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人工衛星や彗星の位置や動きをStellariumで表示する

2023-08-21

Celestrak ICESAT2 Starlink Stellarium

t f B! P L

人工衛星や彗星の位置をStellariumで表示する

追記　ICESAT-2が照射するグリーンレーザを観察する


2023-08-20 
StellariumによるStarlinkG6-10のシミュレーションと
SONY製IMX-327センサと2.8mmレンズの組み合わせで撮影した実際の動画とを 
時刻合わせで並べて表示しています。視点は岡山県倉敷市です。

人工衛星の情報は例えばCelestrakのサイトから得ることができます。 

 T.S. KelsoさんのTwitterアカウント（@TSKelso）をフォローしておけばCelestrakの最新情報が得られます。

 https://celestrak.org/NORAD/elements/supplemental/ にアクセスすると例えば今日、2023-08-21現在は打ち上げを控えているStarlink G7-1のデータが５組表示されています。（日付時刻はUTなので日本時間に直すには9時間を足してください。）

 

Starlink G7-1 Pre-Launch
Launch: 2023-08-22 06:04:00 UTC.
Deployment: 2023-08-22 07:06:32.440 UTC.
 
Backup Launch Opportunity #1
Starlink G7-1B1 Pre-Launch
(Starlink-G7-1B1 Pre-Launch RMS Data)
Launch: 2023-08-22 06:54:40 UTC.
Deployment: 2023-08-22 07:57:12.440 UTC.

Backup Launch Opportunity #2
Starlink G7-1B2 Pre-Launch
(Starlink-G7-1B2 Pre-Launch RMS Data)
Launch: 2023-08-22 07:45:20 UTC.
Deployment: 2023-08-22 08:47:52.440 UTC.

Backup Launch Opportunity #3
Starlink G7-1B3 Pre-Launch
(Starlink-G7-1B3 Pre-Launch RMS Data)
Launch: 2023-08-22 08:36:00 UTC.
Deployment: 2023-08-22 09:38:32.440 UTC.

Backup Launch Opportunity #4
Starlink G7-1B4 Pre-Launch
(Starlink-G7-1B4 Pre-Launch RMS Data)
Launch: 2023-08-22 09:26:40 UTC.
Deployment: 2023-08-22 10:29:12.440 UTC.

こんな風に予備のスケジュールが#1～#4まで4セット組まれていて正規の時刻より後ろにずれることはよくあります。天候のため日付がずれることもあります。

SpaceXのサイト

https://www.spacex.com/

のUpcoming Launch からWatchボタンで打ち上げのライブ配信サイトで最新の情報が表示されるので、 予定時刻候補のうちどの時刻で打ち上がったかがこのサイトから確認できます。 ライブ配信を見ていれば衛星フェアリングが分離して積層状態のスターリンクが 宇宙にさらされるところまで映像で確認できます。


例えば「Backup Launch Opportunity #3」で打ち上がったことがわかったら
Celestrakの「Starlink G7-1B3 Pre-Launch」の文字をクリックします。
これがリンクになっていて開くとこのような文字が表示されます。

STARLINK-G7-1B3 STACK
1 72000C 23124A 23234.40176435 .00097766 00000+0 25497-3 0 02
2 72000 53.0524 189.3225 0007370 250.5403 116.9466 15.94146148 13

STARLINK-G7-1B3 SINGLE
1 72001C 23124B 23234.40176435 .00657004 00000+0 16964-2 0 08
2 72001 53.0523 189.3225 0007464 249.6402 117.8471 15.94145389 17

これが予報された衛星の軌道要素ですが実は必要なのはこのページのURLです。

https://celestrak.org/NORAD/elements/supplemental/sup-gp.php?FILE=starlink-g7-1b3&FORMAT=tle

これは先程のリンクを右クリックして「リンクのアドレスをコピー」とやっても構いません。

これが分かれば無料のプラネタリウムソフト「Stellarium」にこのURLをセットして人工衛星の位置を表示できるようになります。

Stellariumをインストールして使えるようになったら「Alt-Z」で人工衛星プラグインの設定画面を出します。

「出典」タブに軌道要素の配布元URLを自由に追加できるようになっているので「配布元の追加」アイコンを押し、先程コピーしたURLを貼り付け、保存アイコンをクリックします。すると上の画面にURLが追加されるのでそのURLの左にあるチェックボックスをチェックします。


