小型 JASMINE の解析
ソフトウエアの構築
山田 良透 (京都大学), Wolfgang Löffler(ARI Heidelberg),
郷田 直輝 (国立天文台), 矢野太平 (国立天文台), 辰巳大輔 (国立天文台), 片坐宏一 (宇宙科学研究所), 吉岡諭(海洋大)+ end 2 end simulation group

小型JASMINE実現のキー要素• 望遠鏡組み立て調整• 検出器サブシステム• コスト• 地上データ解析メンバリスト(機関順、11機関、23名)
メンバー名

所属

山田 良透

京都大学

河田 大介

University College London

河原 創・上塚 貴史・大澤 亮・福井 暁彦・越本 直季

東京大学

辰巳 大輔・泉浦 秀行・郷田 直輝・三好平・津久井崇史

国立天文台

真・矢野 太服部 公平

統計数理研究所

立川 崇之

高知工業高等専門学校

吉岡 諭

東京海洋大学

片坐 宏一・臼井 文彦・鈴木大介

JAXA

平野 照幸・大宮 正士

ABC

増田賢人

大阪大学Löffler Wolfgang

ARI / Univ. Heidelberg3400mas (回折幅)測定・解析の処方箋
A: 星像中心推定27000光子/星像

PSF形状をデータから推定し、Bayes
Splineを用いてePSFを構築する
構築したePSFにfitし、星像の中心を推定
光学特性とその変動、7秒以下の姿勢
擾乱、検出器特性、ePSF構築アルゴリズムが精度に影響する。
B: フレーム歪みの補正
同じ星は動かないことを使って、5次多項式で表現した歪み、ピクセルごとのサイズ不均一、星位置を同時にを解く

星像中にNph=2.7万個の光子がある。HSTで確立した手法を試し、結果を再現した。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。
(付録 PSF推定)

測定座標(ひずんでいる)

歪みをとった座標

光学系性能、光行差、望遠鏡熱変動、検出器の製造由来誤差、フィルタのひずみ、照合する星の数や明るさが精度に影響する。

4mas
歪を双多項式で表現、システム安定性を同時に要求することで、所定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。
(付録 フレーム連結)システム安定性は、温度制御と低膨張素材の開発で実現可能である見通しをつけている。(次ページ)

天球上

C: 位置天文パラメータ推定
Step Bで解けない絶対位置とスケールはGaia星を頼りに、多項式、フーリエ級数、Bayes Spline回帰を用いて推定参照するGaia星の明るさと数、近接する星のPSFのテール、拡散天体が精度に影響する。

星の運動則が精度良く決まっていることから、self calibrationができ1.5mas る。
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(付録 誤差低減実験)

データ解析・End-to-End simulation

物理情報の流れと解析の流れ
感度・非線形性
量子化誤差
暗電流
読み出しノイズ

クロストーク指向擾乱

PSF形状色背景ノイズ迷光光学歪み

姿勢⇒ノミナル指向
軌道⇒光行差指向擾乱

検出器
geometry
光学歪み

時刻

カタログ

切り出し

星像
データ

他のパラメタ

電気的像2

電気的像1

検出器座標での星位置

星ID

粗姿勢

PSFモデル作成

PSFモデル

検出器geometry

位置天文パラメタ

位置天文推定像歪み星同定
参照カタログ

凡例
PSF形状

天球上の星の位置

像面での星位置貼り合わ
せ歪推定

星像中心推定Calibration
Calibration data

光学的像

パイプライン上に無いパラメータ
枠の色が上(擾乱要因)と下(モデル)で対応

検出器geometry

青字は、複数個所に出て来るもの

処理及びデータの流れ(未実装)
処理及びデータの流れ(実装済)

検出器座標での星位置
パイプライン上のデータ切り出し

処理(実装済み)

星同定

処理(赤字:未実装)

最小二乗

Bayes Spline

実装済みのinfrastructure5

E2E simulation groupの立ち上げ• UCL河田氏(JASMINEのproject scientist)が声をかけ、20名強のE2Eチームを立ち上げ。
• 9月より毎週会合+GItHubによるコード共有+Slackによる日常的な議論。
• NAOJ, ISAS, 東大,京大,東工大,海洋大, 高知高専,統数研,大学院生から教授クラスまで。
• 「解析」と「シミュレーション」の二本立て「シミュレーション」の活動状況• 現段階で想定できるノイズ要因はほぼ実装済み• 系外惑星探査に必要な測光精度を得られるかどうか検証• 「解析」のinputにできるようなI/Fを実装。

「解析」の活動状況

文書

仕様改訂

測光精度の評価

系外惑星探査の成果評価
キャリブレーション方法の検討
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
星の運動5

パラメータ

プロジェクトによる仕様策定
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

導入するノイズによって、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像の中心を推定

データ解析は問題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。
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PSFを推定する

1目盛りは1/40 pixel、緑の点(良いPSF)の標準偏差～1/280pixel、青の点(擾乱入りPSF)は横方向～1/50pixel

目標精度推定した星像の中心と、画像生成時に与えた正解との差パラメータと達成精度の関係を実証

誤差

画像の生成

精度が十分でないケースの識別⇒アルゴリズムの改良

PSF推定に使った星の数

運動の推定部分は今後検証
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データ解析・End-to-End simulation

物理情報の流れと解析の流れ
感度・非線形性
量子化誤差
暗電流
読み出しノイズ

クロストーク
指向擾乱

PSF形状
色
背景ノイズ
迷光
光学歪み

姿勢⇒ノミナル指向
軌道⇒光行差指向擾乱

検出器
geometry
光学歪み

時刻

カタログ

切り出し

星像
データ

他のパラメタ

電気的像2

電気的像1

貼り合わ
せ歪推定

PSFモデル

検出器geometry

パイプライン上に無いパラメータ
枠の色が上(擾乱要因)と下(モデル)で対応
青字は、複数個所に出て来るもの

処理及びデータの流れ(未実装)
処理及びデータの流れ(実装済)

位置天文パラメタ

位置天文推定像歪み

この部分が検証された検出器geometry

天球上の星の位置

像面での星位置

星ID

粗姿勢

PSFモデル作成

凡例
PSF形状

検出器座標での星位置

星像中心推定Calibration
Calibration data

光学的像

星同定
参照カタログ

検出器座標での星位置
パイプライン上のデータ切り出し

処理(実装済み)

星同定

処理(赤字:未実装)

最小二乗

Bayes Spline

実装済みのinfrastructure8

今後の課題• 解析精度のパラメータ依存性の調査• 撮像される星の数、星の明るさ、位置天文パラメー
タ既知の星の数、撮像Plate数• PSF形状推定に含まれる系統誤差要因の検討• PSFの変動(時間的、視野内の位置、星による違い)• ピクセル内の中心位置の違いによるずれ• 星の数とPSF形状推定精度の関係• 処理の高速化• 10万星、50万撮像⇒巨大な問題• アルゴリズム、メモリーアクセスパターン、並列化