src/Time/moonpos.cxx

   1 // moonpos.cxx (basically, this is a slightly modified version of the 'sunpos.cxx' file, adapted from XEarth)
   2
   3 // kirk johnson
   4 // july 1993
   5 //
   6 // code for calculating the position on the earth's surface for which
   7 // the moon is directly overhead (adapted from _practical astronomy
   8 // with your calculator, third edition_, peter duffett-smith,
   9 // cambridge university press, 1988.)
  10 //
  11 // Copyright (C) 1989, 1990, 1993, 1994, 1995 Kirk Lauritz Johnson
  12 //
  13 // Parts of the source code (as marked) are:
  14 //   Copyright (C) 1989, 1990, 1991 by Jim Frost
  15 //   Copyright (C) 1992 by Jamie Zawinski <jwz@lucid.com>
  16 //
  17 // Permission to use, copy, modify and freely distribute xearth for
  18 // non-commercial and not-for-profit purposes is hereby granted
  19 // without fee, provided that both the above copyright notice and this
  20 // permission notice appear in all copies and in supporting
  21 // documentation.
  22 //
  23 // The author makes no representations about the suitability of this
  24 // software for any purpose. It is provided "as is" without express or
  25 // implied warranty.
  26 //
  27 // THE AUTHOR DISCLAIMS ALL WARRANTIES WITH REGARD TO THIS SOFTWARE,
  28 // INCLUDING ALL IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS,
  29 // IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR BE LIABLE FOR ANY SPECIAL, INDIRECT
  30 // OR CONSEQUENTIAL DAMAGES OR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM
  31 // LOSS OF USE, DATA OR PROFITS, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT,
  32 // NEGLIGENCE OR OTHER TORTIOUS ACTION, ARISING OUT OF OR IN
  33 // CONNECTION WITH THE USE OR PERFORMANCE OF THIS SOFTWARE.
  34 //
  35 // $Id$
  36
  37
  38 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  39 #  include <config.h>
  40 #endif
  41
  42 #include <simgear/compiler.h>
  43
  44 #ifdef FG_HAVE_STD_INCLUDES
  45 #  include <cmath>
  46 #  include <cstdio>
  47 #  include <ctime>
  48 #else
  49 #  include <math.h>
  50 #  include <stdio.h>
  51 #  include <time.h>
  52 #endif
  53
  54 #include <simgear/constants.h>
  55 #include <simgear/debug/logstream.hxx>
  56 #include <simgear/ephemeris/ephemeris.hxx>
  57 #include <simgear/math/fg_geodesy.hxx>
  58 #include <simgear/math/point3d.hxx>
  59 #include <simgear/math/polar3d.hxx>
  60 #include <simgear/math/vector.hxx>
  61
  62 #include <Main/globals.hxx>
  63 #include <Main/views.hxx>
  64 #include <Scenery/scenery.hxx>
  65
  66 #include "moonpos.hxx"
  67
  68 #undef E
  69
  70
  71 /*
  72  * the epoch upon which these astronomical calculations are based is
  73  * 1990 january 0.0, 631065600 seconds since the beginning of the
  74  * "unix epoch" (00:00:00 GMT, Jan. 1, 1970)
  75  *
  76  * given a number of seconds since the start of the unix epoch,
  77  * DaysSinceEpoch() computes the number of days since the start of the
  78  * astronomical epoch (1990 january 0.0)
  79  */
  80
  81 #define EpochStart           (631065600)
  82 #define DaysSinceEpoch(secs) (((secs)-EpochStart)*(1.0/(24*3600)))
  83
  84 /*
  85  * assuming the apparent orbit of the moon about the earth is circular,
  86  * the rate at which the orbit progresses is given by RadsPerDay --
  87  * FG_2PI radians per orbit divided by 365.242191 days per year:
  88  */
  89
  90 #define RadsPerDay (FG_2PI/365.242191)
  91
  92 /*
  93  * details of moon's apparent orbit at epoch 1990.0 (after
  94  * duffett-smith, table 6, section 46)
  95  *
  96  * Epsilon_g    (ecliptic longitude at epoch 1990.0) 279.403303 degrees
  97  * OmegaBar_g   (ecliptic longitude of perigee)      282.768422 degrees
  98  * Eccentricity (eccentricity of orbit)                0.016713
  99  */
 100
 101 #define Epsilon_g    (279.403303*(FG_2PI/360))
 102 #define OmegaBar_g   (282.768422*(FG_2PI/360))
 103 #define Eccentricity (0.016713)
 104
 105 /*
 106  * MeanObliquity gives the mean obliquity of the earth's axis at epoch
 107  * 1990.0 (computed as 23.440592 degrees according to the method given
 108  * in duffett-smith, section 27)
 109  */
