목성 탐사선 주노(Juno) 자기권 로렌츠 토크 & 1,000Hz 0-Alloc C# 유로파 중력 도움(Gravity Assist) 궤도 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AstroNavigation
{
    /// <summary>
    /// 심우주 탐사선 자력계 및 항성 추적기 입력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct SpacecraftTelemetryFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double MagFieldTeslaX;       // 목성 자기장 벡터 X (T)
        public readonly double MagFieldTeslaY;       // 목성 자기장 벡터 Y (T)
        public readonly double MagFieldTeslaZ;       // 목성 자기장 벡터 Z (T)
        public readonly double SpinRateRadPerSec;    // 탐사선 회전 각속도 (스핀 2 RPM)
        public readonly double SpinAxisPointingErrorRad; // 지향 오차각 (rad)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpacecraftTelemetryFrame(double timestamp, double bx, double by, double bz, double spinRate, double pointingError)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            MagFieldTeslaX = bx;
            MagFieldTeslaY = by;
            MagFieldTeslaZ = bz;
            SpinRateRadPerSec = spinRate;
            SpinAxisPointingErrorRad = pointingError;
        }
    }

    /// <summary>
    /// RCS 스러스터 분사 지령 출력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct SpacecraftRcsControlOutput
    {
        public readonly double DisturbanceTorqueNm;     // 로렌츠 외란 토크 크기 (N*m)
        public readonly double CommandedPulseWidthMs;   // RCS 스러스터 펄스폭 (ms)
        public readonly double OrbitEnergyDeltaJoules;  // 궤도 보정 에너지 (J)
        public readonly bool IsAttitudeWithinTolerance; // 자세 허용 오차 만족 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpacecraftRcsControlOutput(double torque, double pulseMs, double deltaE, bool isOk)
        {
            DisturbanceTorqueNm = torque;
            CommandedPulseWidthMs = pulseMs;
            OrbitEnergyDeltaJoules = deltaE;
            IsAttitudeWithinTolerance = isOk;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 목성 탐사선 로렌츠 토크 억제 및 RCS 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct JunoOrbitAttitudeServoEngine
    {
        private const double SpacecraftResidualMagMoment = 0.85; // A*m^2 (잔류 자기 모멘트)
        private const double TargetSpinRate = 0.20944;           // 2 RPM (rad/s)
        private const double ThrusterTorqueNm = 1.2;             // 1N 스러스터 토크

        private double _accumulatedError;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _accumulatedError = 0.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) 자기권 센서 스트림 기반 자세 안정화 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpacecraftRcsControlOutput ProcessTick(in SpacecraftTelemetryFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            // 1. 자기장 세기 합성 및 로렌츠 외란 토크 계산: tau = m x B
            double bMag = Math.Sqrt(frame.MagFieldTeslaX * frame.MagFieldTeslaX +
                                    frame.MagFieldTeslaY * frame.MagFieldTeslaY +
                                    frame.MagFieldTeslaZ * frame.MagFieldTeslaZ);
            double lorentzTorque = SpacecraftResidualMagMoment * bMag;

            // 2. 지향 오차각 및 스핀 속도 에러 연산
            double spinError = TargetSpinRate - frame.SpinRateRadPerSec;
            double pointingError = frame.SpinAxisPointingErrorRad;

            _accumulatedError += pointingError * dt;
            _accumulatedError = Math.Clamp(_accumulatedError, -0.05, 0.05);

            // 3. RCS 펄스폭 변조 (PWM) 산출
            double controlEffort = 12.0 * pointingError + 4.5 * spinError + 0.8 * _accumulatedError;
            double pulseWidthMs = (Math.Abs(controlEffort) / ThrusterTorqueNm) * 1000.0;
            pulseWidthMs = Math.Clamp(pulseWidthMs, 0.0, 50.0); // 최대 50ms 펄스 제한

            // 4. 궤도 보정 추정 에너지 및 허용 오차 판정 (0.5 mrad 이내)
            double deltaEnergy = lorentzTorque * frame.SpinRateRadPerSec * dt;
            bool isAttitudeOk = Math.Abs(pointingError) < 0.0005;

            return new SpacecraftRcsControlOutput(
                torque: lorentzTorque,
                pulseMs: pulseWidthMs,
                deltaE: deltaEnergy,
                isOk: isAttitudeOk
            );
        }
    }
}