src/Environment/atmosphere.hxx

   1 // atmosphere.hxx -- routines to model the air column
   2 //
   3 // Written by David Megginson, started February 2002.
   4 // Modified by John Denker to correct physics errors in 2007
   5 //
   6 // Copyright (C) 2002  David Megginson - david@megginson.com
   7 //
   8 // This program is free software; you can redistribute it and/or
   9 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
  10 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  11 // License, or (at your option) any later version.
  12 //
  13 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  14 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  16 // General Public License for more details.
  17 //
  18 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  19 // along with this program; if not, write to the Free Software
  20 // Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301, USA.
  21 //
  22 // $Id$
  23
  24
  25 #ifndef _ATMOSPHERE_HXX
  26 #define _ATMOSPHERE_HXX
  27
  28 #include <simgear/compiler.h>
  29 #include <simgear/math/interpolater.hxx>
  30
  31 #include <cmath>
  32 #include <utility>
  33
  34 /**
  35  * Model the atmosphere in a way consistent with the laws
  36  * of physics.
  37  *
  38  * Each instance of this class models a particular air mass.
  39  * You may freely move up, down, or sideways in the air mass.
  40  * In contrast, if you want to compare different air masses,
  41  * you should use a separate instance for each one.
  42  *
  43  * See also ./environment.hxx
  44  */
  45
  46 #define SCD(name,val) const double name(val)
  47 namespace atmodel {
  48     SCD(g, 9.80665);            // [m/s/s] acceleration of gravity
  49     SCD(mm, .0289644);          // [kg/mole] molar mass of air (dry?)
  50     SCD(Rgas, 8.31432);         // [J/K/mole] gas constant
  51     SCD(inch, 0.0254);          // [m] definition of inch
  52     SCD(foot, 12 * inch);       // [m]
  53     SCD(inHg, 101325.0 / 760 * 1000 * inch);  // [Pa] definition of inHg
  54     SCD(mbar, 100.);            // [Pa] definition of millibar
  55     SCD(freezing, 273.15);      // [K] centigrade - kelvin offset
  56     SCD(nm, 1852);              // [m] nautical mile (NIST)
  57     SCD(sm, 5280*foot);         // [m] nautical mile (NIST)
  58
  59     namespace ISA {
  60         SCD(P0, 101325.0);              // [pascals] ISA sea-level pressure
  61         SCD(T0, 15. + freezing);        // [K] ISA sea-level temperature
  62         SCD(lam0, .0065);               // [K/m] ISA troposphere lapse rate
  63     }
  64 }
  65 #undef SCD
  66
  67
  68
  69 class ISA_layer {
  70 public:
  71   double height;
  72   double temp;
  73   double lapse;
  74   ISA_layer(int, double h, double, double, double, double t, double,
  75                     double l=-1, double=0)
  76    :  height(h),        // [meters]
  77       temp(t),          // [kelvin]
  78       lapse(l)          // [K/m]
  79   {}
  80 };
  81
  82 extern const ISA_layer ISA_def[];
  83
  84 std::pair<double,double> PT_vs_hpt(
  85           const double hh,
  86           const double _p0 = atmodel::ISA::P0,
  87           const double _t0 = atmodel::ISA::T0);
  88
  89 double P_layer(const double height, const double href,
  90   const double Pref, const double Tref, const double lapse );
  91
  92 double T_layer(const double height, const double href,
  93   const double Pref, const double Tref,  const double lapse );
  94
  95 // The base class is little more than a namespace.
  96 // It has no constructor, no destructor, and no variables.
  97 class FGAtmo {
  98 public:
  99     double a_vs_p(const double press, const double qnh = atmodel::ISA::P0);
 100     double fake_T_vs_a_us(const double h_ft,
 101                 const double Tsl = atmodel::ISA::T0) const;
 102     double fake_dp_vs_a_us(const double dpsl, const double h_ft);
 103     void check_one(const double height);
 104
 105 // Altimeter setting _in pascals_
 106 //  ... caller gets to convert to inHg or millibars
 107 // Field elevation in m
 108 // Field pressure in pascals
 109 // Valid for fields within the troposphere only.
 110     double QNH(const double field_elev, const double field_press);
 111 /**
 112  * Invert the QNH calculation to get the field pressure from a metar
 113  * report. Valid for fields within the troposphere only.
 114  * @param field_elev field elevation in m
 115  * @param qnh altimeter setting in pascals
 116  * @return field pressure _in pascals_. Caller gets to convert to inHg
 117  * or millibars
 118  */
 119     static double fieldPressure(const double field_elev, const double qnh);
 120 };
 121
 122
 123
 124 class FGAtmoCache : FGAtmo {
 125     friend class FGAltimeter;
 126     SGInterpTable * a_tvs_p;    // _tvs_ means "tabulated versus"
 127
 128 public:
 129     FGAtmoCache();
 130     ~FGAtmoCache();
 131     void tabulate();
 132     void cache();
 133     void check_model();  // debug
 134 };
 135
 136
 137
 138 class FGAltimeter : public FGAtmoCache {
 139     double kset;
 140     double kft;
 141
 142 public:
 143     FGAltimeter();
 144     double reading_ft(const double p_inHg,
 145             const double set_inHg = atmodel::ISA::P0/atmodel::inHg);
 146     inline double press_alt_ft(const double p_inHg) {
 147         return a_tvs_p->interpolate(p_inHg);
 148     }
 149     inline double kollsman_ft(const double set_inHg) {
 150         return a_tvs_p->interpolate(set_inHg);
 151     }
 152
 153     // debug
 154     void dump_stack();
 155     void dump_stack1(const double Tref);
 156 };
 157
 158 #endif // _ATMOSPHERE_HXX