Time/sunpos.cxx

   1 // sunpos.c (taken from XEarth)
   2 // kirk johnson
   3 // july 1993
   4 //
   5 // code for calculating the position on the earth's surface for which
   6 // the sun is directly overhead (adapted from _practical astronomy
   7 // with your calculator, third edition_, peter duffett-smith,
   8 // cambridge university press, 1988.)
   9 //
  10 // RCS $Id$
  11 //
  12 // Copyright (C) 1989, 1990, 1993, 1994, 1995 Kirk Lauritz Johnson
  13 //
  14 // Parts of the source code (as marked) are:
  15 //   Copyright (C) 1989, 1990, 1991 by Jim Frost
  16 //   Copyright (C) 1992 by Jamie Zawinski <jwz@lucid.com>
  17 //
  18 // Permission to use, copy, modify and freely distribute xearth for
  19 // non-commercial and not-for-profit purposes is hereby granted
  20 // without fee, provided that both the above copyright notice and this
  21 // permission notice appear in all copies and in supporting
  22 // documentation.
  23 //
  24 // The author makes no representations about the suitability of this
  25 // software for any purpose. It is provided "as is" without express or
  26 // implied warranty.
  27 //
  28 // THE AUTHOR DISCLAIMS ALL WARRANTIES WITH REGARD TO THIS SOFTWARE,
  29 // INCLUDING ALL IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS,
  30 // IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY SPECIAL, INDIRECT
  31 // OR CONSEQUENTIAL DAMAGES OR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM
  32 // LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT,
  33 // NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF OR IN
  34 // CONNECTION WITH THE USE OR PERFORMANCE OF THIS SOFTWARE.
  35 //
  36 // $Id$
  37 // (Log is kept at end of this file)
  38
  39
  40 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  41 #  include <config.h>
  42 #endif
  43
  44 #include <math.h>
  45 #include <stdio.h>
  46 #include <time.h>
  47
  48 #include <Astro/orbits.hxx>
  49 #include <Include/fg_constants.h>
  50 #include <Main/views.hxx>
  51 #include <Math/fg_geodesy.h>
  52 #include <Math/mat3.h>
  53 #include <Math/polar3d.hxx>
  54 #include <Math/vector.hxx>
  55 #include <Scenery/scenery.hxx>
  56
  57 #include "fg_time.hxx"
  58 #include "sunpos.hxx"
  59
  60
  61 #undef E
  62
  63
  64 /*
  65  * the epoch upon which these astronomical calculations are based is
  66  * 1990 january 0.0, 631065600 seconds since the beginning of the
  67  * "unix epoch" (00:00:00 GMT, Jan. 1, 1970)
  68  *
  69  * given a number of seconds since the start of the unix epoch,
  70  * DaysSinceEpoch() computes the number of days since the start of the
  71  * astronomical epoch (1990 january 0.0)
  72  */
  73
  74 #define EpochStart           (631065600)
  75 #define DaysSinceEpoch(secs) (((secs)-EpochStart)*(1.0/(24*3600)))
  76
  77 /*
  78  * assuming the apparent orbit of the sun about the earth is circular,
  79  * the rate at which the orbit progresses is given by RadsPerDay --
  80  * FG_2PI radians per orbit divided by 365.242191 days per year:
  81  */
  82
  83 #define RadsPerDay (FG_2PI/365.242191)
  84
  85 /*
  86  * details of sun's apparent orbit at epoch 1990.0 (after
  87  * duffett-smith, table 6, section 46)
  88  *
  89  * Epsilon_g    (ecliptic longitude at epoch 1990.0) 279.403303 degrees
  90  * OmegaBar_g   (ecliptic longitude of perigee)      282.768422 degrees
  91  * Eccentricity (eccentricity of orbit)                0.016713
