

# 结果
print(result.states.shape)  # (n_points, 6)
print(result.stm.shape)     # (n_points, 6, 6)

积分器配置：

默认积分器: DOP853 (8 阶 Runge-Kutta)
默认最大步长：60 秒
自适应步长：根据传播时长自动调整

与 CR3BP 动力学的区别

特性	CR3BP_Dynamics	EphemerisDynamics
坐标系	旋转坐标系（无量纲）	惯性坐标系（J2000，有量纲）
单位	无量纲（DU, TU）	物理单位（km, s）
天体数量	2 个主天体	N 个天体（可配置）
精度	理想圆轨道	高精度星历数据
适用场景	概念设计、周期轨道	高精度任务设计