liuxiaolong
2021-07-20 58d904a328c0d849769b483e901a0be9426b8209
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
// Boost.Geometry
 
// Copyright (c) 2016-2019 Oracle and/or its affiliates.
 
// Contributed and/or modified by Adam Wulkiewicz, on behalf of Oracle
 
// Use, modification and distribution is subject to the Boost Software License,
// Version 1.0. (See accompanying file LICENSE_1_0.txt or copy at
// http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)
 
#ifndef BOOST_GEOMETRY_FORMULAS_INVERSE_DIFFERENTIAL_QUANTITIES_HPP
#define BOOST_GEOMETRY_FORMULAS_INVERSE_DIFFERENTIAL_QUANTITIES_HPP
 
#include <boost/geometry/core/assert.hpp>
 
#include <boost/geometry/util/condition.hpp>
#include <boost/geometry/util/math.hpp>
 
 
namespace boost { namespace geometry { namespace formula
{
 
/*!
\brief The solution of a part of the inverse problem - differential quantities.
\author See
- Charles F.F Karney, Algorithms for geodesics, 2011
https://arxiv.org/pdf/1109.4448.pdf
*/
template <
    typename CT,
    bool EnableReducedLength,
    bool EnableGeodesicScale,
    unsigned int Order = 2,
    bool ApproxF = true
>
class differential_quantities
{
public:
    static inline void apply(CT const& lon1, CT const& lat1,
                             CT const& lon2, CT const& lat2,
                             CT const& azimuth, CT const& reverse_azimuth,
                             CT const& b, CT const& f,
                             CT & reduced_length, CT & geodesic_scale)
    {
        CT const dlon = lon2 - lon1;
        CT const sin_lat1 = sin(lat1);
        CT const cos_lat1 = cos(lat1);
        CT const sin_lat2 = sin(lat2);
        CT const cos_lat2 = cos(lat2);
 
        apply(dlon, sin_lat1, cos_lat1, sin_lat2, cos_lat2,
              azimuth, reverse_azimuth,
              b, f,
              reduced_length, geodesic_scale);
    }
 
    static inline void apply(CT const& dlon,
                             CT const& sin_lat1, CT const& cos_lat1,
                             CT const& sin_lat2, CT const& cos_lat2,
                             CT const& azimuth, CT const& reverse_azimuth,
                             CT const& b, CT const& f,
                             CT & reduced_length, CT & geodesic_scale)
    {
        CT const c0 = 0;
        CT const c1 = 1;
        CT const one_minus_f = c1 - f;
 
        CT sin_bet1 = one_minus_f * sin_lat1;
        CT sin_bet2 = one_minus_f * sin_lat2;
            
        // equator
        if (math::equals(sin_bet1, c0) && math::equals(sin_bet2, c0))
        {
            CT const sig_12 = dlon / one_minus_f;
            if (BOOST_GEOMETRY_CONDITION(EnableReducedLength))
            {
                BOOST_GEOMETRY_ASSERT((-math::pi<CT>() <= azimuth && azimuth <= math::pi<CT>()));
 
                int azi_sign = math::sign(azimuth) >= 0 ? 1 : -1; // for antipodal
                CT m12 = azi_sign * sin(sig_12) * b;
                reduced_length = m12;
            }
                
            if (BOOST_GEOMETRY_CONDITION(EnableGeodesicScale))
            {
                CT M12 = cos(sig_12);
                geodesic_scale = M12;
            }
        }
        else
        {
            CT const c2 = 2;
            CT const e2 = f * (c2 - f);
            CT const ep2 = e2 / math::sqr(one_minus_f);
 
            CT const sin_alp1 = sin(azimuth);
            CT const cos_alp1 = cos(azimuth);
            //CT const sin_alp2 = sin(reverse_azimuth);
            CT const cos_alp2 = cos(reverse_azimuth);
 
            CT cos_bet1 = cos_lat1;
            CT cos_bet2 = cos_lat2;
 
            normalize(sin_bet1, cos_bet1);
            normalize(sin_bet2, cos_bet2);
 
            CT sin_sig1 = sin_bet1;
            CT cos_sig1 = cos_alp1 * cos_bet1;
            CT sin_sig2 = sin_bet2;
            CT cos_sig2 = cos_alp2 * cos_bet2;
 
            normalize(sin_sig1, cos_sig1);
            normalize(sin_sig2, cos_sig2);
 
            CT const sin_alp0 = sin_alp1 * cos_bet1;
            CT const cos_alp0_sqr = c1 - math::sqr(sin_alp0);
 