  92  */
  93
  94 #define Epsilon_g    (279.403303*(FG_2PI/360))
  95 #define OmegaBar_g   (282.768422*(FG_2PI/360))
  96 #define Eccentricity (0.016713)
  97
  98 /*
  99  * MeanObliquity gives the mean obliquity of the earth's axis at epoch
 100  * 1990.0 (computed as 23.440592 degrees according to the method given
 101  * in duffett-smith, section 27)
 102  */
 103 #define MeanObliquity (23.440592*(FG_2PI/360))
 104
 105 /* static double solve_keplers_equation(double); */
 106 /* static double sun_ecliptic_longitude(time_t); */
 107 static void   ecliptic_to_equatorial(double, double, double *, double *);
 108 static double julian_date(int, int, int);
 109 static double GST(time_t);
 110
 111 /*
 112  * solve Kepler's equation via Newton's method
 113  * (after duffett-smith, section 47)
 114  */
 115 /*
 116 static double solve_keplers_equation(double M) {
 117     double E;
 118     double delta;
 119
 120     E = M;
 121     while (1) {
 122         delta = E - Eccentricity*sin(E) - M;
 123         if (fabs(delta) <= 1e-10) break;
 124         E -= delta / (1 - Eccentricity*cos(E));
 125     }
 126
 127     return E;
 128 }
 129 */
 130
 131
 132 /* compute ecliptic longitude of sun (in radians) (after
 133  * duffett-smith, section 47) */
 134 /*
 135 static double sun_ecliptic_longitude(time_t ssue) {
 136     // time_t ssue;              //  seconds since unix epoch
 137     double D, N;
 138     double M_sun, E;
 139     double v;
 140
 141     D = DaysSinceEpoch(ssue);
 142
 143     N = RadsPerDay * D;
 144     N = fmod(N, FG_2PI);
 145     if (N < 0) N += FG_2PI;
 146
 147     M_sun = N + Epsilon_g - OmegaBar_g;
 148     if (M_sun < 0) M_sun += FG_2PI;
 149
 150     E = solve_keplers_equation(M_sun);
 151     v = 2 * atan(sqrt((1+Eccentricity)/(1-Eccentricity)) * tan(E/2));
 152
 153     return (v + OmegaBar_g);
 154 }
 155 */
 156
 157
 158 /* convert from ecliptic to equatorial coordinates (after
 159  * duffett-smith, section 27) */
 160
 161 static void ecliptic_to_equatorial(double lambda, double beta,
 162                                    double *alpha, double *delta) {
 163     /* double  lambda;            ecliptic longitude       */
 164     /* double  beta;              ecliptic latitude        */
 165     /* double *alpha;             (return) right ascension */
 166     /* double *delta;             (return) declination     */
 167
 168     double sin_e, cos_e;
 169
 170     sin_e = sin(MeanObliquity);
 171     cos_e = cos(MeanObliquity);
 172
 173     *alpha = atan2(sin(lambda)*cos_e - tan(beta)*sin_e, cos(lambda));
 174     *delta = asin(sin(beta)*cos_e + cos(beta)*sin_e*sin(lambda));
 175 }
 176
 177
 178 /* computing julian dates (assuming gregorian calendar, thus this is
 179  * only valid for dates of 1582 oct 15 or later) (after duffett-smith,
 180  * section 4) */
 181
 182 static double julian_date(int y, int m, int d) {
 183     /* int y;                    year (e.g. 19xx)          */
 184     /* int m;                    month (jan=1, feb=2, ...) */
 185     /* int d;                    day of month              */
 186
 187     int    A, B, C, D;
 188     double JD;
 189
 190     /* lazy test to ensure gregorian calendar */
 191     if (y < 1583) {
 192         printf("WHOOPS! Julian dates only valid for 1582 oct 15 or later\n");
 193     }
 194
 195     if ((m == 1) || (m == 2)) {
 196         y -= 1;
