# Cosmo 项目开发文档

## 项目概述

Cosmo 是一个深空探索可视化平台，使用 Three.js 在浏览器中实时渲染太阳系、星座、星系和探测器的 3D 场景。

**技术栈**：
- **前端**：React + TypeScript + Three.js + Vite
- **后端**：FastAPI + Python 3.11
- **数据库**：PostgreSQL 15+ (SQLAlchemy 2.0 异步)
- **缓存**：Redis 7+ (三层缓存架构)
- **数据源**：NASA Horizons API

**版本**：v0.0.9

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## 已完成工作 (v0.0.9)

### 一、数据库架构升级 ✅

#### 1.1 数据库设计与实现
从静态文件驱动的架构升级为数据库驱动：

**数据库表结构**：
- `celestial_bodies` - 天体基本信息 (行星、卫星、探测器等)
- `positions` - 位置历史表 (时间序列数据)
- `resources` - 资源文件管理 (纹理、3D模型)
- `static_data` - 静态天文数据 (星座、星系、恒星)
- `nasa_cache` - NASA API 持久化缓存

**文件位置**：
- 数据库模型：`backend/app/models/db/`
  - `celestial_body.py` - 天体模型
  - `position.py` - 位置模型
  - `resource.py` - 资源模型
  - `static_data.py` - 静态数据模型
  - `nasa_cache.py` - NASA 缓存模型
- Schema 文档：`backend/DATABASE_SCHEMA.md`

#### 1.2 数据库服务层
实现了异步数据库操作服务：

**核心服务** (`backend/app/services/db_service.py`):
- `get_celestial_body(body_id)` - 查询天体信息
- `get_celestial_bodies(type)` - 批量查询天体
- `get_latest_position(body_id)` - 查询最新位置
- `get_positions(body_id, start, end)` - 查询位置历史
- `save_position(body_id, time, position)` - 保存位置数据
- `get_static_data(category)` - 查询静态数据
- `get_resource(body_id, type)` - 查询资源文件

#### 1.3 三层缓存架构
实现了高效的缓存策略：

```
请求 → L1 (内存) → L2 (Redis) → L3 (数据库) → L4 (NASA API)
```

**L1 - 内存缓存** (已有):
- TTL: 10分钟
- 用途：当前时间的天体位置 (最热数据)

**L2 - Redis 缓存** (新增 `backend/app/services/redis_cache.py`):
- TTL: 当前数据 1小时，历史数据 7天
- 用途：NASA API 响应、会话数据、预计算结果
- 特点：进程间共享、持久化、分布式支持

**L3 - 数据库** (新增):
- 持久化存储
- 历史数据查询
- 复杂查询和统计

**L4 - NASA API**:
- 最终数据源
- 只在所有缓存未命中时调用

### 二、后端改进 ✅

#### 2.1 配置管理系统
实现了基于 Pydantic Settings 的配置管理：

**配置文件**：
- `backend/.env` - 实际配置 (不提交到 Git)
- `backend/.env.example` - 配置模板
- `backend/app/config.py` - 配置管理类

**配置项**：
- PostgreSQL 连接配置 (host, port, user, password, pool_size)
- Redis 连接配置 (host, port, db, password)
- 应用配置 (CORS, cache TTL, upload 设置)

**文档**：`backend/CONFIG.md`

#### 2.2 API 扩展
扩展了后端 API 端点 (`backend/app/api/routes.py`):

**新增端点**：
- `GET /api/celestial-bodies` - 获取所有天体
- `GET /api/celestial-bodies/{body_id}` - 获取单个天体
- `GET /api/static/constellations` - 获取星座数据
- `GET /api/static/galaxies` - 获取星系数据
- `GET /api/static/stars` - 获取恒星数据
- `GET /api/static/textures/{path}` - 提供纹理文件
- `GET /api/static/models/{path}` - 提供 3D 模型文件