「設定」タブに切り替えて「すぐに更新」ボタンをクリックするとすべての衛星の軌道要素が最新のものに更新されるとともに新しい衛星が２個追加されたことが表示されます。


「人工衛星」タブに切り替えて左上のフィールドに「G7」と手入力すると

STARLINK-G7-1B3 STACK  

STARLINK-G7-1B3 SINGLE  

の２つが表示されます。どちらでも構わないのでクリックして「軌道を表示」にチェックしておきます。また、衛星の色、軌道の色を画面下の灰色四角のアイコンで変更することもできるので好きな色をつけておけば分かりやすいかも知れません。


で、この衛星の名前をダブルクリックすると衛星が選択され、中央に表示された状態になります。時刻を早送りすれば朝夕に地平線より上に昇ってくるタイミングを探すことができます。日付時刻を表示し、時間をクリックして上下矢印で大まかに動かすと探しやすいでしょう。


当然のことですが、低軌道衛星を見る場合地上の位置が変わると見かけの方向も大きく変わるのでStellariumを使う際は自分の所在地を設定しておく必要があります。画面左に表示されるパネルの一番上に観測地を設定するアイコンがあります。設定すると通常画面の左下にその地名が表示されるようになります。

衛星がどのあたりを通過するかによって見える方向は大きく変わり時刻も少しズレてくることがわかります。どこかで天頂を通る予報が出ていたとすると、そこから280kmほど離れた場所からはみかけの高度が45°までしかあがらないといった具合です。

通過時刻も重要です。今の時期だと20時台ならOKだけど19時台だと明るすぎて見えづらいなど薄明との関係もあります。これは経度にもよるので一概には言えません。双眼鏡を使えば見えるとか望遠レンズで撮影すれば写ったりとか条件により様々です。

なお、 Pre-Launchの軌道要素はあくまでも仮のものです。打ち上げ後しばらくして衛星個々の軌道要素が確定すると正式なURLが発表され、こちらをStellariumにセットするとすべての衛星の位置が表示されるようになります。

例えばStarlinkG6-10（冒頭の動画のグループです）は下記ページの上から３行目のリンク

Latest SupGP (TLE) Data

https://celestrak.org/NORAD/elements/supplemental/sup-gp.php?INTDES=2023-122&FORMAT=tle

に全衛星の個々の軌道要素が含まれています。最新の軌道要素が発表されたならStellariumにセットしたPreLaunchのURLは削除してそのURLに置き換えてください。


衛星は目標軌道に向かって常に電気推進で個々に移動しているため軌道要素は常に変わってゆきます。Alt-Zで衛星プラグインの設定タブを開いて「すぐに更新」をクリックしたのち位置を表示するようにしましょう。

Starlink Group7-1は無事打ち上げられ衛星の配備も完了しました。

個々の衛星の軌道要素も確定したようでT.S. KelsoさんのTwitterアカウント（@TSKelso）で最新情報の告知がありました。


メッセージの最下行のリンクをクリックするとメッセージの画像のページが開きます。

必要なのは赤丸で囲んだURL情報です。このURLはこのグループの衛星すべての最新の軌道要素が含まれたテキストになっており内容は随時更新されます。



従ってこのURLさえStellariumにセットしておけば、更新のたびに全衛星の軌道要素が最新の情報に入れ替わり、正しい衛星の位置が表示に反映されるようになります。

Stellariumはセンサやレンズのパラメータを設定すれば画面上での画角をオーバーレイ表示するプラグインがあるので自分の機材の設定を入れておくと撮影計画が立てやすくなります。画角内に目立つ恒星がある場合は衛星が来る前に恒星を手がかりにカメラの向きをきちんと設定しておくことができます。次の例のように北極星が中心にいる場合は安心して構図の事前設定ができますが、そこから外れている場合は日周運動で恒星が動くことに注意が必要です。