 197         m += 12;
 198     }
 199
 200     A = y / 100;
 201     B = 2 - A + (A / 4);
 202     C = (int)(365.25 * y);
 203     D = (int)(30.6001 * (m + 1));
 204
 205     JD = B + C + D + d + 1720994.5;
 206
 207     return JD;
 208 }
 209
 210
 211 /* compute greenwich mean sidereal time (GST) corresponding to a given
 212  * number of seconds since the unix epoch (after duffett-smith,
 213  * section 12) */
 214 static double GST(time_t ssue) {
 215     /* time_t ssue;           seconds since unix epoch */
 216
 217     double     JD;
 218     double     T, T0;
 219     double     UT;
 220     struct tm *tm;
 221
 222     tm = gmtime(&ssue);
 223
 224     JD = julian_date(tm->tm_year+1900, tm->tm_mon+1, tm->tm_mday);
 225     T  = (JD - 2451545) / 36525;
 226
 227     T0 = ((T + 2.5862e-5) * T + 2400.051336) * T + 6.697374558;
 228
 229     T0 = fmod(T0, 24.0);
 230     if (T0 < 0) T0 += 24;
 231
 232     UT = tm->tm_hour + (tm->tm_min + tm->tm_sec / 60.0) / 60.0;
 233
 234     T0 += UT * 1.002737909;
 235     T0 = fmod(T0, 24.0);
 236     if (T0 < 0) T0 += 24;
 237
 238     return T0;
 239 }
 240
 241
 242 /* given a particular time (expressed in seconds since the unix
 243  * epoch), compute position on the earth (lat, lon) such that sun is
 244  * directly overhead.  (lat, lon are reported in radians */
 245
 246 void fgSunPosition(time_t ssue, double *lon, double *lat) {
 247     /* time_t  ssue;           seconds since unix epoch */
 248     /* double *lat;            (return) latitude        */
 249     /* double *lon;            (return) longitude       */
 250
 251     /* double lambda; */
 252     double alpha, delta;
 253     double tmp;
 254
 255     /* lambda = sun_ecliptic_longitude(ssue); */
 256     /* ecliptic_to_equatorial(lambda, 0.0, &alpha, &delta); */
 257     ecliptic_to_equatorial (solarPosition.lonSun, 0.0, &alpha, &delta);
 258
 259     tmp = alpha - (FG_2PI/24)*GST(ssue);
 260     if (tmp < -FG_PI) {
 261         do tmp += FG_2PI;
 262         while (tmp < -FG_PI);
 263     } else if (tmp > FG_PI) {
 264         do tmp -= FG_2PI;
 265         while (tmp < -FG_PI);
 266     }
 267
 268     *lon = tmp;
 269     *lat = delta;
 270 }
 271
 272
 273 // update the cur_time_params structure with the current sun position
 274 void fgUpdateSunPos( void ) {
 275     fgLIGHT *l;
 276     fgTIME *t;
 277     fgVIEW *v;
 278     MAT3vec nup, nsun, v0;
 279     fgPoint3d p;
 280     double sun_gd_lat, sl_radius;
 281     double ntmp;
 282
 283     l = &cur_light_params;
 284     t = &cur_time_params;
 285     v = &current_view;
 286
 287     printf("  Updating Sun position\n");
 288
 289     fgSunPosition(t->cur_time, &l->sun_lon, &sun_gd_lat);
 290     fgSunPosition(t->cur_time, &l->sun_lon, &sun_gd_lat);
 291
 292     fgGeodToGeoc(sun_gd_lat, 0.0, &sl_radius, &l->sun_gc_lat);
 293
 294     p.lon = l->sun_lon;
 295     p.lat = l->sun_gc_lat;
 296     p.radius = sl_radius;
 297     l->fg_sunpos = fgPolarToCart3d(p);
 298
 299     printf( "    t->cur_time = %ld\n", t->cur_time);
 300     printf( "    Sun Geodetic lat = %.5f Geocentric lat = %.5f\n",
 301             sun_gd_lat, l->sun_gc_lat);
 302
 303     // I think this will work better for generating the sun light vector
 304     l->sun_vec[0] = l->fg_sunpos.x;
 305     l->sun_vec[1] = l->fg_sunpos.y;
 306     l->sun_vec[2] = l->fg_sunpos.z;
 307     MAT3_NORMALIZE_VEC(l->sun_vec, ntmp);
