src/Cockpit/steam.cxx

   1 // steam.cxx - Steam Gauge Calculations
   2 //
   3 // Copyright (C) 2000  Alexander Perry - alex.perry@ieee.org
   4 //
   5 // This program is free software; you can redistribute it and/or
   6 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
   7 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
   8 // License, or (at your option) any later version.
   9 //
  10 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  11 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13 // General Public License for more details.
  14 //
  15 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  16 // along with this program; if not, write to the Free Software
  17 // Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  18 //
  19 // $Id$
  20
  21
  22 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  23 #  include <config.h>
  24 #endif
  25
  26 #if defined( FG_HAVE_NATIVE_SGI_COMPILERS )
  27 #  include <iostream.h>
  28 #else
  29 #  include <iostream>
  30 #endif
  31
  32 #include <simgear/constants.h>
  33 #include <simgear/math/sg_types.hxx>
  34 #include <simgear/misc/props.hxx>
  35 #include <Aircraft/aircraft.hxx>
  36 #include <Main/bfi.hxx>
  37 #include <NetworkOLK/features.hxx>
  38
  39 FG_USING_NAMESPACE(std);
  40
  41 #include "radiostack.hxx"
  42 #include "steam.hxx"
  43
  44 static bool isTied = false;
  45
  46
  47 \f
  48 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  49 // Declare the functions that read the variables
  50 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  51
  52 // Anything that reads the BFI directly is not implemented at all!
  53
  54
  55 double FGSteam::the_STATIC_inhg = 29.92;
  56 double FGSteam::the_ALT_ft = 0.0;  // Indicated altitude
  57 double FGSteam::get_ALT_ft() { _CatchUp(); return the_ALT_ft; }
  58
  59 double FGSteam::the_ALT_datum_mb = 1013.0;
  60 double FGSteam::get_ALT_datum_mb() { return the_ALT_datum_mb; }
  61
  62 void FGSteam::set_ALT_datum_mb ( double datum_mb ) {
  63     the_ALT_datum_mb = datum_mb;
  64 }
  65
  66 double FGSteam::get_ASI_kias() { return FGBFI::getAirspeed(); }
  67
  68 double FGSteam::the_VSI_case = 29.92;
  69 double FGSteam::the_VSI_fps = 0.0;
  70 double FGSteam::get_VSI_fps() { _CatchUp(); return the_VSI_fps; }
  71
  72 double FGSteam::the_VACUUM_inhg = 0.0;
  73 double FGSteam::get_VACUUM_inhg() { _CatchUp(); return the_VACUUM_inhg; }
  74
  75 double FGSteam::the_MH_err   = 0.0;
  76 double FGSteam::the_MH_deg   = 0.0;
  77 double FGSteam::the_MH_degps = 0.0;
  78 double FGSteam::get_MH_deg () { _CatchUp(); return the_MH_deg; }
  79
  80 double FGSteam::the_DG_err   = 0.0;
  81 double FGSteam::the_DG_deg   = 0.0;
  82 double FGSteam::the_DG_degps = 0.0;
  83 double FGSteam::the_DG_inhg  = 0.0;
  84 double FGSteam::get_DG_deg () { _CatchUp(); return the_DG_deg; }
  85 double FGSteam::get_DG_err () { _CatchUp(); return the_DG_err; }
  86
  87 void FGSteam::set_DG_err ( double approx_magvar ) {
  88     the_DG_err = approx_magvar;
  89 }
  90
  91 double FGSteam::the_TC_rad   = 0.0;
  92 double FGSteam::the_TC_std   = 0.0;
  93 double FGSteam::get_TC_rad () { _CatchUp(); return the_TC_rad; }
  94 double FGSteam::get_TC_std () { _CatchUp(); return the_TC_std; }
  95
  96 \f
  97 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  98 // Recording the current time
  99 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 100
 101
 102 int FGSteam::_UpdatesPending = 1000000;  /* Forces filter to reset */
 103
 104
 105                                 // FIXME: no need to use static
 106                                 // functions any longer.
