src/FDM/JSBSim/models/atmosphere/FGStandardAtmosphere.h

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Header:       FGStandardAtmosphere.h
   4  Author:       Jon Berndt
   5  Date started: 5/2011
   6
   7  ------------- Copyright (C) 2011  Jon S. Berndt (jon@jsbsim.org) -------------
   8
   9  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  10  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  11  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  12  version.
  13
  14  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  15  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  16  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  20  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  21  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  22
  23  Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  24  the world wide web at http://www.gnu.org.
  25
  26 HISTORY
  27 --------------------------------------------------------------------------------
  28 5/2011   JSB   Created
  29
  30 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  31 SENTRY
  32 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  33
  34 #ifndef FGSTANDARDATMOSPHERE_H
  35 #define FGSTANDARDATMOSPHERE_H
  36
  37 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  38 INCLUDES
  39 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  40
  41 #include <vector>
  42 #include "math/FGTable.h"
  43 #include "models/FGAtmosphere.h"
  44
  45 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  46 DEFINITIONS
  47 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  48
  49 #define ID_STANDARDATMOSPHERE "$Id: FGStandardAtmosphere.h,v 1.17 2012/04/13 13:18:27 jberndt Exp $"
  50
  51 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  52 FORWARD DECLARATIONS
  53 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  54
  55 namespace JSBSim {
  56
  57 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  58 CLASS DOCUMENTATION
  59 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  60
  61 /** Models the 1976 U.S. Standard Atmosphere, with the ability to modify the
  62     temperature and pressure. A base feature of the model is the temperature
  63     profile that is stored as an FGTable object with this data:
  64
  65 @code
  66 GeoMet Alt    Temp      GeoPot Alt  GeoMet Alt
  67    (ft)      (deg R)      (km)        (km)
  68  ---------  --------    ----------  ----------
  69        0.0    518.67 //    0.000       0.000
  70    36151.6    390.0  //   11.000      11.019
  71    65823.5    390.0  //   20.000      20.063
  72   105518.4    411.6  //   32.000      32.162
  73   155347.8    487.2  //   47.000      47.350
  74   168677.8    487.2  //   51.000      51.413
  75   235570.9    386.4  //   71.000      71.802
  76   282152.2    336.5; //   84.852      86.000
  77 @endcode
  78
  79 The pressure is calculated at lower altitudes through the use of two equations
  80 that are presented in the U.S. Standard Atmosphere document (see references).
  81 Density, kinematic viscosity, speed of sound, etc., are all calculated based
  82 on various constants and temperature and pressure. At higher altitudes (above
  83 86 km (282152 ft) a different and more complicated method of calculating
  84 pressure is used.
  85 The temperature may be modified through the use of several methods. Ultimately,
  86 these access methods allow the user to modify the sea level standard temperature,
  87 and/or the sea level standard pressure, so that the entire profile will be
  88 consistently and accurately calculated.
  89
  90   <h2> Properties </h2>
  91   @property atmosphere/delta-T
  92   @property atmosphere/T-sl-dev-F
  93
  94   @author Jon Berndt
  95   @see "U.S. Standard Atmosphere, 1976", NASA TM-X-74335
  96   @version $Id: FGStandardAtmosphere.h,v 1.17 2012/04/13 13:18:27 jberndt Exp $
  97 */
  98
  99 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 100 CLASS DECLARATION
 101 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 102
 103 class FGStandardAtmosphere : public FGAtmosphere {
 104 public:
 105   /// Constructor
 106   FGStandardAtmosphere(FGFDMExec*);
 107
 108   /// Destructor
 109   virtual ~FGStandardAtmosphere();
 110
 111   bool InitModel(void);
 112
 113   //  *************************************************************************
 114   /// @name Temperature access functions.
 115   /// There are several ways to get the temperature, and several modeled temperature
 116   /// values that can be retrieved. The U.S. Standard Atmosphere temperature either
 117   /// at a specified altitude, or at sea level can be retrieved. These two temperatures
 118   /// do NOT include the effects of any bias or delta gradient that may have been
 119   /// supplied by the user. The modeled temperature and the modeled temperature
 120   /// at sea level can also be retrieved. These two temperatures DO include the
 121   /// effects of an optionally user-supplied bias or delta gradient.