 110 #define MeanObliquity (23.440592*(FG_2PI/360))
 111
 112 /* static double solve_keplers_equation(double); */
 113 /* static double moon_ecliptic_longitude(time_t); */
 114 static void   ecliptic_to_equatorial(double, double, double *, double *);
 115 static double julian_date(int, int, int);
 116 static double GST(time_t);
 117
 118 /*
 119  * solve Kepler's equation via Newton's method
 120  * (after duffett-smith, section 47)
 121  */
 122 /*
 123 static double solve_keplers_equation(double M) {
 124     double E;
 125     double delta;
 126
 127     E = M;
 128     while (1) {
 129         delta = E - Eccentricity*sin(E) - M;
 130         if (fabs(delta) <= 1e-10) break;
 131         E -= delta / (1 - Eccentricity*cos(E));
 132     }
 133
 134     return E;
 135 }
 136 */
 137
 138
 139 /* compute ecliptic longitude of moon (in radians) (after
 140  * duffett-smith, section 47) */
 141 /*
 142 static double moon_ecliptic_longitude(time_t ssue) {
 143     // time_t ssue;              //  seconds since unix epoch
 144     double D, N;
 145     double M_moon, E;
 146     double v;
 147
 148     D = DaysSinceEpoch(ssue);
 149
 150     N = RadsPerDay * D;
 151     N = fmod(N, FG_2PI);
 152     if (N < 0) N += FG_2PI;
 153
 154     M_moon = N + Epsilon_g - OmegaBar_g;
 155     if (M_moon < 0) M_moon += FG_2PI;
 156
 157     E = solve_keplers_equation(M_moon);
 158     v = 2 * atan(sqrt((1+Eccentricity)/(1-Eccentricity)) * tan(E/2));
 159
 160     return (v + OmegaBar_g);
 161 }
 162 */
 163
 164
 165 /* convert from ecliptic to equatorial coordinates (after
 166  * duffett-smith, section 27) */
 167
 168 static void ecliptic_to_equatorial(double lambda, double beta,
 169                                    double *alpha, double *delta) {
 170     /* double  lambda;            ecliptic longitude       */
 171     /* double  beta;              ecliptic latitude        */
 172     /* double *alpha;             (return) right ascension */
 173     /* double *delta;             (return) declination     */
 174
 175     double sin_e, cos_e;
 176     double sin_l, cos_l;
 177
 178     sin_e = sin(MeanObliquity);
 179     cos_e = cos(MeanObliquity);
 180     sin_l = sin(lambda);
 181     cos_l = cos(lambda);
 182
 183     *alpha = atan2(sin_l*cos_e - tan(beta)*sin_e, cos_l);
 184     *delta = asin(sin(beta)*cos_e + cos(beta)*sin_e*sin_l);
 185 }
 186
 187
 188 /* computing julian dates (assuming gregorian calendar, thus this is
 189  * only valid for dates of 1582 oct 15 or later) (after duffett-smith,
 190  * section 4) */
 191
 192 static double julian_date(int y, int m, int d) {
 193     /* int y;                    year (e.g. 19xx)          */
 194     /* int m;                    month (jan=1, feb=2, ...) */
 195     /* int d;                    day of month              */
 196
 197     int    A, B, C, D;
 198     double JD;
 199
 200     /* lazy test to ensure gregorian calendar */
 201     if (y < 1583) {
 202         FG_LOG( FG_EVENT, FG_ALERT,
 203                 "WHOOPS! Julian dates only valid for 1582 oct 15 or later" );
 204     }
 205
 206     if ((m == 1) || (m == 2)) {
 207         y -= 1;
 208         m += 12;
 209     }
 210
 211     A = y / 100;
 212     B = 2 - A + (A / 4);
 213     C = (int)(365.25 * y);
 214     D = (int)(30.6001 * (m + 1));
 215
 216     JD = B + C + D + d + 1720994.5;
 217
 218     return JD;
 219 }
 220
 221
 222 /* compute greenwich mean sidereal time (GST) corresponding to a given
 223  * number of seconds since the unix epoch (after duffett-smith,
 224  * section 12) */
 225 static double GST(time_t ssue) {
 226     /* time_t ssue;           seconds since unix epoch */
 227
 228     double     JD;
 229     double     T, T0;
 230     double     UT;
 231     struct tm *tm;
 232
 233     tm = gmtime(&ssue);
 234
 235     JD = julian_date(tm->tm_year+1900, tm->tm_mon+1, tm->tm_mday);
 236     T  = (JD - 2451545) / 36525;
 237
 238     T0 = ((T + 2.5862e-5) * T + 2400.051336) * T + 6.697374558;
 239
 240     T0 = fmod(T0, 24.0);
 241     if (T0 < 0) T0 += 24;
 242
 243     UT = tm->tm_hour + (tm->tm_min + tm->tm_sec / 60.0) / 60.0;
 244