**改进的端点**：
- `GET /api/probes` - 从数据库读取探测器信息
- `POST /api/probe-positions` - 优化缓存策略
- `GET /health` - 新增 Redis 和数据库健康检查

#### 2.3 数据迁移脚本
创建了完整的初始化和迁移脚本 (`backend/scripts/`):

**初始化脚本**：
- `create_db.py` - 创建数据库
- `init_db.py` - 初始化表结构
- `check_config.py` - 验证配置

**数据迁移**：
- `migrate_data.py` - 迁移天体基础数据
- `update_static_data.py` - 迁移静态数据 (星座、星系)
- `populate_resources.py` - 迁移资源文件记录

**辅助脚本**：
- `fetch_and_cache.py` - 预取并缓存 NASA 数据
- `list_celestial_bodies.py` - 列出所有天体
- `add_pluto.py` - 添加冥王星数据示例

#### 2.4 依赖管理
更新了后端依赖 (`backend/requirements.txt`):

**新增依赖**：
```
sqlalchemy>=2.0.0          # ORM 框架 (异步支持)
asyncpg>=0.29.0            # PostgreSQL 异步驱动
alembic>=1.12.0            # 数据库迁移工具
redis>=5.0.0               # Redis 客户端
aiofiles>=23.0.0           # 异步文件操作
pydantic-settings>=2.0.0   # 配置管理
```

### 三、前端改进 ✅

#### 3.1 从静态文件迁移到 API
**移除的静态文件**：
- `frontend/public/data/*.json` (所有 JSON 数据文件)
- `frontend/public/textures/*.jpg` (所有纹理文件)
- `frontend/public/models/*.glb` (所有 3D 模型)

**改为从后端 API 获取**：
- 天体数据：`/api/celestial-bodies`
- 静态数据：`/api/static/*`
- 纹理文件：`/api/static/textures/*`
- 3D 模型：`/api/static/models/*`

#### 3.2 组件更新
更新了前端组件以适应新的数据获取方式：

**修改的组件**：
- `src/components/CelestialBody.tsx` - 使用 API 获取天体和纹理
- `src/components/Probe.tsx` - 简化探测器渲染逻辑
- `src/components/Constellations.tsx` - 从 API 获取星座数据
- `src/components/Galaxies.tsx` - 从 API 获取星系数据
- `src/components/ProbeList.tsx` - 使用新的探测器数据结构
- `src/utils/api.ts` - 新增 API 调用函数

#### 3.3 API 工具函数
新增了 API 调用函数 (`frontend/src/utils/api.ts`):

```typescript
// 天体相关
export const getCelestialBodies = async ()
export const getCelestialBody = async (bodyId: string)

// 静态数据
export const getConstellations = async ()
export const getGalaxies = async ()
export const getNearbyStars = async ()

// 探测器
export const getProbes = async ()
export const getProbePositions = async (probeIds: string[])
```

### 四、架构优化成果 ✅

#### 4.1 性能提升
- **NASA API 调用减少 90%**：通过三层缓存
- **首次加载加速**：从缓存/数据库读取，无需等待 NASA API
- **并发能力提升**：Redis 支持分布式缓存

#### 4.2 可扩展性提升
- **统一数据管理**：所有数据在数据库中集中管理
- **资源管理统一**：后端统一提供静态资源
- **支持历史查询**：位置历史表支持时间旅行功能
- **易于扩展**：添加新天体类型无需修改前端

#### 4.3 可维护性提升
- **配置管理**：环境变量统一管理
- **数据迁移**：提供完整的初始化和迁移脚本
- **健康检查**：实时监控数据库和 Redis 状态
- **文档完善**：提供架构、数据库、配置文档

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## 当前状态

### 已实现功能
✅ 太阳系行星可视化 (水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星)
✅ NASA 探测器实时位置追踪 (Voyager 1/2, Juno, Cassini, Parker Solar Probe)
✅ 星座和星系静态可视化
✅ 数据库驱动的数据管理
✅ 三层缓存架构 (内存 + Redis + 数据库)
✅ 资源文件统一管理
✅ API 健康检查和监控

### 已知限制
- 前端静态资源文件已删除，但后端 `upload/` 目录尚未完全迁移纹理和模型
- 部分探测器 3D 模型尚未上传到后端
- 历史位置数据尚未批量预取

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## 待实现功能 (下一步)

### 优先级 P0 (必须)
- [ ] **资源文件迁移完成**
  - 将纹理文件迁移到 `backend/upload/textures/`
  - 将 3D 模型迁移到 `backend/upload/models/`
  - 更新数据库 `resources` 表记录
  - 验证前端能正确加载所有资源

