利用matlab实现三体问题（双星、3星、多星运动）


利用matlab实现3体问题（双星、3星、多星运动）

  • 1地月系统模拟
  • 2双星问题模型
  • 3多星问题模拟
    • 2维平面
    • 3维空间

这篇文章随便水一下，写一个简单的3体问题，权当娱乐
在这里插入图片描述

1地月系统模拟

万有引力的公式为：

F=?GMmR2
F=-G\frac{Mm}{R^2}

F=?GR2Mm?
查询地月系统的参数，可以得到：

参数 数值
引力常数 G 6.67e-11
地球质量 M 5.965e+24 Kg
近地点距离 r 363300000 m
远地点距离 R 405493000 m
近地点月球速度 Vnear 1074.82 m/s
轨道离心率 0.0549

其中近地点月球的速度通过下面公式求得：

Vnear2=GM2R(R+r)r
V_{near}^{2}=GM\frac{2R}{\left( R+r \right) r}

Vnear2?=GM(R+r)r2R?
在已知初始条件和参数后，我们开始建立模型，对月球的运行轨道建立方程，可以得到在任意时刻月球的加速度a为：

ax=?GMx2+y2xx2+y2
a_x=-\frac{GM}{x^2+y^2}\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}

ax?=?x2+y2GM?x2+y2?x?

ay=?GMx2+y2yx2+y2
a_y=-\frac{GM}{x^2+y^2}\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}

ay?=?x2+y2GM?x2+y2?y?
其中ax为x轴方向上的加速度，ay为y轴方向上的加速度。该方程属于典型的常微分方程ODE，整理为一阶微分方程的形式：

[xyuv]′=[uvaxay]=[uv?GMx2+y2xx2+y2?GMx2+y2yx2+y2]
\left[ \begin{array}{c}
x\\
y\\
u\\
v\\
\end{array} \right] ^{'}=\left[ \begin{array}{c}
u\\
v\\
ax\\
ay\\
\end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c}
u\\
v\\
-\frac{GM}{x^2+y^2}\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\\
-\frac{GM}{x^2+y^2}\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}\\
\end{array} \right]

?????xyuv??????′=?????uvaxay??????=??????uv?x2+y2GM?x2+y2?x??x2+y2GM?x2+y2?y????????
其中上式的uv为x方向上的速度和y方向上的速度。为了提高精度，将方程带入到4阶RK求解器中，即可求解得到月球的轨迹。

matlab代码如下：

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%初始化
x0=363300*10^3;%初始近地位置
y0=0;
u0=0;
v0=1074.82;%初始近地速度
%设置计算时间
h=0.5*60*60;%步长为0.5个小时
t=0:h:27.5*24*60*60;%计算总时间维27.5天

y=ODE_RK4_hyh(t,h,[x0;y0;u0;v0]);

plot(y(1,:),y(2,:))%绘图

a=(max(y(1,:))-min(y(1,:)))/2;%椭圆半长轴
b=(max(y(2,:))-min(y(2,:)))/2;%椭圆半短轴
e=sqrt(a^2-b^2)/a;%椭圆轨道离心率

function y=ODE_RK4_hyh(x,h,y0)
%4阶RK方法
%h间隔为常数的算法
y=zeros(size(y0,1),size(x,2));
y(:,1)=y0;
for ii=1:length(x)-1
    yn=y(:,ii);
    xn=x(ii);
    K1=Fdydx(xn,yn);
    K2=Fdydx(xn+h/2,yn+h/2*K1);
    K3=Fdydx(xn+h/2,yn+h/2*K2);
    K4=Fdydx(xn+h,yn+h*K3);
    y(:,ii+1)=yn+h/6*(K1+2*K2+2*K3+K4);
end
end

function dydx=Fdydx(x,y)
%将原方程整理为dy/dx=F(y,x)的形式
G=6.67E-11;%引力常数
M=5.965E24;%地球质量
ax=-G*M*y(1)/(y(1).^2+y(2).^2)^1.5;
ay=-G*M*y(2)/(y(1).^2+y(2).^2)^1.5/1;
dydx=[y(3);y(4);ax;ay];
end

