⽇本天⽂学会2021年秋季年会 V205a

JASMINE アストロメトリ
解析ソフトウェアの開発
大宮正士

アストロバイオロジーセンター / 国立天文台

⼭⽥良透 (京⼤), 河⽥⼤介 (UCL), 上塚貴史, 河原創, ⼤澤亮 (東⼤), ⽚坐宏⼀ (JAXA),
⽴川崇之 (⾼知⾼専), 服部公平 (統数研), 平野照幸 (ABC/国⽴天⽂台),
福井暁彦 (東⼤), 吉岡諭 (海洋⼤), Wolfgang Loﬄer(ARI Heidelberg),
⾅井⽂彦 (JAXA), 泉浦秀⾏, 三好真, ⽮野太平, ⾠⺒⼤輔, 郷⽥直輝 (国⽴天⽂台),
JASMINE データ解析ワーキンググループ

⽬次
u JASMINE におけるデータ解析
u JASMINE データ解析WGの活動
u JASMINE 解析パイプライン開発の現状

JASMINEにおけるデータ解析
uJASMINE成功に向けた4つのキー要素
u望遠鏡組み⽴て調整
u検出器サブシステム
uコスト
u地上でのデータ解析

u⽬標：

ç 重要！

最⾼25μ秒⾓の精度を実現するデータ解析

u年周視差精度：25~125 マイクロ秒⾓
u 25μ秒⾓ è 銀河中⼼での距離の誤差が20％に相当（銀河中⼼まで距離~8kpcと仮定）

u固有運動精度：25~125 マイクロ秒⾓/年
u 銀河中⼼での速度の誤差が 1~5 km/sに相当

uJASMINEに合わせたデータ解析ソフトウェア制作の⼤きな⽅針
uHSTなどの衛星観測で⽤いられてきた解析⼿法を採⽤し独⾃の仕様に落とし込む
uコーディングとパイプライン構築をメーカーに委託
u ⾼精度で可読性が⾼い解析ソフトウェアを効率的に開発が可能に

uデータ解析ワーキンググループで議論・検討

郷⽥さんスライド෮ු໲ฑேጵ࿵ᇌ༊ JASMINE،‫׽פל׭آ‬JAXAࢍཪऎॺଞ੄സ

،‫ྙ׽פל׭آ‬ӱ੻ဂྞਏಟኾፕᇓՒඑဂઃഡՒ൚਺౅ዣ(ᇏ႞ӢՒ༦ቶ་ᇹՒྴ቎༗౜Ւ჉඘ഭࡴՒూ୻෉Ւዀኾ໤ᇓՒಟဥභୟՒࢍဒ਺෉Ւ৖ญࡴᎤ

ᇦ௵୾ࡴ(،‫؟‬،‫׽פל׭آ‬୭ᇸ‫׶‬՛ؕྙӢࢗ࡮ᇌᅝՒࡳᆪྞ೩ՒᎬဂᆦᅝ(ଙഞ৯्ᄇ)E2E‫ءؚؔ׬‬՛‫ؠץب؜׬‬՛،(‫׼‬՛‫״‬शืWGӢ‫ؠץ‬՛،ྙӱ౅ဂፕ၅(ੜဒ་ॺ)፷ኪ་ऴ(ISAS)ՒओମຕՒඑྭ਌ౝՒᇓኾ൴ஂՒ་ᦁፈՒᆵ࡮ઃᅝ
(ဪੜ་ॺ)Ւ་਺ฝౠՒ๜ࢠ೶ஂՒྥਵ࡮ໞౝ
泉浦秀行 津久井崇史(ேጵ࿵ᇌ༊)Ւᆴᆪ୰
ᇓ(ျ෾ଞ)Ւጵ๖᫰Ⴑ(ஸཐ୿๔)Ւਦࣰዏ(ဪੜॆዼ་)ேጵ࿵ᇌ༊ ๐༾ਙട‫״بװ‬՛‫״بװ‬՛ྙӱ࢓ᦁआၝਙ౧ྙӱᇓ፟วႱՒ
ተဂᎬਵ(ਙട೗঴)Ւ
ቨ൪ሙሓ(୯ॺ)Ւཨࣴ೶ᅝ(ଙഞ৯)Ւ་ᤨ৮Ⴑ & ࢠ୵ౝল(Ⴈஓ່)