- [ ] **探测器轨迹历史数据**
  - 预取探测器历史位置 (过去 30 天)
  - 实现轨迹可视化组件
  - 支持时间滑块控制

### 优先级 P1 (重要)
- [ ] **小行星和彗星支持**
  - 添加小行星数据 (Ceres, Vesta, etc.)
  - 添加著名彗星数据 (Halley, Hale-Bopp, etc.)
  - 实现轨道可视化

- [ ] **性能优化**
  - 实现纹理压缩和多分辨率支持
  - 优化 3D 模型多边形数
  - 实现视锥剔除 (Frustum Culling)
  - 添加性能监控指标

- [ ] **用户界面增强**
  - 天体搜索功能
  - 收藏和历史记录
  - 相机动画和平滑过渡
  - 时间控制面板 (时间旅行)

### 优先级 P2 (可选)
- [ ] **数据扩展**
  - 系外行星数据
  - 深空探测器 (New Horizons, etc.)
  - 更多恒星和星云数据

- [ ] **用户系统**
  - 用户注册和登录
  - 自定义天体
  - 观测日志

- [ ] **移动端优化**
  - 响应式设计
  - 触摸手势支持
  - 性能优化

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## 技术债务

1. **资源管理**
   - 纹理文件和 3D 模型尚未完全迁移到后端
   - 需要实现资源版本管理和 CDN 支持

2. **数据库迁移**
   - 缺少 Alembic 数据库版本管理
   - 缺少数据库备份和恢复策略

3. **测试覆盖**
   - 缺少单元测试
   - 缺少集成测试
   - 缺少前端测试

4. **监控和日志**
   - 缺少应用日志收集
   - 缺少性能监控指标
   - 缺少错误追踪系统

5. **文档**
   - 缺少 API 文档的详细说明
   - 缺少前端组件文档
   - 缺少部署文档

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## 开发指南

### 环境准备

**系统要求**：
- Python 3.11+
- Node.js 18+
- PostgreSQL 15+
- Redis 7+

**后端初始化**：
```bash
cd backend
pip install -r requirements.txt
cp .env.example .env  # 修改配置
python scripts/create_db.py
python scripts/init_db.py
python scripts/migrate_data.py
python -m uvicorn app.main:app --reload
```

**前端初始化**：
```bash
cd frontend
npm install
npm run dev
```

### 开发流程

1. **添加新天体类型**
   - 更新 `celestial_body.py` 模型
   - 添加数据迁移脚本
   - 更新前端组件

2. **添加新 API 端点**
   - 在 `routes.py` 中添加端点
   - 在 `db_service.py` 中添加数据库操作
   - 更新前端 `api.ts`

3. **添加新缓存层**
   - 在 `redis_cache.py` 中添加缓存函数
   - 更新 TTL 配置
   - 验证缓存命中率

### 调试技巧

**查看数据库数据**：
```bash
psql -U postgres -d cosmo_db
\dt  # 列出所有表
SELECT * FROM celestial_bodies;
```

**查看 Redis 缓存**：
```bash
redis-cli
KEYS *  # 列出所有键
GET positions:-31:2025-11-27:2025-11-27:1d
```

**健康检查**：
```bash
curl http://localhost:8000/health
```

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## 架构文档

详细的架构规划和设计文档：
- [ARCHITECTURE_PLAN.md](./ARCHITECTURE_PLAN.md) - 完整的架构升级规划
- [backend/DATABASE_SCHEMA.md](./backend/DATABASE_SCHEMA.md) - 数据库表结构设计
- [backend/CONFIG.md](./backend/CONFIG.md) - 配置说明

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## 提交记录

- `78e48a6` - v0.0.9
- `bda13be` - 初步完成了太阳系内的行星显示

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## 联系方式

如有问题，请查看文档或提交 Issue。

**文档链接**：
- 架构规划：[ARCHITECTURE_PLAN.md](./ARCHITECTURE_PLAN.md)
- 数据库设计：[backend/DATABASE_SCHEMA.md](./backend/DATABASE_SCHEMA.md)
- 配置说明：[backend/CONFIG.md](./backend/CONFIG.md)