この回答で私に与えられたアドバイスに従って、私は重力シミュレーターにルンゲクッタ積分器を実装しました。
ただし、ソーラーシステムの1年間をシミュレートした後でも、位置はcca 110 000 kmずれており、これは許容できません。
私の最初のデータはNASAのHORIZONSシステムによって提供されました。それを通して、私は特定の時点での惑星、冥王星、衛星、デイモス、フォボスの位置と速度のベクトルを取得しました。
これらのベクトルは3Dでしたが、惑星が太陽の周りのプレートに整列しているため、3次元を無視できると言われたので、そうしました。xy座標をファイルにコピーしただけです。
これは私の改善された更新方法のコードです：
"""
Measurement units:
[time] = s
[distance] = m
[mass] = kg
[velocity] = ms^-1
[acceleration] = ms^-2
"""
class Uni:
def Fg(self, b1, b2):
"""Returns the gravitational force acting between two bodies as a Vector2."""
a = abs(b1.position.x - b2.position.x) #Distance on the x axis
b = abs(b1.position.y - b2.position.y) #Distance on the y axis
r = math.sqrt(a*a + b*b)
fg = (self.G * b1.m * b2.m) / pow(r, 2)
return Vector2(a/r * fg, b/r * fg)
#After this is ran, all bodies have the correct accelerations:
def updateAccel(self):
#For every combination of two bodies (b1 and b2) out of all bodies:
for b1, b2 in combinations(self.bodies.values(), 2):
fg = self.Fg(b1, b2) #Calculate the gravitational force between them
#Add this force to the current force vector of the body:
if b1.position.x > b2.position.x:
b1.force.x -= fg.x
b2.force.x += fg.x
else:
b1.force.x += fg.x
b2.force.x -= fg.x
if b1.position.y > b2.position.y:
b1.force.y -= fg.y
b2.force.y += fg.y
else:
b1.force.y += fg.y
b2.force.y -= fg.y
#For body (b) in all bodies (self.bodies.itervalues()):
for b in self.bodies.itervalues():
b.acceleration.x = b.force.x/b.m
b.acceleration.y = b.force.y/b.m
b.force.null() #Reset the force as it's not needed anymore.
def RK4(self, dt, stage):
#For body (b) in all bodies (self.bodies.itervalues()):
for b in self.bodies.itervalues():
rd = b.rk4data #rk4data is an object where the integrator stores its intermediate data
if stage == 1:
rd.px[0] = b.position.x
rd.py[0] = b.position.y
rd.vx[0] = b.velocity.x
rd.vy[0] = b.velocity.y
rd.ax[0] = b.acceleration.x
rd.ay[0] = b.acceleration.y
if stage == 2:
rd.px[1] = rd.px[0] + 0.5*rd.vx[0]*dt
rd.py[1] = rd.py[0] + 0.5*rd.vy[0]*dt
rd.vx[1] = rd.vx[0] + 0.5*rd.ax[0]*dt
rd.vy[1] = rd.vy[0] + 0.5*rd.ay[0]*dt
rd.ax[1] = b.acceleration.x
rd.ay[1] = b.acceleration.y
if stage == 3:
rd.px[2] = rd.px[0] + 0.5*rd.vx[1]*dt
rd.py[2] = rd.py[0] + 0.5*rd.vy[1]*dt
rd.vx[2] = rd.vx[0] + 0.5*rd.ax[1]*dt
rd.vy[2] = rd.vy[0] + 0.5*rd.ay[1]*dt
rd.ax[2] = b.acceleration.x
rd.ay[2] = b.acceleration.y
if stage == 4:
rd.px[3] = rd.px[0] + rd.vx[2]*dt
rd.py[3] = rd.py[0] + rd.vy[2]*dt
rd.vx[3] = rd.vx[0] + rd.ax[2]*dt
rd.vy[3] = rd.vy[0] + rd.ay[2]*dt
rd.ax[3] = b.acceleration.x
rd.ay[3] = b.acceleration.y
b.position.x = rd.px[stage-1]
b.position.y = rd.py[stage-1]
def update (self, dt):
"""Pushes the uni 'dt' seconds forward in time."""
#Repeat four times:
for i in range(1, 5, 1):
self.updateAccel() #Calculate the current acceleration of all bodies
self.RK4(dt, i) #ith Runge-Kutta step
#Set the results of the Runge-Kutta algorithm to the bodies:
for b in self.bodies.itervalues():
rd = b.rk4data
b.position.x = b.rk4data.px[0] + (dt/6.0)*(rd.vx[0] + 2*rd.vx[1] + 2*rd.vx[2] + rd.vx[3]) #original_x + delta_x
b.position.y = b.rk4data.py[0] + (dt/6.0)*(rd.vy[0] + 2*rd.vy[1] + 2*rd.vy[2] + rd.vy[3])
b.velocity.x = b.rk4data.vx[0] + (dt/6.0)*(rd.ax[0] + 2*rd.ax[1] + 2*rd.ax[2] + rd.ax[3])
b.velocity.y = b.rk4data.vy[0] + (dt/6.0)*(rd.ay[0] + 2*rd.ay[1] + 2*rd.ay[2] + rd.ay[3])
self.time += dt #Internal time variable
アルゴリズムは次のとおりです。
- システム内のすべてのボディの加速度を更新します
- RK4（最初のステップ）
- goto 1
- RK4（秒）
- goto 1
- RK4（3番目）
- goto 1
- RK4（4番目）
RK4の実装で何かを台無しにしましたか？または、破損したデータから始めただけですか（重要なボディが少なすぎて、3次元を無視しています）？
これはどのように修正できますか？
私のデータなどの説明...
私の座標はすべて太陽を基準にしています（つまり、太陽は（0、0）にあります）。
./my_simulator 1yr
Earth position: (-1.47589927462e+11, 18668756050.4)
HORIZONS (NASA):
Earth position: (-1.474760457316177E+11, 1.900200786726017E+10)
110 000 kmシミュレーターで予測されたものからNASAによって与えられた地球のx座標を引くことによって、エラーが発生しました。
relative error = (my_x_coordinate - nasa_x_coordinate) / nasa_x_coordinate * 100
= (-1.47589927462e+11 + 1.474760457316177E+11) / -1.474760457316177E+11 * 100
= 0.077%
相対誤差はごくわずかに見えますが、それは単に、私のシミュレーションとNASAの両方で、地球が太陽から本当に遠く離れているためです。距離はまだ大きく、シミュレータが役に立たなくなります。