Stellariumで人工衛星の軌道が表示できると、太陽や月と人工衛星が重なる位置や時刻が予報できるようになります。例えば2023-07-21夕方の西空に月がありその上をStarlink衛星群が通過することがわかりました。倉敷市からはそのような位置関係ですが、300km弱の高さで飛んでいるStarlink衛星は観測場所を東に移動すれば相対的に見かけの高さが低くなり月と重なるかもしれないことが直感的に予想できます。実際Stellariumの観測地設定で経度、緯度、時刻を微調整すると軌道が月と重なる場所が赤磐市辺りにあることがわかりました。重なるという条件だけなら観測地候補は直線上に分布し幅があるのですが仕事が終わって駆けつけられるには高速のIC近く、民家から離れていて車が停められて機材を設置できそうな場所となるとかなり限られます。GoogeleMapで探すとこのときは格好の場所が見つかりました。


観測場所による見え方の違いを比較動画にしてみました。



決定した観測場所の正確な座標をStellariumに設定し月面通過の状況を事前に確認します。



実際に赤磐市に赴いて望遠鏡で撮影した動画です。軌跡がわかりやすいよう衛星の軌道を残す処理をしています。水平方法の短い線分は動画のフレームの位置合わせによってセンサーのノイズ（ホットスポット）が移動したように見えているものです。詳細はYoutube動画の概要欄に書いておきました。

ICESAT-2の照射するレーザー光を見る方法

2023-11-07追記　
Starlink以外にも観察対象として興味深い人工衛星があります。

2018年9月にNASAが打ち上げた地球観測衛星ICESAT-2は波長532nmのグリーンレーザーを地表に向かって常時照射しながら飛行しています。送出した光と戻ってきた光の時間差から距離を測定するいわゆるLIDARで地球全域の標高を測り続けています。約90日で一巡する観測を継続しているため例えば極地域の氷の厚さの変化も把握できるということで、地球温暖？化関連のテーマを掲げると予算が通りやすいというグローバリストの狂った戦略に乗っかったプロジェクトとも言えるでしょう。

　

具体的には共通の光源からのレーザー光を回折光学素子で6本に分割し強弱ペアｘ3組で地上をスキャンしています。強弱の光パワーの比率は4:1、強弱のビームの距離は2.5km、ペア
間の距離は3.3km、強弱のビームは全く同じ位置ではなく90m離れた位置を通ります。

ICESat-2の公式サイトに概要や説明動画があります。
https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/science/specs
https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/multimedia

ICESAT-2の周期は94.2分なのでレーザー光のスポットが地表を移動する速度は

6378000*2Pi/(94.2*60)=7090m/s=25525km/h

と新幹線の100倍くらいの速さです。雲の無い快晴の夜に強弱ペアが通過する位置から観察していると強弱2本のビームが約0.35秒の時間差でチャチャっと通過する様子が肉眼でも見えます。特に靄がかかったような気象条件のときにはレーザービームが途中でミー散乱を受けるため緑色の光の通り道がよりわかりやすくなります。このような現象は発見者の名前を取ってチンダル現象と呼ぼれています。スモークを焚いたコンサート会場や雲の切れ間から太陽光が地上に届く「天使の梯子」なども同じ原理です。

さて、これを見ようとするときはどうすればよいでしょうか？一番確実なのは3ペアのうちのセンターのペアが通る位置に陣取ることです。ビームの照射位置は完全に衛星の真下というわけではなく観測のサイクルごとにわずかに角度を調整しているそうです。（なかの人から聞きました。）しかし、われわれ素人がお楽しみで眺める程度ならほぼ真下と考えておいて良さそうです。

ICESAT-2を表示するためStellariumにセットするURLは以下です

https://celestrak.org/NORAD/elements/gp.php?CATNR=43613

これで現在地からどう見えるかはわかるようになりましたが問題はこの衛星が天頂に見えるような観測場所はどこかということで、これはStellariumで探れないこともないのですが手間がかかり厄介です。この目的に叶うサイトがあるのでまずはこちらで当たりをつけます。

https://www.n2yo.com/passes/?s=43613

10日以内に可視状態で通過することがあればここに表示されますが通常は何も表示されないでしょう。

ここで衛星に光が当たっていない通過も表示するため「All passes」ボタンを押すと設定した所在地から地平線より上に見える通過の一覧が表示されます。


この表の中央「Max Altitude」列に注目します。LocalTimeが昼間の行は見えないので対象外、この時刻が夜の行の中でEL（elevation 地表高度）ができるだけ大きな行を探します。これが大きいほど所在地から観測地までの距離が近いので移動が少なくてすみます。90度なら理想的でレーザービームが自分の所在地を照らしながら通過することを意味します。この表は倉敷市基準ですが2023/11/10の23:04に87度まで昇ることがわかります。これならわずかに移動するだけで衛星が天頂に見えそうです。