 245     T0 += UT * 1.002737909;
 246     T0 = fmod(T0, 24.0);
 247     if (T0 < 0) T0 += 24;
 248
 249     return T0;
 250 }
 251
 252
 253 /* given a particular time (expressed in seconds since the unix
 254  * epoch), compute position on the earth (lat, lon) such that moon is
 255  * directly overhead.  (lat, lon are reported in radians */
 256
 257 void fgMoonPosition(time_t ssue, double *lon, double *lat) {
 258     /* time_t  ssue;           seconds since unix epoch */
 259     /* double *lat;            (return) latitude        */
 260     /* double *lon;            (return) longitude       */
 261
 262     /* double lambda; */
 263     double alpha, delta;
 264     double tmp;
 265
 266     /* lambda = moon_ecliptic_longitude(ssue); */
 267     /* ecliptic_to_equatorial(lambda, 0.0, &alpha, &delta); */
 268     //ecliptic_to_equatorial (solarPosition.lonMoon, 0.0, &alpha, &delta);
 269
 270     /* **********************************************************************
 271      * NOTE: in the next function, each time the moon's position is updated, the
 272      * the moon's longitude is returned from solarSystem->moon. Note that the
 273      * moon's position is updated at a much higher frequency than the rate at
 274      * which the solar system's rebuilds occur. This is not a problem, however,
 275      * because the fgMoonPosition we're talking about here concerns the changing
 276      * position of the moon due to the daily rotation of the earth.
 277      * The ecliptic longitude, however, represents the position of the moon with
 278      * respect to the stars, and completes just one cycle over the course of a
 279      * year. Its therefore pretty safe to update the moon's longitude only once
 280      * every ten minutes. (Comment added by Durk Talsma).
 281      ************************************************************************/
 282
 283     ecliptic_to_equatorial( globals->get_ephem()->get_moon()->getLon(),
 284                             0.0, &alpha, &delta );
 285     tmp = alpha - (FG_2PI/24)*GST(ssue);
 286     if (tmp < -FG_PI) {
 287         do tmp += FG_2PI;
 288         while (tmp < -FG_PI);
 289     } else if (tmp > FG_PI) {
 290         do tmp -= FG_2PI;
 291         while (tmp < -FG_PI);
 292     }
 293
 294     *lon = tmp;
 295     *lat = delta;
 296 }
 297
 298
 299 /* given a particular time expressed in side real time at prime
 300  * meridian (GST), compute position on the earth (lat, lon) such that
 301  * moon is directly overhead.  (lat, lon are reported in radians */
 302
 303 static void fgMoonPositionGST(double gst, double *lon, double *lat) {
 304     /* time_t  ssue;           seconds since unix epoch */
 305     /* double *lat;            (return) latitude        */
 306     /* double *lon;            (return) longitude       */
 307
 308     /* double lambda; */
 309     double alpha, delta;
 310     double tmp;
 311
 312     /* lambda = moon_ecliptic_longitude(ssue); */
 313     /* ecliptic_to_equatorial(lambda, 0.0, &alpha, &delta); */
 314     //ecliptic_to_equatorial (solarPosition.lonMoon, 0.0, &alpha, &delta);
 315     ecliptic_to_equatorial( globals->get_ephem()->get_moon()->getLon(),
 316                             globals->get_ephem()->get_moon()->getLat(),
 317                             &alpha,  &delta );
 318
 319 //    tmp = alpha - (FG_2PI/24)*GST(ssue);
 320     tmp = alpha - (FG_2PI/24)*gst;
 321     if (tmp < -FG_PI) {
 322         do tmp += FG_2PI;
 323         while (tmp < -FG_PI);
 324     } else if (tmp > FG_PI) {
 325         do tmp -= FG_2PI;
 326         while (tmp < -FG_PI);
 327     }
 328
 329     *lon = tmp;
 330     *lat = delta;
 331 }
 332
 333
 334 // update the cur_time_params structure with the current moon position
 335 void fgUpdateMoonPos( void ) {
 336     fgLIGHT *l;
 337     FGView *v;
 338     sgVec3 nup, nmoon, v0, surface_to_moon;
 339     Point3D p, rel_moonpos;
 340     double dot, east_dot;
 341     double moon_gd_lat, sl_radius;
 342
 343     l = &cur_light_params;
 344     SGTime *t = globals->get_time_params();
 345     v = &current_view;
 346
 347     FG_LOG( FG_EVENT, FG_INFO, "  Updating Moon position" );