Exo-JASMINE ‫׶‬՛ؕӡ‫׽׸׭ب؞׽‬৑໐֪‫׊ׇ‬ད੃૙Ꮁน༷௮Ӣओମ ຕӡ‫׶‬՛ؕྙӱဪ་ӢՒໃဂଥ෗ӡఙ་)Ւ൚ઈ਌໋Ւᆵ࡮៰ᅝ(ဪ་)Ւ঍ମ൧பՒ་਺ฝౠՒ
൚༭ፀபӡABC/NAOJӢՒᇓኾ ൴ஂӡဪ୿་ӢՒ౅ဂਗ਼(ISAS)WhitePaper
JASMINE Consortium
WG-A(Data Analysis)ՒWG-B(Science Validation and Preparation)ՒWG-C(Outreach) 䛾‫؟‬՛‫׵‬՛ӱओဂ་ऴ (MSSL/UCL)Ւேၾ॒60኎֭ଞ੄ೄ(2021Ⴉ4ଈଵఓ)
ᇳ➹

ே఑੤፛

ARI Heidelberg UniversityDŝĐŚĂĞůŝĞƌŵŵĂŶ͕tŽůĨŐĂŶŐLöffler

U.S. Naval ObservatoryƌǇĂŶŽƌůĂŶĚ͕EĂƚŚĂŶ^ĞĐƌĞƐƚ

88

データ解析ワーキンググループ
2021 年春季年会 V242a 講演参照

泉浦秀行 津久井崇史

u⽬的jasmine-imagesim
https://github.com/JASMINE-Mission/jasmine-imagesimu JASMINE⽤データ解析ソフトウェアの製作
u End-to-End simulationの構築

u仕事内容
u 週１回のミーティング
u slackでの議論
u githubでのコードの共有・開発
u 業者とのやりとり
u 業者が作成したコードのレビューとフィードバック
u ソフトウェア仕様書の改訂
è 製作にきちんと関わって、⾼精度なソフトウェアの開発を⽬指す
u 現実的なデータ解析＆シミュレーションの開発
u 解析⼿法・コードの改良
u 海外チームとの協⼒データ解析の流れ
A: 星像中⼼推定
1. PSF形状を観測データから推定
2. Bayes splineを⽤いてePSFを構築する
3. 構築したePSFをﬁtし、星像中⼼を推定

400mas (回折幅)

観測データ

ePSF

27000光子/星像

星像中⼼推定精度は回折幅の1/√Nphに低減、systematic誤差は1/300pixel以下。

精度への影響：光学特性、変動、7秒以下の姿勢擾乱、検出器特性、ePSF構築アルゴリズム
１フレームのデータ

B: フレーム歪み（主に光学歪み）の補正
同じ星は１フレーム内では動かないと仮定して・ 5次多項式で表現した歪み・ピクセル毎のサイズ不均⼀・星位置を同時に解く
精度への影響：光学系性能、光⾏差、望遠鏡熱変動、検出器の製造由来誤差、放射線フィルタの歪み、照合する星の数や明るさ

C: 位置天⽂パラメータ推定8000 scan/ミッション（3年間）の観測データから、
1. 絶対位置とスケールをGAIA星を基準に決定する
2. 各星の位置天⽂パラメータを推定する
精度への影響：検出器歪み、参照するGAIAの星の明るさ近接する星のPSFのテール、拡散天体

星像中にNph=2.7万個の光⼦があるとして、HSTで確⽴した⼿法を試し、結果を再現した。

4mas

測定座標(ひずんでいる)

光学歪を双多項式で表現し、システム安定性を同時に要求することで、ある程度の精度を得られることをシミュレーションとHST実データで確認した。

歪みをとった座標

天球上

1.5mas

3年間の観測データ

100万撮像で誤差が1/√N則で低減することを、模擬星像を使った地上実験で確認。

8000 scan/ミッション

25μas

End to End (E2E) simulation
データ１

測光精度の評価

Jasmine-imagesim でhttps://github.com/JASMINE-Mission/jasmine-imagesim

現実的な模擬データを作成した
データ２ PSFをガウス分布と仮定した単純な模擬データを作成した

系外惑星トランジットの成果評価
キャリブレーション⽅法の検討

位置解析精度の評価

位置解析ソフトウェアの制作
プロジェクトによる仕様策定
⽂書
メーカによる実装

プロジェクトによる検証

運⽤計画に反映

衛星の位置、速度⇒星が⾒える⽅向
衛星の姿勢⇒像⾯で結像する位置
画像歪、検出器歪⇒結像位置(pixel単位)
PSF形状、星の⾊、ノイズ⇒光が作る像の形
検出器特性⇒電気的に得られる像の形
天⽂位置パラメータ導出