 308     MAT3_SCALE_VEC(l->sun_vec_inv, l->sun_vec, -1.0);
 309
 310     // make sure these are directional light sources only
 311     l->sun_vec[3] = 0.0;
 312     l->sun_vec_inv[3] = 0.0;
 313
 314     printf("  l->sun_vec = %.2f %.2f %.2f\n", l->sun_vec[0], l->sun_vec[1],
 315            l->sun_vec[2]);
 316
 317     // calculate the sun's relative angle to local up
 318     MAT3_COPY_VEC(nup, v->local_up);
 319     nsun[0] = l->fg_sunpos.x;
 320     nsun[1] = l->fg_sunpos.y;
 321     nsun[2] = l->fg_sunpos.z;
 322     MAT3_NORMALIZE_VEC(nup, ntmp);
 323     MAT3_NORMALIZE_VEC(nsun, ntmp);
 324
 325     l->sun_angle = acos(MAT3_DOT_PRODUCT(nup, nsun));
 326     printf("  SUN ANGLE relative to current location = %.3f rads.\n",
 327            l->sun_angle);
 328
 329     // calculate vector to sun's position on the earth's surface
 330     v->to_sun[0] = l->fg_sunpos.x - (v->view_pos.x + scenery.center.x);
 331     v->to_sun[1] = l->fg_sunpos.y - (v->view_pos.y + scenery.center.y);
 332     v->to_sun[2] = l->fg_sunpos.z - (v->view_pos.z + scenery.center.z);
 333     // printf( "Vector to sun = %.2f %.2f %.2f\n",
 334     //         v->to_sun[0], v->to_sun[1], v->to_sun[2]);
 335
 336     // make a vector to the current view position
 337     MAT3_SET_VEC(v0, v->view_pos.x, v->view_pos.y, v->view_pos.z);
 338
 339     // Given a vector from the view position to the point on the
 340     // earth's surface the sun is directly over, map into onto the
 341     // local plane representing "horizontal".
 342     map_vec_onto_cur_surface_plane(v->local_up, v0, v->to_sun,
 343                                    v->surface_to_sun);
 344     MAT3_NORMALIZE_VEC(v->surface_to_sun, ntmp);
 345     // printf("Surface direction to sun is %.2f %.2f %.2f\n",
 346     //        v->surface_to_sun[0], v->surface_to_sun[1], v->surface_to_sun[2]);
 347     // printf("Should be close to zero = %.2f\n",
 348     //        MAT3_DOT_PRODUCT(v->local_up, v->surface_to_sun));
 349 }
 350
 351
 352 // $Log$
 353 // Revision 1.9  1998/07/08 14:48:39  curt
 354 // polar3d.h renamed to polar3d.hxx
 355 //
 356 // Revision 1.8  1998/05/02 01:53:18  curt
 357 // Fine tuning mktime() support because of varying behavior on different
 358 // platforms.
 359 //
 360 // Revision 1.7  1998/04/30 12:36:05  curt
 361 // C++-ifying a couple source files.
 362 //
 363 // Revision 1.6  1998/04/28 01:22:18  curt
 364 // Type-ified fgTIME and fgVIEW.
 365 //
 366 // Revision 1.5  1998/04/26 05:10:05  curt
 367 // "struct fgLIGHT" -> "fgLIGHT" because fgLIGHT is typedef'd.
 368 //
 369 // Revision 1.4  1998/04/25 22:06:34  curt
 370 // Edited cvs log messages in source files ... bad bad bad!
 371 //
 372 // Revision 1.3  1998/04/25 20:24:03  curt
 373 // Cleaned up initialization sequence to eliminate interdependencies
 374 // between sun position, lighting, and view position.  This creates a
 375 // valid single pass initialization path.
 376 //
 377 // Revision 1.2  1998/04/24 00:52:31  curt
 378 // Wrapped "#include <config.h>" in "#ifdef HAVE_CONFIG_H"
 379 // Fog color fixes.
 380 // Separated out lighting calcs into their own file.
 381 //
 382 // Revision 1.1  1998/04/22 13:24:07  curt
 383 // C++ - ifiing the code a bit.
 384 // Starting to reorginize some of the lighting calcs to use a table lookup.
 385 //
 386 // Revision 1.27  1998/04/03 22:12:57  curt
 387 // Converting to Gnu autoconf system.
