Sidereon

sidereon

使用 Rust 实现的 GNSS 定位与天体动力学，并提供一流的 Python、C、Go、WebAssembly 和 Elixir 接口。通过参考验证，并在关键之处与公开基准保持位级精确一致。

sidereon 是一套引擎：以 Rust 核心实现卫星轨道传播、GNSS 定位、时间与坐标系转换、大气模型和标准交换格式，并通过六种语言的惯用接口提供功能，让你无论在哪里工作，都能使用经过验证的同一套数学实现。

在线演示：sidereon.dev：实时卫星追踪器（地球仪、地面轨迹、覆盖范围、交会筛查、轨道确定），通过 WebAssembly 构建在浏览器中计算。

功能

• **轨道传播：**基于 TLE/OMM 的 SGP4/SDP4、采用可组合力模型的数值传播（球谐地球重力场，阶次和次数可选；依据 IERS 规范计算的固体潮和极潮；太阳/月球第三体引力；带圆锥阴影的太阳辐射压；地球反照辐射和红外辐射压；相对论修正；NRLMSISE-00 阻力）、带衰减后有效性锁存的衰减/再入预测、开普勒传播和轨道异常转换、批量/星座传播、地面轨迹、过境、可见性和覆盖范围。
• **轨道确定：**初始轨道确定（Gibbs、Herrick-Gibbs、仅测角度的 Gauss 方法）、将数值传播器拟合到精密星历的批量最小二乘拟合（带逐卫星 RTN 残差台账），以及协方差传播。
• **GNSS 定位：**单点定位（SPP）、RINEX 观测数据到 SPP 的组装和求解辅助工具、支持协方差的公开多历元 static_positioning / solve_static 求解、留一冗余诊断和稳健加权（包括一次调用即可完成的参考站静态定位：输入流动站和参考站 RINEX，输出带协方差的测站坐标）、带时钟漂移的多普勒测速、RTK 浮点和固定解（LAMBDA），基线直接由原始 RINEX 构建（与已发布的 ITRF 测站对比结果精确到毫米）、使用 SSR 或 Galileo HAS 修正驱动广播星历求解的 PPP 浮点和固定解、采用时间相关协方差的静态 PPP（经过标定的日长边界）、可选高度角截止值和可选对流层梯度估计、DGNSS；支持 GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou/QZSS，并提供 DOP（G/P/H/V/T）。
• **完好性和误差界限：**RAIM 故障检测与排除、多星座 ARAIM（MHSS 保护级别）、SBAS 保护级别（DO-229）、经典可靠性（每次观测的最小可检测偏差、内部/外部可靠性）、每次求解的可观测性分类（秩、冗余度、条件数），以及协方差推导的误差指标（CEP、R95、drms、SEP、误差椭圆）。几何条件较弱时会报告宽泛或带标记的界限，而不是捏造置信度；还支持考虑不确定性的测地围栏（根据位置协方差计算包含和穿越概率，并带滞回）。
• **GNSS 修正：**SBAS 消息解码和修正应用、带明确提供方参考点处理的 RTCM SSR 和 Galileo HAS 轨道/时钟/偏差修正存储、NTRIP 客户端流处理，以及来自 Bias-SINEX 和 CODE 产品的差分码偏差（DCB/OSB）。
• **星历和时间：**广播星历和精密星历（SP3）、依据产品插值器推导的模板范围给出的窗口范围连续性判定、GPS（1019）、GLONASS（1020）、Galileo（1045/1046）、BeiDou（1042）和 QZSS（1044）的 RTCM 3 广播星历解码（均已通过真实数据验证）、JPL SPK 内核、跨三类数据源的卫星状态采样、多卫星批量插值、可感知时间尺度的时间处理（UTC/TAI/TT/UT1/TDB/TCG/TCB 和 GNSS 系统时间），支持闰秒处理和调用方可更新的闰秒表与 UT1 表，以及地球定向参数（EOP）。
• **计时和时钟：**Allan 系列稳定性分析（ADEV/MDEV/HDEV/TDEV）、采用五系数拟合的幂律时钟噪声识别（IEEE 1139），以及跨产品的时钟比较。
• **估计和检测：**用于位置解的协方差加权轨迹滤波器（无需 IMU：几何条件较弱且协方差较宽的位置解不会使轨迹产生尖峰），带固定区间 RTS 平滑器，以及标量 Kalman 和 alpha-beta 跟踪器、创新门限检测（NIS）、MAD 统计、CFAR 检测阈值，以及根据已知传感器的到达时间进行源定位（ToA/TDOA）。
