如何在 400 公里開外，拍攝這樣一張空間站照片？

作為太空中最大人造物體，國際空間站一直是無數(shù)天文愛好者心中夢寐以求的拍攝對象。

而大多數(shù)人采用的方法，是根據(jù)自己所在的經(jīng)緯度，算好空間站過境的時間（幾秒到幾分鐘不等），然后配合手機或微單進(jìn)行拍攝，然后啪 —— 得到這樣一張小光點：

稍微進(jìn)階一點的，則會采用“凌日凌月”拍攝法，即在空間站飛過太陽或者月亮之前，以這兩個天體為背景源，確定一個范圍更小的區(qū)域。

然后等在中心線上，把持著幾公斤到幾十公斤重的大口徑、長焦距望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行長時間的穩(wěn)定跟蹤，直到空間站過月或過日的 1 秒之內(nèi)，按下快門拍攝。

這種拍攝效果會更加清晰，但致命的問題仍然存在：

空間站平均每 90 分鐘就能繞地球一圈。用知名的星空觀測模擬工具 Stellarium 對比一下，相比空間站，金星和火星簡直如同“靜物”（實時模擬，沒有加速）：

簡言之，就是空間站跑得太快了。

因此，不僅 1 秒內(nèi)拍攝的幀數(shù)有限（無法用多幀疊加克服大氣抖動）、只能拍到輪廓剪影，甚至很可能因為計算錯誤而錯過拍攝的機會。

要是還想拍出更高精度的照片，不僅得有非比尋常的耐心，還要有深厚老練的手動操控技術(shù)。

例如一旦遇到大風(fēng)，拍出來的效果就容易“糊成一團(tuán)”：

▲ 圖源王卓驍，已授權(quán)

于是這時，有人就靈光一動：

沒有麒麟臂，用代碼讓望遠(yuǎn)鏡自己動起來不就好了？

說干就干，這位“業(yè)余程序員”當(dāng)即爆肝 17 天，搞出了一套自動跟蹤系統(tǒng)。

在這套自動跟蹤系統(tǒng)的加持下，望遠(yuǎn)鏡不再是只能在特定幾秒鐘拍攝幾張靜態(tài)圖像，而是持續(xù)不斷地跟了空間站 2 分鐘。

最終，多張圖像疊加和后期處理，便合成了一張高精度的立體 GIF 圖像：

（也就是我們開頭的那張圖）

就是這么一張圖像，讓網(wǎng)友發(fā)出了“直接開啟人造天體跟蹤攝影的時代”的感嘆。

于是，我們找到這位開發(fā)者本人，北大天文校友、天體物理博士劉博洋聊了聊。

拍攝高精度空間站，到底難在哪？

首先，需要簡單了解一下拍攝空間站的“時機”。

雖然空間站移動速度極快，平均每 90 分鐘就能繞地球一圈，而且高度平均距離地球也就 400 公里左右，屬于肉眼可見的范圍，但我們并不能隨時觀測到它。

主要有兩個限制條件：視野范圍和觀測時間。

視野范圍指空間站飛到我們視野可見的范圍內(nèi)，也就是恰好“過境”這段時間；

觀測時間指我們能觀測到空間站的時機。空間站自身不會發(fā)光，只有在每天日落后兩小時、或日出前兩小時以內(nèi)，空間站反射的太陽光最亮，才最適合拍攝。

只有這兩個條件同時滿足，我們才有機會在地面觀測并拍攝到空間站，但效果也還受天氣等因素影響（如圖中就是遇到了多云天氣）：

▲ 圖源朱一靜 & 徐成城，已授權(quán)

然而，目前已有的幾種常見天體拍攝方法，對于拍攝更高精度的空間站照片，其實都不適合。

第一種方法，是直接通過“手搖”望遠(yuǎn)鏡拍攝，也就是推著望遠(yuǎn)鏡跟蹤天體。

這種方法有一個缺陷，沒辦法拍攝非常高清的空間站。由于拍攝時必須靠人工跟蹤，因此不能用長焦鏡頭直接找，否則就像是用顯微鏡去捕捉一只高速移動的螞蟻，空間站一不留神就消失在鏡頭外了。

第二種方法，是像“守株待兔”一樣，架好各種高清晰度的鏡頭和設(shè)備，在原地等待空間站“路過”。

這種方法不需要移動鏡頭，而是反過來等空間站自己“經(jīng)過”。但它又面臨一些新的問題，例如空間站“路過”的時間很短，有時候往往只有幾秒鐘的時間，很可能抓拍不到；即使抓拍到的鏡頭，由于無法調(diào)整角度等原因，效果也無法保證。

所以，為什么不用望遠(yuǎn)鏡自帶的追蹤功能拍攝？

這個功能通常只適用于用于追蹤日月、行星、恒星等天體由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的東升西落，畢竟它們移動的速度不快，基本與地球自轉(zhuǎn)同步。但對于像空間站這種高速移動的天體，望遠(yuǎn)鏡自己就追不上了。