 388 // Centralized time handling differences.
 389 //
 390 // Revision 1.26  1998/02/23 19:08:00  curt
 391 // Incorporated Durk's Astro/ tweaks.  Includes unifying the sun position
 392 // calculation code between sun display, and other FG sections that use this
 393 // for things like lighting.
 394 //
 395 // Revision 1.25  1998/02/09 15:07:53  curt
 396 // Minor tweaks.
 397 //
 398 // Revision 1.24  1998/01/27 00:48:07  curt
 399 // Incorporated Paul Bleisch's <pbleisch@acm.org> new debug message
 400 // system and commandline/config file processing code.
 401 //
 402 // Revision 1.23  1998/01/19 19:27:21  curt
 403 // Merged in make system changes from Bob Kuehne <rpk@sgi.com>
 404 // This should simplify things tremendously.
 405 //
 406 // Revision 1.22  1998/01/19 18:40:40  curt
 407 // Tons of little changes to clean up the code and to remove fatal errors
 408 // when building with the c++ compiler.
 409 //
 410 // Revision 1.21  1997/12/30 23:10:19  curt
 411 // Calculate lighting parameters here.
 412 //
 413 // Revision 1.20  1997/12/30 22:22:43  curt
 414 // Further integration of event manager.
 415 //
 416 // Revision 1.19  1997/12/30 20:47:59  curt
 417 // Integrated new event manager with subsystem initializations.
 418 //
 419 // Revision 1.18  1997/12/23 04:58:40  curt
 420 // Tweaked the sky coloring a bit to build in structures to allow finer rgb
 421 // control.
 422 //
 423 // Revision 1.17  1997/12/15 23:55:08  curt
 424 // Add xgl wrappers for debugging.
 425 // Generate terrain normals on the fly.
 426 //
 427 // Revision 1.16  1997/12/11 04:43:57  curt
 428 // Fixed sun vector and lighting problems.  I thing the moon is now lit
 429 // correctly.
 430 //
 431 // Revision 1.15  1997/12/10 22:37:55  curt
 432 // Prepended "fg" on the name of all global structures that didn't have it yet.
 433 // i.e. "struct WEATHER {}" became "struct fgWEATHER {}"
 434 //
 435 // Revision 1.14  1997/12/09 04:25:39  curt
 436 // Working on adding a global lighting params structure.
 437 //
 438 // Revision 1.13  1997/11/25 19:25:42  curt
 439 // Changes to integrate Durk's moon/sun code updates + clean up.
 440 //
 441 // Revision 1.12  1997/11/15 18:15:39  curt
 442 // Reverse direction of sun vector, so object normals can be more normal.
 443 //
 444 // Revision 1.11  1997/10/28 21:07:21  curt
 445 // Changed GLUT/ -> Main/
 446 //
 447 // Revision 1.10  1997/09/13 02:00:09  curt
 448 // Mostly working on stars and generating sidereal time for accurate star
 449 // placement.
 450 //
 451 // Revision 1.9  1997/09/05 14:17:31  curt
 452 // More tweaking with stars.
 453 //
 454 // Revision 1.8  1997/09/05 01:36:04  curt
 455 // Working on getting stars right.
 456 //
 457 // Revision 1.7  1997/09/04 02:17:40  curt
 458 // Shufflin' stuff.
 459 //
 460 // Revision 1.6  1997/08/27 03:30:37  curt
 461 // Changed naming scheme of basic shared structures.
 462 //
 463 // Revision 1.5  1997/08/22 21:34:41  curt
 464 // Doing a bit of reorganizing and house cleaning.
 465 //
 466 // Revision 1.4  1997/08/19 23:55:09  curt
 467 // Worked on better simulating real lighting.
 468 //
 469 // Revision 1.3  1997/08/13 20:23:49  curt
 470 // The interface to sunpos now updates a global structure rather than returning
 471 // current sun position.
 472 //
 473 // Revision 1.2  1997/08/06 00:24:32  curt
 474 // Working on correct real time sun lighting.
 475 //
 476 // Revision 1.1  1997/08/01 15:27:56  curt
 477 // Initial revision.
 478 //