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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

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):

// 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

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

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

技术债务

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
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
测试覆盖
- 缺少单元测试
- 缺少集成测试
- 缺少前端测试
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
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

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：

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：

cd frontend
npm install
npm run dev

开发流程

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
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
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：

psql -U postgres -d cosmo_db
\dt  # 列出所有表
SELECT * FROM celestial_bodies;

查看 Redis 缓存：

redis-cli
KEYS *  # 列出所有键
GET positions:-31:2025-11-27:2025-11-27:1d

健康检查：

curl http://localhost:8000/health

架构文档

详细的架构规划和设计文档：

ARCHITECTURE_PLAN.md - 完整的架构升级规划
backend/DATABASE_SCHEMA.md - 数据库表结构设计
backend/CONFIG.md - 配置说明

提交记录

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

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
数据库设计：backend/DATABASE_SCHEMA.md
配置说明：backend/CONFIG.md

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