• **大地测量和监测：**椭球上的测地正算和反算（Karney）、带历元感知功能的地球参考框架目录（包含已发布的 ITRF 和 ETRF Helmert 参数集）、测站位移修正（根据调用方提供的 BLQ 系数计算固体潮、极潮和海潮负荷）、测站速度（MIDAS）、含季节项和偏移量的轨迹拟合、阶跃检测、带共模去除的网络运动场，以及采用覆盖感知模板的重复几何（恒星日）滤波。
• **GNSS/INS 融合：**面向真实接收机的现场模式（零速度和零角速度更新、车辆非完整约束、按定位解状态加权、IMU 到机体的安装 DCM、跨失锁时段速度匹配），以及带严格姿态积分的 ECEF 捷联惯导、采用 Joseph 形式更新的误差状态 EKF（可选 UKF）、松耦合和紧耦合（逐卫星伪距和距离率测量，单颗卫星即可有效工作）、IGG-III 松耦合更新（根据已发布方案在异常值保护下进行测量重加权和自适应预测缩放）、对记录历史进行 RTS 固定区间平滑、带检查点的延迟测量重放时间同步、可序列化滤波器状态，以及确定性 IMU 误差模拟器。由模拟器支持的测试确保现场行为符合要求：在异常值预算内，融合结果优于单独 GNSS；失锁期间的漂移不超过 IMU 级别界限；少于 4 颗卫星的时间窗口内协方差保持一致。
• **几何和事件：**TEME/GCRS/ITRS/大地坐标/地形坐标变换（IAU/IERS）、精密地球定向旋转提供器、观测角、日蚀、RIC/RTN/LVLH 坐标系下的相对运动及 Clohessy-Wiltshire 传播、带碰撞概率（TCA/Pc）的交会筛查，以及经典和等角根数转换。
• **观测和年历：**太阳、月球和行星的视位置（地心和地形 RA/Dec 与 az/el）、日出日落和月出月落、月球照明度、季节、月相、行星凌日、月食和日食、日下点/观测者下点与晨昏线几何、角距和位置角/相位角/β 角，以及卫星视星等。
• **观测质量：**RINEX 观测数据质量控制（完整性、多路径、周跳），已根据标准工具链验证，并提供明确的间隔元数据处理、载波相位组合和 Hatch 平滑。
• **仿真：**确定性场景模拟器可将该库转化为验证工具：带版本的场景及逐项误差预算会生成逐位可复现的合成观测值，以及将求解器误差归因到各预算项的真实值台账。
• **大气和地形：**Klobuchar 和完整的 Galileo NeQuick-G 电离层模型、IONEX 网格（垂直 TEC 和斜向延迟）、对流层延迟、NRLMSISE-00 密度、支持批量探测的 DTED 地形高程查询、可内存映射的地形存储、EGM96/EGM2008 大地水准面网格，以及兼容 PROJ 9.3 的 EGM96 GTX 加载器，支持明确选择融合或分别舍入的弧度插值。
• **射频链路和信号分析：**自由空间路径损耗、EIRP、载波噪声比（C/N0）、链路余量，以及闭式导航信号品质指标（BPSK/BOC 频谱、频谱分离系数、DLL 热噪声抖动、多路径误差包络），并已根据已发布的常数验证。
• **格式：**TLE/OMM（Alpha-5 目录编号和 CelesTrak GP CSV/JSON）、CCSDS OEM/OPM/CDM/TDM、RINEX 观测/导航/时钟、CRINEX（Hatanaka 编码/解码）、SP3、IONEX、ANTEX、Bias-SINEX、CODE DCB、RTCM 3.x、NMEA 0183；提供宽容的解析器，以及对支持此功能的格式提供可往返序列化器。
• **公开产品分发：**精确的 GNSS 产品标识与其直接归档、NASA CDDIS/Earthdata、本地文件或内存来源无关。无网络核心可推导官方 SP3/IONEX 名称、来源位置和抗冲突缓存路径；Python 和 Elixir 接口则提供经过身份验证的获取、验证、类型化错误和不含机密信息的来源记录。参见设计说明。 应对分析中心发布延迟：可选择跨行遍历 CODE 预测电离层（先 P1 后 P2，使用相同地图日期，来源记录注明所用行）、有界的发布状态查询（每个中心和行最新发布的期次、归档报告的发布日期文本及其相对标称时间的延迟；可区分“尚未发布”和“归档无法访问”）、无网络的下一期到期时间查询（包含精确标识以及实测/预测覆盖范围），以及纳入 IGS 组合超快速产品和武汉逐小时 MGEX NRT 产品的扩展超快速产品池。将广播星历作为韧性底线的方案已记录在设计问题中。