衛星は極地方を通って周回しているので南から北へ通過する場合と北から南に通過する場合があります。StartとEndの列を見れば通過の方向がわかります。

そこで右端の列の「Map and details」のリンクをクリックすると地図が表示され衛星の地上軌道がオーバーレイされます。この地図は住宅地図レベルまで拡大でき観測場所の精密な確認が可能です。このライン上であればどこでもレーザー光を浴びることが可能なのでこの地図や相当する場所のGoogleMap、GoogleStreetView等で現地の状況や視界の様子、駐車可能な場所があるか等を検討して観測適地の候補を選定します。通過の際の天候も考慮して離れた場所にも観測地を探しておく方がよいでしょう。

　
　


正確な観測位置が決まったら対応する場所のGoogleMap上でその地点を長押しすると座標がわかります。Stellariumの観測地設定画面を出し、「都市名」フィールドにこの場所の座標を貼り付けて場所を新規登録します。名前は
ice-20231110-Kurashiki-34°35'01.5"N 133°47'12.4"E
などど入力しこの文字列中の座標の部分を選択コピーして左の設定フィールドに貼り付けて「リストに追加する」ボタンで保存してやればあとでiceで検索呼び出しもできて便利です。
上の座標はサンプルです。

正確な座標が決まったら衛星が本当に天頂を通るかStellariumで確認します。するとなぜかたいていの場合衛星の軌道は天頂から外れています。（これを書いているのは11/7です。）


この文章を執筆中にも軌道要素に変動がありました。次の2つの図は上記と軌道が変わっています。上側がN2YOサイトの予報線上のあるポイント、下側は経度のみ角度の30.7秒マイナス修正することでICESAT-2の軌道が正確に天頂を通るようにしたところです。
　


そこで逆にGoogleMapで「34°35'01.5"N 133°46'41.7"E」を検索するとN2YOの予報よりも西に774m離れた位置にアイコンが表示されました。つまりN2YOの予報もそのまま信じてしまうのは危険ということです。



N2YOサイトが元にしている軌道要素の出典が不明なので比較はできませんが、更新頻度や更新のタイミングによる差もあるかもしれませんし、アルゴリズムに違いがあるのかもしれません。この例は実際の通過まで日数もありかなり誤差があると思われます。軌道要素は様々な要因で変動します。太陽活動によって高層大気の密度が変わると飛行の抵抗も変わります。また衛星のオペレーションのため人為的に軌道や姿勢を変更する場合もあります。いずれにしてもできるだけ直前の変動を反映した地上軌道の確認が必要でしょう。候補地探しはいつでも柔軟に対応できるようにしておく必要があります。

なお、ICESAT-2の通過を予報できるモバイルアプリが存在しておりNASAのICESAT-2のサイトでも紹介されています。
https://play.google.com/store/apps/details?id=gov.nasa.gsfc.icesat2.icesat_2&hl=en_US&gl=US&pli=1
が、結論だけ言うとこれは今のところ使い物になりません。
位置も時刻も不正確です。周回しているので偶然近い軌道を通ることもありますがその場合も時刻は数十分ズレていたりします。なかのひとに確認したところ１つのサイクル（約90日分）についてサイクルの始まる１か月前にRGT（参照地上軌道のKML）を計算してしまうのだそうです。ということは最大４ヶ月の時間差ができるわけです。上述したように人工衛星の軌道は常に変動しており観測結果を元に常に軌道要素は修正されなければなりません。素人でもこれくらいは分かるのにNASAが紹介・公開しているアプリがこのような仕様になっているというのはちょっとお粗末なのではないでしょうか。ICESAT-2の用途としてはLIDARの計測とセットでその時の正確な姿勢や位置情報が取得できていればいいので事前計算したRGTが実際と異なっていても問題はないのでしょうが...。