验证得到的周期大概小于27.5天（这个我没细算）。验证得到的偏心率为0.0549，和百度百科上完全一致，证明该方法完全可以用在定量计算上。下图为平平无奇的月球轨道，我没有用axis equal调整x轴和y轴比例，所以看上去离心率有点大。
在这里插入图片描述
我之后为了效果，也为了计算省事，不再设置真实的G、M等参数。

2双星问题模型

上一章由于地球质量远远大于月球质量，所以假设地球不动，只建立月球的模型。
但是当两个星球质量比较接近时，就不能忽略两个星球间的相互作用了。

所以对于双星问题，原先的常微分方程需要更改为：

[m1x1y1u1v1m2x2y2u2v2]′=[0u1v1ax1ay10u2v2ax2ay2]=[0u1v1?Gm2(x1?x2)((x1?x2)2+(x1?x2)2)1.5?Gm2(y1?y2)((x1?x2)2+(x1?x2)2)1.50u2v2?Gm1(x2?x1)((x2?x1)2+(x2?x1)2)1.5?Gm1(y2?y1)((x2?x1)2+(x2?x1)2)1.5]
\left[ \begin{array}{c}
m_{1}\\
x_{1}\\
y_{1}\\
u_{1}\\
v_{1}\\
m_{2}\\
x_{2}\\
y_{2}\\
u_{2}\\
v_{2}\\
\end{array} \right] ^{'}=\left[ \begin{array}{c}
0\\
u_{1}\\
v_{1}\\
ax_{1}\\
ay_{1}\\
0\\
u_{2}\\
v_{2}\\
ax_{2}\\
ay_{2}\\
\end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c}
0\\
u_{1}\\
v_{1}\\
-\frac{Gm_{2}(x_{1}-x_{2})}{((x_{1}-x_{2})^2+(x_{1}-x_{2})^2)^{1.5}}\\
-\frac{Gm_{2}(y_{1}-y_{2})}{((x_{1}-x_{2})^2+(x_{1}-x_{2})^2)^{1.5}}\\
0\\
u_{2}\\
v_{2}\\
-\frac{Gm_{1}(x_{2}-x_{1})}{((x_{2}-x_{1})^2+(x_{2}-x_{1})^2)^{1.5}}\\
-\frac{Gm_{1}(y_{2}-y_{1})}{((x_{2}-x_{1})^2+(x_{2}-x_{1})^2)^{1.5}}\\
\end{array} \right]

?????????????????m1?x1?y1?u1?v1?m2?x2?y2?u2?v2???????????????????′=?????????????????0u1?v1?ax1?ay1?0u2?v2?ax2?ay2???????????????????=???????????????????0u1?v1??((x1??x2?)2+(x1??x2?)2)1.5Gm2?(x1??x2?)??((x1??x2?)2+(x1??x2?)2)1.5Gm2?(y1??y2?)?0u2?v2??((x2??x1?)2+(x2??x1?)2)1.5Gm1?(x2??x1?)??((x2??x1?)2+(x2??x1?)2)1.5Gm1?(y2??y1?)?????????????????????
每一个行星有5个信息，分别为质量、位置xy、速度uv。其中质量不发生改变，位置的导数为速度，速度的导数为加速度。

在matlab编程中，由于在计算引力过程中，两个行星还可以穷举，但是多个行星之后，就要考虑循环，第一层循环遍历每一个行星，第二层循环计算每一个行星与其它行星之间的引力之和。这种双循环在matlab中可能会导致计算速度太慢，所以我利用matlab里的meshgrid方法，避免了使用循环，这也相当于向量加速。

代码如下：

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%计算双星系统，定性计算，没有代入实际物理参数
mxyuv1=rand(5,1);%行星1，所有参数都随机
mxyuv2=rand(5,1);%行星2，所有参数都随机
h=1e-5;%步长
t=0:h:1;%时间

y=ODE_RK4_hyh(t,h,[mxyuv1;mxyuv2]);

plot(y(2,:),y(3,:),y(7,:),y(8,:))%绘轨迹图

function y=ODE_RK4_hyh(x,h,y0)
%4阶RK方法
%h间隔为常数的算法
y=zeros(size(y0,1),size(x,2));
y(:,1)=y0;
for ii=1:length(x)-1
    yn=y(:,ii);
    xn=x(ii);
    K1=Fdydx(xn,yn);
    K2=Fdydx(xn+h/2,yn+h/2*K1);
    K3=Fdydx(xn+h/2,yn+h/2*K2);
    K4=Fdydx(xn+h,yn+h*K3);
    y(:,ii+1)=yn+h/6*(K1+2*K2+2*K3+K4);
end
end