仕様改訂
アルゴリズムに改良を要する点を発⾒した場合

セルフキャリブレーションで解けない擾乱
モードを発⾒した場合

フィードバックメーカーが制作したパイプラインを少し改良して解析し、結果を調べた
PSFを⾒積もり像の中⼼を推定する

3年のデータを集めて運動を解く
50分の観測からある時刻の星位置を求める。

E2E：模擬データ作成
・位置・天体の動き（年周視差、固有運動）
・天体の等級

データ１（imagesim）

期間：3年間
頻度：10回/年

コントア：対数スケール
データ２（ガウシアン）

E2E：位置測定１
全星同じ等級Hw=11mag
PSF=ガウシアン

１フレームの星のばらつき
与えた位置と解析で得られた位置の差全て同じ等級にした場合
⾚：True緑：mktimeseries
⻘：imagesim
重なって分離できていない

6 pixels
１フレームのPSF
PSF=imagesimで作成

1フレームのPSF (x=0)

１星のばらつき（31枚）

2 pixels

ただ、、これ以降は、想定される値が出てこない。。。

E2E：位置測定２

⻘（データ１）：imagesim
緑（データ２）：ガウシアン

星の数を増やした場合

緑の点の標準偏差〜1/280pixel、⻘の点は横⽅向〜1/50pixel

Nstar = 13

0.2 pixels

0.2 pixels

Nstar = 29

これ以上星の数を多くすると、星が近すぎて解析に悪影響が出るè <50ピクセル以内に別の星を作らないようにした

E2E：位置測定３<50以内に別の星を作らないようにした場合
Nstar = 44
time = 422min~7hours

Nstar = 71

E2E：位置測定の星数依存性
データ作成時に指定した天体位置と解析で推定された位置の差の標準偏差1フレーム内に含まれる星の位置のばらつき<50pixに星を配置しない場合

Nstar = 90以上になるとバラツキが⼤きくなるè 原因究明必要
1/300↓

星の数が多くなるにつれてばらつきが⼩さくなることが確認できた

解析に⽤いる星数毎の1星の31フレーム内のばらつき（true ‒ result の標準偏差）

星の数1/300↓

まとめ＆今後の方針
u JASMINEコンソーシアムデータ解析ワーキンググループ

u JASMINE⽤データ解析ソフトウェアの製作
u End-to-End simulationの構築

u ワーキンググループでの仕事内容
u 週１回のミーティング、slackでの議論、githubでのコードの共有、海外チームとの協⼒
u 業者が作成したコードのレビューとフィードバック、業者とのやりとり、仕様書の作成
u 製作にきちんと関わって、可読性が⾼い⾼精度な解析ソフトウェアの開発を⽬指す

u 現実的なデータ解析＆シミュレーションの開発、解析⼿法・コードの改良

u 今⽇の話の内容：

E2E simulationで、業者が作成したソフトウェアを検証した

u シミュレーションと解析のソフトを組み合わせて、模擬データの作成 から 解析までの流れ は作成できた
u 単純な模擬データを⽤いた場合、1フレームで~1/280pixelの位置測定精度が達成できることがわかった
u 歪み推定以降のプロセスは桁外れの値を出⼒する è コード内の複数のバグなどの原因が考えられる

u 今後の⽅針u 業者との意思疎通の改善（これまでに困難があった）
u 解析⽅法の再検討（特に、歪みの⾒積もり、星IDの⽅法、位置天⽂パラメータ導出）
u シミュレーションを⽤いた各パートにおける系統誤差と低減⽅法の検討
u 特に、PSF推定、データの重ね合わせ、位置測定、位置天⽂パラメータ導出

u 解析精度のパラメータ依存性調査
u 星のカタログの情報、観測時刻などを⼊れた、より現実的なシミュレーションと解析
u ⾼速な処理の実現