ICESAT-2観察のポイント

天候によってポイントは大きく異なります。快晴で大気の透明度も良い場合は前掲のようなビームの散乱は見えづらくなります。また、該当するビームの強弱のペアしか視認できず、3.3km東西に離れた別のペアは殆ど視認できないでしょう。

チンダル現象を起こすような靄やPM2.5などが存在している場合は前掲のような散乱光を見ることができます。高い位置まで粒子が存在している場合は隣のペアの強い方のビームによる散乱光が見える可能性はあるでしょう。

上空に雲がある場合は様相が異なります。雲がスクリーンとなりビーム端が光の点として映し出されます。これが衛星の飛行速度で移動するため線状に視認されます。この場合雲によって光は減衰するためチンダル現象による散乱光は見えづらくなるでしょう。

その一方で雲が高い位置にある場合、隣のビームペアも視界に入ってくる可能性があるので興味深い光景を目撃できる可能性が出てきます。実際筆者は薄雲の上に模式図通りの6つの光点が映って高速に移動する光景を肉眼で目撃したことがあります。その時の撮影で強弱ペアの光跡が写せたので雲の高さが約300mと推定できました。背景に星が透けて見えるくらいの薄雲が流れている状況だったのですがこのくらいの低さでも6点を同時に眼視できる可能性があります。高さが上がればもっとゆっくり鑑賞できることでしょう。



ビームの軌跡が撮影できた別の例も挙げておきます。

2023-11-10 23:04:54 岡山県浅口市寄島町　α7SIII+EF50mmF1.4 120fps動画


この日は薄雲の雲高がかなり高く中央と西側のペアが同じ画角内に写り、ここからおよそ9kmと推定されました。雲の状況によりますが、35mm～20mm位の明るいレンズがあれば3ペア6本ともビーム端の軌跡を写すことができるかもしれません。


撮影の際はタイムラプスを撮影するような方法はおすすめできません。レーザー光の通過は一瞬なのでコマとコマの間に光れば何も写りません。やはり動画撮影が必須です。特に上空に雲がある場合、雲に映ったビーム端の移動を捉えるためには感度が許す限りフレームレートは高くした方が動きがわかってよいでしょう。筆者も数えるほどしか経験がないのでまだ試行錯誤の段階ですが毎回何らかの発見（＆失敗や後悔）があります。

撮影も面白いのですが通過の瞬間はぜひ肉眼で天頂を見上げておくことをおすすめします。観測場所の座標が決まりその座標でStellariumを使って衛星の通過時刻を確認しておけばほぼ間違いはないので、時報を流しながら構えておけばタイミングを逃さなくて良いと思いま
す。大気の透明度が良い場合は特にビームの指向性が鋭くなるのでかなり正確に直下で構えていないと肉眼では視認できない可能性があります。

ICESAT-2について詳しく知りたい方は下記を参照してください。
https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/


また、有料ですが下記サイトから更に詳しい情報を得ることもできます。
https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11151/111510C/ICESat-2-mission-overview-and-early-performance/10.1117/12.2534938.short?SSO=1


前掲画像の元になる動画です。再生速度は1/4にしています。最初に弱のビーム、続いて強のビーム、そのあと淡いのですが東側のペアの強と思われるビームのかすかな散乱光が映っています。あえてN2YOサイトの予報ライン上で撮影しました。ビームは右寄り（西寄り）に写りStellariumによる予測の方が正しかったことが確認できました。


2023-11-02 23:21:48 JST 月齢19.6 離角60度
EOS6D 50mmF1.4 動画1920x1080 30fps
兵庫県三木市にて撮影
画像処理で少し明るくしています。


地表に向かってレーザーを照射している人工衛星としてはICESAT-2の他にも中国が運用しているDAQI-1があります。ICESAT-2よりもレーザー出力は弱いように思われますが撮影することは可能です。2023年1月にマウナケアの高感度ライブカメラにこの衛星から照射される
レーザーによる散乱光が偶然映り込んだことで話題になりました。
https://youtu.be/vn_PMiND4Yw
このときの映像を見ると20Hz位で間欠的な照射を行っているようです。

StellariumにセットするURLは
https://celestrak.org/NORAD/elements/gp.php?CATNR=52257

N2YOのサイトによる通過予報は
https://www.n2yo.com/passes/?s=52257
です。

　



