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試験衛星「一番星」

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なし 試験衛星「一番星」

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depth:
29
前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2010-3-3 14:57 | 最終変更
hide  長老 居住地: 兵庫県  投稿数: 634
hideです。
 今回は、いつか航法に使えればと人工衛星を試作しまして、軌道に乗せようと実験を重ねました。
 これを実行するには、懸案だった3Dオブジェクトを作る技術が必要となり、モデリングソフトにAC3Dを選んで、初めて本格的に取り組みました。またAI機のコントロールに慣れようと、空港付近を飛ぶ離発着機のフライトプランを試作。様々な条件で衛星の飛行テストを行っていたところ、FlightGearのVer2.0が公開されて、同時並行で対応を開始し、慌ただしい2週間でした。衛星は多くの課題を抱え、静止軌道に置いたものの地球周回には至りませんが、ともかくご紹介致します。

 なおVer2.0では、残念ながらNVIDIA環境でも、画面のコントラスト表示などに若干の異常が発生しましたので、最初にこのあたりのご報告を申し上げます。

●祝Ver2.0登場:
 FlightGearのVer2.0公式リリース、おめでとうございます。
新バージョンには、多くの改良点があって素晴らしいですが、特に目立つのはShader effects関連でしょうか。最初に起動した時、一段とリアリティーを増した3D雲に、「このレベルまで来たか」と感激しました。しかしまた、処理の重さにも音を上げました。私の環境は、
 ・Core2Duo T7500 2.2Ghz
 ・GeForce 8400M G
 ・WinXP SP2
…というノートですが、Ver2.0でKSFOを選びますと、C172ではフレームレートが2〜10、ピラタスPC7改で5〜6となって、操縦困難でした。Shaderを切れば50台に跳ね上がりますが、あの素晴らしい雲を突っ切って飛べないなんて、やはり残念無念です。
 試行錯誤の末、3D雲のdencityとrangeのスライダー調整が劇的に効き、これらをデフォルトの半分に抑えると、少なくとも大阪都市圏上空では、フレームレート20台が確保できることが分かりました。Shaderには、機能チェックマークが3カ所ありますが、water reflectionのオンオフでは、20台の前半と後半程度の変化が出るものの、Crop textureとLandmass effectsは、いずれも特にオンオフによるフレームレートの変化はありませんでした。
 従来の機体の互換性が心配でしたが、果たしてピラタスPC7改のエンジンが、始動できなくなりました。起動時から、エンジンのrunningタグをtrueにして誤魔化しましたが、逆に停止できなくなったので、近く何とかしたいものです。また燃料計が動かないトラブルも発生。Internal Properties のパスが一部変更されたためのようで、すぐ改修しましたが、似たような事例は多くの機体で起きたのでしょうね。本家の機体DLコーナーは、大量の手直し作業が進みつつあるようで、ずっとダウンロード機能が止まっていましたが、私の好きな727が加わるなど、機種も増えて再開が楽しみです。

●残念ながら、白い機体がグレーに見える:
 Ver2.0では、白い機体や物体が、やたらに黒みがかって見える、という問題を発見しました。最初にKSFOの駐機群を見たときは、展示専用の新たな黒っぽい機体が出来たのかと思ったほどで、白い旅客機の多くが中・近景でも灰色に、遠景ではB52のような真っ黒に見えました。逆光ないし半逆光気味の場合に顕著ですが、順光でもしっかり起きています。よく言えばハードで男らしく、悪く言えばアンバランスで陰気な光景です。
 マイアルバムに、自作ロケットの写真をアップロードしました。Ver1.9.1bでは、ちゃんと赤と純白のカラーに見えていますが、初期の(パッチ当て無し)Ver2.0をインストールしたところ、同じロケットが順光でもグレーに見えました。ピラタスPC7改の場合は、やはり水平尾翼が逆光で不自然な真っ黒に見えますが、その一方で胴体や主翼は、少々明度が落ちるだけです。RJOOに駐機中の機体は、747が相当黒くなりますが、MRJは大きな影響がありません。機体やパーツによって見え方が違うのは、3Dモデルの表面処理の違いによるものだろうと思い、AC3Dでロケット表面のAmbientを約80%、Emmisiveを10〜20%くらいに調整したところ、反射に少し不自然さはありますが、明度はほぼ正常になりました。しかし、パッチ処理済みの公式版Ver2.0に入れ替えたところ、ロケットは再びグレーになってしまいました。また透明オブジェクトの色彩表現が一部変化し、RJOOで使用している空港ゲート通路の窓が、本来は青いガラスなのですが、透明に変化しています。いずれも致命的な問題ではありませんが、視覚面に力を入れているバージョンだけに、残念なことです。