 107
 108 void FGSteam::update ( int timesteps )
 109 {
 110         if (!isTied) {
 111           isTied = true;
 112           fgTie("/steam/airspeed", FGSteam::get_ASI_kias);
 113           fgTie("/steam/altitude", FGSteam::get_ALT_ft);
 114           fgTie("/steam/altimeter-datum-mb",
 115                 FGSteam::get_ALT_datum_mb, FGSteam::set_ALT_datum_mb,
 116                 false);  /* don't modify the value */
 117           fgTie("/steam/turn-rate", FGSteam::get_TC_std);
 118           fgTie("/steam/slip-skid", FGSteam::get_TC_rad);
 119           fgTie("/steam/vertical-speed", FGSteam::get_VSI_fps);
 120           fgTie("/steam/gyro-compass", FGSteam::get_DG_deg);
 121           fgTie("/steam/vor1", FGSteam::get_HackVOR1_deg);
 122           fgTie("/steam/vor2", FGSteam::get_HackVOR2_deg);
 123           fgTie("/steam/glidescope1", FGSteam::get_HackGS_deg);
 124           fgTie("/steam/adf", FGSteam::get_HackADF_deg);
 125           fgTie("/steam/gyro-compass-error",
 126                 FGSteam::get_DG_err, FGSteam::set_DG_err,
 127                 false);  /* don't modify the value */
 128           fgTie("/steam/mag-compass", FGSteam::get_MH_deg);
 129         }
 130         _UpdatesPending += timesteps;
 131 }
 132
 133
 134 /* tc should be (elapsed_time_between_updates / desired_smoothing_time) */
 135 void FGSteam::set_lowpass ( double *outthe, double inthe, double tc )
 136 {
 137         if ( tc < 0.0 )
 138         {       if ( tc < -1.0 )
 139                 {       /* time went backwards; kill the filter */
 140                         (*outthe) = inthe;
 141                 } else
 142                 {       /* ignore mildly negative time */
 143                 }
 144         } else
 145         if ( tc < 0.2 )
 146         {       /* Normal mode of operation; fast approximation to exp(-tc) */
 147                 (*outthe) = (*outthe) * ( 1.0 - tc )
 148                           +    inthe  * tc;
 149         } else
 150         if ( tc > 5.0 )
 151         {       /* Huge time step; assume filter has settled */
 152                 (*outthe) = inthe;
 153         } else
 154         {       /* Moderate time step; non linear response */
 155                 double keep = exp ( -tc );
 156                 // printf ( "ARP: Keep is %f\n", keep );
 157                 (*outthe) = (*outthe) * keep
 158                           +    inthe  * ( 1.0 - keep );
 159         }
 160 }
 161
 162
 163 #define INHG_TO_MB 33.86388  /* Inches_of_mercury * INHG_TO_MB == millibars. */
 164
 165 // Convert air pressure to altitude by ICAO Standard Atmosphere
 166 double pressInHgToAltFt(double p_inhg)
 167 {
 168     // Ref. Aviation Formulary, Ed Williams, www.best.com/~williams/avform.htm
 169     const double P_0 = 29.92126;  // Std. MSL pressure, inHg. (=1013.25 mb)
 170     const double p_Tr = 0.2233609 * P_0;  // Pressure at tropopause, same units.
 171     const double h_Tr = 36089.24;  // Alt of tropopause, ft. (=11.0 km)
 172
 173     if (p_inhg > p_Tr)  // 0.0 to 11.0 km
 174         return (1.0 - pow((p_inhg / P_0), 1.0 / 5.2558797)) / 6.8755856e-6;
 175     return h_Tr + log10(p_inhg / p_Tr) / -4.806346e-5;  // 11.0 to 20.0 km
 176     // We could put more code for higher altitudes here.
 177 }
 178
 179
 180 // Convert altitude to air pressure by ICAO Standard Atmosphere
 181 double altFtToPressInHg(double alt_ft)
 182 {
 183     // Ref. Aviation Formulary, Ed Williams, www.best.com/~williams/avform.htm
 184     const double P_0 = 29.92126;  // Std. MSL pressure, inHg. (=1013.25 mb)
 185     const double p_Tr = 0.2233609 * P_0;  // Pressure at tropopause, same units.
 186     const double h_Tr = 36089.24;  // Alt of tropopause, ft. (=11.0 km)
 187
 188     if (alt_ft < h_Tr)  // 0.0 to 11.0 km
 189         return P_0 * pow(1.0 - 6.8755856e-6 * alt_ft, 5.2558797);
 190     return p_Tr * exp(-4.806346e-5 * (alt_ft - h_Tr));  // 11.0 to 20.0 km
 191     // We could put more code for higher altitudes here.
