Python超人-宇宙模拟器

sim_scenes/solar_system/earth_moon_reality.py

+# -*- coding:utf-8 -*-
+# title           :模拟太阳系给天体真实时间和位置
+# description     :模拟太阳系给天体真实时间和位置
+# author          :Python超人
+# date            :2023-07-23
+# link            :https://gitcode.net/pythoncr/
+# python_version  :3.8
+# ==============================================================================
+import math
+
+import numpy as np
+
+from bodies import Sun, Mercury, Venus, Earth, Mars, Asteroids, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune, Moon
+from common.celestial_data_service import get_body_posvel, recalc_moon_position, calc_solar_acceleration
+from common.consts import SECONDS_PER_WEEK, SECONDS_PER_DAY, AU
+from sim_scenes.func import ursina_run, camera_look_at
+from simulators.ursina.entities.body_timer import TimeData
+from simulators.ursina.ui.control_ui import ControlUI
+from simulators.ursina.ursina_config import UrsinaConfig
+from simulators.ursina.ursina_event import UrsinaEvent
+from ursina import camera, application
+
+
+class SolarSystemRealitySim:
+    def __init__(self):
+        """
+
+        @param debug_mode: 是否为调试模式
+        """
+        self.show_asteroids = False
+        self.clock_position_center = False
+        self.show_earth_clouds = False
+        self.debug_mode = False
+        self.recalc_moon_pos = True
+
+    def create_bodies(self):
+        """
+        创建太阳系的天体
+        @return:
+        """
+        # 由于宇宙空间尺度非常大，如果按照实际的天体大小，则无法看到天体，因此需要对天体的尺寸进行放大
+        # 太阳缩放比例
+
+        # 地月缩放比例
+        # 为了更好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（使得地月距离放大，月球相对地球方向不变），重新计算位置后，地球和月球可以放大1000倍以上
+        if self.recalc_moon_pos:  # 重新计算月球位置
+            self.earth_size_scale = 10e3 if self.debug_mode else 1e3
+            self.sun_size_scale = 0.04e2 if self.debug_mode else 0.4e2
+            self.moon_size_scale = 2e3
+        else:
+            # 不重新计算，则地月的距离相对整个太阳系会非常近，因此，月球只放大了30倍
+            self.earth_size_scale = 2.5e1
+            self.moon_size_scale = 5e1
+            self.sun_size_scale = 1e1
+
+        self.sun = Sun(name="太阳", size_scale=self.sun_size_scale)  # 太阳
+        self.earth = Earth(name="地球", texture="earth_hd.jpg",
+                           rotate_angle=3.44,
+                           size_scale=self.earth_size_scale)  # 地球
+        self.earth_camera = Earth(name="地球摄像机", texture="transparent.png",
+                                  rotate_angle=0,
+                                  rotation_speed=0,
+                                  show_trail=False,
+                                  size_scale=1)  # 地球摄像机
+        self.earth_camera.camera_init_val = 0
+        self.moon = Moon(name="月球", size_scale=self.moon_size_scale,
+                         rotation_speed=0.4065)  # 月球
+
+        # 所有天体
+        self.bodies = [self.sun, self.earth, self.earth_camera, self.moon]
+
+    def init_earth(self):
+        """
+        初始化地球
+        @return:
+        """
+        # 让地球显示自转轴线
+        self.earth.rotate_axis_color = (255, 255, 50)
+        # 如果为调试模式，则太阳光对地球无效，方便查看
+        if self.debug_mode:
+            self.earth.set_light_disable(True)
+
+    def set_earth_rotation(self, dt):
+        """
+        根据指定的时间控制地球的旋转角度（保证地球的自转和北京时间同步）
+        @param dt: 时间 datetime
+        @return:
+        """
+
+        # timetuple 可以获取当天的小时数、分数钟、秒数
+        timetuple = dt.timetuple()
+        # 当年的第几天
+        day_of_year = timetuple.tm_yday
+        # 根据当年的第几天计算出该日期当天的偏转角度：360度 / 365天 = 当天的偏转角度
+        angle_of_day = day_of_year * (360 / 365)
+        # 计算出精确的小时数
+        total_hours = timetuple.tm_hour + timetuple.tm_min / 60 + timetuple.tm_sec / 60 / 60
+        # -total_hours： 负号控制地球的旋转方向、1天24小时，360度/24=15
+        # total_hours * 15：1天24小时，360度/24小时=1小时15度
+        # angle_of_day： 1年第几天的角度
+        self.earth.planet.rotation_y = -total_hours * 15 - angle_of_day + 15  # 精确调整
+
+    def show_clock(self, dt):
+        """
+        显示时钟
+        @param dt: 时间 datetime
+        @return:
+        """
+        if self.clock_position_center:
+            position, origin = (0, .25), (0, 0),
+        else:
+            position, origin = (0.60, -0.465), (-0.5, 0.5),
+
+        ControlUI.current_ui.show_message(dt.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'),
+                                          position=position,
+                                          origin=origin,
+                                          font="verdana.ttf",
+                                          close_time=-1)
+
+    def set_bodies_position(self, time_data: TimeData):
+        """
+        设置天体的位置（包含速度和加速度的信息）
+        @param time_data:
+        @return:
+        """
+        t = self.start_time + time_data.total_days
+
+        earth_pos = None
+        sun_pos = None
+
+        for body in self.bodies:
+            if isinstance(body, Asteroids):  # 小行星带是模拟，不是正常的天体
+                posvel = None
+            else:
+                # 获取天体的三维位置和矢量速度
+                posvel = get_body_posvel(body, t)
+
+            if isinstance(body, Moon):  # 如果是月球，为了更好的展示效果，需要对月球的位置重新计算
+                moon_real_pos = [posvel[0].x.value * AU, posvel[0].z.value * AU, posvel[0].y.value * AU]
+                # TODO:注释下行，月球就会在真实的位置
+                if self.recalc_moon_pos:
+                    posvel = recalc_moon_position(posvel, earth_pos)
+
+            if posvel is None:
+                # posvel 为空，则使用太阳的坐标
+                position, velocity = [sun_pos.x.value * AU,
+                                      sun_pos.z.value * AU,
+                                      sun_pos.y.value * AU], [0, 0, 0]
