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(guó)際空間站一直是無數(shù)天文愛好者心中夢(mèng)寐以求的拍攝對(duì)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(shí)間（幾秒到幾分鐘不等），然后配合手機(jī)或微單進(jìn)行拍攝，然后啪 —— 得到這樣一張小光點(diǎn)：
稍微進(jìn)階一點(diǎn)的，則會(huì)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(gè)天體為背景源，確定一個(gè)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(zhǎng)焦距望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(huì)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(cè)模擬工具 Stellarium 對(duì)比一下，相比空間站，金星和火星簡(jiǎn)直如同“靜物”（實(shí)時(shí)模擬，沒有加速）：
簡(jiǎn)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(dòng)）、只能拍到輪廓剪影，甚至很可能因?yàn)橛?jì)算錯(cuò)誤而錯(cuò)過拍攝的機(jī)會(huì)。
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(dòng)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(shí)，有人就靈光一動(dòng)：
沒有麒麟臂，用代碼讓望遠(yuǎn)鏡自己動(dòng)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)。
在這套自動(dòng)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(shí)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(jiǎn)單了解一下拍攝空間站的“時(shí)機(jī)”。
雖然空間站移動(dòng)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(shí)觀測(cè)到它。
主要有兩個(gè)限制條件：視野范圍和觀測(cè)時(shí)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(shí)間；
觀測(cè)時(shí)間指我們能觀測(cè)到空間站的時(shí)機(jī)?？臻g站自身不會(huì)發(fā)光，只有在每天日落后兩小時(shí)、或日出前兩小時(shí)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(gè)條件同時(shí)滿足，我們才有機(jī)會(huì)在地面觀測(cè)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(duì)于拍攝更高精度的空間站照片，其實(shí)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(gè)缺陷，沒辦法拍攝非常高清的空間站。由于拍攝時(shí)必須靠人工跟蹤，因此不能用長(zhǎng)焦鏡頭直接找，否則就像是用顯微鏡去捕捉一只高速移動(dòng)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(dòng)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(shí)間很短，有時(shí)候往往只有幾秒鐘的時(shí)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(gè)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(dòng)的速度不快，基本與地球自轉(zhuǎn)同步。但對(duì)于像空間站這種高速移動(dòng)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(shí)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(dòng)修正：
目前，大部分天文愛好者都是通過這種方法實(shí)現(xiàn)跟蹤 + 微調(diào)，網(wǎng)上也已經(jīng)有一些相對(duì)成熟的程序，例如這是用電動(dòng)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(shí)。有時(shí)候空間站臨時(shí)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(shí)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(diǎn)”，基于光學(xué)識(shí)別方法對(duì)目標(biāo)實(shí)施識(shí)別和跟蹤。
然而他在查找合適的程序時(shí)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(shí)且系統(tǒng)復(fù)雜，或者干脆就是閉源收費(fèi)。
所以，劉博洋最終決定自己上手，寫一個(gè)光學(xué)識(shí)別的自動(dòng)跟蹤腳本，手動(dòng)找到空間站后基于 PID 控制跟蹤。
他的計(jì)劃一共分為兩步：
第一步，編寫程序?qū)崿F(xiàn)望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)識(shí)別并跟蹤空間站，耗時(shí) 5 天完成。
值得一提的是，光學(xué)識(shí)別并不是劉博洋的“第一手選擇”。
他確實(shí)想過用參數(shù) + 手動(dòng)微調(diào)的方式進(jìn)行跟蹤，包括用搖桿無級(jí)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(jí)微調(diào)等，但試拍效果并不理想（微調(diào)時(shí)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(jī)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(shí)，但是為了建立一個(gè)穩(wěn)定的自動(dòng)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(jì)算出它偏離主鏡視場(chǎng)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(chǎng)中。
利用這個(gè)程序，就能讓尋星鏡快速跟隨移動(dòng)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(gè)勻速移動(dòng)的亮點(diǎn)，模擬空間站的運(yùn)動(dòng)，效果還不錯(cuò)：
程序本身，基于一個(gè)叫做 ASCOM 的平臺(tái)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(duì)焦器、濾光片的轉(zhuǎn)動(dòng)、相機(jī)的開合都集成在一個(gè)單獨(dú)的軟件上，是在天文領(lǐng)域運(yùn)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(jī)
QHY5III462c 相機(jī)，作為導(dǎo)星相機(jī)
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(jī)租借了兩周花費(fèi) 2200 元（市價(jià) 2.5 萬元），462c 相機(jī)不到 1000 元，手柄則是和朋友以物換物拿到的（市價(jià) 500 多元）。
整個(gè)成本算下來不到 4.5 萬元，據(jù)劉博洋表示，對(duì)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(chǎng)實(shí)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(shí)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(cuò)修 bug”。
他一開始的目標(biāo)，是捕捉中國(guó)空間站，然而接連兩次出 bug，導(dǎo)致錯(cuò)過了兩次觀測(cè)的最佳時(shí)機(jī)。
3 月 23 日，由于未能及時(shí)對(duì)焦，自動(dòng)光學(xué)跟蹤沒能起到作用；3 月 27 日，由于尋星鏡視場(chǎng)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(dòng)跟蹤流程。
此時(shí)距離中國(guó)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(chǎng)增大到 15°），劉博洋決定，先用即將迎來幾次絕佳過境的國(guó)際空間站“練練手”。
于是，在將自動(dòng)跟蹤程序中的“抓捕”改為手動(dòng)觸發(fā)后，劉博洋成功在 4 月 2 日抓拍到了國(guó)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(duì)這個(gè)問題劉博洋又增加了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄功能。
這個(gè)時(shí)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(guó)際空間站。
具體來說，望遠(yuǎn)鏡對(duì)空間站的抓捕分為 x 和 y 兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)軸都保持在了一個(gè)穩(wěn)定的誤差范圍內(nèi)（四個(gè)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(guó)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(xiàng)目的第 17 天。
之后還要發(fā)射小火箭
在談到整個(gè)項(xiàng)目中最難的一個(gè)階段時(shí)，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(duì)于我這樣一個(gè)編程很差的人，開發(fā)最初完全就是一個(gè)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(gè)專業(yè)要求掌握基本的編程技能，但是劉博洋大學(xué)時(shí)的相關(guān)課程，比如計(jì)算機(jī)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(huì)開源嗎？在我們這樣問時(shí)，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(gè)自己滿意的程度，才會(huì)考慮下一步。
他目前最近期的一個(gè)目標(biāo)，是兩周后的中國(guó)空間站的再一次過境。
在成功拿國(guó)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(chǎng)，進(jìn)而提高拍攝的精度。
中國(guó)空間站的拍攝如果順利，將在 4 月 21 號(hào)之前結(jié)束，之后，他就要立刻趕往青海，開展新項(xiàng)目：發(fā)射一枚裝著自己相機(jī)的小火箭。
再遠(yuǎn)一些，劉博洋還提到了今年下半年可能會(huì)有的神舟系列的火箭、以及實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射，他到時(shí)候會(huì)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(jì)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(guó)內(nèi)的航天任務(wù)越來越多，我能接觸到相關(guān)活動(dòng)的機(jī)會(huì)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。
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[3]https://www.heavens-above.com/orbit.aspx?satid=25544
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