 192 }
 193
 194
 195 \f
 196 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 197 // Here the fun really begins
 198 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 199
 200
 201 void FGSteam::_CatchUp()
 202 { if ( _UpdatesPending != 0 )
 203   {     double dt = _UpdatesPending * 1.0 /
 204             fgGetInt("/sim/model-hz"); // FIXME: inefficient
 205         double AccN, AccE, AccU;
 206         int i /*,j*/;
 207         double d, the_ENGINE_rpm;
 208
 209 #if 0
 210         /**************************
 211         There is the possibility that this is the first call.
 212         If this is the case, we will emit the feature registrations
 213         just to be on the safe side.  Doing it more than once will
 214         waste CPU time but doesn't hurt anything really.
 215         */
 216         if ( _UpdatesPending > 999999 )
 217         { FGFeature::register_int (    "Avionics/NAV1/Localizer", &NAV1_LOC );
 218           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV1/Latitude",  &NAV1_Lat );
 219           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV1/Longitude", &NAV1_Lon );
 220           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV1/Radial",    &NAV1_Rad );
 221           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV1/Altitude",  &NAV1_Alt );
 222           FGFeature::register_int (    "Avionics/NAV2/Localizer", &NAV2_LOC );
 223           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV2/Latitude",  &NAV2_Lat );
 224           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV2/Longitude", &NAV2_Lon );
 225           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV2/Radial",    &NAV2_Rad );
 226           FGFeature::register_double ( "Avionics/NAV2/Altitude",  &NAV2_Alt );
 227           FGFeature::register_double ( "Avionics/ADF/Latitude",   &ADF_Lat );
 228           FGFeature::register_double ( "Avionics/ADF/Longitude",  &ADF_Lon );
 229         }
 230 #endif
 231
 232         /**************************
 233         Someone has called our update function and
 234         it turns out that we are running somewhat behind.
 235         Here, we recalculate everything for a 'dt' second step.
 236         */
 237
 238         /**************************
 239         The ball responds to the acceleration vector in the body
 240         frame, only the components perpendicular to the longitudinal
 241         axis of the aircraft.  This is only related to actual
 242         side slip for a symmetrical aircraft which is not touching
 243         the ground and not changing its attitude.  Math simplifies
 244         by assuming (for small angles) arctan(x)=x in radians.
 245         Obvious failure mode is the absence of liquid in the
 246         tube, which is there to damp the motion, so that instead
 247         the ball will bounce around, hitting the tube ends.
 248         More subtle flaw is having it not move or a travel limit
 249         occasionally due to some dirt in the tube or on the ball.
 250         */
 251         // the_TC_rad = - ( FGBFI::getSideSlip () ); /* incorrect */
 252         d = - current_aircraft.fdm_state->get_A_Z_pilot();
 253         if ( d < 1 ) d = 1;
 254         set_lowpass ( & the_TC_rad,
 255                 current_aircraft.fdm_state->get_A_Y_pilot () / d,
 256                 dt );
 257
 258         /**************************
 259         The rate of turn indication is from an electric gyro.
 260         We should have it spin up with the master switch.
 261         It is mounted at a funny angle so that it detects
 262         both rate of bank (i.e. rolling into and out of turns)
 263         and the rate of turn (i.e. how fast heading is changing).
 264         */
 265         set_lowpass ( & the_TC_std,
 266                 current_aircraft.fdm_state->get_Phi_dot ()
 267                         * RAD_TO_DEG / 20.0 +
 268                 current_aircraft.fdm_state->get_Psi_dot ()
 269                         * RAD_TO_DEG / 3.0  , dt );
 270
 271         /**************************
 272         We want to know the pilot accelerations,
 273         to compute the magnetic compass errors.