 348
 349     // (not sure why there was two)
 350     // fgMoonPosition(t->cur_time, &l->moon_lon, &moon_gd_lat);
 351     fgMoonPositionGST(t->getGst(), &l->moon_lon, &moon_gd_lat);
 352
 353     fgGeodToGeoc(moon_gd_lat, 0.0, &sl_radius, &l->moon_gc_lat);
 354
 355     p = Point3D( l->moon_lon, l->moon_gc_lat, sl_radius );
 356     l->fg_moonpos = fgPolarToCart3d(p);
 357
 358     FG_LOG( FG_EVENT, FG_INFO, "    t->cur_time = " << t->get_cur_time() );
 359     FG_LOG( FG_EVENT, FG_INFO,
 360             "    Moon Geodetic lat = " << moon_gd_lat
 361             << " Geocentric lat = " << l->moon_gc_lat );
 362
 363     // update the sun light vector
 364     sgSetVec4( l->moon_vec,
 365                l->fg_moonpos.x(), l->fg_moonpos.y(), l->fg_moonpos.z(), 0.0 );
 366     sgNormalizeVec4( l->moon_vec );
 367     sgCopyVec4( l->moon_vec_inv, l->moon_vec );
 368     sgNegateVec4( l->moon_vec_inv );
 369
 370     // make sure these are directional light sources only
 371     l->moon_vec[3] = l->moon_vec_inv[3] = 0.0;
 372     // cout << "  l->moon_vec = " << l->moon_vec[0] << "," << l->moon_vec[1]
 373     //      << ","<< l->moon_vec[2] << endl;
 374
 375     // calculate the moon's relative angle to local up
 376     sgCopyVec3( nup, v->get_local_up() );
 377     sgSetVec3( nmoon, l->fg_moonpos.x(), l->fg_moonpos.y(), l->fg_moonpos.z() );
 378     sgNormalizeVec3(nup);
 379     sgNormalizeVec3(nmoon);
 380     // cout << "nup = " << nup[0] << "," << nup[1] << ","
 381     //      << nup[2] << endl;
 382     // cout << "nmoon = " << nmoon[0] << "," << nmoon[1] << ","
 383     //      << nmoon[2] << endl;
 384
 385     l->moon_angle = acos( sgScalarProductVec3( nup, nmoon ) );
 386     cout << "moon angle relative to current location = "
 387          << l->moon_angle << endl;
 388
 389     // calculate vector to moon's position on the earth's surface
 390     rel_moonpos = l->fg_moonpos - (v->get_view_pos() + scenery.center);
 391     v->set_to_moon( rel_moonpos.x(), rel_moonpos.y(), rel_moonpos.z() );
 392     // printf( "Vector to moon = %.2f %.2f %.2f\n",
 393     //         v->to_moon[0], v->to_moon[1], v->to_moon[2]);
 394
 395     // make a vector to the current view position
 396     Point3D view_pos = v->get_view_pos();
 397     sgSetVec3( v0, view_pos.x(), view_pos.y(), view_pos.z() );
 398
 399     // Given a vector from the view position to the point on the
 400     // earth's surface the moon is directly over, map into onto the
 401     // local plane representing "horizontal".
 402
 403     sgmap_vec_onto_cur_surface_plane( v->get_local_up(), v0,
 404                                       v->get_to_moon(), surface_to_moon );
 405     sgNormalizeVec3(surface_to_moon);
 406     v->set_surface_to_moon( surface_to_moon[0], surface_to_moon[1],
 407                             surface_to_moon[2] );
 408     // cout << "(sg) Surface direction to moon is "
 409     //   << surface_to_moon[0] << ","
 410     //   << surface_to_moon[1] << ","
 411     //   << surface_to_moon[2] << endl;
 412     // cout << "Should be close to zero = "
 413     //   << sgScalarProductVec3(nup, surface_to_moon) << endl;
 414
 415     // calculate the angle between v->surface_to_moon and
 416     // v->surface_east.  We do this so we can sort out the acos()
 417     // ambiguity.  I wish I could think of a more efficient way ... :-(
 418     east_dot = sgScalarProductVec3( surface_to_moon, v->get_surface_east() );
 419    // cout << "  East dot product = " << east_dot << endl;
 420
 421     // calculate the angle between v->surface_to_moon and
 422     // v->surface_south.  this is how much we have to rotate the sky
 423     // for it to align with the moon
 424     dot = sgScalarProductVec3( surface_to_moon, v->get_surface_south() );
 425     // cout << "  Dot product = " << dot << endl;
 426
 427     if ( east_dot >= 0 ) {
 428         l->moon_rotation = acos(dot);
 429     } else {
 430         l->moon_rotation = -acos(dot);
 431     }
 432     // cout << "  Sky needs to rotate = " << angle << " rads = "
 433     //      << angle * RAD_TO_DEG << " degrees." << endl;
 434 }
 435
 436