因此，最終還是得靠程序輔助，來實現(xiàn)高精度空間站的跟蹤拍攝。

第三種方法，是利用軌道根數(shù)（即軌道參數(shù)）跟蹤，也就是利用在各種天文網(wǎng)站上（如 Heavens-Above 等）找到的天體信息，來調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的跟蹤路徑，并進(jìn)行手動修正：

目前，大部分天文愛好者都是通過這種方法實現(xiàn)跟蹤 + 微調(diào)，網(wǎng)上也已經(jīng)有一些相對成熟的程序，例如這是用電動經(jīng)緯儀根據(jù)軌道參數(shù)跟蹤空間站的效果：

▲ 圖源王卓驍，已授權(quán)

BUT，你永遠(yuǎn)不知道這些天文網(wǎng)站更新到底及不及時。有時候空間站臨時調(diào)整了軌道、但網(wǎng)站沒有更新的話，你的程序也就失效了。

利用光學(xué)識別，誤差控制在 4 像素以內(nèi)

上述的所有問題，作為老天文迷的劉博洋不可能不懂。

他一開始的想法，是通過現(xiàn)有的一些軟件尋找鏡頭中的“光點”，基于光學(xué)識別方法對目標(biāo)實施識別和跟蹤。

然而他在查找合適的程序時卻發(fā)現(xiàn)，這些程序不是沒維護(hù)（連 Windows 版都太古早沒法用）、就是更新不及時且系統(tǒng)復(fù)雜，或者干脆就是閉源收費。

所以，劉博洋最終決定自己上手，寫一個光學(xué)識別的自動跟蹤腳本，手動找到空間站后基于 PID 控制跟蹤。

他的計劃一共分為兩步：

第一步，編寫程序?qū)崿F(xiàn)望遠(yuǎn)鏡自動識別并跟蹤空間站，耗時 5 天完成。

值得一提的是，光學(xué)識別并不是劉博洋的“第一手選擇”。

他確實想過用參數(shù) + 手動微調(diào)的方式進(jìn)行跟蹤，包括用搖桿無級控制赤道儀轉(zhuǎn)速，以及用軌道根數(shù)進(jìn)行粗跟、結(jié)合游戲手柄無級微調(diào)等，但試拍效果并不理想（微調(diào)時手不夠穩(wěn)）。

于是，他基于 PID 控制原理，編寫了一種光學(xué)跟蹤的方法。這是一種非常經(jīng)典的控制算法，PID 分別指比例、積分和微分單元，像讓 2 輪機器小車保持平衡，用的就是這種算法。

劉博洋之前并沒有學(xué)過這一知識，但是為了建立一個穩(wěn)定的自動控制系統(tǒng)，他自然地引入了比例單元（P）和積分單元（I），以使系統(tǒng)的誤差減少。

劉博洋的望遠(yuǎn)鏡分為視野較大的尋星鏡和視野較小的主鏡兩部分。這套算法的基本目標(biāo)，就是根據(jù)當(dāng)前空間站在尋星鏡中的位置，計算出它偏離主鏡視場的幅度，從而調(diào)整望遠(yuǎn)鏡跟蹤速度，以改正存在的偏離，使空間站落到主鏡視場中。

利用這個程序，就能讓尋星鏡快速跟隨移動的空間站“光源”，使得空間站總是保持在視野中央。劉博洋試著用激光筆在自己家墻上造了一個勻速移動的亮點，模擬空間站的運動，效果還不錯：

程序本身，基于一個叫做 ASCOM 的平臺開發(fā)。

它能將天文設(shè)備的所有配置，比如控制望遠(yuǎn)鏡的對焦器、濾光片的轉(zhuǎn)動、相機的開合都集成在一個單獨的軟件上，是在天文領(lǐng)域運用非常廣泛的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)：

硬件準(zhǔn)備上，除了筆記本電腦之外，還包括：

11 英寸口徑，焦比 f / 10，折反射式的星特朗 EdgeHD 望遠(yuǎn)鏡，配套有 CGEM 赤道儀

佳能 EOS R5 相機

QHY5III462c 相機，作為導(dǎo)星相機

圖馬思特 T16000M 游戲手柄

其中，望遠(yuǎn)鏡大約 4 萬元，佳能 EOS R5 相機租借了兩周花費 2200 元（市價 2.5 萬元），462c 相機不到 1000 元，手柄則是和朋友以物換物拿到的（市價 500 多元）。