●「レーダー航法衛星」開発の試み:
 では、人工衛星のお話に進みます。衛星を思いついたのは、西回り世界一周の最後にたまたま、太平洋のウェーク島に立ち寄ったのがきっかけでした。
 出来れば年内に、南北両極点をそれぞれ(UFOモードならぬ、空力の作用する航空機で)飛んでみたいと思っているのですが、ウェーク島で経度を確認しましたら、この島は偶然にも、極点に向かう際に南極大陸唯一の中継飛行場となるマクマード基地と、ほぼ完全に同経度だと分かりました。仮にウェーク島から、燃料不要のAI機を真南へ飛ばしますと、その飛翔体は、マクマード基地から極点への直航ルートをたどるため、本番の探検フライトでは航法用レーダーのターゲットとして使えそうです。
 FlightGearの南極点には、アムンゼン・スコット基地(SOUTH POLE STATION空港=NZSP)があったはずだと思い、Atlas画面を調べたのですが、この時は探し方が不十分だったらしくて見つからず、私は同基地が現行のマップデータから、いつの間にか撤去されたものと思いました。となると南極点は、目印もない氷原の一点となってしまい、この「レーダー航法衛星」は、極点到達を容易にする素晴らしいアイディアだと思われました。(今回、改めてdata/Airports/apt.datを解凍してみましたら、ちゃんとNZSPは実在しました。ただし、Atlas画面の全方位から見えるわけではなく、捜索中の経度によっては、見つかりにくい場合があります。また無線航法施設はありません)

 極地飛行では、ほとんど磁気コンパスが使えない(偏差が極めて大きい上、実世界では北を指す力も弱い)ことに加え、狭く放射状に分布する経線上を飛ぶため、飛行中は方位が劇的に変化し、航法が困難です。このため現実のフライトでは、極点を中央とする心射図法の地図に、緯線・経線と関係のない、便宜的な直交座標(グリッド)を重ね書きした地図を使います。これをグリッド航法と呼びますが、この地図では経度ゼロ(グリニッジ子午線)を「仮の北」として扱い、グリッド・ノースと呼んで、常にこの方向を指すよう特殊な調整をしたジャイロコンパスを使います。機体が北極点を超えようが超えまいが、グリッド・ノースは変わりませんので、「北極点では全方向が南」という、やっかいな問題を回避できるわけですね。
 出来ればFlightGearでも、このグリッド航法に近い便宜的な測地系が欲しいと思い、以下のような方法を思いつきました。
(1)極点に向かって南北へ飛ぶコースから、経度が90度ずれた赤道上
   にGPSのウェイポイントを新設し、ここからの距離表示が常に一定
   になるように飛ぶ。
(2)極軌道を飛ぶ衛星を多数打ち上げ、数分ごとに頭上を飛ぶように
   設定して、レーダーで追跡する。軌道経度を90度ずらした衛星群
   も用意すれば、二つの軌道が交差する地点が極点である。

