我，爆肝17天用600行代碼拍到400公里之外的國(guó)際空間站

博雯 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

如何在400公里開(kāi)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(wú)數(shù)天文愛(ài)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(guò)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(guò)太陽(yáng)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(xiàn)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(guò)月或過(guò)日的1秒之內(nèi)，按下快門(mén)拍攝。

這種拍攝效果會(huì)更加清晰，但致命的問(wèn)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(méi)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(wú)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(guò)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(lái)的效果就容易“糊成一團(tuán)”：

于是這時(shí)，有人就靈光一動(dòng)：

沒(méi)有麒麟臂，用代碼讓望遠(yuǎn)鏡自己動(dòng)起來(lái)不就好了？

說(shuō)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(kāi)頭的那張圖）

就是這么一張圖像，讓網(wǎng)友發(fā)出了“直接開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)的范圍內(nèi)，也就是恰好“過(guò)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)。空間站自身不會(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?xún)?nèi)，空間站反射的太陽(yáng)光最亮，才最適合拍攝。

只有這兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)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）：

然而，目前已有的幾種常見(jiàn)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(guò)“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(méi)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(guò)”。

這種方法不需要移動(dòng)鏡頭，而是反過(guò)來(lái)等空間站自己“經(jīng)過(guò)”。但它又面臨一些新的問(wèn)題，例如空間站“路過(guò)”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(wú)法調(diào)整角度等原因，效果也無(wú)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(lái)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(lái)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(ài)好者都是通過(guò)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：

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(méi)有更新的話(huà)，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?xún)?nèi)

上述的所有問(wèn)題，作為老天文迷的劉博洋不可能不懂。

他一開(kāi)始的想法，是通過(guò)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(méi)維護(hù)（連Windows版都太古早沒(méi)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(xiě)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(xiě)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(guò)用參數(shù)+手動(dòng)微調(diào)的方式進(jìn)行跟蹤，包括用搖桿無(wú)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(wú)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(xiě)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(chē)保持平衡，用的就是這種算法。

劉博洋之前并沒(méi)有學(xué)過(guò)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(kāi)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(kāi)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(wàn)/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(wàn)元，佳能EOS R5相機(jī)租借了兩周花費(fèi)2200元（市價(jià)2.5萬(wàn)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(lái)不到4.5萬(wàn)元，據(jù)劉博洋表示，對(duì)精度要求沒(méi)那么高的話(huà)，整套不到1萬(wàn)元就能搞定。

接下來(lái)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(méi)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(kāi)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(guò)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(méi)能起到作用；3月27日，由于尋星鏡視場(chǎng)只有3°左右，過(guò)小的視野導(dǎo)致初步捕獲失敗，再次沒(méi)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(jiàn)過(guò)境還有很久。因此，在修復(fù)操作問(wèn)題后（將尋星鏡視場(chǎng)增大到15°），劉博洋決定，先用即將迎來(lái)幾次絕佳過(guò)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日驗(yàn)證了程序功能。

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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(huà)面大約是100多像素，最終，在經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(zhuān)業(yè)。

這個(gè)專(zhuān)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(guò)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(kāi)始深入地學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言。

這次之所以選擇自編代碼操控望遠(yuǎn)鏡，除了沒(méi)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(kāi)源嗎？

在我們這樣問(wèn)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(mǎn)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(guò)境。

在成功拿國(guó)際空間站”練了手“后，劉博洋充滿(mǎn)了信心，還在考慮是否要在接下來(lái)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(kāi)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(ài)好者無(wú)疑了。

劉博洋最后這樣說(shuō)：

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(guò)隨著為國(guó)內(nèi)的航天任務(wù)越來(lái)越多，我能接觸到相關(guān)活動(dòng)的機(jī)會(huì)也就越來(lái)越多，于是航天方面的興趣也就逐漸發(fā)展了起來(lái)，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成主要的業(yè)余愛(ài)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