安装

cargo add sidereon

use sidereon::astro::passes::{look_angle, GroundStation, UtcInstant};

let line1 = "1 25544U 98067A   24001.50000000  .00016717  00000-0  10270-3 0  9009";
let line2 = "2 25544  51.6400 208.8657 0002644 250.3037 109.7782 15.49560812999990";

let elements = sidereon::astro::tle::parse(line1, line2)?.elements.to_element_set()?;
let station = GroundStation { latitude_deg: 51.5, longitude_deg: -0.1, altitude_m: 10.0 };
let when = UtcInstant::from_utc(2024, 1, 1, 12, 0, 0, 0).ok_or("bad datetime")?;

let look = look_angle(&elements, station, when)?;
println!("az {:.2} el {:.2} range {:.1} km", look.azimuth_deg, look.elevation_deg, look.range_km);

六种语言的更多可运行示例，请参阅在线演示。

命令行

此仓库提供一个二进制文件，无需编写代码即可使用：

sidereon solve --obs rover.obs --nav brdc.nav     # SPP per epoch, bounds always shown
sidereon qc --obs rover.obs                       # teqc-style observation quality report
sidereon inspect FILE [--window FROM THROUGH]     # summarize a file and optionally scope SP3 continuity
sidereon metrics --enu-cov "..."                  # CEP / DRMS / R95 / ellipse from a covariance
sidereon tui --obs rover.obs --nav brdc.nav       # replay a session in the terminal monitor
sidereon tui --ntrip host:2101 --mount MP ...     # watch a live stream solve in real time
sidereon serve-mcp                                # expose the engine to AI agents over MCP

Crate

• sidereon-core：引擎。SGP4/SDP4 传播、坐标和时间转换、RINEX/SP3/ANTEX/OMM/RTCM 解析、广播星历和精密星历、SPP/RTK/PPP/静态/DGNSS 定位、DOP 和可见性、会合评估，以及配套的数值内核。
• sidereon：基于 sidereon-core 的便捷 Rust 接口。产品加载器、CRINEX 编码/解码、太阳/月球天空辅助工具、大地坐标/地心坐标转换及 TLE 观测角/地面轨迹快捷工具、多普勒辅助工具，以及提供结果结构体和统一错误枚举的 SPP/RTK/PPP/静态解算。这是 Rust 接口，其对等覆盖标准与下方的绑定保持一致。
• sidereon-cli：基于引擎的 sidereon 命令行工具：solve（根据 RINEX 进行 SPP，始终显示由协方差推导出的边界）、qc、metrics、inspect、终端解算监视器（tui），可重放已记录的 RINEX 会话，或监视实时 NTRIP/TCP RTCM 流；以及 serve-mcp，一种模型上下文协议服务，通过任务工具和类型化能力图向 AI Agent 提供引擎能力。使用 cargo build -p sidereon-cli 从此仓库构建；尚未发布到 crates.io。
• trust-region-least-squares：独立、可单独发布的非线性最小二乘求解器，可逐位复现 SciPy 的 trust-region-reflective least_squares。它不依赖该引擎。