 274         */
 275         AccN = current_aircraft.fdm_state->get_V_dot_north();
 276         AccE = current_aircraft.fdm_state->get_V_dot_east();
 277         AccU = current_aircraft.fdm_state->get_V_dot_down()
 278              - 9.81 / 0.3;
 279         if ( fabs(the_TC_rad) > 0.2 )
 280         {       /* Massive sideslip jams it; it stops turning */
 281                 the_MH_degps = 0.0;
 282                 the_MH_err   = FGBFI::getHeading () - the_MH_deg;
 283         } else
 284         {       double MagDip, MagVar, CosDip;
 285                 double FrcN, FrcE, FrcU, AccTot;
 286                 double EdgN, EdgE, EdgU;
 287                 double TrqN, TrqE, TrqU, Torque;
 288                 /* Find a force vector towards exact magnetic north */
 289                 MagVar = FGBFI::getMagVar() / RAD_TO_DEG;
 290                 MagDip = FGBFI::getMagDip() / RAD_TO_DEG;
 291                 CosDip = cos ( MagDip );
 292                 FrcN = CosDip * cos ( MagVar );
 293                 FrcE = CosDip * sin ( MagVar );
 294                 FrcU = sin ( MagDip );
 295                 /* Rotation occurs around acceleration axis,
 296                    but axis magnitude is irrelevant.  So compute it. */
 297                 AccTot = AccN*AccN + AccE*AccE + AccU*AccU;
 298                 if ( AccTot > 1.0 )  AccTot = sqrt ( AccTot );
 299                                 else AccTot = 1.0;
 300                 /* Force applies to north marking on compass card */
 301                 EdgN = cos ( the_MH_err / RAD_TO_DEG );
 302                 EdgE = sin ( the_MH_err / RAD_TO_DEG );
 303                 EdgU = 0.0;
 304                 /* Apply the force to the edge to get torques */
 305                 TrqN = EdgE * FrcU - EdgU * FrcE;
 306                 TrqE = EdgU * FrcN - EdgN * FrcU;
 307                 TrqU = EdgN * FrcE - EdgE * FrcN;
 308                 /* Select the component parallel to the axis */
 309                 Torque = ( TrqN * AccN +
 310                            TrqE * AccE +
 311                            TrqU * AccU ) * 5.0 / AccTot;
 312                 /* The magnetic compass has angular momentum,
 313                    so we apply a torque to it and wait */
 314                 if ( dt < 1.0 )
 315                 {       the_MH_degps= the_MH_degps * (1.0 - dt) - Torque;
 316                         the_MH_err += dt * the_MH_degps;
 317                 }
 318                 if ( the_MH_err >  180.0 ) the_MH_err -= 360.0; else
 319                 if ( the_MH_err < -180.0 ) the_MH_err += 360.0;
 320                 the_MH_deg  = FGBFI::getHeading () - the_MH_err;
 321         }
 322
 323         /**************************
 324         This is not actually correct, but provides a
 325         scaling capability for the vacuum pump later on.
 326         When we have a real engine model, we can ask it.
 327         */
 328         the_ENGINE_rpm = controls.get_throttle(0) * 26.0;
 329
 330         /**************************
 331         First, we need to know what the static line is reporting,
 332         which is a whole simulation area in itself.  For now, we cheat.
 333         We filter the actual value by one second to
 334         account for the line impedance of the plumbing.
 335         */
 336         double static_inhg = altFtToPressInHg(FGBFI::getAltitude());
 337         set_lowpass ( & the_STATIC_inhg, static_inhg, dt );
 338
 339         /*
 340         NO alternate static source error (student feature),
 341         NO possibility of blockage (instructor feature),
 342         NO slip-induced error, important for C172 for example.
 343         */
 344
 345         /**************************
 346         Altimeter.
 347         ICAO standard atmosphere MSL pressure is 1013.25 mb, and pressure
 348         gradient is about 28 ft per mb at MSL increasing to about 32 at
 349         5000 and 38 at 10000 ft.
 350         Standard altimeters apply the subscale offset to the output altitude,
 351         not to the input pressure; I don't know exactly what pressure gradient
 352         they assume for this.  I choose to make it accurate at low altitudes.
 353         Remember, we are trying to simulate a real altimeter, not an ideal one.
 354         */
 355         set_lowpass ( & the_ALT_ft,
 356             pressInHgToAltFt(the_STATIC_inhg) +
 357             (the_ALT_datum_mb - 1013.25) * 28.0, /* accurate at low alt. */
 358             dt * 10 ); /* smoothing time 0.1 s */
 359
 360         /**************************
 361         The VSI case is a low-pass filter of the static line pressure.
 362         The instrument reports the difference, scaled to approx ft.
 363         NO option for student to break glass when static source fails.
 364         NO capability for a fixed non-zero reading when level.
 365         NO capability to have a scaling error of maybe a factor of two.
 366         */
 367         the_VSI_fps = ( the_VSI_case - the_STATIC_inhg )
 368                     * 10000.0; /* manual scaling factor */
 369         set_lowpass ( & the_VSI_case, the_STATIC_inhg, dt/6.0 );
 370
 371         /**************************
 372         The engine driven vacuum pump is directly attached
 373         to the engine shaft, so each engine rotation pumps
 374         a fixed volume.  The amount of air in that volume
 375         is determined by the vacuum line's internal pressure.
 376         The instruments are essentially leaking air like
 377         a fixed source impedance from atmospheric pressure.
 378         The regulator provides a digital limit setting,
 379         which is open circuit unless the pressure drop is big.
