Celestia/SPICE
SPICE 是 NASA 開發的一套軟體套件，用於進行規劃星際任務所需的幾何計算。SPICE 被 NASA、ESA、JAXA 和其他太空機構的任務團隊使用。大多數版本的 Celestia 都內建了 SPICE 庫，使 Celestia 能夠直接使用來自太空任務的導航資料。
本教程面向兩組人群
- 希望使用 Celestia 進行視覺化的任務操作員和科學家
- 有經驗的 Celestia 使用者，他們對太空任務的非常精確的重建感興趣
那些已經熟悉 SPICE 的人可以跳過“SPICE 簡介”部分。
對 SPICE 的深入討論超出了本教程的範圍，但瞭解一些概念足以使本教程的大部分內容易於理解。SPICE 核心檔案包含與太空任務相關的不同型別的資料。SPK 檔案（通常副檔名為 bsp）用於計算航天器、行星或其他天體的 位置。單個 SPK 檔案可能包含多個天體的 資料。查詢相對於某個其他物體的天體的位置可能需要多個核心。例如，一個 SPK 檔案可能包含卡西尼相對於土星的位置。第二個 SPK 核心可能給出行星相對於太陽的位置。為了計算卡西尼的日心位置，我們需要這兩個核心。核心檔案具有涵蓋有限時間跨度的軌道或軌跡檔案。對於航天器，任務通常被分成幾個核心，每個核心涵蓋不同的任務階段。您下載 SPK 檔案的站點應該有一些 README 檔案來描述每個檔案的來源和時間覆蓋範圍。
NAIF 主站上提供了有關 SPICE 的大量文件
http://naif.jpl.nasa.gov/naif/
NAIF 站點是尋找許多太空任務（包括目前在執行的任務和歷史任務）的 SPICE 核心的好地方
http://naif.jpl.nasa.gov/naif/data.html
Celestia 從 .ssc（太陽系目錄）檔案中載入有關太陽系天體（包括行星、天然衛星、小行星和航天器）的資訊。每個 ssc 檔案都是一個或多個天體定義的列表。太陽系天體具有軌跡、旋轉模型和與其外觀相關的屬性集合（因為 Celestia 畢竟是視覺模擬）。軌跡和旋轉模型指定天體在一系列時間內的位置和方向。軌跡資訊的可能來源包括開普勒元素、硬編碼計算（例如 VSOP87）以及當然還有 SPICE 核心。旋轉模型型別的列表類似。
這是一個示例的太陽系天體定義
Body "Earth" "Sun"
{
Texture "earth.*"
Radius 6378.140 # equatorial
Oblateness 0.0034
CustomOrbit "vsop87-earth"
CustomRotation "earth-p03lp"
}
此示例定義了一個名為地球的天體，它繞太陽執行。內建計算用於地球的軌跡和旋轉。這些特定的內建計算假設座標系是日心 J2000 黃道系統。事實上，這是 Celestia 中日心物體的預設系統。但是，我們可以透過新增 OrbitFrame 和 BodyFrame 定義來明確說明這一點
Body "Earth" "Sun"
{
Texture "earth.*"
Radius 6378.140 # equatorial
Oblateness 0.0034
OrbitFrame { J2000Ecliptic {} }
CustomOrbit "vsop87-earth"
BodyFrame { J2000Ecliptic {} }
CustomRotation "earth-p03lp"
}
在這裡，軌跡和方向的框架設定為相同。但是，如果需要，我們可以使 BodyFrame 不同於軌道框架。這對航天器很有用，在航天器中，指定區域性垂直/區域性水平系統可能更有意義。
本教程將逐步介紹將一個具有 SPICE 計算的位置和姿態的新航天器物件引入 Celestia 的過程。我們將使用 深度撞擊 任務作為示例。從 NAIF 站點可以下載該任務所需的所有 SPICE 核心
ftp://naif.jpl.nasa.gov/pub/naif/DEEPIMPACT/kernels/
首先要做的是為深度撞擊外掛建立一個新資料夾。在 Celestia 的 extras 資料夾中建立一個名為 deepimpact 的資料夾。然後，在 deepimpact 中建立名為 data 和 models 的子資料夾。資料夾結構應如下所示
extras/
deepimpact/
data/
models/
深度撞擊任務的 ssc 檔案將放在 deepimpact 資料夾中。models 資料夾將包含一個表示航天器的 3D Studio 網格檔案。最後，所有必要的 SPICE 核心檔案將放在 data 中。
