SOPRAN

Satellite Observation Package for Retrieval, Analysis, and Navigation.

SOPRAN は、衛星観測データの取得、読み込み、解析、可視化、座標変換を Python から 扱うためのライブラリとして作る予定のリポジトリです。まずは KAGUYA/SELENE や ARTEMIS など、月周辺の衛星データ解析を主対象にします。

目標

• ミッションごとに異なるデータ形式や測定器を、共通した使い方で扱えるようにする。
• IDL/SPEDAS で使ってきた解析スクリプトを pure Python + Rust の実装へ移植する。
• Python から読みやすい API を提供しつつ、重い decode、binning、fit、大量 batch 処理は Rust backend へ分離する。
• 解析作業で増えた一時コードを、そのまま積み上げず、reader、product、workflow、 analysis primitive として整理する。

初期スコープ

• KAGUYA/SELENE の public data reader と product builder
• ARTEMIS の基本 reader と時系列 product
• SPEDAS/tplot に近い軽量な時系列データモデル
• dataset root / local cache / metadata の共通 resolver
• SPICE を使った時刻・座標系補助
• DEM/SVM などの天体固有 map product、投影、経度表現、region query
• DEM と太陽位置に基づく shadow / illumination product
• Rust による重い処理の backend 化

依存関係

SOPRAN は研究・解析環境でそのまま使えることを優先し、KAGUYA/ARTEMIS、SPICE、 SpacePy、MAP/DEM/SVM、Matplotlib/HoloViz 系の runtime backend を標準 dependencies に 含めます。optional-dependencies は用途別の目印と開発環境向けに残しています。

pip install sopran
pip install "sopran[full]"
pip install "sopran[dev]"

optional extras は kaguya, artemis, moon, viz, geospace, full, dev に分けますが、 runtime 系は標準 dependencies にも含めます。

Documentation

公開ドキュメントは MkDocs Material で docs/ からビルドします。GitHub Pages は .github/workflows/docs.yml で main への push 時に build/deploy する構成です。

pip install mkdocs mkdocs-material "mkdocstrings[python]" pymdown-extensions numpy
set PYTHONPATH=src
mkdocs serve

pip install -e ".[docs]" も定義していますが、通常の runtime dependencies も解決対象になるため、 Windows で MSVC がない環境では aacgmv2 などの build に失敗することがあります。docs だけを 編集する場合は上の軽量 install を使います。

現在動く最小 API

KAGUYA ESA1 については、public PBF file discovery、ローカル raw PBF decode、 xarray/polars 変換、parquet 保存、Pipeline scan/run、最小 PlotStack までの縦切りを 実装し始めています。ARTEMIS FGM は normalized parquet が Store にある場合の load skeleton を 用意しています。

import sopran as spn

store = spn.Store("F:/sopran_data")
kg = spn.Kaguya(store=store, download="never")
time = spn.day("2008-01-01")

kg.esa1.energy_flux.info()
kg.esa1.energy_flux.plan(time)

esa1 = kg.esa1.load(time)
ds = esa1.to_xarray()
counts = esa1.to_polars("counts", reduce_look="sum")
record = esa1.write_parquet(store, variable="counts", reduce_look="sum")

pipe = (
    kg.esa1.pipeline(time)
    .decode()
    .select_variables("counts")
    .quicklook("counts")
    .write("kaguya.esa1.counts", layer="normalized")
)
pipe.run()                 # existing shard があれば失敗
pipe.run(mode="replace")   # 明示置換
pipe.run(mode="append")    # catalog に shard を追加
manifest = store.dataset("kaguya.esa1.counts", layer="normalized").manifest()
manifest["provenance"]["pipeline"]["stages"]

lazy = kg.esa1.pipeline(time).from_normalized().select_variables("counts").scan()
counts_frame = lazy.collect()

stream = (
    kg.esa1.pipeline(time)
    .from_normalized()
    .select_variables("counts")
    .stream(partition="day")
)
for day_frame in stream:
    pass

stack = spn.stack(
    kg.esa1.counts.load(time).spectrogram(y="energy"),
    kg.esa1.quality.load(time).line(),
)
fig = stack.plot(backend="matplotlib")
quicklook = stack.quicklook("esa1_counts", root="reports", backend="matplotlib")

bins = spn.time_bins(time, cadence="10s", partial="keep")
features = spn.align(
    kg.esa1.quality.load(time),
    grid=bins,
    method="nearest",
    tolerance="5s",
).to_polars()