 380         Thus, we can compute the vacuum line pressure directly.
 381         We assume that there is negligible reservoir space.
 382         NO failure of the pump supported (yet)
 383         */
 384         the_VACUUM_inhg = the_STATIC_inhg *
 385                 the_ENGINE_rpm / ( the_ENGINE_rpm + 10000.0 );
 386         if ( the_VACUUM_inhg > 5.0 )
 387              the_VACUUM_inhg = 5.0;
 388
 389 /*
 390 > I was merely going to do the engine rpm driven vacuum pump for both
 391 > the AI and DG, have the gyros spin down down in power off descents,
 392 > have it tumble when you exceed the usual pitch or bank limits,
 393 > put in those insidious turning errors ... for now anyway.
 394 */
 395         if ( _UpdatesPending > 999999 )
 396             the_DG_err = FGBFI::getMagVar();
 397         the_DG_degps = 0.01; /* HACK! */
 398         if (dt<1.0) the_DG_err += dt * the_DG_degps;
 399         the_DG_deg = FGBFI::getHeading () - the_DG_err;
 400
 401         /**************************
 402         Finished updates, now clear the timer
 403         */
 404         _UpdatesPending = 0;
 405   } else {
 406       // cout << "0 Updates pending" << endl;
 407   }
 408 }
 409
 410 \f
 411 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 412 // Everything below is a transient hack; expect it to disappear
 413 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 414
 415
 416 double FGSteam::get_HackGS_deg () {
 417     if ( current_radiostack->get_nav1_inrange() &&
 418          current_radiostack->get_nav1_has_gs() )
 419     {
 420         double x = current_radiostack->get_nav1_gs_dist();
 421         double y = (FGBFI::getAltitude() - current_radiostack->get_nav1_elev())
 422             * FEET_TO_METER;
 423         double angle = atan2( y, x ) * RAD_TO_DEG;
 424         return (current_radiostack->get_nav1_target_gs() - angle) * 5.0;
 425     } else {
 426         return 0.0;
 427     }
 428 }
 429
 430
 431 double FGSteam::get_HackVOR1_deg () {
 432     double r;
 433
 434     if ( current_radiostack->get_nav1_inrange() ) {
 435         r = current_radiostack->get_nav1_heading()
 436             - current_radiostack->get_nav1_radial();
 437         // cout << "Radial = " << current_radiostack->get_nav1_radial()
 438         //      << "  Bearing = " << current_radiostack->get_nav1_heading()
 439         //      << endl;
 440
 441         if (r> 180.0) r-=360.0; else
 442             if (r<-180.0) r+=360.0;
 443         if ( fabs(r) > 90.0 )
 444             r = ( r<0.0 ? -r-180.0 : -r+180.0 );
 445         // According to Robin Peel, the ILS is 4x more sensitive than a vor
 446         if ( current_radiostack->get_nav1_loc() ) r *= 4.0;
 447     } else {
 448         r = 0.0;
 449     }
 450
 451     return r;
 452 }
 453
 454
 455 double FGSteam::get_HackVOR2_deg () {
 456     double r;
 457
 458     if ( current_radiostack->get_nav2_inrange() ) {
 459         r = current_radiostack->get_nav2_heading()
 460             - current_radiostack->get_nav2_radial();
 461         // cout << "Radial = " << current_radiostack->get_nav1_radial()
 462         // << "  Bearing = " << current_radiostack->get_nav1_heading() << endl;
 463
 464         if (r> 180.0) r-=360.0; else
 465             if (r<-180.0) r+=360.0;
 466         if ( fabs(r) > 90.0 )
 467             r = ( r<0.0 ? -r-180.0 : -r+180.0 );
 468     } else {
 469         r = 0.0;
 470     }
 471
 472     return r;
 473 }
 474
 475
 476 double FGSteam::get_HackOBS1_deg () {
 477     return current_radiostack->get_nav1_radial();
 478 }
 479
 480
 481 double FGSteam::get_HackOBS2_deg () {
 482     return current_radiostack->get_nav2_radial();
 483 }
 484
 485
 486 double FGSteam::get_HackADF_deg () {
 487     double r;
 488
 489     if ( current_radiostack->get_adf_inrange() ) {
 490         r = current_radiostack->get_adf_heading() - FGBFI::getHeading();
 491
 492         // cout << "Radial = " << current_radiostack->get_adf_heading()
 493         //      << "  Heading = " << FGBFI::getHeading() << endl;
 494     } else {
 495         r = 0.0;
 496     }
 497
 498     return r;
 499 }
 500
 501
 502 // end of steam.cxx