태양풍 자기재결합(Magnetic Reconnection) & 1,000Hz 0-Alloc C# 코로나 플레어·우주 날씨 조기경보 서보 제어기

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

namespace ZeliDesk.Defense.AstroPlasma
{
    /// <summary>
    /// GOES 위성 X선 플럭스 및 태양풍 자력계 센서 입력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct SpaceWeatherSensorFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double XrayFluxWattsPerM2;     // GOES 0.1-0.8nm X선 플럭스 (W/m^2)
        public readonly double SolarWindSpeedKmPerS;   // 태양풍 속도 (km/s)
        public readonly double InterplanetaryMagTeslaBz;// 행성간 자기장 Bz (T, 남향 시 위험)
        public readonly double ProtonDensityPerCm3;    // 양성자 수밀도 (cm^-3)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpaceWeatherSensorFrame(double timestamp, double xray, double speed, double bz, double density)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            XrayFluxWattsPerM2 = xray;
            SolarWindSpeedKmPerS = speed;
            InterplanetaryMagTeslaBz = bz;
            ProtonDensityPerCm3 = density;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 우주 날씨 경보 및 방재 지령 출력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct SpaceWeatherAlertOutput
    {
        public readonly double XrayGrowthRatePerSec;    // X선 플럭스 증가율 (dF/dt)
        public readonly int PredictedKpIndex;          // 예상 지자기 폭풍 Kp 지수 (0 ~ 9)
        public readonly double CmeTransitTimeHours;    // CME 지구 도달 잔여 시간 (시간)
        public readonly bool IsSuperFlareTriggered;    // X등급 플레어 발령 플래그
        public readonly bool IsGridProtectionRequired; // 전력망 방호 인터록 가동 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpaceWeatherAlertOutput(double rate, int kp, double transitHours, bool isFlare, bool isGridProtect)
        {
            XrayGrowthRatePerSec = rate;
            PredictedKpIndex = kp;
            CmeTransitTimeHours = transitHours;
            IsSuperFlareTriggered = isFlare;
            IsGridProtectionRequired = isGridProtect;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 태양풍 자기재결합 및 우주 날씨 조기경보 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct SpaceWeatherAlertServoEngine
    {
        private const double XClassThresholdWatts = 1e-4; // X등급 기준 10^-4 W/m^2
        private const double SunEarthDistanceKm = 149597870.7; // 1 AU

        private double _lastXrayFlux;
        private double _lastTimestamp;
        private double _filteredRate;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize(double initialFlux)
        {
            _lastXrayFlux = initialFlux;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _filteredRate = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) X선 플럭스 스트림 기반 초고속 플레어 분류 및 CME 추정 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SpaceWeatherAlertOutput ProcessTick(in SpaceWeatherSensorFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize(frame.XrayFluxWattsPerM2);
            }

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

            // 1. X선 플럭스 1차 미분율 산출: dF/dt
            double rawRate = (frame.XrayFluxWattsPerM2 - _lastXrayFlux) / dt;
            _lastXrayFlux = frame.XrayFluxWattsPerM2;
            _filteredRate = 0.90 * _filteredRate + 0.10 * rawRate;

            // 2. X등급 슈퍼 플레어 판정 (플럭스 10^-4 이상 또는 미분율 폭증)
            bool isSuperFlare = (frame.XrayFluxWattsPerM2 >= XClassThresholdWatts) || (_filteredRate > 5e-5);

            // 3. CME 지구 도달 잔여 시간 산출 (1 AU 거리 전파 방정식)
            double cmeSpeedKmS = Math.Max(frame.SolarWindSpeedKmPerS, 300.0);
            if (isSuperFlare) cmeSpeedKmS = Math.Max(cmeSpeedKmS * 1.5, 1200.0); // 고속 CME 가속 가정
            double transitTimeHours = (SunEarthDistanceKm / cmeSpeedKmS) / 3600.0;

            // 4. 지자기 폭풍 Kp 지수 예측 (남향 자기장 Bz 음수 크기에 비례)
            int predictedKp = 2;
            if (frame.InterplanetaryMagTeslaBz < -10e-9) // -10 nT 이하 남향 자기장
            {
                predictedKp = 6;
                if (isSuperFlare || frame.InterplanetaryMagTeslaBz < -25e-9)
                {
                    predictedKp = 8; // 심각한 지자기 폭풍
                }
            }
            else if (isSuperFlare)
            {
                predictedKp = 5;
            }

            // 5. 국가 전력망 방호 인터록 플래그 (Kp >= 7 및 X등급 플레어 발생 시)
            bool isGridProtection = (predictedKp >= 7) && isSuperFlare;

            return new SpaceWeatherAlertOutput(
                rate: _filteredRate,
                kp: predictedKp,
                transitHours: transitTimeHours,
                isFlare: isSuperFlare,
                isGridProtect: isGridProtection
            );
        }
    }
}