# sza, wave_power, density, and quality_flag are loaded xarray-like products.
ml_features = (
    spn.SampleTable(bins)
    .add(sza, method="nearest", tolerance="5s")
    .add(wave_power, method="max")
    .add(density, method="median")
    .collect(join="inner", quality_mask=quality_flag)
    .to_polars()
)

time x component の vector product は magnetic_field_x のような wide columns に展開します。 観測量ごとに対応づけ方法を変える場合は SampleTable を使います。現在の reducer は nearest, center, mean, max, median, first, last です。 join="outer" は全binを残し、join="inner" は欠損featureを含むbinを落とします。 fill=-1.0 のように指定すると、outer で残した欠損featureを明示値で埋められます。 quality_mask=<1D time series> はbin内でcenterに近いmask値が0/False/欠損のbinを落とします。 partial="keep" はcadenceで割り切れない末尾binを残し、partial="drop" は捨てます。 to_polars(layout="long") は time, feature, value 形式のtableを返します。 metadata() はgridやreducer条件を返し、保存時のmanifest材料にできます。 spn.align(...).write_parquet("features.parquet") または spn.SampleTable(...).collect().write_parquet("features.parquet") で feature table を保存できます。

raw file は Store.raw_path("kaguya", "pds3") 以下に public provider path を保って置きます。 たとえば ESA1 の 2008-01-01 は次の配置を探索します。

F:/sopran_data/raw/kaguya/pds3/
  sln-l-pace-3-pbf1-v3.0/20080101/data/IPACE_PBF1_080101_ESA1_V003.dat.gz

保存済み dataset は Store.datasets(refresh=True) で registry/datasets.parquet に索引化し、 layer や mission で絞り込めます。

index = store.datasets(refresh=True)
kaguya_features = store.datasets(layer="features", mission="kaguya")

kg.esa1.energy_flux は実データではなく endpoint です。属性アクセスだけでは I/O を起こさず、 実データ取得は .load(time)、計算は .compute(...)、描画は .plot(...) を実行点にします。

解析プロジェクトでは case に時間範囲や既定 frame を持たせます。

prj = spn.Project("projects/lunar_wake")
case = prj.case("wake_20080201")

counts = case.kaguya.esa1.counts.load()
artemis_b_plan = case.artemis.p1.fgm.magnetic_field.plan()
moon_dem_plan = case.moon.dem.plan(source="kaguya.tc.dem")
moon_sza_plan = case.moon.sza.plan()

stack = case.stack(
    counts.spectrogram(y="energy"),
    case.kaguya.esa1.quality.load().line(),
)
stack.plot()

artifact = prj.save(case.kaguya.esa1.quality.load(), "interim/kaguya_esa1_quality_wake")

月面 DEM/SVM/SZA/shadow/illumination は mission ではなく body-first API を主導線にします。

moon = spn.Moon()
region = spn.Region(lon=(120, 160), lat=(-45, -10), body="moon")

dem_plan = moon.dem.plan(source="kaguya.tc.dem", region=region, resolution="512ppd")
sza_plan = moon.sza.plan(time="2008-02-01T12:00:00", region=region)
shadow_plan = moon.shadow.plan(time="2008-02-01T12:00:00", dem=dem_plan)

ユーザー定義の database product は Store 配下に metadata と空 dataset として登録できます。

db = store.database("lunar_wake", create=True)
product = db.register_product(
    name="event_table",
    schema=kg.esa1.schema(),
    description="hand-curated lunar wake events",
)

pipe.write(db.product("event_table", description="event table generated by pipeline"))
events = db.product("event_table").scan()

予定ディレクトリ

src/sopran/
  core/
  missions/
    kaguya/
    artemis/
  bodies/
    moon/
  maps/
  frames/
  analysis/
  plot/
crates/
  sopran-backend/
docs/
tests/

ユーザーの解析 workspace は repository 内部の package とは分けて、projects/lunar_wake/ のように 管理します。

旧リポジトリ

以前の作業リポジトリは F:\idl\lunarsat にあります。そこには KAGUYA 解析、dataset layout、Rust backend の試行錯誤が含まれていますが、このリポジトリでは設計を整理し直して 作り直します。

License

SOPRAN original code and documentation are licensed under Apache-2.0.

SPEDAS/PySPEDAS-derived ports must retain their upstream notices. The current policy is documented in THIRD_PARTY_NOTICES.md: MIT-licensed SPEDAS routines can be ported with attribution, while GPL/NASA-OSA external components should not be copied into the Apache-2.0 core without a separate license review.

開発状況

現在は KAGUYA ESA1 の local PBF decode、xarray/polars 変換、parquet 保存、Pipeline run/scan、 PlotStack、Project/Case、Moon surface skeleton、ARTEMIS FGM normalized store load skeleton を 実装し始めています。 詳細設計は SPEC.md, STORE.md, PIPELINE.md, SURFACE.md, PLOTTING.md に分けます。