太阳系三体模拟器

bodies/body.py

@@ -20,7 +20,8 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
 
     def __init__(self, name, mass, init_position, init_velocity,
                  density=5e3, color=(125 / 255, 125 / 255, 125 / 255),
-                 texture=None, size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture=None, size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=None):
         """
         天体类
         :param name: 天体名称
@@ -32,11 +33,14 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         :param texture: 纹理图片
         :param size_scale: 尺寸缩放
         :param distance_scale: 距离缩放
+        :param rotation_speed: 自旋速度（度/小时）
         """
         self.__his_pos = []
         self.__his_vel = []
         self.__his_acc = []
         self.__his_reserved_num = 100
+        # 是否忽略质量（如果为True，则计算引力）
+        self.ignore_mass = False
 
         if name is None:
             name = getattr(self.__class__, '__name__')
@@ -51,6 +55,7 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         self.__velocity = self.init_velocity
 
         self.__density = density
+        self.__rotation_speed = rotation_speed
 
         self.color = color
         self.texture = texture
@@ -194,6 +199,14 @@ class Body(metaclass=ABCMeta):
         """
         return self.__mass
 
+    @property
+    def rotation_speed(self):
+        """
+        自旋速度（度/小时）
+        :return:
+        """
+        return self.__rotation_speed
+
     @property
     def density(self):
         """

bodies/earth.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Earth(Body):
     地球
     ------------------------
       转轴倾角: 23.44°
-      自转周期: 23小时56分4秒(恒星日)
+      自转周期: 23.93 小时，自转角速度约为 15 度/小时
     远日点距离: 152097701 km
     近日点距离: 147098074 km
     　逃逸速度: 11.186 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Earth(Body):
     def __init__(self, name="Earth", mass=5.97237e24,
                  init_position=[1.12 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 29.79, 0],
-                 texture="earth1.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="earth1.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=15):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Earth(Body):
             "color": (1, 89, 162),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/jupiter.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Jupiter(Body):
     木星
     ------------------------
       转轴倾角: 3.13°
-      自转周期: 9小时55分30秒(赤道略短，两极略长)
+      自转周期: 9.93 小时，自转角速度约为 36.2537 度/小时 = 360/(9.93)
     远日点距离: 5.4588 天文单位
     近日点距离: 4.9501 天文单位
       逃逸速度: 59.5 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Jupiter(Body):
     def __init__(self, name="Jupiter", mass=1.8982e27,
                  init_position=[5.2 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 13.06, 0],
-                 texture="jupiter1.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="jupiter1.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=36.2537):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Jupiter(Body):
             "color": (173, 121, 92),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/mars.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Mars(Body):
     火星
     ------------------------
       转轴倾角: 25.19°
-      自转周期: 24小时37分22.7秒
+      自转周期: 24.62 小时，自转角速度约为 14.6223 度/小时 = 360/(24.62)
     远日点距离: 1.666 天文单位
     近日点距离: 1.382 天文单位
       逃逸速度: 5.027 km/s
@@ -25,7 +25,8 @@ class Mars(Body):
     def __init__(self, name="Mars", mass=6.4171e23,
                  init_position=[1.5 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 24.13, 0],
-                 texture="mars.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="mars.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=14.6223):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -35,7 +36,8 @@ class Mars(Body):
             "color": (213, 97, 59),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/mercury.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Mercury(Body):
     水星
     ------------------------
       转轴倾角: 0.034°
-      自转周期: 58.65天
+      自转周期: 58.65 地球日，自转角速度约为 0.2558 度/小时 = 360/(58.65*24)
     远日点距离: 0.466697 天文单位
     近日点距离: 0.307499 天文单位
       逃逸速度: 4.25 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Mercury(Body):
     def __init__(self, name="Mercury", mass=3.3011e23,
                  init_position=[0.4 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 47.87, 0],
-                 texture="mercury.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="mercury.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=0.2558):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Mercury(Body):
             "color": (1, 89, 162),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/moon.py