 122   // @{
 123   /// Returns the actual modeled temperature in degrees Rankine at a specified altitude.
 124   /// @param altitude The altitude above sea level (ASL) in feet.
 125   /// @return Modeled temperature in degrees Rankine at the specified altitude.
 126   virtual double GetTemperature(double altitude) const;
 127
 128   /// Returns the standard temperature in degrees Rankine at a specified altitude.
 129   /// @param altitude The altitude in feet above sea level (ASL) to get the temperature at.
 130   /// @return The STANDARD temperature in degrees Rankine at the specified altitude.
 131   virtual double GetStdTemperature(double altitude) const;
 132
 133   /// Returns the standard sea level temperature in degrees Rankine.
 134   /// @return The STANDARD temperature at sea level in degrees Rankine.
 135   virtual double GetStdTemperatureSL() const { return GetStdTemperature(0.0); }
 136
 137   /// Returns the ratio of the standard temperature at the supplied altitude
 138   /// over the standard sea level temperature.
 139   virtual double GetStdTemperatureRatio(double h) const { return GetStdTemperature(h)*rSLtemperature; }
 140
 141   /// Returns the temperature bias over the sea level value in degrees Rankine.
 142   virtual double GetTemperatureBias(eTemperature to) const
 143   { if (to == eCelsius || to == eKelvin) return TemperatureBias/1.80; else return TemperatureBias; }
 144
 145   /// Returns the temperature gradient to be applied on top of the standard
 146   /// temperature gradient.
 147   virtual double GetTemperatureDeltaGradient(eTemperature to)
 148   { if (to == eCelsius || to == eKelvin) return TemperatureDeltaGradient/1.80; else return TemperatureDeltaGradient; }
 149
 150   /// Sets the Sea Level temperature, if it is to be different than the standard.
 151   /// This function will calculate a bias - a difference - from the standard
 152   /// atmosphere temperature and will apply that bias to the entire
 153   /// temperature profile. This is one way to set the temperature bias. Using
 154   /// the SetTemperatureBias function will replace the value calculated by
 155   /// this function.
 156   /// @param t the temperature value in the unit provided.
 157   /// @param unit the unit of the temperature.
 158   virtual void SetTemperatureSL(double t, eTemperature unit=eFahrenheit);
 159
 160   /// Sets the temperature at the supplied altitude, if it is to be different
 161   /// than the standard temperature.
 162   /// This function will calculate a bias - a difference - from the standard
 163   /// atmosphere temperature at the supplied altitude and will apply that
 164   /// calculated bias to the entire temperature profile. If a graded delta is
 165   /// present, that will be included in the calculation - that is, regardless
 166   /// of any graded delta present, a temperature bias will be determined so that
 167   /// the temperature requested in this function call will be reached.
 168   /// @param t The temperature value in the unit provided.
 169   /// @param h The altitude in feet above sea level.
 170   /// @param unit The unit of the temperature.
 171   virtual void SetTemperature(double t, double h, eTemperature unit=eFahrenheit);
 172
 173   /// Sets the temperature bias to be added to the standard temperature at all altitudes.
 174   /// This function sets the bias - the difference - from the standard
 175   /// atmosphere temperature. This bias applies to the entire
 176   /// temperature profile. Another way to set the temperature bias is to use the
 177   /// SetSLTemperature function, which replaces the value calculated by
 178   /// this function with a calculated bias.
 179   /// @param t the temperature value in the unit provided.
 180   /// @param unit the unit of the temperature.
 181   virtual void SetTemperatureBias(eTemperature unit, double t);
 182
 183   /// Sets a Sea Level temperature delta that is ramped out by 86 km.
 184   /// The value of the delta is used to calculate a delta gradient that is
 185   /// applied to the temperature at all altitudes below 86 km (282152 ft).
