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我的问题与 Runge-Kutta 4 (RK4) 方法和轨道卫星状态向量所需的正确迭代步骤有关。下面的代码(在 Python 中)根据此链接 (http://www.navipedia.net/index.php/GLONASS_Satellite_Coordinates_Computation) 的描述描述了运动:
if total_step_number != 0:
for i in range(1, total_step_number+1):
#Calculate k1
k1[0] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[0] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[0] * (1 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[0] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ[0]) + (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot[1])
k1[1] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[1] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[1] * (1 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[1] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ[1]) - (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot[0])
k1[2] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[2] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[2] * (3 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[2]
#Intermediate step to bridge k1 to k2
XYZ2[0] = XYZ[0] + (XYZDot[0] * h / 2) + (k1[0] * h**2 / 8)
XYZDot2[0] = XYZDot[0] + (k1[0] * h / 2)
XYZ2[1] = XYZ[1] + (XYZDot[1] * h / 2) + (k1[1] * h**2 / 8)
XYZDot2[1] = XYZDot[1] + (k1[1] * h / 2)
XYZ2[2] = XYZ[2] + (XYZDot[2] * h / 2) + (k1[2] * h**2 / 8)
XYZDot2[2] = XYZDot[2] + (k1[2] * h / 2)
radius = np.sqrt((XYZ2[0]**2)+(XYZ2[1]**2)+(XYZ2[2]**2))
....
还有更多代码,但我想限制我现在展示的内容,因为这是我最感兴趣解决的中间步骤。基本上,对于那些熟悉状态向量和使用 RK4 的人来说,您可以看到在中间步骤更新了位置和速度,但没有更新加速度。我的问题与更新加速度所需的计算有关。它将开始:
XYZDDot[0] = ...
XYZDDot[1] = ...
XYZDDot[2] = ...
...但具体是什么之后就不是很清楚了。欢迎任何建议。
完整代码如下:
for j in h_step_values:
h = j
if h > 0:
one_way_iteration_steps = one_way_iteration_steps -1
elif h < 0:
one_way_iteration_steps = one_way_iteration_steps +1
XYZ = initial_XYZ
#if total_step_number != 0:
for i in range(0, one_way_iteration_steps):
#Calculate k1
k1[0] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[0] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[0] * (1 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[0] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ[0]) + (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot[1])
k1[1] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[1] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[1] * (1 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[1] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ[1]) - (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot[0])
k1[2] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ[2] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ[2] * (3 - (5*(XYZ[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[2]
#Intermediate step to bridge k1 to k2
XYZ2[0] = XYZ[0] + (XYZDot[0] * h / 2) + (k1[0] * h**2 / 8)
XYZDot2[0] = XYZDot[0] + (k1[0] * h / 2)
XYZDDot2[0] = XYZDDot[0] + (k1[0] * h / 2)
XYZ2[1] = XYZ[1] + (XYZDot[1] * h / 2) + (k1[1] * h**2 / 8)
XYZDot2[1] = XYZDot[1] + (k1[1] * h / 2)
XYZ2[2] = XYZ[2] + (XYZDot[2] * h / 2) + (k1[2] * h**2 / 8)
XYZDot2[2] = XYZDot[2] + (k1[2] * h / 2)
radius = np.sqrt((XYZ2[0]**2)+(XYZ2[1]**2)+(XYZ2[2]**2))
#Calculate k2
k2[0] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[0] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[0] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[0] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[0]) + (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[1])