@@ -14,8 +14,8 @@ class Moon(Body):
     """
     月球
     ------------------------
-    　自转周期: 27.32天(自西向东逆时针方向自转)
-    距地距离约 363104 至 405696 km
+    　自转周期: 27.32 地球日，自转角速度约为 0.5487 度/小时 = 360/(27.32*24)
+    距地距离约: 363104 至 405696 km
     　逃逸速度: 2.4 km/s
     　公转速度: 1.023 km/s + (地球)29.79 km/s
     　天体质量: 7.342✕10²² kg
@@ -25,7 +25,8 @@ class Moon(Body):
     def __init__(self, name="Moon", mass=7.342e22,
                  init_position=[363104 + 1.12 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 29.79 + 1.023, 0],
-                 texture="moon.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="moon.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=0.5487):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -35,7 +36,8 @@ class Moon(Body):
             "color": (162, 162, 162),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/neptune.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Neptune(Body):
     海王星
     ------------------------
     自转轴倾角: 28.32°
-      自转周期: 16h 6min 36s
+      自转周期: 16.11 小时，自转角速度约为 22.3463 度/小时 = 360/(16.11)
     远日点距离: 30.33 天文单位
     近日点距离: 29.81 天文单位
       逃逸速度: 23.5 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Neptune(Body):
     def __init__(self, name="Neptune", mass=1.0241e26,
                  init_position=[30 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 5.43, 0],
-                 texture="neptune.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="neptune.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=22.3463):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Neptune(Body):
             "color": (93, 118, 203),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/pluto.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Pluto(Body):
     冥王星
     ------------------------
       转轴倾角: 119.591±0.014°
-      自转周期: 6日9小时17分36秒(逆自转)
+      自转周期: 6.39 地球日，自转角速度约为 -2.3474 度/小时（逆时针自转） = 360/(6.39*24)
     远日点距离: 49.305 天文单位(73.760 亿千米)
     近日点距离: 29.658 天文单位(44.368 亿千米)
       逃逸速度: 1.212 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Pluto(Body):
     def __init__(self, name="Pluto", mass=1.303e22,
                  init_position=[40 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 4.7, 0],
-                 texture="pluto2.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="pluto2.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=-2.3474):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Pluto(Body):
             "color": (67, 28, 7),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/saturn.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Saturn(Body):
     土星
     ------------------------
       自转倾角: 26.73 度
-      自转周期: 10小时33分38秒
+      自转周期: 10.66 小时，自转角速度约为 33.7711 度/小时 = 360/(10.66)
     远日点距离: 10.1238 天文单位
     近日点距离: 9.0412 天文单位
       逃逸速度: 35.49 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Saturn(Body):
     def __init__(self, name="Saturn", mass=5.6834e26,
                  init_position=[10 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 9.64, 0],
-                 texture="saturn.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="saturn.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=33.7711):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Saturn(Body):
             "color": (219, 189, 159),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/sun.py

@@ -13,6 +13,7 @@ class Sun(Body):
     """
     太阳
     ------------------------
+    自转周期: 24.47 地球日，自转角速度约为 0.6130 度/小时 = 360/(24.47*24)
     天体质量: 1.9891×10³⁰ kg
     平均密度: 1.408×10³ kg/m³
     """
@@ -20,7 +21,8 @@ class Sun(Body):
     def __init__(self, name="Sun", mass=1.9891e30,
                  init_position=[0, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 0, 0],
-                 texture="sun2.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="sun2.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=0.6130):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -30,7 +32,8 @@ class Sun(Body):
             "color": (170, 98, 25),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/uranus.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Uranus(Body):
     天王星
     ------------------------
       转轴倾角: 97.77°
-      自转周期: 17时14分24秒
+      自转周期: 17.24 小时，自转角速度约为 -20.8816 度/小时（逆时针自转） = 360/(17.24)
     远日点距离: 20.11 天文单位
     近日点距离: 18.33 天文单位
       逃逸速度: 21.3 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Uranus(Body):
     def __init__(self, name="Uranus", mass=8.681e25,
                  init_position=[19 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 6.81, 0],
-                 texture="uranus.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="uranus.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=-20.8816):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Uranus(Body):
             "color": (94, 124, 193),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

bodies/venus.py

@@ -14,7 +14,7 @@ class Venus(Body):
     金星
     ------------------------
       轨道倾角: 3.39458 度
-      自转周期: 243天
+      自转周期: 243 地球日，自转角速度约为 -0.0617 度/小时（逆时针自转） = 360/(243*24)
     远日点距离: 0.728213 天文单位
     近日点距离: 0.718440天文单位
       逃逸速度: 10.36 km/s
@@ -26,7 +26,8 @@ class Venus(Body):
     def __init__(self, name="Venus", mass=4.8675e24,
                  init_position=[0.72 * AU, 0, 0],
                  init_velocity=[0, 35, 0],
-                 texture="venus.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0):
+                 texture="venus.jpg", size_scale=1.0, distance_scale=1.0,
+                 rotation_speed=-0.0617):
         params = {
             "name": name,
             "mass": mass,
@@ -36,7 +37,8 @@ class Venus(Body):
             "color": (173, 81, 5),
             "texture": texture,
             "size_scale": size_scale,
-            "distance_scale": distance_scale
+            "distance_scale": distance_scale,
+            "rotation_speed": rotation_speed
         }
         super().__init__(**params)
 

common/system.py

@@ -91,10 +91,14 @@ class System(object):
         # self.bodies = list(filter(valid_body, self.bodies))
 
