]> git.mxchange.org Git - flightgear.git/blobdiff - src/FDM/JSBSim/models/FGAtmosphere.h
Sync. with JSBSim CVS
[flightgear.git] / src / FDM / JSBSim / models / FGAtmosphere.h
index 4434c31791e39aebbd5c27c4fa1880142b69e66d..3dd6fa322b333b81417825d68f4905fd3151f9ad 100644 (file)
@@ -5,7 +5,7 @@
                Implementation of 1959 Standard Atmosphere added by Tony Peden
  Date started: 11/24/98
 
- ------------- Copyright (C) 1999  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
+ ------------- Copyright (C) 1999  Jon S. Berndt (jon@jsbsim.org) -------------
 
  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
@@ -35,21 +35,22 @@ HISTORY
 SENTRY
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-#ifndef FGAtmosphere_H
-#define FGAtmosphere_H
+#ifndef FGATMOSPHERE_H
+#define FGATMOSPHERE_H
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 INCLUDES
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
 #include "FGModel.h"
-#include <math/FGColumnVector3.h>
+#include "math/FGColumnVector3.h"
+#include "math/FGTable.h"
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 DEFINITIONS
 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 
-#define ID_ATMOSPHERE "$Id$"
+#define ID_ATMOSPHERE "$Id: FGAtmosphere.h,v 1.24 2010/11/18 12:38:06 jberndt Exp $"
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 FORWARD DECLARATIONS
@@ -63,9 +64,60 @@ CLASS DOCUMENTATION
 
 /** Models the 1976 Standard Atmosphere.
     @author Tony Peden, Jon Berndt
-    @version $Id$
+    @version $Id: FGAtmosphere.h,v 1.24 2010/11/18 12:38:06 jberndt Exp $
     @see Anderson, John D. "Introduction to Flight, Third Edition", McGraw-Hill,
          1989, ISBN 0-07-001641-0
+
+    Additionally, various turbulence models are available. They are specified
+    via the property <tt>atmosphere/turb-type</tt>. The following models are
+    available:
+    - 0: ttNone (turbulence disabled)
+    - 1: ttStandard
+    - 2: ttBerndt
+    - 3: ttCulp
+    - 4: ttMilspec (Dryden spectrum)
+    - 5: ttTustin (Dryden spectrum)
+
+    The Milspec and Tustin models are described in the Yeager report cited below.
+    They both use a Dryden spectrum model whose parameters (scale lengths and intensities)
+    are modelled according to MIL-F-8785C. Parameters are modelled differently
+    for altitudes below 1000ft and above 2000ft, for altitudes in between they
+    are interpolated linearly.
+
+    The two models differ in the implementation of the transfer functions
+    described in the milspec.
+
+    To use one of these two models, set <tt>atmosphere/turb-type</tt> to 4 resp. 5,
+    and specify values for <tt>atmosphere/turbulence/milspec/windspeed_at_20ft_AGL-fps<tt>
+    and <tt>atmosphere/turbulence/milspec/severity<tt> (the latter corresponds to
+    the probability of exceedence curves from Fig.&nbsp;7 of the milspec, allowable
+    range is 0 (disabled) to 7). <tt>atmosphere/psiw-rad</tt> is respected as well;
+    note that you have to specify a positive wind magnitude to prevent psiw from
+    being reset to zero.
+
+    Reference values (cf. figures 7 and 9 from the milspec):
+    <table>
+      <tr><td><b>Intensity</b></td>
+          <td><b><tt>windspeed_at_20ft_AGL-fps</tt></b></td>
+          <td><b><tt>severity</tt></b></td></tr>
+      <tr><td>light</td>
+          <td>25 (15 knots)</td>
+          <td>3</td></tr>
+      <tr><td>moderate</td>
+          <td>50 (30 knots)</td>
+          <td>4</td></tr>
+      <tr><td>severe</td>
+          <td>75 (45 knots)</td>
+          <td>6</td></tr>
+    </table>
+
+    @see Yeager, Jessie C.: "Implementation and Testing of Turbulence Models for
+         the F18-HARV" (<a
+         href="http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19980028448_1998081596.pdf">
+         pdf</a>), NASA CR-1998-206937, 1998
+
+    @see MIL-F-8785C: Military Specification: Flying Qualities of Piloted Aircraft
+
 */
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
@@ -83,13 +135,13 @@ public:
       @return false if no error */
   bool Run(void);
   bool InitModel(void);
-  enum tType {ttStandard, ttBerndt, ttCulp, ttNone} turbType;
+  enum tType {ttNone, ttStandard, ttBerndt, ttCulp, ttMilspec, ttTustin} turbType;
 
