我，爆肝17天用600行代码拍到400公里之外的国际空间站
博雯 萧箫 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
如何在400公里开外，拍摄这样一张空间站照片？
作为太空中最大人造物体，国际空间站一直是无数天文爱好者心中梦寐以求的拍摄对象。
而大多数人采用的方法，是根据自己所在的经纬度，算好空间站过境的时间（几秒到几分钟不等），然后配合手机或微单进行拍摄，然后啪——得到这样一张小光点：
稍微进阶一点的，则会采用“凌日凌月”拍摄法，即在空间站飞过太阳或者月亮之前，以这两个天体为背景源，确定一个范围更小的区域。
然后等在中心线上，把持着几公斤到几十公斤重的大口径、长焦距望远镜进行长时间的稳定跟踪，直到空间站过月或过日的1秒之内，按下快门拍摄。
这种拍摄效果会更加清晰，但致命的问题仍然存在：
空间站平均每90分钟就能绕地球一圈。用知名的星空观测模拟工具Stellarium对比一下，相比空间站，金星和火星简直如同“静物”（实时模拟，没有加速）：
简言之，就是空间站跑得太快了。
因此，不仅1秒内拍摄的帧数有限（无法用多帧叠加克服大气抖动）、只能拍到轮廓剪影，甚至很可能因为计算错误而错过拍摄的机会。
要是还想拍出更高精度的照片，不仅得有非比寻常的耐心，还要有深厚老练的手动操控技术。
例如一旦遇到大风，拍出来的效果就容易“糊成一团”：
△图源王卓骁，已授权
于是这时，有人就灵光一动：
没有麒麟臂，用代码让望远镜自己动起来不就好了？
说干就干，这位“业余程序员”当即爆肝17天，搞出了一套自动跟踪系统。
在这套自动跟踪系统的加持下，望远镜不再是只能在特定几秒钟拍摄几张静态图像，而是持续不断地跟了空间站2分钟。
最终，多张图像叠加和后期处理，便合成了一张高精度的立体GIF图像：
（也就是我们开头的那张图）
就是这么一张图像，让网友发出了“直接开启人造天体跟踪摄影的时代”的感叹。
于是，我们找到这位开发者本人，北大天文校友、天体物理博士刘博洋聊了聊。
拍摄高精度空间站，到底难在哪？
首先，需要简单了解一下拍摄空间站的“时机”。
虽然空间站移动速度极快，平均每90分钟就能绕地球一圈，而且高度平均距离地球也就400公里左右，属于肉眼可见的范围，但我们并不能随时观测到它。
主要有两个限制条件：视野范围和观测时间。
视野范围指空间站飞到我们视野可见的范围内，也就是恰好“过境”这段时间；
观测时间指我们能观测到空间站的时机。空间站自身不会发光，只有在每天日落后两小时、或日出前两小时以内，空间站反射的太阳光最亮，才最适合拍摄。
只有这两个条件同时满足，我们才有机会在地面观测并拍摄到空间站，但效果也还受天气等因素影响（如图中就是遇到了多云天气）：
△图源朱一静&徐成城，已授权
然而，目前已有的几种常见天体拍摄方法，对于拍摄更高精度的空间站照片，其实都不适合。
第一种方法，是直接通过“手摇”望远镜拍摄，也就是推着望远镜跟踪天体。
这种方法有一个缺陷，没办法拍摄非常高清的空间站。由于拍摄时必须靠人工跟踪，因此不能用长焦镜头直接找，否则就像是用显微镜去捕捉一只高速移动的蚂蚁，空间站一不留神就消失在镜头外了。
第二种方法，是像“守株待兔”一样，架好各种高清晰度的镜头和设备，在原地等待空间站“路过”。
这种方法不需要移动镜头，而是反过来等空间站自己“经过”。但它又面临一些新的问题，例如空间站“路过”的时间很短，有时候往往只有几秒钟的时间，很可能抓拍不到；即使抓拍到的镜头，由于无法调整角度等原因，效果也无法保证。
所以，为什么不用望远镜自带的追踪功能拍摄？
这个功能通常只适用于用于追踪日月、行星、恒星等天体由于地球自转而产生的东升西落，毕竟它们移动的速度不快，基本与地球自转同步。但对于像空间站这种高速移动的天体，望远镜自己就追不上了。
因此，最终还是得靠程序辅助，来实现高精度空间站的跟踪拍摄。
第三种方法，是利用轨道根数（即轨道参数）跟踪，也就是利用在各种天文网站上（如Heavens-Above等）找到的天体信息，来调整望远镜的跟踪路径，并进行手动修正：