 このうち(1)は、少なくともVer1.9.1の環境下では、GPSがオートパイロットから独立して作動せず、おまけに任意の緯度経度の目標地点を設定できないので、実現困難に思えました。また(2)は、冷静に考えれば測位精度を上げるのが難しそうですが、「衛星を飛ばす」というだけでも面白いので、実証テストをしてみることにしました。単なるレーダー・ターゲットを、あえて航法衛星と呼ぶのは大げさですが…1960年に登場した、史上初の「エコー」通信衛星(アメリカ)もまた、金属を蒸着した気球のような物体(展張時の直径100ft)で、単にマイクロ波を反射する仕組みでしたので、まぁよかろうと思います。

●FlightGearの世界で、人工衛星らしきものは可能か:
 ここで、衛星はどんな軌道を描くのか、FlightGearと関連しそうな点をおさらいします。
(1)衛星の軌道速度は、引力が強い低空ほど速い。
   高度ゼロでは計算上、秒速約7.9キロ。周期は約84分となる。
   地球の自転と同期する静止軌道では、高度約3万4000キロを秒速約
   3キロ、周期24時間で飛ぶ。
(2)衛星は、地球の重心の回りを周回する。
   つまり大円(地表から見ると大圏コース)を描く。従って例えば
   赤道以外の緯線に沿って飛ぶことは出来ない。
  (仮に、日本から真東に打ち上げても、真東へ飛び続けるわけでは
   なく、引力の影響で南へ向かい、赤道に対して傾いた大円を描く。
   地図に投影すると、赤道をはさんで南北に振動する曲線となる)
(3)地球が自転するため、衛星は南北両極を結ぶ極軌道に投入しても、
   経線に沿って飛ぶわけではない。
…といったところでしょうか。
 まず(1)の条件を満たす飛び方が、AI機に可能かどうかですが。少なくとも低空で短距離なら大丈夫です。試しにウェーク島滞在中、飛行船ヒンデンブルグ号を、宇宙の入り口と言える高度約30万ftに置くシナリオを書き、秒速約8キロの初速を与えたところ、20nmレンジのレーダースコープから3秒で飛び出し、160nmレンジでは約20秒間見え、その際の表示高度は正確でした。(3)については、今さらどうしようもなく、無視することにします。軌道を地表に投影すると、徐々に東西にずれたり、赤道をはさんで8の字を描いたりするわけですが、こうした動きを正確に再現するのは恐らく無理でしょう。