+            else:
+                # 坐标单位：千米  速度单位：千米/秒
+                position, velocity = [posvel[0].x.value * AU, posvel[0].z.value * AU, posvel[0].y.value * AU], \
+                                     [posvel[1].x.value * AU / SECONDS_PER_DAY,
+                                      posvel[1].z.value * AU / SECONDS_PER_DAY,
+                                      posvel[1].y.value * AU / SECONDS_PER_DAY]
+
+            # 实时调整天体的位置和速度
+            body.position = np.array(position)
+            body.velocity = np.array(velocity)
+
+            if isinstance(body, Asteroids):
+                pass
+            elif isinstance(body, Sun):
+                # 记录太阳的位置
+                sun_pos = posvel[0]
+            elif isinstance(body, Moon):
+                # 月球受到2个影响比较大的天体引力（地球和太阳），计算引力引起的加速度和
+                acc_earth = calc_solar_acceleration(moon_real_pos, self.earth)
+                acc_sun = calc_solar_acceleration(moon_real_pos, self.sun)
+                body.acceleration = [acc_earth[0] + acc_sun[0],
+                                     acc_earth[1] + acc_sun[1],
+                                     acc_earth[2] + acc_sun[2]]
+            else:
+                # 其他天体受到太阳引力
+                body.acceleration = calc_solar_acceleration(body, self.sun)
+
+            if isinstance(body, Earth):
+                # 记录地球的位置
+                earth_pos = posvel[0]
+
+    def on_ready(self):
+        """
+        事件绑定后，模拟器运行前会触发
+        @return:
+        """
+        # 运行前触发
+
+        # camera.rotation_z = -20
+        # if self.debug_mode:
+        #     camera.fov = 30  # 调试时，拉近摄像机距离
+        # camera.fov = 1
+        camera.parent = self.earth_camera.planet
+        # 需要按照时间和日期来控制地球的自转，所以删除控制地球自转的属性
+        delattr(self.earth.planet, "rotation_speed")
+        delattr(self.earth.planet, "rotspeed")
+
+        # 以下配置可以快速查看4年的轨迹
+        UrsinaConfig.trail_length = 2800
+        # UrsinaConfig.trail_type = 'line'
+        UrsinaConfig.trail_factor = 3
+        UrsinaConfig.trail_thickness_factor = 10
+
+        # 设置后，可以调整鼠标键盘的控制速度
+        application.time_scale = 2
+
+    def set_camera_pos(self, time_data: TimeData):
+
+        if time_data.total_days > 120:
+            self.earth_camera.camera_init_val = +3000000
+        elif time_data.total_days > 90:
+            self.earth_camera.camera_init_val = +1200000
+        elif time_data.total_days > 60:
+            self.earth_camera.camera_init_val += 300000
+        elif time_data.total_days > 30:
+            self.earth_camera.camera_init_val += 100000
+
+        camera.x = -300  # 100
+        # camera.z = 200
+        camera.y += self.earth_camera.camera_init_val * UrsinaConfig.SCALE_FACTOR
+
+        UrsinaConfig.trail_factor = 3 * math.sqrt(camera.y / 250)
+
+    def on_timer_changed(self, time_data: TimeData):
+        """
+        事件绑定后，时时刻刻都会触发
+        @param time_data:
+        @return:
+        """
+        dt = time_data.get_datetime(str(self.start_time))
+        # 设置天体的位置（包含速度和加速度的信息）
+        self.set_bodies_position(time_data)
+        # 保证地球的自转和北京时间同步
+        self.set_earth_rotation(dt)
+        # 调整摄像机的位置
+        self.set_camera_pos(time_data)
+        # 摄像机看向地球
+        camera_look_at(self.earth)
+        # 显示时钟
+        self.show_clock(dt)
+
+    def bind_events(self):
+        # 运行中，每时每刻都会触发 on_timer_changed
+        UrsinaEvent.on_timer_changed_subscription(self.on_timer_changed)
+        # 运行前会触发 on_ready
+        UrsinaEvent.on_ready_subscription(self.on_ready)
+
+    def run(self,
+            debug_mode=False,
+            start_time=None,
+            recalc_moon_pos=True,
+            clock_position_center=False):
+        """
+        模拟运行
+        @param debug_mode: 是否调试模式
+        @param start_time: 运行的开始时间
+        @param show_asteroids: 是否显示小行星带
+        @param show_earth_clouds: 地球是否显示云层（图片效果，不是真实的云层）
+        @param recalc_moon_pos: 为了更好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（使得地月距离放大，月球相对地球方向不变）
+        @param clock_position_center: 时钟是否显示在中间
+        @return:
+        """
+        self.recalc_moon_pos = recalc_moon_pos
+        self.debug_mode = debug_mode
+        self.clock_position_center = clock_position_center
+        # 创建太阳系天体
+        self.create_bodies()
+        # 绑定事件
+        self.bind_events()
+
+        from astropy.time import Time
+        from datetime import datetime
+        # 开始时间为空，则默认为当前时间
+        if start_time is None:
+            self.start_time = Time.now()  # 获取默认开始时间为当前时间
+        elif isinstance(start_time, str):
+            self.start_time = Time(datetime.strptime(start_time + '+0800', '%Y-%m-%d %H:%M:%S%z'),
+                                   format='datetime')
+
+        dt = SECONDS_PER_DAY  # 1秒=1天
+        # dt = 1  # 1秒=1秒
+        # 使用 ursina 查看的运行效果
+        # 常用快捷键： P：运行和暂停  O：重新开始  I：显示天体轨迹
+        # position = 左-右+、上+下-、前+后-
+        ursina_run(self.bodies, dt,
+                   position=(0, 500000000, 0),
+                   # position=(0, 0.2 * AU, -3 * AU),
+                   gravity_works=False,  # 关闭万有引力的计算
+                   show_grid=False,
+                   show_trail=True,
+                   # cosmic_bg='',
+                   show_camera_info=False,
+                   timer_enabled=True)
+
+
+if __name__ == '__main__':
+    #  以下展示的效果为太阳系真实的时间和位置
+    sim = SolarSystemRealitySim()
+    sim.run(
+        # debug_mode=True,  # 是否调试模式
+        # start_time='2023-01-01 02:20:00',  # 指定运行的开始时间，不指定为当前时间
+        recalc_moon_pos=False,  # 为了更好的展示效果，需要对月球的位置重新计算（使得地月距离放大，月球相对地球方向不变）
+        # clock_position_center=True  # 时钟是否显示在中间
+    )

