국제우주정거장(ISS) 위치 파이썬으로 간단히 알아보기
국제우주정거장(ISS)이란
국제우주정거장(International Space Station, ISS)은 지구 궤도를 도는 거대한 구조물이다.
여러 국가들이 협력하여 만든 것으로, 1998년 11월 20일에 처음으로 인공위성으로 발사되었다.
비행 고도는 약 400 km이며, 지구를 90분에 한 바퀴 돌고 있다.
7.5 km/s의 어마어마한 속도로 움직이고 있어, 하루에 16번의 일출과 일몰을 경험한다.
우주 물체의 위치 기술
우리가 지상에서 위치를 기술할 때는 대체로 경위도 좌표계를 사용한다.
필요하다면 고도를 추가로 기술(이를 LLH라고 통칭함)하기도 한다.
지상의 물체는 지구가 자전할 때 함께 움직이기 때문에 가능한 것이다.
이렇게 지구의 자전을 고려한 좌표계를 ECEF(Earth-Centered, Earth-Fixed) 좌표계라고 한다.
하지만, ISS 처럼 지구 자전의 영향을 받지 않는 물체는 다른 좌표계를 사용한다.
이를 ECI(Earth-Centered Inertial) 좌표계라고 한다.
그리고, ISS의 위치를 파악하여 지상에서 표현하려면, ECI 좌표계를 ECEF 좌표계로 변환해야 한다.
ISS의 위치 파악
ISS를 비롯한 우주 물체의 위치를 파악하는 방법은 여러 가지가 있다.
가장 간단하게는 Heavens-Above와 같은 웹사이트를 이용하는 것이다.
괜찮은 방법이지만, 파악된 위치를 바탕으로 다른 계산을 하기 어렵다.
또 다른 단순한 방법은 Open Notify와 같은 API를 이용하는 것이다.
이 곳의 API를 이용하면, ISS의 현재 위치를 알 수 있다.
하지만, 고도 정보가 나오지 않고, 위치 정보 역시 정확도가 떨어진다.
{
"message": "success",
"timestamp": 1711887329,
"iss_position": {
"latitude": "-6.2352",
"longitude": "152.2210"
}
}
좀 더 정석적인 방법은 TLE(Two-Line Element Set)를 이용하여 계산 하는 것이다.
TLE는 위성의 궤도를 정의하는 데 사용되는 데이터 포맷이다.
이 파일은 CelesTrak과 같은 사이트에서 다운로드할 수 있다.
TLE 파일을 이용하면, ISS의 위치를 시간별로 추적할 수도 있다.
TLE에서 1차 변환한 위치는 ECI 좌표계로 나오기 때문에, 이를 ECEF 좌표계로 변환해야 한다.
이 변환을 한번에 해주는 라이브러리로는 PyEphem, Skyfield 등이 있다.
PyEphem을 이용한 ISS 위치 계산
일단 최신 버전의 TLE를 읽는다.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
import urllib.request
def get_iss_tle_as_string():
with urllib.request.urlopen('https://live.ariss.org/iss.txt') as response:
data = response.read()
ret = data.decode('utf-8').split('\n')[:3]
for i in range(3):
ret[i] = ret[i].strip()
return ret
그리고, PyEphem을 이용하여 ISS의 위치를 계산한다.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
import ephem
from datetime import datetime, timezone
def get_iss_position_ephem():
iss_tle = get_iss_tle_as_string()
iss_object_ephem = ephem.readtle(iss_tle[0], iss_tle[1], iss_tle[2])
time_now = datetime.now(timezone.utc)
iss_object_ephem.compute(time_now)
return iss_object_ephem, time_now
그런데, PyEphem의 소스 중 earthsat.c를 보면, 이상한 점이 하나 눈에 띈다.
여기서 도출된 ECEF 좌표는 WGS84 좌표계가 아니다.
심지어 코드나 주석에 언급되는 WGS66도 아니다.
정확한 직교좌표를 얻으려면, PyEphem의 소스를 보고 역셈하는 코드를 직접 만들어야 한다.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
import numpy as np
def InvGetSubSatPoint(Lat, Long, Alt):
EarthRadius = 6378160 # meters
EarthFlat = 1/298.25 # Earth Flattening Coeff.
r = EarthRadius*(np.sqrt(1-(2*EarthFlat-EarthFlat**2)*np.sin(Lat)**2)) + Alt
x = r * np.cos(Lat) * np.cos(Long)
y = r * np.cos(Lat) * np.sin(Long)
z = r * np.sin(Lat)
return [x, y, z]
이렇게 하면 간단하게 ECEF 직교좌표를 얻을 수 있다.
여담이지만, 전술한 Open Notify의 API도 이 방법을 사용한다.
그것도 마지막에 기술한 직교좌표 변환은 빼고.
따라서, 여기서 얻은 좌표에서 위도는 정확도가 많이 떨어진다.
SkyField를 이용한 ISS 위치 계산
SkyField는 PyEphem과 사용법이 약간 다르다.
우선 TLE 파일을 웹에서 읽을 때는 url만 넣어주면 된다.
1
2
3
4
5
6
7
8
from skyfield.api import load
def get_iss_object_skyfield():
satellites = load.tle_file(url='https://live.ariss.org/iss.txt', reload=True)
iss = satellites[0]
return iss
인자로 시간만 넣어주면 직교좌표와 WGS84 좌표를 한번에 얻을 수 있다.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
from datetime import datetime, timezone
from skyfield.api import wgs84
from astropy import units as u
def get_iss_position_skyfield():
iss = get_iss_object_skyfield()
ts = load.timescale()
time_now = datetime.now(timezone.utc)
geocentric = iss.at(ts.from_datetime(time_now))
subpoint = wgs84.subpoint(geocentric)
xyz = subpoint.itrs_xyz.to(u.m)
xyz = xyz.transpose()
return xyz, subpoint, time_now
결론
같은 시간에 대해 PyEphem과 Skyfield로 계산한 결과를 비교하면 아래와 같다.
두 결과의 오차는 약 35.08m로 거의 일치한다고 볼 수 있다.
ISS position at specific timestamp with ephem
위도: -6:11:54.2 경도: 152:11:30.8 고도: 422383.75
ISS의 위치: [-5979798.722588209, 3153872.393587607, -734238.5830070344]
최신 TLE: ['ISS (ZARYA)', '1 25544U 98067A 24091.40811343 .00044324 00000-0 78509-3 0 9999', '2 25544 51.6412 341.0008 0005066 18.1497 316.6204 15.49815133446471']
현재 시간: 2024-03-31 12:15:29+00:00
ISS position at specific timestamp with Skyfield
[#################################] 100% iss.txt
[-5979754.8106158 3153898.55929926 -734236.95911065] m
WGS84 latitude -6.2373 N longitude 152.1915 E elevation 422381.6 m
2024-03-31 12:15:29+00:00
덧1. 비행 고도가 약 400 km라고 전술했는데, 데이터 확인 결과 고도는 약 422 km이다.
덧2. ISS의 위치를 실시간으로 확인할 수 있는 사이트들은 아래와 같다.