●関連技術を研究…まず3D制作から:
 衛星を作って飛ばすには、さまざまな関連技術を用意しなくてはなりません。
 ○衛星本体づくり:
 FlightGearの公開オブジェクト集から、衛星に見えそうな何か(例えば、球形のガスタンク)を流用する手も考えましたが、いつかは私も航空機も作ってみたいし、acファイルを自作できるに越したことはありません。そこでPayPalを使って、懸案になっていたAC3Dのライセンス購入を済ませ、過去に公開された旧バージョンのマニュアル日本語訳と、英語版の正規オンライン・マニュアルを見比べながら、ごく初歩的な操作を覚えました。これは学習しやすいソフトですね。ついでに参考書が欲しいと思い、大阪・兵庫の大型書店やパソコン店5〜6軒を当たりましたが、残念ながら見つかりませんでした。(Blenderの本は2冊買いましたが、独特な操作系が苦手です)
 私の立体オブジェクト処女作は、格納庫のアクセサリーにするドラム缶です。ネットでドラム缶の標準サイズを調べ、どなたかご指摘下さった「1m=100ピクセル」との情報に従い、円筒形を作って加工。「火気厳禁」のテクスチャー貼り付けが、うまく行きませんでしたが、一応それらしいものができました。次に、まだ飛ばす当てはないものの、ロケットを試作。旧NASDA(宇宙開発事業団)のN-1を思い浮かべて全長約30mの輪郭を描き、回転体に加工したところ、思ったより簡単にできてしまいました。同じ手法でノズルとSOB(補助ロケット)も作りました。
 打ち上げ時の炎と噴煙も、欲しいところです。炎はMe262のacファイルを借用し、ロケットのファイルとマージして拡大した上、ノズルの部分にくっつけました。噴煙は将来、可能ならパーティクルで実現したいのもです。
 ○フライトプランの記述を研究:
 これまでに行ったAI駐機や旋回は、いずれもフライトプランを省略し、高度・速度・バンク角をいきなりシナリオに記述しましたが、この方法で衛星を飛ばすのは難しそうなので、AIフライトプランの書き方を学ぶため、大阪空港の場周経路で777を飛ばしました。
 第1〜第4旋回点の緯度経度を決めるのが面倒ですので、どんな空港でも、滑走路の方位や基準点の座標、レグの長さなどを入力すれば、必要諸元を自動計算してくれるワークシートを作成。これを使って、demoモードを参考にフライトプランを書きました。ところが、高度や速度などをどう調整しても、機体は第4旋回点の手前で消えてしまいます。コンソールにも特にエラーメッセージが出ないため原因が分からず、場周経路を回って降ろすのは諦め、次善の策として「滑走路から離陸し、消滅。次いでファイナルアプローチを開始し、着陸後に消滅」という動作をリピートさせようとしましたが、ファイナル開始時に機体を出現させると、空中に静止したまま振動を起こし、うまく行きませんでした。がっかりですが、離陸シーンだけを繰り返すことには成功し、この機能を常駐させています。自分の母港で、全日空機が絶えず離陸するのが見えると、日常的な光景に心が和む…という効果はあります(^^;)。
 ○東経から西経へ、南緯から北緯へ:
 衛星が、赤道や日付変更線(またはグリニッジ子午線)や南北両極を、果たしてAI制御で飛び越えることが出来るのか、という検証も必要です。シナリオファイルで初速だけを与えた場合と、フライトプランで座標を指定した場合の両方についてテストを重ね、UFOモードのピラタスPC7改を飛ばして、目視とレーダーで観察しました。まずシナリオのみの場合、赤道上で東経から西経へ日付変更線を横断すると、衛星は視認可能ですが、レーダーからは消滅することが判明。フライトプランを使っても同じ結果で、これでは航法には役立ちません。残る可能性は、地球を南北に回る極軌道か静止軌道だけです。
 極軌道を試したところ、極点を越えると逆に、レーダーでは機影が確認できるが視覚的には消えてしまうという問題が発生。また赤道の近くで衛星が前後方向に激しく振動し、赤道を越えられない例もあって、地球周回はかなり難しそうに思えました。時間の制約もあり、全てのケースを順列組み合わせ的に確認したわけではありませんので、ともかく一度、実際に地球一周を試みることにしました。シナリオで座標と初速を与えただけの衛星と、フライトプラン付きの衛星を2機ずつ計4機、同時に種子島から南北へ経度の線に沿って、第一宇宙速度(秒速約7.9キロ)にあたる1562.37Ktで放つ計画です。高度は26万フィートを基準に、レーダーで各機の見分けが付くよう1000ft単位で4通りにプログラムしておきます。

●種子島へ出張し、4機の衛星を飛ばす:
 日本で衛星を打つなら、やっぱり種子島でなくては、気分が出ません(^^)/。
まず、大阪からの移動ですが…アメリカの宇宙飛行士はご存知の通り、全米に点在する研究施設の間をT38タロンで飛び回っていますが、日本のFlightGearユーザーとしましては、ここはやはりT-4の出番だと思います。同機がまだVORやDMEを持たないことに加え、楽に効率よく移動したいので、私としては少々珍しいですが、GPS航法を使うことにしました。
◎大阪国際空港RJOO VOR113.90(OWE) 以下磁気方位。
    ▼185度17nm
★信太VOR 112.3(SKE)
    ▼213度39nm
★御坊VOR 116.9(GBE)
    ▼244度126nm
★清水VOR 115.2(SUC)
    ▼225度165nm
◎種子島空港RJFG 中種子VOR115.4(TGE)ILS/DME108.95-309度
計347nm