simulators/ursina/entities/body_trail.py

@@ -126,9 +126,14 @@ class BodyTrailLine(Entity):
         else:
             direction = (0, 0, 0)
 
+        if "thickness" in kwargs:
+            thickness = kwargs['thickness']
+        else:
+            thickness = 1.0
+
         super().__init__(
             # model='line',
-            model=Mesh(vertices=((0, 0, 0), direction), mode='line', thickness=2),
+            model=Mesh(vertices=((0, 0, 0), direction), mode='line', thickness=2*thickness),
             ignore_paused=True,
             **kwargs
         )

simulators/ursina/entities/entity_utils.py

@@ -152,7 +152,9 @@ def create_trail_sphere(parent, pos):
     @return:
     """
     # sphere = create_sphere(1,6)  diamond sphere
-    trail = BodyTrail(color=parent.trail_color, scale=parent.trail_scale, position=pos)
+    trail = BodyTrail(color=parent.trail_color,
+                      scale=parent.trail_scale * UrsinaConfig.trail_factor,
+                      position=pos)
 
     # trail.set_color_off()
     # trail.set_color_scale_off()
@@ -233,7 +235,10 @@ def create_trail_line(parent, pos):
         trail_last_pos = parent.trail_last_pos
         if distance(pos, trail_last_pos) > 0:
             value, direction = get_value_direction_vectors(pos - trail_last_pos)
-            trail = BodyTrailLine(color=parent.trail_color, scale=parent.trail_scale, position=trail_last_pos,
+            trail = BodyTrailLine(color=parent.trail_color,
+                                  scale=parent.trail_scale * UrsinaConfig.trail_factor,
+                                  thickness=UrsinaConfig.trail_thickness_factor,
+                                  position=trail_last_pos,
                                   direction=Vec3(direction))
             trail.set_light_off()
         parent.last_trail = trail

simulators/ursina/ursina_config.py

@@ -15,6 +15,8 @@ class UrsinaConfig:
     # 天体缩放的因子（不能太大，否则无法容得下大数量级的天体）调整 5e-7 最佳
     __SCALE_FACTOR = 5e-7
     auto_scale_factor = 1.0  # __SCALE_FACTOR 不能满足，需要自动进行调整
+    trail_factor = 1.0   # 拖尾大小因子。默认为1.0
+    trail_thickness_factor = 1.0   # 线条拖尾厚度大小因子。默认为1.0
     # 旋转因子为1，则为正常的转速
     ROTATION_SPEED_FACTOR = 1.0
     # ROTATION_SPEED_FACTOR = 0.01