 186   /// For instance, if a temperature of 20 degrees F is supplied, the delta
 187   /// gradient would be 20/282152 - or, about 7.09E-5 degrees/ft. At sea level,
 188   /// the full 20 degrees would be added to the standard temperature,
 189   /// but that 20 degree delta would be reduced by 7.09E-5 degrees for every
 190   /// foot of altitude above sea level, so that by 86 km, there would be no
 191   /// further delta added to the standard temperature.
 192   /// The graded delta can be used along with the a bias to tailor the
 193   /// temperature profile as desired.
 194   /// @param t the sea level temperature delta value in the unit provided.
 195   /// @param unit the unit of the temperature.
 196   virtual void SetSLTemperatureGradedDelta(eTemperature unit, double t);
 197
 198   /// Sets the temperature delta value at the supplied altitude/elevation above
 199   /// sea level, to be added to the standard temperature and ramped out by
 200   /// 86 km.
 201   /// This function computes the sea level delta from the standard atmosphere
 202   /// temperature at sea level.
 203   /// @param t the temperature skew value in the unit provided.
 204   /// @param unit the unit of the temperature.
 205   virtual void SetTemperatureGradedDelta(double t, double h, eTemperature unit=eFahrenheit);
 206
 207   /// This function resets the model to apply no bias or delta gradient to the
 208   /// temperature.
 209   /// The delta gradient and bias values are reset to 0.0, and the standard
 210   /// temperature is used for the entire temperature profile at all altitudes.
 211   virtual void ResetSLTemperature();
 212   //@}
 213
 214   //  *************************************************************************
 215   /// @name Pressure access functions.
 216   //@{
 217   /// Returns the pressure at a specified altitude in psf.
 218   virtual double GetPressure(double altitude) const;
 219
 220   /// Returns the standard pressure at a specified altitude in psf
 221   virtual double GetStdPressure100K(double altitude) const;
 222
 223   /// Returns the standard pressure at the specified altitude.
 224   virtual double GetStdPressure(double altitude) const;
 225
 226   /** Sets the sea level pressure for modeling an off-standard pressure
 227       profile. This could be useful in the case where the pressure at an
 228       airfield is known or set for a particular simulation run.
 229       @param pressure The pressure in the units specified.
 230       @param unit the unit of measure that the specified pressure is
 231                        supplied in.*/
 232   virtual void SetPressureSL(ePressure unit, double pressure);
 233
 234   /** Resets the sea level to the Standard sea level pressure, and recalculates
 235       dependent parameters so that the pressure calculations are standard. */
 236   virtual void ResetSLPressure();
 237   //@}
 238
 239   //  *************************************************************************
 240   /// @name Density access functions.
 241   //@{
 242   /// Returns the standard density at a specified altitude
 243   virtual double GetStdDensity(double altitude) const;
 244   //@}
 245
 246   /// Prints the U.S. Standard Atmosphere table.
 247   virtual void PrintStandardAtmosphereTable();
 248
 249 protected:
 250   double StdSLtemperature, StdSLdensity, StdSLpressure, StdSLsoundspeed; // Standard sea level conditions
 251
 252   double TemperatureBias;
 253   double TemperatureDeltaGradient;
 254   double GradientFadeoutAltitude;
 255
 256   FGTable* StdAtmosTemperatureTable;
 257   std::vector<double> LapseRateVector;
 258   std::vector<double> PressureBreakpointVector;
 259
 260   /// Recalculate the lapse rate vectors when the temperature profile is altered
 261   /// in a way that would change the lapse rates, such as when a gradient is applied.
 262   /// This function is also called to initialize the lapse rate vector.
 263   void CalculateLapseRates();
 264
 265   /// Calculate (or recalculate) the atmospheric pressure breakpoints at the
 266   /// altitudes in the standard temperature table.
 267   void CalculatePressureBreakpoints();
 268
 269   virtual void bind(void);
 270   void Debug(int from);
 271 };
 272
 273 } // namespace JSBSim
 274
 275 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 276 #endif
 277