function dydx=Fdydx(x,y)
%将原方程整理为dy/dx=F(y,x)的形式
N=numel(y)/5;%N个球体
G=1;%引力系数，这里只做展示，不做定量计算
%计算两个星球之间的引力
m=y(1:5:end);
x0=y(2:5:end);
y0=y(3:5:end);
[x1,x2]=meshgrid(x0,x0);
[y1,y2]=meshgrid(y0,y0);
[m1,m2]=meshgrid(m,m);
dx=x1-x2;
dy=y1-y2;
ax=-G.*dx./(dx.^2+dy.^2).^(1.5).*m2;
ay=-G.*dy./(dx.^2+dy.^2).^(1.5).*m2;
for k=1:N
    ax(k,k)=0;
    ay(k,k)=0;
end

%建立dydx
dydx=zeros(size(y));
%1 质量不变
dydx(1:5:N*5-4)=0;
%2 x导数
dydx(2:5:N*5-3)=y(4:5:N*5-1);
%3 y导数
dydx(3:5:N*5-2)=y(5:5:N*5-0);
%4 x加速度
dydx(4:5:N*5-1)=sum(ax,1);
%3 y加速度
dydx(5:5:N*5-0)=sum(ay,1);
end

双星的轨迹如下（参数时随机的，所以不一样很正常）：
在这里插入图片描述
可以看到，两个行星在相互吸引后在不到一个周期内又快速互相甩出，当然之后可能还会再次吸引再次重复这个周期，但是我这里时间设置比较少。

3多星问题模拟

2维平面

代码还是以上一章的代码为主，星球的增加参考上一章节的即可，然后对最终演示做了亿点优化。

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%计算双星系统，不停循环，只显示一部分点
%初始条件
Mn=3;%更改星星数量

h=5e-5;%步长
Nn=5000;%线段长度
%t=0:h:1;

% y0=rand(Mn*5,1);%随机

% y0=[100,0   ,0  ,0  ,0  ,...
%     1  ,1.1,0.05  ,2.1,9  ,...
%     1  ,1.1,-0.05  ,-2.1  ,9  ]';%3星，双星加恒星

% y0=[100,0   ,0  ,0  ,0  ,...
%     0.1,0.2 ,0  ,0  ,22 ,...
%     0.5,0.35,0  ,0  ,17 ,...
%     1  ,0.6 ,0  ,0  ,13 ,...
%     0.4  ,0.9 ,0  ,0  ,10]';%5星，恒星加4个行星

y0=[11,0    ,0    ,4.5  ,4  ,...
    11,0.5 ,-0.132,-2  ,-1.8 ,...
    11,-0.5,0.132 ,-2  ,-1.8]';%3星，8字形运动，没调试好


y1=zeros(size(y0,1),Nn);


T=1;t=T*h;
y1(:,T)=y0;

while true
    T=T+1;
    t=T*h;
    %计算下一步
    if T<=Nn
        y=ODE_RK4_hyh2(t,h,y1(:,T-1));
        y1(:,T)=y;
    else
        y2=y1;
        y=ODE_RK4_hyh2(t,h,y1(:,end));
        y1=[y2(:,2:end),y];
    end
   