 大阪空港は10度6Ktの風、30000ftと10000ftに雲がちょっと。文句ないコンディションです。燃料満タン4000Lbsとし、中継地をGPSに入力して、UTCの0307時に離陸しました。
 RJOOのルール通り、離陸後500ftまで直進、以後左旋回して南へ。毎分30000ftで上昇したところ、10000ftまで500KIASをほぼ維持。さすが高等ジェット練習機です。信太VORを過ぎてなお上昇、0317時に高知沖の25000ftでレベルオフ。TASを計算しますと約600Ktで、Internal Propertiesによれば、マッハ数は0.955です。離陸後たった22分で土佐清水市を通過し、あとわずか16分で種子島…と、見事な巡航速度でした。
 それにしても、操縦しやすい飛行機ですね。舵の味がしっとり上質で、安定性にも優れ、いったん舵角が決まると姿勢がぶれず、まことに快適です。前席の視界が計器盤に少々遮られるのは残念ですが、デフォルトのコクピット画角67度を、試しに77度に変更するとかなり見やすくなりました。頭の位置を上げれば最高ですが、今回はそのまま後席で操縦しました。
 高度処理の「3対1ルール」に従い、約80nm手前から降下開始。150Ktで滑走路に向かい、120Ktで最終アプローチを試み、ふんわりタッチダウン。あまりの快適さに、ほとんど倍速を使わず、Atlasも起動しないまま種子島に着いてしまいました。
 タクシー代わりのUFOで南種子町へ移動し、まず大崎射場の位置に発射台を設置して、先ほどの噴流付きロケットを据え付け、打ち上げシーンを撮影しました。実世界では若いころ、種子島と内之浦で何度も衛星や探査機の打ち上げに立ち会ったので懐かしいです。今回は、PC7改のレーダーで衛星を追跡しますので、大崎から発射する(衛星の飛行の基点とする)わけにいかず、再び中種子町の種子島空港に戻ってプログラムを準備し、PC7改を起動しました。瞬時にポーズを掛けてスコープを見ると、4機の衛星が2機ずつ重なり合い、すでに南北約7nm先を懸命に飛んでいました。よーし、行ってこい!
 待つこと1時間22分。残念ながら、1機も帰ってきませんでした。まだAI機の制御を十分理解したとは言えず、現在のFlightGearの仕様で、こういうことが可能なのかどうか分からないままなので、ちょっと無理かなと思いましたが、やはり現時点では無理でした。
 取りあえず、赤道上なら静止衛星という手があり、置くだけで済みますので、今回は静止状態の技術試験衛星1型「一番星」の画像をUFOで撮りに行って、アップしました。本来は高度34000キロでないと、地球の自転に同期/静止しませんが、FlightGearの天球は26万ftちょっとで終わりますので、今回はこの高度ぎりぎりに投入しています。こうした疑似「静止」衛星は、レーダーの航法ターゲットとして利用可能なほか、将来VORかTACAN局でも搭載すれば、さらに航法衛星らしくなりますが、敢えて開発したとしてもレンジが短いため、GPSに比べると相当不便でしょう。今回はひとまず、衛星の実験そのものを楽しんだ…というご報告で、一段落としておきます。

●追伸:フライトデータの、セーブとロードについて。
 私はVer1.9.1bに移行後、実はセーブしたデータの再ロードに必ず失敗して、首をかしげていました。掲示板で話題になりませんので、バグとは思えず。またあまりに初歩的なお話ですので、皆さんにご相談するのも気が引けました。
 たまたま気付いたのですが、私は FlightGear Wizard の「Advanced…」にある initial Position を使う際、パラメータを元に戻し忘れたとみえて、幾つかの欄にゼロの値が入っていました。ここは、空白でなくてはダメだったんですね(^^;)。修正した現在は、ちゃんと保存データのロードが可能となりまして、例えばスポット機能の代りにして、愛機を格納庫内で起動する、といった使い方を楽しんでいます。
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