整個成本算下來不到 4.5 萬元，據(jù)劉博洋表示，對精度要求沒那么高的話，整套不到 1 萬元就能搞定。

接下來進(jìn)入第二步，現(xiàn)場實拍并成功用設(shè)備拍攝到高精度的空間站照片。

但沒想到的是，實際拍攝反而要比想象中更難，期間劉博洋“一直在反復(fù)試錯修 bug”。

他一開始的目標(biāo)，是捕捉中國空間站，然而接連兩次出 bug，導(dǎo)致錯過了兩次觀測的最佳時機。

3 月 23 日，由于未能及時對焦，自動光學(xué)跟蹤沒能起到作用；3 月 27 日，由于尋星鏡視場只有 3° 左右，過小的視野導(dǎo)致初步捕獲失敗，再次沒能進(jìn)入自動跟蹤流程。

此時距離中國空間站下次可見過境還有很久。因此，在修復(fù)操作問題后（將尋星鏡視場增大到 15°），劉博洋決定，先用即將迎來幾次絕佳過境的國際空間站“練練手”。

于是，在將自動跟蹤程序中的“抓捕”改為手動觸發(fā)后，劉博洋成功在 4 月 2 日抓拍到了國際空間站。

雖然還是有不完美的地方，例如軟件崩潰導(dǎo)致尋星鏡和主鏡的位置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)丟失，針對這個問題劉博洋又增加了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄功能。

這個時候，代碼已經(jīng)從最初的 400 多行變成了 600 行。

終于，4 月 3 日晚上，在緊急修復(fù) bug 后，劉博洋成功抓拍到了國際空間站。

具體來說，望遠(yuǎn)鏡對空間站的抓捕分為 x 和 y 兩個軸，在按下 catch 后，y 軸很快就穩(wěn)穩(wěn)跟上了目標(biāo)，x 軸則略慢了 10 秒。

在 30 秒左右時，兩個軸都保持在了一個穩(wěn)定的誤差范圍內(nèi)（四個像素左右），這種高精度跟蹤持續(xù)了一共 120 秒，完整記錄了國際空間站從接近到遠(yuǎn)離的全流程：

最初得到的原始畫面大約是 100 多像素，最終，在經(jīng)過多幀疊加的超采樣處理后，圖片的像素提高到了 200 多像素。

最后經(jīng)過處理，成功輸出了一系列 300×300 像素的圖像（合成 GIF 圖）：

而這，是劉博洋開始做這一項目的第 17 天。

之后還要發(fā)射小火箭

在談到整個項目中最難的一個階段時，劉博洋印象最深刻的，就是如何讓望遠(yuǎn)鏡被 Python 代碼調(diào)用：

對于我這樣一個編程很差的人，開發(fā)最初完全就是一個黑箱。

劉博洋本科、博士分別就讀于北京大學(xué)、西澳大學(xué)，都是天體物理學(xué)專業(yè)。

這個專業(yè)要求掌握基本的編程技能，但是劉博洋大學(xué)時的相關(guān)課程，比如計算機概論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是低分飄過或者緩考的。

到了博士階段，多了大量需要用腳本完成的數(shù)據(jù)處理工作，他才開始深入地學(xué)習(xí)編程語言。

這次之所以選擇自編代碼操控望遠(yuǎn)鏡，除了沒有找到現(xiàn)成可用的軟件之外，也是想要繼續(xù)鍛煉自己的編程能力。

那么這套代碼會開源嗎？在我們這樣問時，劉博洋表示：

至少要在自己能調(diào)試的范圍，將代碼優(yōu)化到一個自己滿意的程度，才會考慮下一步。

他目前最近期的一個目標(biāo)，是兩周后的中國空間站的再一次過境。

在成功拿國際空間站”練了手“后，劉博洋充滿了信心，還在考慮是否要在接下來的捕捉中適當(dāng)縮小視場，進(jìn)而提高拍攝的精度。

中國空間站的拍攝如果順利，將在 4 月 21 號之前結(jié)束，之后，他就要立刻趕往青海，開展新項目：發(fā)射一枚裝著自己相機的小火箭。

再遠(yuǎn)一些，劉博洋還提到了今年下半年可能會有的神舟系列的火箭、以及實驗艙的發(fā)射，他到時候會拿著自己的這套跟蹤空間站的程序，再去跟拍大火箭。

如此硬核的“備戰(zhàn)”計劃，妥妥一位狂熱的航天愛好者無疑了。

劉博洋最后這樣說：

天文的興趣從小就有，也因此本碩博都讀的天體物理學(xué)。

不過隨著為國內(nèi)的航天任務(wù)越來越多，我能接觸到相關(guān)活動的機會也就越來越多，于是航天方面的興趣也就逐漸發(fā)展了起來，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成主要的業(yè)余愛好了。

參考鏈接：

[1]https://weibo.com/1144755982/LmV8Cp72V

[2]https://zhuanlan.zhihu.com/p/493080686

[3]https://www.heavens-above.com/orbit.aspx?satid=25544

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/gNueq8lDQz_86Ifuw8n6Pg#rd

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