   
    %绘图
    if mod(T,100)==1
        ax=figure(1);
        ax.Color=[0 0 0.1];
        clf
        x_medium=0;y_medium=0;
        if T<=Nn
            %初始还没有超过线条点数
            hold on
            for k=1:Mn
                %计算颜色
                color_hsv=colormap(hsv);
                color_N=length(color_hsv);
                F_color=color_hsv(round(color_N/Mn*k),:);
                F_color=F_color*0.6+[1,1,1]*0.4;
                cdata=[linspace(0,F_color(1),T+1)',linspace(0,F_color(2),T+1)',linspace(0.1,F_color(3),T+1)'];
                cdata=reshape(cdata,T+1,1,3);
                %绘制线条
                patch([y1(k*5-5+2,1:T),NaN],[y1(k*5-5+3,1:T),NaN],1:T+1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...
                    'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1);
                x_medium=x_medium+y1(k*5-5+2,T);
                y_medium=y_medium+y1(k*5-5+3,T);
            end
            hold off
            x_medium=x_medium/Mn;
            y_medium=y_medium/Mn;
        else
            %超过线条点数后
            hold on
            for k=1:Mn
                %计算颜色
                color_hsv=colormap(hsv);
                color_N=length(color_hsv);
                F_color=color_hsv(round(color_N/Mn*k),:);
                F_color=F_color*0.6+[1,1,1]*0.4;
                cdata=[linspace(0,F_color(1),Nn+1)',linspace(0,F_color(2),Nn+1)',linspace(0.1,F_color(3),Nn+1)'];
                cdata=reshape(cdata,Nn+1,1,3);
                %绘制线条
                patch([y1(k*5-5+2,:),NaN],[y1(k*5-5+3,:),NaN],1:Nn+1,'EdgeColor','interp','Marker','none',...
                    'MarkerFaceColor','flat','CData',cdata,'LineWidth',1);
                x_medium=x_medium+y1(k*5-5+2,end);
                y_medium=y_medium+y1(k*5-5+3,end);
            end
            hold off
            x_medium=x_medium/Mn;
            y_medium=y_medium/Mn;
        end
        xlim([x_medium-1,x_medium+1]);
        ylim([y_medium-1,y_medium+1]);
       
       
        %W_deta=Gravity_Energy(y)/W
        axis off
        pause(0.1)
       
    end
end



function y1=ODE_RK4_hyh2(x0,h,y0)
%4阶RK方法
%只向后计算1步h
%y1=zeros(size(y0,1),1);
K1=Fdydx(x0,y0);
K2=Fdydx(x0+h/2,y0+h/2*K1);
K3=Fdydx(x0+h/2,y0+h/2*K2);
K4=Fdydx(x0+h,y0+h*K3);
y1=y0+h/6*(K1+2*K2+2*K3+K4);
end

function dydx=Fdydx(x,y)
%将原方程整理为dy/dx=F(y,x)的形式
N=numel(y)/5;%N个球体
G=1;%引力系数，这里只做展示，不做定量计算
%计算两个星球之间的引力
m=y(1:5:end);
x0=y(2:5:end);
y0=y(3:5:end);
[x1,x2]=meshgrid(x0,x0);
[y1,y2]=meshgrid(y0,y0);
[m1,m2]=meshgrid(m,m);
dx=x1-x2;
dy=y1-y2;
ax=-G.*dx./(dx.^2+dy.^2).^(1.5).*m2;
ay=-G.*dy./(dx.^2+dy.^2).^(1.5).*m2;
for k=1:N
    ax(k,k)=0;
    ay(k,k)=0;
end

%建立dydx
dydx=zeros(size(y));
%1 质量不变
dydx(1:5:N*5-4)=0;
%2 x导数
dydx(2:5:N*5-3)=y(4:5:N*5-1);
%3 y导数
dydx(3:5:N*5-2)=y(5:5:N*5-0);
%4 x加速度
dydx(4:5:N*5-1)=sum(ax,1);
%3 y加速度
dydx(5:5:N*5-0)=sum(ay,1);

end

在文章最开头，我已经演示了8字形双星的运动（感觉轨道有误差，结果越修正越歪）。下面演示一个5星运动（恒星加行星）

在这里插入图片描述

代码本身还是有很多bug的，比如
1遇到两个行星特别近的时候，就会出现差分步长太大导致的数值误差，表现为两个行星突然朝相反的方向快速飞出。如果设计为变步长的差分算法，或者设定一个碰撞机制，可以避免这个问题。
2视角问题，遇到多个行星的移动、拉近、远离等视角自动跟踪的方法还不是太满意，有时候表现为晃来晃去的。如果能够做到交互式视角的话，可以避免这个问题，但是交互界面需要GUI或者appdesigner，比较复杂。

3维空间

在方程上，增加了z方向的位置，以及对应的速度w。每一个行星的信息为7个。计算量上有所增加，但是具体算法没有什么变化。但是3维的视角问题更为严重，所以我暂时还没想好怎么演示，如果之后写关于交互的话，可能会把这一块补上。