接口

Rust 接口是上文提到的 sidereon crate。其他语言的接口位于各自的仓库中，均基于同一个核心：

• Python：sidereon-python（PyPI：sidereon）
• C：sidereon-c
• Go：sidereon-go
• Elixir：sidereon-ex（Hex：sidereon）
• JavaScript / WebAssembly：sidereon-wasm（npm：@neilberkman/sidereon）

所有 Sidereon 库均以相同版本发布。新增 API 和行为变更会经过评审，确保各接口的覆盖范围一致；请参阅协调发布政策。

验证

评估结果是确定性的：相同的产品、相同的版本和相同的平台会产生完全相同的位；如果某个版本会改变现有功能的评估结果位，变更日志会注明这一点。只有测试固定了结果的情况下，跨平台位一致性才成立。

每个数值算法都会与其领域的参考实现或已发布标准进行交叉验证，而不只是与内部基准值比较。每项检查都会在测试套件中针对已提交的参考测试数据运行，并记录其来源（工具、版本、出处）；许多检查都要求逐位完全一致。

能力	交叉验证对象	参考来源
SGP4 / SDP4 传播	Vallado / CelesTrak 验证状态	Vallado、Crawford、Hujsak 和 Kelso，Revisiting Spacetrack Report #3，AIAA 2006-6753
坐标系、时间、星历（TEME/GCRS/ITRS、IAU 2006/2000A）	固定版本的 Skyfield 向量（底层使用 ERFA/SOFA 例程）	IAU SOFA / ERFA
地球定向	IERS 地球定向参数	Petit 和 Luzum（编），IERS Conventions (2010)，IERS TN 36
最小二乘引擎（TRF）	SciPy least_squares，位级精确	Virtanen 等，SciPy 1.0，Nature Methods 17 (2020)
GNSS 定位（SPP / RTK / PPP）	RTKLIB 标准测试数据流和真实 IGS 精密产品	RTKLIB；International GNSS Service (IGS)
大地水准面起伏（EGM96 15 角分）	PROJ（us_nga_egm96_15），精度达 5 mm	PROJ
RINEX 观测质量控制 — 多路径（MP1/MP2）	对真实采集数据流运行 teqc +qc，精度达亚微米级	teqc
RTCM MSM 锁定时间到 RINEX LLI 的转换	使用 RTKLIB convbin 解码真实 MSM 数据流	RTKLIB
RTCM 3 MSM1..MSM7、传统格式 1001..1004 / 1009..1012、NavIC 1041、GLONASS 1230 和 IGS SSR 4076 解码	使用 RTKLIB decode_rtcm3 解码真实多星座数据流及 RTKLIB 编码数据流，逐位完全一致	RTKLIB
RTCM 3 SSR 1057..1270 和 IGS SSR 4076（包括所有子类型及 VTEC）的解码	使用 BNC SSR 解码器解码 BNC 编码、RTKLIB 编码和真实 IGS SSR 数据流，逐位完全一致	BKG NTRIP Client (BNC)
RTCM 3 网络 RTK 和转换消息（1014-1017、1021-1027、1030-1032、1034、1035、1037-1039）	pyrtcm 消息布局，逐字段验证	pyrtcm

各 crate 的测试套件记录了确切的参考来源、测试数据和容差。 Python oracle 版本固定说明记录了跨版本 FITPACK 和伪逆检查，以及由此确立的测试数据重新生成规则。

许可证

MIT