우주 중력파 망원경 LISA 250만km 레이저 간섭계 & 1,000Hz 0-Alloc C# 순수 측지선 자유 낙하 드래그 프리(Drag-Free) 마이크로 추진 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.SpaceRelativity
{
    /// 

    /// 1,000Hz LISA 우주 중력파 망원경 드래그 프리(Drag-Free) 자세 및 간극 서보
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct LisaDragFreeServo
    {
        // 우주선 및 시험질량 물리 상수
        private const float TestMassKg = 1.93f;              // 금-백금 합금 46mm 큐브 질량
        private const float SpacecraftMassKg = 540.0f;       // 위성 본체 질량
        private const float NominalGapM = 0.004f;            // 시험 질량과 챔버 간격 (4mm)
        private const float MaxMicroThrusterForceUn = 50.0f; // 마이크로 추진기 최대 추력 (50 uN)

        // 서보 제어 상태
        public float RelativeDisplacementXNm;
        public float RelativeDisplacementYNm;
        public float RelativeDisplacementZNm;
        public float EstimatedSolarRadiationForceUnX;
        public float EstimatedSolarRadiationForceUnY;
        public float CommandedThrusterForceUnX;
        public float CommandedThrusterForceUnY;
        public float ResidualAccelerationX;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            RelativeDisplacementXNm = 0.0f;
            RelativeDisplacementYNm = 0.0f;
            RelativeDisplacementZNm = 0.0f;
            EstimatedSolarRadiationForceUnX = 18.5f; // 공칭 태양 복사압 외란 (~18.5 uN)
            EstimatedSolarRadiationForceUnY = 4.2f;
            CommandedThrusterForceUnX = 0.0f;
            CommandedThrusterForceUnY = 0.0f;
            ResidualAccelerationX = 0.0f;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: 차동 정전용량 브리지 전압으로부터 간극 변위 역산 및 우주선 외벽 추력 제어
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepDragFreeControl(
            float capBridgeDiffVoltX, 
            float capBridgeDiffVoltY, 
            float laserInterferometerDopHz,
            out float thrusterXUn, 
            out float thrusterYUn, 
            out float testMassFreeFallQuality)
        {
            // 1. 차동 정전용량 전압 -> 시험 질량 상대 변위 역산 (전압 감도: 200 nm/V)
            const float CapSensitivityNmPerV = 200.0f;
            RelativeDisplacementXNm = capBridgeDiffVoltX * CapSensitivityNmPerV;
            RelativeDisplacementYNm = capBridgeDiffVoltY * CapSensitivityNmPerV;

            // 2. 우주선 외벽 추적 PID 피드포워드 제어기 (우주선이 시험 질량을 건드리지 않게 추종)
            // K_p = 1.2 uN/nm, K_d = 0.4 uN/(nm/ms)
            const float Kp = 1.2f;
            const float Kd = 0.4f;

            float desiredForceX = Kp * RelativeDisplacementXNm + EstimatedSolarRadiationForceUnX;
            float desiredForceY = Kp * RelativeDisplacementYNm + EstimatedSolarRadiationForceUnY;

            // 마이크로 추진기 한계 클램핑 (0 ~ 50 uN)
            CommandedThrusterForceUnX = MathF.Max(-MaxMicroThrusterForceUn, MathF.Min(MaxMicroThrusterForceUn, desiredForceX));
            CommandedThrusterForceUnY = MathF.Max(-MaxMicroThrusterForceUn, MathF.Min(MaxMicroThrusterForceUn, desiredForceY));

            thrusterXUn = CommandedThrusterForceUnX;
            thrusterYUn = CommandedThrusterForceUnY;

            // 3. 우주선 잔여 가속도 평가 (a = F_net / M_sc)
            float netForceUnX = CommandedThrusterForceUnX - EstimatedSolarRadiationForceUnX;
            ResidualAccelerationX = (netForceUnX * 1e-6f) / SpacecraftMassKg; // m/s^2

            // 4. 측지선 자유 낙하 퀄리티 지수 (변위 < 1nm 일 때 1.0)
            float radialError = MathF.Sqrt(RelativeDisplacementXNm * RelativeDisplacementXNm + RelativeDisplacementYNm * RelativeDisplacementYNm);
            testMassFreeFallQuality = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(1.0f, 1.0f - (radialError / 10.0f)));
        }
    }
}