   /// Returns the temperature in degrees Rankine.
-  inline double GetTemperature(void) const {return *temperature;}
+  double GetTemperature(void) const {return *temperature;}
   /** Returns the density in slugs/ft^3.
       <i>This function may <b>only</b> be used if Run() is called first.</i> */
-  inline double GetDensity(void)  const {return *density;}
+  double GetDensity(void)  const {return *density;}
   /// Returns the pressure in psf.
   double GetPressure(void)  const {return *pressure;}
   /// Returns the standard pressure at a specified altitude
@@ -99,25 +151,29 @@ public:
   /// Returns the standard density at a specified altitude
   double GetDensity(double altitude);
   /// Returns the speed of sound in ft/sec.
-  inline double GetSoundSpeed(void) const {return soundspeed;}
+  double GetSoundSpeed(void) const {return soundspeed;}
+  /// Returns the absolute viscosity.
+  double GetAbsoluteViscosity(void) const {return intViscosity;}
+  /// Returns the kinematic viscosity.
+  double GetKinematicViscosity(void) const {return intKinematicViscosity;}
 
   /// Returns the sea level temperature in degrees Rankine.
-  inline double GetTemperatureSL(void) const { return SLtemperature; }
+  double GetTemperatureSL(void) const { return SLtemperature; }
   /// Returns the sea level density in slugs/ft^3
-  inline double GetDensitySL(void)  const { return SLdensity; }
+  double GetDensitySL(void)  const { return SLdensity; }
   /// Returns the sea level pressure in psf.
-  inline double GetPressureSL(void) const { return SLpressure; }
+  double GetPressureSL(void) const { return SLpressure; }
   /// Returns the sea level speed of sound in ft/sec.
-  inline double GetSoundSpeedSL(void) const { return SLsoundspeed; }
+  double GetSoundSpeedSL(void) const { return SLsoundspeed; }
 
   /// Returns the ratio of at-altitude temperature over the sea level value.
-  inline double GetTemperatureRatio(void) const { return (*temperature)*rSLtemperature; }
+  double GetTemperatureRatio(void) const { return (*temperature)*rSLtemperature; }
   /// Returns the ratio of at-altitude density over the sea level value.
-  inline double GetDensityRatio(void) const { return (*density)*rSLdensity; }
+  double GetDensityRatio(void) const { return (*density)*rSLdensity; }
   /// Returns the ratio of at-altitude pressure over the sea level value.
-  inline double GetPressureRatio(void) const { return (*pressure)*rSLpressure; }
+  double GetPressureRatio(void) const { return (*pressure)*rSLpressure; }
   /// Returns the ratio of at-altitude sound speed over the sea level value.
-  inline double GetSoundSpeedRatio(void) const { return soundspeed*rSLsoundspeed; }
+  double GetSoundSpeedRatio(void) const { return soundspeed*rSLsoundspeed; }
 
   /// Tells the simulator to use an externally calculated atmosphere model.
   void UseExternal(void);
@@ -127,66 +183,108 @@ public:
   bool External(void) { return useExternal; }
 
   /// Provides the external atmosphere model with an interface to set the temperature.
-  inline void SetExTemperature(double t)  { exTemperature=t; }
+  void SetExTemperature(double t)  { exTemperature=t; }
   /// Provides the external atmosphere model with an interface to set the density.
-  inline void SetExDensity(double d)      { exDensity=d; }
+  void SetExDensity(double d)      { exDensity=d; }
   /// Provides the external atmosphere model with an interface to set the pressure.
-  inline void SetExPressure(double p)     { exPressure=p; }
+  void SetExPressure(double p)     { exPressure=p; }
 
