Per Python ad Astra

Charla en la SciPyCon Latin America 2015 en Posadas, Misiones, Argentina.

Transcript

1. Per Python ad Astra Python in Astrodynamics and Orbital Mechanics Juan Luis Cano Rodríguez <juanlu@pybonacci.org> Posadas, Misiones, Argentina 2015-05-21
2. Sobre mí • Ingeniero aeroespacial de corazón (aeronáutico de formación) • Programador autodidacta (salvo unas clases de Fortran 90) • Apasionado de Python y del código abierto (aunque tengo mis días) • Pybonacci, Python España, AeroPython… (no puedo parar quieto) • Muy agradecido de estar en Argentina :) (¡adoro el asado!)
3. Warning: This is rocket science!
4. Índice • ¿Qué es la astrodinámica? • Problemas de Kepler y Lambert • Mi proyecto personal: poliastro • «A hombros de gigantes»: astropy, jplephem y numba • Ventajas de usar solo Python • Algunos desafíos y futuros desarrollos • Conclusiones
5. P: ¿Qué es la astrodinámica? R: Jugar al billar … a escala cósmica ;)
7. Problema de los dos cuerpos • Problema primordial de la mecánica celeste – Dos masas puntuales – Fuerza gravitatoria exclusivamente • ¡Los dos movimientos se desacoplan!
8. Problema de Kepler • Es el problema de valor inicial del problema de los dos cuerpos, también conocido como propagación • Problema: hallar la posición y velocidad de un satélite en un determinado instante, dados su posición y velocidad en un instante previo • Para órbitas elípticas:
9. Problema de Lambert • Es el problema de contorno del problema de los dos cuerpos • Problema: hallar la trayectoria entre dos posiciones a recorrer en un intervalo de tiempo dado • En transferencias interplanetarias se usa la “patched conic approximation”: se reduce un problema de tres cuerpos a tres problemas de dos cuerpos
10. poliastro: los inicios • Proyecto de clase: transferencia Tierra-Venus y análisis de perturbaciones • Objetivos: – Reutilizar software existente – Aprender Python – ¿Aprobar la asignatura ? … • Resultado: poliastro, biblioteca Python para mecánica orbital
11. Algoritmos y lenguajes compilados • La mayoría de aplicaciones requieren resolver estos problemas miles de veces – Trazas orbitales – Ventanas de lanzamiento – Optimización de trayectorias • En Internet: Fortran, C, MATLAB, Java – Ventajas: Buen rendimiento sin mucho trabajo de optimización – Desventajas: Los avances en calidad del código de los últimos años brillan por su ausencia • ¡Esto tenía que cambiar!
12. astropy: Astronomía en Python • Base común de cualquier desarrollo futuro de astronomía en Python – Unidades físicas (astropy.units): declaración de tipos para ingenieros – Tiempos y fechas (astropy.time): vectores de tiempos, conversión a fechas julianas (JD) – Cosas que usaré: conversión entre sistemas de referencia (astropy.coordinates) • Otras cosas interesantes: cálculos cosmológicos (astropy.cosmology), datos FITS (astropy.io.fits)
13. jplephem: efemérides planetarias • La NASA nos brinda datos con los que calcular las posiciones de los planetas con gran precisión (efemérides) en forma de archivos binarios (SPK kernels) • jplephem, escrita por Brandon Rhodes♥, permite leer archivos SPK ♥Otras bibliotecas: python-sgp4, python-skyfield
14. numba: JIT para Python • Compilador “just-in-time” para código Python numérico • Optimizado para trabajar con arrays de NumPy • Prueba: problemas de Kepler y Lambert en Python acelerados con numba • Son algoritmos simples resueltos iterativamente (método de Newton) • Resultado: ~90 % del rendimiento de Fortran
15. ¡Adiós Fortran!
16. Ventajas de usar (solo) Python • Máxima simplicidad de instalación1 • Accesibilidad: Python es un lenguaje legible y popular2, ¡más contribuidores! • Propósito general: Herramientas y documentación de máximo nivel • Introspección: ¡métricas sobre la calidad del código! • No soy programador: Python es el último lenguaje que quiero aprender3 1¡Funciona con pip! numba es opcional 2Tercero en GitHub (http://githut.info) 3¿O el penúltimo ? …
17. ¡Dentro demo! https://github.com/poliastro/poliastro
18. Desafíos y futuros desarrollos • Mantener compromiso legibilidad/complejidad • Mejores algoritmos • Representación de órbitas en 3D y trazas • Diversas representaciones orbitales • NEO (Near-Earth Objects): propagación SGP4, lectura de TLE
19. Mil gracias a todos