Time/sunpos.c

   1 /*
   2  * sunpos.c
   3  * kirk johnson
   4  * july 1993
   5  *
   6  * code for calculating the position on the earth's surface for which
   7  * the sun is directly overhead (adapted from _practical astronomy
   8  * with your calculator, third edition_, peter duffett-smith,
   9  * cambridge university press, 1988.)
  10  *
  11  * RCS $Id$
  12  *
  13  * Copyright (C) 1989, 1990, 1993, 1994, 1995 Kirk Lauritz Johnson
  14  *
  15  * Parts of the source code (as marked) are:
  16  *   Copyright (C) 1989, 1990, 1991 by Jim Frost
  17  *   Copyright (C) 1992 by Jamie Zawinski <jwz@lucid.com>
  18  *
  19  * Permission to use, copy, modify and freely distribute xearth for
  20  * non-commercial and not-for-profit purposes is hereby granted
  21  * without fee, provided that both the above copyright notice and this
  22  * permission notice appear in all copies and in supporting
  23  * documentation.
  24  *
  25  * The author makes no representations about the suitability of this
  26  * software for any purpose. It is provided "as is" without express or
  27  * implied warranty.
  28  *
  29  * THE AUTHOR DISCLAIMS ALL WARRANTIES WITH REGARD TO THIS SOFTWARE,
  30  * INCLUDING ALL IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS,
  31  * IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY SPECIAL, INDIRECT
  32  * OR CONSEQUENTIAL DAMAGES OR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM
  33  * LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT,
  34  * NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF OR IN
  35  * CONNECTION WITH THE USE OR PERFORMANCE OF THIS SOFTWARE.
  36  *
  37  * $Id$
  38  * (Log is kept at end of this file)
  39  */
  40
  41
  42 #include <math.h>
  43 #include <stdio.h>
  44 #include <time.h>
  45
  46 #include "sunpos.h"
  47 #include "../constants.h"
  48 #undef E
  49
  50
  51 /*
  52  * the epoch upon which these astronomical calculations are based is
  53  * 1990 january 0.0, 631065600 seconds since the beginning of the
  54  * "unix epoch" (00:00:00 GMT, Jan. 1, 1970)
  55  *
  56  * given a number of seconds since the start of the unix epoch,
  57  * DaysSinceEpoch() computes the number of days since the start of the
  58  * astronomical epoch (1990 january 0.0)
  59  */
  60
  61 #define EpochStart           (631065600)
  62 #define DaysSinceEpoch(secs) (((secs)-EpochStart)*(1.0/(24*3600)))
  63
  64 /*
  65  * assuming the apparent orbit of the sun about the earth is circular,
  66  * the rate at which the orbit progresses is given by RadsPerDay --
  67  * FG_2PI radians per orbit divided by 365.242191 days per year:
  68  */
  69
  70 #define RadsPerDay (FG_2PI/365.242191)
  71
  72 /*
  73  * details of sun's apparent orbit at epoch 1990.0 (after
  74  * duffett-smith, table 6, section 46)
  75  *
  76  * Epsilon_g    (ecliptic longitude at epoch 1990.0) 279.403303 degrees
  77  * OmegaBar_g   (ecliptic longitude of perigee)      282.768422 degrees
  78  * Eccentricity (eccentricity of orbit)                0.016713
  79  */
  80
  81 #define Epsilon_g    (279.403303*(FG_2PI/360))
  82 #define OmegaBar_g   (282.768422*(FG_2PI/360))
  83 #define Eccentricity (0.016713)
  84
  85 /*
  86  * MeanObliquity gives the mean obliquity of the earth's axis at epoch
  87  * 1990.0 (computed as 23.440592 degrees according to the method given
  88  * in duffett-smith, section 27)
  89  */
  90 #define MeanObliquity (23.440592*(FG_2PI/360))
  91
  92 static double solve_keplers_equation(double);
  93 static double sun_ecliptic_longitude(time_t);
  94 static void   ecliptic_to_equatorial(double, double, double *, double *);
  95 static double julian_date(int, int, int);
  96 static double GST(time_t);
  97
  98 /*
  99  * solve Kepler's equation via Newton's method
 100  * (after duffett-smith, section 47)
 101  */
 102 static double solve_keplers_equation(double M) {
 103     double E;
 104     double delta;
 105
 106     E = M;
 107     while (1) {
 108         delta = E - Eccentricity*sin(E) - M;
 109         if (fabs(delta) <= 1e-10) break;
 110         E -= delta / (1 - Eccentricity*cos(E));
 111     }
 112
 113     return E;
 114 }
 115
 116
 117 /* compute ecliptic longitude of sun (in radians) (after
 118  * duffett-smith, section 47) */
 119
 120 static double sun_ecliptic_longitude(time_t ssue) {