我們需要執行該任務的第一個檔案是 SPK 檔案。這些檔案可以在 SPK 目錄中找到
ftp://naif.jpl.nasa.gov/pub/naif/DEEPIMPACT/kernels/spk/aareadme.txt
該目錄中有很多核心，但幸運的是，大多數是不必要的。aareadme.txt 檔案有幫助地說明了哪些核心檔案是必要的。
NOTE 4: The following four of these SPKs should be loaded in
this order to make sure that the best trajectory solutions are
available to the calling application at any given time:
dii_preenc174_nav_v1.bsp
dif_preenc174_nav_v1.bsp
di_tempel1_ssd_v1.bsp
di_finalenc_nav_v3_to2006048.bsp
該說明還指定了檔案的載入順序。我們稍後將注意這一點。現在，只需將四個 .bsp 檔案複製到深度撞擊任務外掛的 data 子資料夾中。
我們將從建立一個表示 Tempel 彗星 9P/ 的新 Celestia 物件開始。雖然我們可以在單獨的 ssc 檔案中定義彗星，但我們將保持一致，並在一個名為 deepimpact.ssc 的檔案中定義與深度撞擊任務相關的所有物件。以下是用開普勒元素定義 Tempel 彗星 9P/ 的軌跡的定義
Body "9P Tempel" "Sol"
{
Class "comet"
SemiAxes [ 3.1 2.1 2.1 ]
Texture "asteroid.jpg"
EllipticalOrbit {
Epoch "2005 7 4 00:00:00"
Period 5.51521370
SemiMajorAxis 3.121543768
Eccentricity 0.517493300
Inclination 10.530163779
AscendingNode 68.938123883
ArgOfPericenter 178.837987181
MeanAnomaly 359.765094570
}
}
軌道元素是從 HORIZONS 匯出的。如果您有一個物體的 SPICE 核心，則沒有必要從軌道元素開始。這樣做只是為了說明如何更改物件定義以新增 SPICE 軌跡。
SPK 目錄中的 README 檔案列出了深度撞擊任務所需的四個 SPK 檔案。同一個檔案還建議了載入檔案的順序。順序很重要，因為當存在多個對特定時間有效的物體軌跡段時，最後載入的段優先。Celestia 始終以 SSC 檔案中列出的順序載入 SPICE 檔案。README 沒有提到執行該任務所需的另外兩個核心檔案：di_tempel1_v01.tpc 和 di_v17.tf。這兩個檔案共同定義了 Tempel 1 彗星的 SPICE 框架。該框架用於深度撞擊的軌跡，恰好在撞擊時間前後。仔細閱讀附帶一組 SPICE 核心的文件通常是必要的，以便了解應該使用哪些核心檔案。
以下是用開普勒軌道替換為 SPICE 軌道的 Tempel 1
Body "9P Tempel" "Sol"
{
Class "comet"
SemiAxes [ 3.1 2.1 2.1 ]
Texture "asteroid.jpg"
SpiceOrbit {
Kernel [
"dii_preenc174_nav_v1.bsp"
"dif_preenc174_nav_v1.bsp"
"di_tempel1_ssd_v1.bsp"
"di_finalenc_nav_v3_to06048.bsp"
"di_tempel1_v01.tpc"
"di_v17.tf"
]
Origin "SUN"
Target "TEMPEL 1"
BoundingRadius 10
}
}
我們使用了四個引數來定義 SpiceOrbit。核心檔案列表首先出現。Celestia 將從外掛的 data 目錄中載入這些核心檔案。它將忽略已經載入的核心，因此在每個需要它的物件的定義中重複核心列表是無害的。但是，這意味著如果核心檔名發生更改，則必須更新多個物件。Origin 和 target 都是 NAIF 名稱或 ID。我們可以使用 NAIF ID 程式碼 1000093，而不是“TEMPEL 1”。名稱更清晰，因此在可用時更受歡迎。SPICE origin 必須與 Celestia origin 相匹配。在 Celestia 中，origin 由軌道框架中心給出；如果沒有明確指定軌道框架（如我們的示例中），則預設框架以父物件為中心。在我們的示例中，太陽是父物件。
