git.gag.com Git - fw/altos/blob - src/util/atmosphere.5c

   1 #!/usr/bin/nickle -f
   2 /*
   3  * Pressure Sensor Model, version 1.1
   4  *
   5  * written by Holly Grimes
   6  *
   7  * Uses the International Standard Atmosphere as described in
   8  *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
   9  *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
  10  *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
  11  *
  12  * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
  13  *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
  14  *
  15  * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
  16  *
  17  * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
  18  *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
  19  *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
  20  */
  21
  22 const real GRAVITATIONAL_ACCELERATION = -9.80665;
  23 const real AIR_GAS_CONSTANT = 287.053;
  24 const int NUMBER_OF_LAYERS = 7;
  25 const real MAXIMUM_ALTITUDE = 84852;
  26 const real MINIMUM_PRESSURE = 0.3734;
  27 const real LAYER0_BASE_TEMPERATURE = 288.15;
  28 const real LAYER0_BASE_PRESSURE = 101325;
  29
  30 /* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
  31 const real[NUMBER_OF_LAYERS] lapse_rate = {
  32         -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
  33 };
  34 const int[NUMBER_OF_LAYERS] base_altitude = {
  35         0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
  36 };
  37
  38
  39 /* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude. altitudes
  40    are measured with respect to the mean sea level */
  41 real altitude_to_pressure(real altitude) {
  42
  43    real base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  44    real base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  45
  46    real pressure;
  47    real base; /* base for function to determine pressure */
  48    real exponent; /* exponent for function to determine pressure */
  49    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
  50    int delta_z; /* difference between two altitudes */
  51
  52    if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
  53       return 0;
  54
  55    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
  56       associated with the inputted altitude */
  57    for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
  58       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
  59       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  60          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  61               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  62          base_pressure *= exp(exponent);
  63       }
  64       else {
  65          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  66          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  67               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  68          base_pressure *= pow(base, exponent);
  69       }
  70       base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
  71    }
  72
  73    /* calculate the pressure at the inputted altitude */
  74    delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
  75    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  76       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  77            / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  78       pressure = base_pressure * exp(exponent);
  79    }
  80    else {
  81       base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  82       exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  83            (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  84       pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
  85    }
  86
  87    return pressure;
  88 }
  89
  90
  91 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
  92    returned is measured with respect to the mean sea level */
  93 real pressure_to_altitude(real pressure) {
  94
  95    real next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  96    real next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  97
  98    real altitude;
  99    real base_pressure;
 100    real base_temperature;
 101    real base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 102    real exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 103                              of next layer */
 104    real coefficient;
 105    int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 106    int delta_z; /* difference between two altitudes */
 107
 108    if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 109       return -1;
 110    if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 111       return MAXIMUM_ALTITUDE;
 112
 113    /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 114       associated with the inputted pressure. */
 115    layer_number = -1;
 116    do {
 117       layer_number++;
 118       base_pressure = next_base_pressure;
 119       base_temperature = next_base_temperature;
 120       delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 121       if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 122          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 123               / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 124          next_base_pressure *= exp(exponent);
 125       }
 126       else {
 127          base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 128          exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 129               (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 130          next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 131       }
 132       next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 133    }
 134    while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 135
 136    /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 137    if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 138       coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 139                                                     * base_temperature;
 140       altitude = base_altitude[layer_number]
 141                     + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 142    }
 143    else {
 144       base = pressure / base_pressure;
 145       exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 146                                        / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 147       coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 148       altitude = base_altitude[layer_number]
 149                       + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 150    }
 151
 152    return altitude;
 153 }