         for body1 in self.bodies:
+            if body1.ignore_mass:
+                continue
             if not valid_body(body1):
                 continue
             acceleration = np.zeros(3)
             for body2 in self.bodies:
+                if body2.ignore_mass:
+                    continue
                 if self.max_distance > 0:
                     if calculate_distance(body1.position) > self.max_distance:  # 超过了max_distance距离，则消失
                         body1.appeared = False

scenes/earth_moon.py

@@ -16,14 +16,17 @@ if __name__ == '__main__':
     地球、月球
     """
     # 地球的Y方向初始速度
-    EARTH_INIT_VELOCITY = -0.02  # 200m/s
+    EARTH_INIT_VELOCITY = 0  # 200m/s
+    sun = Sun(init_position=[0, AU, 0], init_velocity=[0, 0, 0], size_scale=1e1)
+    sun.ignore_mass = True
     bodies = [
+        # sun,
         Earth(init_position=[0, 0, 0],
               init_velocity=[0, EARTH_INIT_VELOCITY, 0], size_scale=1e1),  # 地球放大 10 倍，距离保持不变
-        Moon(init_position=[363104, 0, 0],
+        Moon(init_position=[363104, 0, 0],  # 距地距离约: 363104 至 405696 km
              init_velocity=[0, EARTH_INIT_VELOCITY + 1.023, 0], size_scale=1e1)  # 月球放大 10 倍，距离保持不变
     ]
     # mayavi_run(bodies, SECONDS_PER_HALF_DAY / 2, view_azimuth=-45)
 
     # 使用 ursina 查看的运行效果
-    ursina_run(bodies, SECONDS_PER_HALF_DAY / 2, position=(0, 0, 0))
+    ursina_run(bodies, SECONDS_PER_DAY, position=(0, 0, 0))

simulators/simulator.py

@@ -44,6 +44,7 @@ class Simulator(metaclass=ABCMeta):
         self.bodies_sys.evolve(dt)
         for idx, view in enumerate(self.body_views):
             body = self.bodies_sys.bodies[idx]
+            body.dt = dt
             view.appeared = body.appeared
             if not view.appeared:
                 view.disappear()

simulators/ursina_simulator.py

@@ -139,9 +139,11 @@ class UrsinaSimulator(Simulator):
 
     def run(self, dt, **kwargs):
         from ursina import EditorCamera, PointLight, SpotLight, AmbientLight, DirectionalLight
-        self.evolve_dt = dt
-        # 设定时间间隔为1秒
-        self.interval = datetime.timedelta(seconds=0.01)
+        # 设定时间间隔为0.01秒
+        interval = 0.01
+        self.evolve_dt = dt * interval
+        self.interval = datetime.timedelta(seconds=interval)
+
         self.last_time = datetime.datetime.now() - datetime.timedelta(seconds=2)
         if "light" in kwargs:
             if kwargs["light"]:

simulators/views/ursina_view.py

@@ -22,7 +22,7 @@ from simulators.views.body_view import BodyView
 import numpy as np
 import math
 
-SCALE_FACTOR = 5e-7
+SCALE_FACTOR = 5e-6
 
 
 class UrsinaPlayer(FirstPersonController):
@@ -73,8 +73,7 @@ class UrsinaPlayer(FirstPersonController):
 class Planet(Entity):
     def __init__(self, body_view: BodyView):
         self.body_view = body_view
-        # 旋转速度和大小成反比（未使用真实数据）
-        self.rotspeed = 30000 / self.body_view.raduis  # random.uniform(1.0, 2.0)
+        self.rotation_speed = self.body_view.body.rotation_speed
         self.rotMode = 'x'  # random.choice(["x", "y", "z"])
         self.name = body_view.name
 
@@ -101,6 +100,22 @@ class Planet(Entity):
         self.y = pos[2]
         self.z = pos[0]
 
+        dt = 0
+        if hasattr(self.body_view.body, "dt"):
+            dt = self.body_view.body.dt
+        if self.rotation_speed is None or dt == 0:
+            self.rotspeed = 0
+            # 旋转速度和大小成反比（未使用真实数据）
+            # self.rotspeed = 30000 / self.body_view.raduis  # random.uniform(1.0, 2.0)
+        else:
+            # 4.60e-6 是通过月球保持一面面对地球，调整得到
+            # self.rotspeed = self.rotation_speed * dt * 4.60e-6
+            # (self.rotation_speed * dt * 4.60e-6),(self.rotation_speed * (dt / 3600))/60
+
+            self.rotspeed = self.rotation_speed * (dt / 3600) / 2.4  # / 60 / 24
+            # self.rotspeed = self.rotation_speed * (dt / 3600) / 3.65e7
+            # rotation_speed 度/小时  dt 秒 = (dt / 3600)小时
+
         self.rotation_y -= self.rotspeed
 
     # def input(self, key):