            CT const J12 = BOOST_GEOMETRY_CONDITION(ApproxF) ?
                           J12_f(sin_sig1, cos_sig1, sin_sig2, cos_sig2, cos_alp0_sqr, f) :
                           J12_ep_sqr(sin_sig1, cos_sig1, sin_sig2, cos_sig2, cos_alp0_sqr, ep2) ;
 
            CT const dn1 = math::sqrt(c1 + ep2 * math::sqr(sin_bet1));
            CT const dn2 = math::sqrt(c1 + ep2 * math::sqr(sin_bet2));
 
            if (BOOST_GEOMETRY_CONDITION(EnableReducedLength))
            {
                CT const m12_b = dn2 * (cos_sig1 * sin_sig2)
                               - dn1 * (sin_sig1 * cos_sig2)
                               - cos_sig1 * cos_sig2 * J12;
                CT const m12 = m12_b * b;
 
                reduced_length = m12;
            }
 
            if (BOOST_GEOMETRY_CONDITION(EnableGeodesicScale))
            {
                CT const cos_sig12 = cos_sig1 * cos_sig2 + sin_sig1 * sin_sig2;
                CT const t = ep2 * (cos_bet1 - cos_bet2) * (cos_bet1 + cos_bet2) / (dn1 + dn2);
                CT const M12 = cos_sig12 + (t * sin_sig2 - cos_sig2 * J12) * sin_sig1 / dn1;
 
                geodesic_scale = M12;
            }
        }
    }
 
private:
    /*! Approximation of J12, expanded into taylor series in f
        Maxima script:
        ep2: f * (2-f) / ((1-f)^2);
        k2: ca02 * ep2;
        assume(f < 1);
        assume(sig > 0);
        I1(sig):= integrate(sqrt(1 + k2 * sin(s)^2), s, 0, sig);
        I2(sig):= integrate(1/sqrt(1 + k2 * sin(s)^2), s, 0, sig);
        J(sig):= I1(sig) - I2(sig);
        S: taylor(J(sig), f, 0, 3);
        S1: factor( 2*integrate(sin(s)^2,s,0,sig)*ca02*f );
        S2: factor( ((integrate(-6*ca02^2*sin(s)^4+6*ca02*sin(s)^2,s,0,sig)+integrate(-2*ca02^2*sin(s)^4+6*ca02*sin(s)^2,s,0,sig))*f^2)/4 );
        S3: factor( ((integrate(30*ca02^3*sin(s)^6-54*ca02^2*sin(s)^4+24*ca02*sin(s)^2,s,0,sig)+integrate(6*ca02^3*sin(s)^6-18*ca02^2*sin(s)^4+24*ca02*sin(s)^2,s,0,sig))*f^3)/12 );
    */
    static inline CT J12_f(CT const& sin_sig1, CT const& cos_sig1,
                           CT const& sin_sig2, CT const& cos_sig2,
                           CT const& cos_alp0_sqr, CT const& f)
    {
        if (Order == 0)
        {
            return 0;
        }
 
        CT const c2 = 2;
 
        CT const sig_12 = atan2(cos_sig1 * sin_sig2 - sin_sig1 * cos_sig2,
                                cos_sig1 * cos_sig2 + sin_sig1 * sin_sig2);
        CT const sin_2sig1 = c2 * cos_sig1 * sin_sig1; // sin(2sig1)
        CT const sin_2sig2 = c2 * cos_sig2 * sin_sig2; // sin(2sig2)
        CT const sin_2sig_12 = sin_2sig2 - sin_2sig1;
        CT const L1 = sig_12 - sin_2sig_12 / c2;
 
        if (Order == 1)
        {
            return cos_alp0_sqr * f * L1;
        }
        
        CT const sin_4sig1 = c2 * sin_2sig1 * (math::sqr(cos_sig1) - math::sqr(sin_sig1)); // sin(4sig1)
        CT const sin_4sig2 = c2 * sin_2sig2 * (math::sqr(cos_sig2) - math::sqr(sin_sig2)); // sin(4sig2)
        CT const sin_4sig_12 = sin_4sig2 - sin_4sig1;
        
        CT const c8 = 8;
        CT const c12 = 12;
        CT const c16 = 16;
        CT const c24 = 24;
 
        CT const L2 = -( cos_alp0_sqr * sin_4sig_12
                         + (-c8 * cos_alp0_sqr + c12) * sin_2sig_12
                         + (c12 * cos_alp0_sqr - c24) * sig_12)
                       / c16;
 
        if (Order == 2)
        {
            return cos_alp0_sqr * f * (L1 + f * L2);
        }
 
        CT const c4 = 4;
        CT const c9 = 9;
        CT const c48 = 48;
        CT const c60 = 60;
        CT const c64 = 64;
        CT const c96 = 96;
        CT const c128 = 128;
        CT const c144 = 144;
 