   /// Sets the temperature deviation at sea-level in degrees Fahrenheit
-  inline void SetSLTempDev(double d)  { T_dev_sl = d; }
+  void SetSLTempDev(double d)  { T_dev_sl = d; }
   /// Gets the temperature deviation at sea-level in degrees Fahrenheit
-  inline double GetSLTempDev(void) const { return T_dev_sl; }
+  double GetSLTempDev(void) const { return T_dev_sl; }
   /// Sets the current delta-T in degrees Fahrenheit
-  inline void SetDeltaT(double d)  { delta_T = d; }
+  void SetDeltaT(double d)  { delta_T = d; }
   /// Gets the current delta-T in degrees Fahrenheit
-  inline double GetDeltaT(void) const  { return delta_T; }
+  double GetDeltaT(void) const  { return delta_T; }
   /// Gets the at-altitude temperature deviation in degrees Fahrenheit
-  inline double GetTempDev(void) const { return T_dev; }
+  double GetTempDev(void) const { return T_dev; }
   /// Gets the density altitude in feet
-  inline double GetDensityAltitude(void) const { return density_altitude; }
+  double GetDensityAltitude(void) const { return density_altitude; }
+
+  // TOTAL WIND access functions (wind + gust + turbulence)
+
+  /// Retrieves the total wind components in NED frame.
+  const FGColumnVector3& GetTotalWindNED(void) const { return vTotalWindNED; }
+
+  /// Retrieves a total wind component in NED frame.
+  double GetTotalWindNED(int idx) const {return vTotalWindNED(idx);}
+
+  // WIND access functions
 
   /// Sets the wind components in NED frame.
-  inline void SetWindNED(double wN, double wE, double wD) { vWindNED(1)=wN; vWindNED(2)=wE; vWindNED(3)=wD;}
+  void SetWindNED(double wN, double wE, double wD) { vWindNED(1)=wN; vWindNED(2)=wE; vWindNED(3)=wD;}
+
+  /// Sets a wind component in NED frame.
+  void SetWindNED(int idx, double wind) { vWindNED(idx)=wind;}
 
   /// Retrieves the wind components in NED frame.
-  inline FGColumnVector3& GetWindNED(void) { return vWindNED; }
+  FGColumnVector3& GetWindNED(void) { return vWindNED; }
 
-  /// Sets gust components in NED frame.
-  inline void SetGustNED(int idx, double gust) { vGustNED(idx)=gust;}
+  /// Retrieves a wind component in NED frame.
+  double GetWindNED(int idx) const {return vWindNED(idx);}
 
-  /// Retrieves the gust components in NED frame.
-  inline double GetGustNED(int idx) const {return vGustNED(idx);}
+  /** Retrieves the direction that the wind is coming from.
+      The direction is defined as north=0 and increases counterclockwise.
+      The wind heading is returned in radians.*/
+  double GetWindPsi(void) const { return psiw; }
 
-  /// Retrieves the gust components in NED frame.
-  inline FGColumnVector3& GetGustNED(void) {return vGustNED;}
+  /** Sets the direction that the wind is coming from.
+      The direction is defined as north=0 and increases counterclockwise to 2*pi (radians). The
+      vertical component of wind is assumed to be zero - and is forcibly set to zero. This function
+      sets the vWindNED vector components based on the supplied direction. The magnitude of
+      the wind set in the vector is preserved (assuming the vertical component is non-zero).
+      @param dir wind direction in the horizontal plane, in radians.*/
+  void SetWindPsi(double dir);
 
-  /** Retrieves the wind direction. The direction is defined as north=0 and
-      increases counterclockwise. The wind heading is returned in radians.*/
-  inline double GetWindPsi(void) const { return psiw; }
+  void SetWindspeed(double speed);
 
-  /** Turbulence models available: ttStandard, ttBerndt, ttCulp, ttNone */
-  inline void   SetTurbType(tType tt) {turbType = tt;}
-  inline tType  GetTurbType() const {return turbType;}
+  double GetWindspeed(void) const;
 
-  inline void   SetTurbGain(double tg) {TurbGain = tg;}
-  inline double GetTurbGain() const {return TurbGain;}
+  // GUST access functions
 
-  inline void   SetTurbRate(double tr) {TurbRate = tr;}
-  inline double GetTurbRate() const {return TurbRate;}
+  /// Sets a gust component in NED frame.
+  void SetGustNED(int idx, double gust) { vGustNED(idx)=gust;}
 