k2[1] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[1] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[1] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[1] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[1]) - (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[0])
k2[2] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[2] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[2] * (3 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[2]
#Intermediate step to bridge k2 to k3
XYZ2[0] = XYZ[0] + (XYZDot[0] * h / 2) + (k2[0] * h**2 / 8)
XYZDot2[0] = XYZDot[0] + (k2[0] * h / 2)
XYZ2[1] = XYZ[1] + (XYZDot[1] * h / 2) + (k2[1] * h**2 / 8)
XYZDot2[1] = XYZDot[1] + (k2[1] * h / 2)
XYZ2[2] = XYZ[2] + (XYZDot[2] * h / 2) + (k2[2] * h**2 / 8)
XYZDot2[2] = XYZDot[2] + (k2[2] * h / 2)
radius = np.sqrt((XYZ2[0]**2)+(XYZ2[1]**2)+(XYZ2[2]**2))
#Calculate k3
k3[0] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[0] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[0] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[0] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[0]) + (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[1])
k3[1] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[1] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[1] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[1] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[1]) - (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[0])
k3[2] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[2] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[2] * (3 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[2]
#Intermediate step to bridge k3 to k4
XYZ2[0] = XYZ[0] + (XYZDot[0] * h) + (k3[0] * h**2 / 2)
XYZDot2[0] = XYZDot[0] + (k3[0] * h)
XYZ2[1] = XYZ[1] + (XYZDot[1] * h) + (k3[1] * h**2 / 2)
XYZDot2[1] = XYZDot[1] + (k3[1] * h)
XYZ2[2] = XYZ[2] + (XYZDot[2] * h) + (k3[2] * h**2 / 2)
XYZDot2[2] = XYZDot[2] + (k3[2] * h)
radius = np.sqrt((XYZ2[0]**2)+(XYZ2[1]**2)+(XYZ2[2]**2))
#Calculate k4
k4[0] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[0] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[0] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[0] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[0]) + (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[1])
k4[1] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[1] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[1] * (1 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[1] + (cs.OMEGAE_DOT**2 * XYZ2[1]) - (2 * cs.OMEGAE_DOT * XYZDot2[0])
k4[2] = (-cs.GM_GLONASS * XYZ2[2] / radius**3) \
+ ((3/2) * cs.C_20 * cs.GM_GLONASS * cs.SEMI_MAJOR_AXIS_GLONASS**2 * XYZ2[2] * (3 - (5*(XYZ2[2]**2) / (radius**2))) / radius**5) \
+ XYZDDot[2]
for p in range(3):
XYZ[p] = XYZ[p] + XYZDot[p] * h + h**2 * ((k1[p] + 2*k2[p] + 2*k3[p] + k4[p]) / 12)
XYZDot[p] = XYZDot[p] + (h * (k1[p] + 2*k2[p] + 2*k3[p] + k4[p]) / 6)
radius = np.sqrt((XYZ[0])**2 + (XYZ[0])**2 + (XYZ[0])**2)
最佳答案
你正在求解的方程属于这种类型
ddot x = a(x)
其中 a(x)
是在您的 k1
计算中计算的加速度。事实上,一阶系统将是
dot v = a(x)
dot x = v
RK4 的实现因此开始于
k1 = a(x)
l1 = v
k2 = a(x+l1*h/2) = a(x+v*h/2)
l2 = v+k1*h/2
等l1,l2,...
的使用似乎隐含在代码中,将这些线性组合直接插入它们出现的位置。
简而言之,你没有错过加速计算,它是代码片段的主要部分。
更新:(8/22) 为了更接近中间桥接步骤的意图,抽象代码应该是 ( with (* .. *)
表示评论或不必要的计算)
k1 = a(x) (* l1 = v *)
x2 = x + v*h/2 (* v2 = v + k1*h/2 *)
k2 = a(x2) (* l2 = v2 *)
x3 (* = x + l2*h/2 *)
= x + v*h/2 + k1*h^2/4 (* v3 = v + k2*h/2 *)
k3 = a(x3) (* l3 = v3 *)
x4 (* = x + l3*h *)
= x + v*h + k2*h^2/2 (* v4 = v + k3*h *)
k4 = a(x4) (* l4 = v4 *)
delta_v = ( k1+2*(k2+k3)+k4 ) * h/6
delta_x (* = ( l1+2*(l2+l3)+l4 ) * h/6 *)
= v*h + (k1+k2+k3) * h^2/6
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