git.gag.com Git - fw/altos/blob - ao-tools/lib/ao-atmosphere.c

   1 /*
   2  * Copyright © 2019 Keith Packard <keithp@keithp.com>
   3  *
   4  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   5  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   6  * the Free Software Foundation, either version 2 of the License, or
   7  * (at your option) any later version.
   8  *
   9  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  10  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  11  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  12  * General Public License for more details.
  13  */
  14
  15 #include <math.h>
  16 #include "ao-atmosphere.h"
  17
  18 #define GRAVITY 9.80665
  19
  20 /*
  21  * Pressure Sensor Model, version 1.1
  22  *
  23  * written by Holly Grimes
  24  *
  25  * Uses the International Standard Atmosphere as described in
  26  *   "A Quick Derivation relating altitude to air pressure" (version 1.03)
  27  *    from the Portland State Aerospace Society, except that the atmosphere
  28  *    is divided into layers with each layer having a different lapse rate.
  29  *
  30  * Lapse rate data for each layer was obtained from Wikipedia on Sept. 1, 2007
  31  *    at site <http://en.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Atmosphere
  32  *
  33  * Height measurements use the local tangent plane.  The postive z-direction is up.
  34  *
  35  * All measurements are given in SI units (Kelvin, Pascal, meter, meters/second^2).
  36  *   The lapse rate is given in Kelvin/meter, the gas constant for air is given
  37  *   in Joules/(kilogram-Kelvin).
  38  */
  39
  40 #define GRAVITATIONAL_ACCELERATION      (-GRAVITY)
  41 #define AIR_GAS_CONSTANT                287.053
  42 #define NUMBER_OF_LAYERS                7
  43 #define MAXIMUM_ALTITUDE                84852.0
  44 #define MINIMUM_PRESSURE                0.3734
  45 #define LAYER0_BASE_TEMPERATURE         288.15
  46 #define LAYER0_BASE_PRESSURE            101325
  47
  48         /* lapse rate and base altitude for each layer in the atmosphere */
  49 static const double lapse_rate[] = {
  50         -0.0065, 0.0, 0.001, 0.0028, 0.0, -0.0028, -0.002
  51 };
  52
  53 static const double base_altitude[] = {
  54         0, 11000, 20000, 32000, 47000, 51000, 71000
  55 };
  56
  57 /* outputs atmospheric pressure associated with the given altitude.
  58  * altitudes are measured with respect to the mean sea level
  59  */
  60 double
  61 ao_altitude_to_pressure(double altitude)
  62 {
  63         double base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
  64         double base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
  65
  66         double pressure;
  67         double base; /* base for function to determine pressure */
  68         double exponent; /* exponent for function to determine pressure */
  69         int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
  70         double delta_z; /* difference between two altitudes */
  71
  72         if (altitude > MAXIMUM_ALTITUDE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
  73                 return 0;
  74
  75         /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
  76            associated with the inputted altitude */
  77         for(layer_number = 0; layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && altitude > base_altitude[layer_number + 1]; layer_number++) {
  78                 delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
  79                 if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  80                         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  81                                 / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  82                         base_pressure *= exp(exponent);
  83                 }
  84                 else {
  85                         base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
  86                         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
  87                                 (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
  88                         base_pressure *= pow(base, exponent);
  89                 }
  90                 base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
  91         }
  92
  93         /* calculate the pressure at the inputted altitude */
  94         delta_z = altitude - base_altitude[layer_number];
  95         if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
  96                 exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
  97                         / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
  98                 pressure = base_pressure * exp(exponent);
  99         }
 100         else {
 101                 base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 102                 exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 103                         (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 104                 pressure = base_pressure * pow(base, exponent);
 105         }
 106
 107         return pressure;
 108 }
 109
 110
 111 /* outputs the altitude associated with the given pressure. the altitude
 112    returned is measured with respect to the mean sea level */
 113 double
 114 ao_pressure_to_altitude(double pressure)
 115 {
 116
 117         double next_base_temperature = LAYER0_BASE_TEMPERATURE;
 118         double next_base_pressure = LAYER0_BASE_PRESSURE;
 119
 120         double altitude;
 121         double base_pressure;
 122         double base_temperature;
 123         double base; /* base for function to determine base pressure of next layer */
 124         double exponent; /* exponent for function to determine base pressure
 125                             of next layer */
 126         double coefficient;
 127         int layer_number; /* identifies layer in the atmosphere */
 128         int delta_z; /* difference between two altitudes */
 129
 130         if (pressure < 0)  /* illegal pressure */
 131                 return -1;
 132         if (pressure < MINIMUM_PRESSURE) /* FIX ME: use sensor data to improve model */
 133                 return MAXIMUM_ALTITUDE;
 134
 135         /* calculate the base temperature and pressure for the atmospheric layer
 136            associated with the inputted pressure. */
 137         layer_number = -1;
 138         do {
 139                 layer_number++;
 140                 base_pressure = next_base_pressure;
 141                 base_temperature = next_base_temperature;
 142                 delta_z = base_altitude[layer_number + 1] - base_altitude[layer_number];
 143                 if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 144                         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION * delta_z
 145                                 / AIR_GAS_CONSTANT / base_temperature;
 146                         next_base_pressure *= exp(exponent);
 147                 }
 148                 else {
 149                         base = (lapse_rate[layer_number] * delta_z / base_temperature) + 1.0;
 150                         exponent = GRAVITATIONAL_ACCELERATION /
 151                                 (AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]);
 152                         next_base_pressure *= pow(base, exponent);
 153                 }
 154                 next_base_temperature += delta_z * lapse_rate[layer_number];
 155         }
 156         while(layer_number < NUMBER_OF_LAYERS - 1 && pressure < next_base_pressure);
 157
 158         /* calculate the altitude associated with the inputted pressure */
 159         if (lapse_rate[layer_number] == 0.0) {
 160                 coefficient = (AIR_GAS_CONSTANT / GRAVITATIONAL_ACCELERATION)
 161                         * base_temperature;
 162                 altitude = base_altitude[layer_number]
 163                         + coefficient * log(pressure / base_pressure);
 164         }
 165         else {
 166                 base = pressure / base_pressure;
 167                 exponent = AIR_GAS_CONSTANT * lapse_rate[layer_number]
 168                         / GRAVITATIONAL_ACCELERATION;
 169                 coefficient = base_temperature / lapse_rate[layer_number];
 170                 altitude = base_altitude[layer_number]
 171                         + coefficient * (pow(base, exponent) - 1);
 172         }
 173
 174         return altitude;
 175 }