BoundingRadius 欄位給出以 origin 為中心的球體的半徑，該球體足夠大，可以完全包含軌道。Celestia 使用此資訊來最佳化渲染；有了它，Celestia 可以進行非常快速的檢查，以檢視物體是否可能可見。設定過小的 BoundingRadius 值可能會導致物體在應該可見時消失。使其過大不會產生可見的副作用，但可能會迫使 Celestia 進行額外的計算。沒有必要太精確——過大兩倍的邊界半徑不應該會導致任何效能問題。另一方面，應該避免將所有邊界半徑設定為極大的值，例如 1000 AU。與 Celestia 中的其他距離一樣，BoundingRadius 的單位對於日心物體為 AU，對於其他所有物體為公里。
現在我們已經找到了任務中涉及的物體軌跡所需的核心檔案，新增飛越航天器就非常直觀了。
Body "Deep Impact" "Sol"
{
Class "spacecraft"
Radius 0.003
Mesh "DeepImpact2.3ds"
SpiceOrbit {
Origin "SUN"
Target "DEEP IMPACT FLYBY SPACECRAFT"
BoundingRadius 10
}
}
核心檔案被省略，因為它們已經載入到坦普爾1號的定義中。與彗星的 SpiceOrbit 唯一不同的是，我們更改了目標物件的名稱。
顯示航天器的準確姿態比獲得正確的軌跡要困難一些。主要的任務可能是找到所有必要的核心檔案。對於航天器，通常需要四種類型的核心檔案。
- 一個或多個 C 核心，給出航天器在不同時間的方位
- 一個文字框架核心，為航天器定義一個 SPICE 框架
- 一個航天器時鐘 (SCLK) 核心，用於將 UTC 轉換為航天器時鐘時間
- 一個閏秒核心，用於將星曆時間轉換為 UTC
一旦將所需的核心檔案安裝到附加元件的資料目錄中，我們只需要用 SpiceRotation 替換航天器現有的旋轉模型（如果有的話）。語法與 SpiceOrbit 非常相似。
SpiceRotation {
Kernel [
"dif_sc_050112_050809.bc"
"di_v17.tf"
"DIF_SCLKSCET.00036.tsc"
"naif0009.tls"
]
Frame "DIF_SPACECRAFT"
BaseFrame "eclipj2000"
}
請注意，有四個核心檔案列表：C 核心、文字框架核心、航天器時鐘核心和閏秒核心。框架核心實際上不是必需的，因為它已經在 SpiceOrbit 中載入了。但是，這裡仍然列出它，因為這是一個教程，在更典型的情況下，.tf 檔案將出現在軌跡的核心列表中。Frame 給出為航天器定義的 C 核心框架的名稱。BaseFrame 應該設定為 SPICE 等效於 Celestia 中物件的 BodyFrame 的內容。Celestia 中繞太陽執行的物體的預設 BodyFrame 是 J2000 黃道。這與 SpiceRotation 的預設 BaseFrame 相匹配：eclipj2000。儘管如此，明確指定這兩個框架仍然是一個好主意。這是一種情況下，Celestia 的預設值可能會令人困惑：對於繞除恆星以外的東西執行的物體，預設的 BodyFrame 是*父物件的赤道框架*。這在使用 SPICE 時很少是你想要的！
使用 SPICE 定位航天器時，可能出現很多問題。如果重新啟動 Celestia 後發現航天器指向錯誤的方向，請檢查以下事項。
- 按波浪號鍵 (~) 調出 Celestia 的控制檯日誌。檢視是否有任何 SPICE 錯誤滾動經過，可能表明缺少一些必需的核心檔案。如果沒有，按向上箭頭鍵滾動檢視日誌中的先前內容。檢視載入附加元件時是否發生任何錯誤。
- 確保沒有忘記閏秒核心或框架核心。
- 驗證 SPICE 框架是否與物件的 Celestia 框架匹配（即 BaseFrame 適用於物件的 BodyFrame）。
- 檢查航天器的 3D 網格在機體框架中是否正確定向。航天器右鍵彈出選單中的“參考向量/機體軸”選項在此處*非常*有用。
我們現在將把地球示例轉換為使用 SPICE 核心來獲取地球的軌道。SPICE 核心 de421.bsp 可以從 NAIF FTP 站點下載
ftp://naif.jpl.nasa.gov/pub/naif/generic_kernels/spk/planets/