-  inline void   SetRhythmicity(double r) {Rhythmicity=r;}
-  inline double GetRhythmicity() const {return Rhythmicity;}
+  /// Sets a turbulence component in NED frame.
+  void SetTurbNED(int idx, double turb) { vTurbulenceNED(idx)=turb;}
 
-  /** Sets wind vortex, clockwise as seen from a point in front of aircraft,
-      looking aft. Units are radians/second. */
-  inline void   SetWindFromClockwise(double wC) { wind_from_clockwise=wC; }
-  inline double GetWindFromClockwise(void) const {return wind_from_clockwise;}
+  /// Sets the gust components in NED frame.
+  void SetGustNED(double gN, double gE, double gD) { vGustNED(eNorth)=gN; vGustNED(eEast)=gE; vGustNED(eDown)=gD;}
 
-  inline double GetTurbPQR(int idx) const {return vTurbPQR(idx);}
+  /// Retrieves a gust component in NED frame.
+  double GetGustNED(int idx) const {return vGustNED(idx);}
+
+  /// Retrieves a turbulence component in NED frame.
+  double GetTurbNED(int idx) const {return vTurbulenceNED(idx);}
+
+  /// Retrieves the gust components in NED frame.
+  FGColumnVector3& GetGustNED(void) {return vGustNED;}
+
+  /** Turbulence models available: ttNone, ttStandard, ttBerndt, ttCulp, ttMilspec, ttTustin */
+  void   SetTurbType(tType tt) {turbType = tt;}
+  tType  GetTurbType() const {return turbType;}
+
+  void   SetTurbGain(double tg) {TurbGain = tg;}
+  double GetTurbGain() const {return TurbGain;}
+
+  void   SetTurbRate(double tr) {TurbRate = tr;}
+  double GetTurbRate() const {return TurbRate;}
+
+  void   SetRhythmicity(double r) {Rhythmicity=r;}
+  double GetRhythmicity() const {return Rhythmicity;}
+
+  double GetTurbPQR(int idx) const {return vTurbPQR(idx);}
   double GetTurbMagnitude(void) const {return Magnitude;}
-  FGColumnVector3& GetTurbDirection(void) {return vDirection;}
-  inline FGColumnVector3& GetTurbPQR(void) {return vTurbPQR;}
+  const FGColumnVector3& GetTurbDirection(void) const {return vDirection;}
+  const FGColumnVector3& GetTurbPQR(void) const {return vTurbPQR;}
+
+  void   SetWindspeed20ft(double ws) { windspeed_at_20ft = ws;}
+  double GetWindspeed20ft() const { return windspeed_at_20ft;}
+
+  /// allowable range: 0-7, 3=light, 4=moderate, 6=severe turbulence
+  void   SetProbabilityOfExceedence( int idx) {probability_of_exceedence_index = idx;}
+  int    GetProbabilityOfExceedence() const { return probability_of_exceedence_index;}
 
 protected:
   double rho;
@@ -203,6 +301,7 @@ protected:
   bool useExternal;
   double exTemperature,exDensity,exPressure;
   double intTemperature, intDensity, intPressure;
+  double SutherlandConstant, Beta, intViscosity, intKinematicViscosity;
   double T_dev_sl, T_dev, delta_T, density_altitude;
   atmType atmosphere;
   bool StandardTempOnly;
@@ -217,16 +316,20 @@ protected:
   FGColumnVector3 vDirectiondAccelDt;
   FGColumnVector3 vDirectionAccel;
   FGColumnVector3 vDirection;
-  FGColumnVector3 vTurbulence;
   FGColumnVector3 vTurbulenceGrad;
   FGColumnVector3 vBodyTurbGrad;
   FGColumnVector3 vTurbPQR;
 
-  FGColumnVector3 vWindNED;
-  double psiw;
+  // Dryden turbulence model
+  double windspeed_at_20ft; ///< in ft/s
+  int probability_of_exceedence_index; ///< this is bound as the severity property
+  FGTable *POE_Table; ///< probability of exceedence table
 
+  double psiw;
+  FGColumnVector3 vTotalWindNED;
+  FGColumnVector3 vWindNED;
   FGColumnVector3 vGustNED;
-  bool bgustSet;
+  FGColumnVector3 vTurbulenceNED;
 
   /// Calculate the atmosphere for the given altitude, including effects of temperature deviation.
   void Calculate(double altitude);