 121     /* time_t ssue;              seconds since unix epoch */
 122     double D, N;
 123     double M_sun, E;
 124     double v;
 125
 126     D = DaysSinceEpoch(ssue);
 127
 128     N = RadsPerDay * D;
 129     N = fmod(N, FG_2PI);
 130     if (N < 0) N += FG_2PI;
 131
 132     M_sun = N + Epsilon_g - OmegaBar_g;
 133     if (M_sun < 0) M_sun += FG_2PI;
 134
 135     E = solve_keplers_equation(M_sun);
 136     v = 2 * atan(sqrt((1+Eccentricity)/(1-Eccentricity)) * tan(E/2));
 137
 138     return (v + OmegaBar_g);
 139 }
 140
 141
 142 /* convert from ecliptic to equatorial coordinates (after
 143  * duffett-smith, section 27) */
 144
 145 static void ecliptic_to_equatorial(double lambda, double beta,
 146                                    double *alpha, double *delta) {
 147     /* double  lambda;            ecliptic longitude       */
 148     /* double  beta;              ecliptic latitude        */
 149     /* double *alpha;             (return) right ascension */
 150     /* double *delta;             (return) declination     */
 151
 152     double sin_e, cos_e;
 153
 154     sin_e = sin(MeanObliquity);
 155     cos_e = cos(MeanObliquity);
 156
 157     *alpha = atan2(sin(lambda)*cos_e - tan(beta)*sin_e, cos(lambda));
 158     *delta = asin(sin(beta)*cos_e + cos(beta)*sin_e*sin(lambda));
 159 }
 160
 161
 162 /* computing julian dates (assuming gregorian calendar, thus this is
 163  * only valid for dates of 1582 oct 15 or later) (after duffett-smith,
 164  * section 4) */
 165
 166 static double julian_date(int y, int m, int d) {
 167     /* int y;                    year (e.g. 19xx)          */
 168     /* int m;                    month (jan=1, feb=2, ...) */
 169     /* int d;                    day of month              */
 170
 171     int    A, B, C, D;
 172     double JD;
 173
 174     /* lazy test to ensure gregorian calendar */
 175     if (y < 1583) {
 176         printf("WHOOPS! Julian dates only valid for 1582 oct 15 or later\n");
 177     }
 178
 179     if ((m == 1) || (m == 2)) {
 180         y -= 1;
 181         m += 12;
 182     }
 183
 184     A = y / 100;
 185     B = 2 - A + (A / 4);
 186     C = 365.25 * y;
 187     D = 30.6001 * (m + 1);
 188
 189     JD = B + C + D + d + 1720994.5;
 190
 191     return JD;
 192 }
 193
 194
 195 /* compute greenwich mean sidereal time (GST) corresponding to a given
 196  * number of seconds since the unix epoch (after duffett-smith,
 197  * section 12) */
 198 static double GST(time_t ssue) {
 199     /* time_t ssue;           seconds since unix epoch */
 200
 201     double     JD;
 202     double     T, T0;
 203     double     UT;
 204     struct tm *tm;
 205
 206     tm = gmtime(&ssue);
 207
 208     JD = julian_date(tm->tm_year+1900, tm->tm_mon+1, tm->tm_mday);
 209     T  = (JD - 2451545) / 36525;
 210
 211     T0 = ((T + 2.5862e-5) * T + 2400.051336) * T + 6.697374558;
 212
 213     T0 = fmod(T0, 24.0);
 214     if (T0 < 0) T0 += 24;
 215
 216     UT = tm->tm_hour + (tm->tm_min + tm->tm_sec / 60.0) / 60.0;
 217
 218     T0 += UT * 1.002737909;
 219     T0 = fmod(T0, 24.0);
 220     if (T0 < 0) T0 += 24;
 221
 222     return T0;
 223 }
 224
 225
 226 /* given a particular time (expressed in seconds since the unix
 227  * epoch), compute position on the earth (lat, lon) such that sun is
 228  * directly overhead.  (lat, lon are reported in radians */
 229
 230 void fgSunPosition(time_t ssue, double *lon, double *lat) {
 231     /* time_t  ssue;           seconds since unix epoch */
 232     /* double *lat;            (return) latitude        */
 233     /* double *lon;            (return) longitude       */
 234
 235     double lambda;
 236     double alpha, delta;
 237     double tmp;
 238
 239     lambda = sun_ecliptic_longitude(ssue);
 240     ecliptic_to_equatorial(lambda, 0.0, &alpha, &delta);
 241
 242     tmp = alpha - (FG_2PI/24)*GST(ssue);
 243     if (tmp < -FG_PI) {
 244         do tmp += FG_2PI;
 245         while (tmp < -FG_PI);
 246     } else if (tmp > FG_PI) {
 247         do tmp -= FG_2PI;
 248         while (tmp < -FG_PI);
 249     }
 250
 251     *lon = tmp;
 252     *lat = delta;
 253 }
 254
 255
 256 /* $Log$
 257 /* Revision 1.2  1997/08/06 00:24:32  curt
 258 /* Working on correct real time sun lighting.
 259 /*
 260  * Revision 1.1  1997/08/01 15:27:56  curt
 261  * Initial revision.
 262  *
 263  */