2023-11-01  01:51:40 倉敷市内にて撮影
Borg77mm+Reducer　合成焦点距離330mm
α7SIII動画から4K解像度の中心部HDを切り出したもの。
120fpsで撮影した動画はそのままでは表示できないので4倍スローにしています。



Stellariumに彗星や小惑星の軌道要素を読み込む方法

人工衛星のついでに小惑星や彗星などの太陽系天体の表示方法も書いておきます。
ちょうど今月8/12-13に西村栄男氏によって発見されたばかりの彗星「C/2023 P1」を表示する準備をしてみます。（小惑星についても手順は同様です。）

「スパナ」アイコン
「環境設定」ウインドウ
「プラグイン」ボタン
「太陽系エディター」
「設定」ボタン
「太陽系小天体」
「太陽系天体」タブ
「MPCフォーマットで軌道要素を取得」ボタン
「データを取得」ウインドウ
「オンライン検索」タブ
　フィールドに「C/2023 P1」と手入力し「ルーペ」ボタン
「データ取得」ウインドウ
　□ C/2023 P1 (Nishimura)と表示されているはずなので□にチェックを付け
「天体の追加」ボタン

以上で検索アイコンから「C/2023 P1」を探して表示できるようになります。




軌道要素がセットされれば天文計算ウインドウ［F10］の「天体暦」で日々の位置の推移を描画することもできます。彗星の場合は尾の向きも表示されます。



2023-08-27早朝、D=107mmF6屈折+ASI533MCProで撮影してみました。

2023-09-07早朝、D=107mmF6屈折+ASI1600MMPro+赤フィルタによる撮影

尾が螺旋状の構造をしているように見えます。彗星核が自転しつつダストを放出していることが伺えます。


「Heavens-Above」でスターリンクの予報を確認する

Stellarium以外にも簡便に人工衛星の可視通過予報を確認する方法があります。
人工衛星の予報サイト　「Heavens-Above」https://heavens-above.com
を利用すれば打ち上げごとのスターリンク衛星の可視通過予報を確認できます。

まず最初にご自分の観測場所の設定を行います。
地図で示しても良いし、市町村名を入力し検索を押すと役所所在地がセットされます。
新規登録や変更の際は画面最下部の「更新」ボタンを押すことをお忘れなく。

設定が反映されると画面右上に地名が表示されます。



このときホームに戻るとこのサイトのURLは以下のように観測場所の緯度経度を含んだアドレスになっていることがわかります。


https://www.heavens-above.com/?lat=34.5851&lng=133.772&loc=%e5%80%89%e6%95%b7%e5%b8%82&alt=0&tz=JapST

これをそのままブックマークしておけば次からは自分の観測場所がセットされた状態からスタートできて便利です。よく使う場所が複数ある場合も複数のブックマークで観測場所を使い分けることができます。


スターリンク衛星については打ち上げのグループを選んで予報を表示することができます。可視通過が見つからない場合は検索期間を先に進めてみれば見つかる場合もあります。ただし、軌道要素は変動するのであまり先まで進めても正しい予報にはなりません。
可視通過がある場合下のように一覧で表示されます。青い時刻表示がリンクになっており、クリックすると天球上の経路が表示されます。明るさはあくまでも目安です。あまり当てにしないほうが良いでしょう。

画面右上にあるメニューの地上軌跡を押すとどのあたりを飛行するかが地図上で表示されます。90分で地球を一周するほど高速で飛行しているので地上から見る場合3分ほどで上空を飛び去ってしまうことがわかります。
HeavensAboveは便利なサイトですが、衛星の情報を表示できるのは一度に１機のみです。Starlinkのようにグループでまとまって移動する際の衛星同士の集まり具合を確認したりすることはできません。天球上の経路は描かれますが時間によって移動速度が変わる様子もわかりません。それに対してStellariumにURLをセットしておけば等倍速再生で星座の中を移動する様子もシミュレートすることができます。可視通過の候補を探すにはHeavensAboveが圧倒的に便利なので、こちらで候補を探し、見つかった通過についてStellariumで詳細を確認描画するというふうに両者を併用するのがよいでしょう。

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