# -*- 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) 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 > 90: self.earth_camera.camera_init_val += 600000 elif time_data.total_days > 60: 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 )