        CT const cos_alp0_quad = math::sqr(cos_alp0_sqr);
        CT const sin3_2sig1 = math::sqr(sin_2sig1) * sin_2sig1;
        CT const sin3_2sig2 = math::sqr(sin_2sig2) * sin_2sig2;
        CT const sin3_2sig_12 = sin3_2sig2 - sin3_2sig1;
 
        CT const A = (c9 * cos_alp0_quad - c12 * cos_alp0_sqr) * sin_4sig_12;
        CT const B = c4 * cos_alp0_quad * sin3_2sig_12;
        CT const C = (-c48 * cos_alp0_quad + c96 * cos_alp0_sqr - c64) * sin_2sig_12;
        CT const D = (c60 * cos_alp0_quad - c144 * cos_alp0_sqr + c128) * sig_12;
 
        CT const L3 = (A + B + C + D) / c64;
 
        // Order 3 and higher
        return cos_alp0_sqr * f * (L1 + f * (L2 + f * L3));
    }
 
    /*! Approximation of J12, expanded into taylor series in e'^2
        Maxima script:
        k2: ca02 * ep2;
        assume(sig > 0);
        I1(sig):= integrate(sqrt(1 + k2 * sin(s)^2), s, 0, sig);
        I2(sig):= integrate(1/sqrt(1 + k2 * sin(s)^2), s, 0, sig);
        J(sig):= I1(sig) - I2(sig);
        S: taylor(J(sig), ep2, 0, 3);
        S1: factor( integrate(sin(s)^2,s,0,sig)*ca02*ep2 );
        S2: factor( (integrate(sin(s)^4,s,0,sig)*ca02^2*ep2^2)/2 );
        S3: factor( (3*integrate(sin(s)^6,s,0,sig)*ca02^3*ep2^3)/8 );
    */
    static inline CT J12_ep_sqr(CT const& sin_sig1, CT const& cos_sig1,
                                CT const& sin_sig2, CT const& cos_sig2,
                                CT const& cos_alp0_sqr, CT const& ep_sqr)
    {
        if (Order == 0)
        {
            return 0;
        }
 
        CT const c2 = 2;
        CT const c4 = 4;
 
        CT const c2a0ep2 = cos_alp0_sqr * ep_sqr;
 
        CT const sig_12 = atan2(cos_sig1 * sin_sig2 - sin_sig1 * cos_sig2,
                                cos_sig1 * cos_sig2 + sin_sig1 * sin_sig2); // sig2 - sig1
        CT const sin_2sig1 = c2 * cos_sig1 * sin_sig1; // sin(2sig1)
        CT const sin_2sig2 = c2 * cos_sig2 * sin_sig2; // sin(2sig2)
        CT const sin_2sig_12 = sin_2sig2 - sin_2sig1;
 
        CT const L1 = (c2 * sig_12 - sin_2sig_12) / c4;
 
        if (Order == 1)
        {
            return c2a0ep2 * L1;
        }
 
        CT const c8 = 8;
        CT const c64 = 64;
        
        CT const sin_4sig1 = c2 * sin_2sig1 * (math::sqr(cos_sig1) - math::sqr(sin_sig1)); // sin(4sig1)
        CT const sin_4sig2 = c2 * sin_2sig2 * (math::sqr(cos_sig2) - math::sqr(sin_sig2)); // sin(4sig2)
        CT const sin_4sig_12 = sin_4sig2 - sin_4sig1;
        
        CT const L2 = (sin_4sig_12 - c8 * sin_2sig_12 + 12 * sig_12) / c64;
 
        if (Order == 2)
        {
            return c2a0ep2 * (L1 + c2a0ep2 * L2);
        }
 
        CT const sin3_2sig1 = math::sqr(sin_2sig1) * sin_2sig1;
        CT const sin3_2sig2 = math::sqr(sin_2sig2) * sin_2sig2;
        CT const sin3_2sig_12 = sin3_2sig2 - sin3_2sig1;
 
        CT const c9 = 9;
        CT const c48 = 48;
        CT const c60 = 60;
        CT const c512 = 512;
 
        CT const L3 = (c9 * sin_4sig_12 + c4 * sin3_2sig_12 - c48 * sin_2sig_12 + c60 * sig_12) / c512;
 
        // Order 3 and higher
        return c2a0ep2 * (L1 + c2a0ep2 * (L2 + c2a0ep2 * L3));
    }
 
    static inline void normalize(CT & x, CT & y)
    {
        CT const len = math::sqrt(math::sqr(x) + math::sqr(y));
        x /= len;
        y /= len;
    }
};
 
}}} // namespace boost::geometry::formula
 
 
#endif // BOOST_GEOMETRY_FORMULAS_INVERSE_DIFFERENTIAL_QUANTITIES_HPP