目前，大部分天文爱好者都是通过这种方法实现跟踪+微调，网上也已经有一些相对成熟的程序，例如这是用电动经纬仪根据轨道参数跟踪空间站的效果：
△图源王卓骁，已授权
BUT，你永远不知道这些天文网站更新到底及不及时。有时候空间站临时调整了轨道、但网站没有更新的话，你的程序也就失效了。
利用光学识别，误差控制在4像素以内
上述的所有问题，作为老天文迷的刘博洋不可能不懂。
他一开始的想法，是通过现有的一些软件寻找镜头中的“光点”，基于光学识别方法对目标实施识别和跟踪。
然而他在查找合适的程序时却发现，这些程序不是没维护（连Windows版都太古早没法用）、就是更新不及时且系统复杂，或者干脆就是闭源收费。
所以，刘博洋最终决定自己上手，写一个光学识别的自动跟踪脚本，手动找到空间站后基于PID控制跟踪。
他的计划一共分为两步：
第一步，编写程序实现望远镜自动识别并跟踪空间站，耗时5天完成。
值得一提的是，光学识别并不是刘博洋的“第一手选择”。
他确实想过用参数+手动微调的方式进行跟踪，包括用摇杆无级控制赤道仪转速，以及用轨道根数进行粗跟、结合游戏手柄无级微调等，但试拍效果并不理想（微调时手不够稳）。
于是，他基于PID控制原理，编写了一种光学跟踪的方法。这是一种非常经典的控制算法，PID分别指比例、积分和微分单元，像让2轮机器小车保持平衡，用的就是这种算法。
刘博洋之前并没有学过这一知识，但是为了建立一个稳定的自动控制系统，他自然地引入了比例单元（P）和积分单元（I），以使系统的误差减少。
刘博洋的望远镜分为视野较大的寻星镜和视野较小的主镜两部分。这套算法的基本目标，就是根据当前空间站在寻星镜中的位置，计算出它偏离主镜视场的幅度，从而调整望远镜跟踪速度，以改正存在的偏离，使空间站落到主镜视场中。
利用这个程序，就能让寻星镜快速跟随移动的空间站“光源”，使得空间站总是保持在视野中央。刘博洋试着用激光笔在自己家墙上造了一个匀速移动的亮点，模拟空间站的运动，效果还不错：
程序本身，基于一个叫做ASCOM的平台开发。
它能将天文设备的所有配置，比如控制望远镜的对焦器、滤光片的转动、相机的开合都集成在一个单独的软件上，是在天文领域运用非常广泛的软件接口标准：
硬件准备上，除了笔记本电脑之外，还包括：
11英寸口径，焦比f/10，折反射式的星特朗EdgeHD望远镜，配套有CGEM赤道仪
佳能EOS R5相机
QHY5III462c相机，作为导星相机
图马思特T16000M游戏手柄
其中，望远镜大约4万元，佳能EOS R5相机租借了两周花费2200元（市价2.5万元），462c相机不到1000元，手柄则是和朋友以物换物拿到的（市价500多元）。
整个成本算下来不到4.5万元，据刘博洋表示，对精度要求没那么高的话，整套不到1万元就能搞定。
接下来进入第二步，现场实拍并成功用设备拍摄到高精度的空间站照片。
但没想到的是，实际拍摄反而要比想象中更难，期间刘博洋“一直在反复试错修bug”。
他一开始的目标，是捕捉中国空间站，然而接连两次出bug，导致错过了两次观测的最佳时机。
3月23日，由于未能及时对焦，自动光学跟踪没能起到作用；3月27日，由于寻星镜视场只有3°左右，过小的视野导致初步捕获失败，再次没能进入自动跟踪流程。
此时距离中国空间站下次可见过境还有很久。因此，在修复操作问题后（将寻星镜视场增大到15°），刘博洋决定，先用即将迎来几次绝佳过境的国际空间站“练练手”。
于是，在将自动跟踪程序中的“抓捕”改为手动触发后，刘博洋成功在4月2日验证了程序功能。
虽然还是有不完美的地方，例如软件崩溃导致寻星镜和主镜的位置校准数据丢失，针对这个问题刘博洋又增加了校准数据记录功能。
这个时候，代码已经从最初的400多行变成了600行。
终于，4月3日晚上，在紧急修复bug后，刘博洋成功抓拍到了国际空间站。
具体来说，望远镜对空间站的抓捕分为x和y两个轴，在按下catch后，y轴很快就稳稳跟上了目标，x轴则略慢了10秒。
在30秒左右时，两个轴都保持在了一个稳定的误差范围内（四个像素左右），这种高精度跟踪持续了一共120秒，完整记录了国际空间站从接近到远离的全流程：
最初得到的原始画面大约是100多像素，最终，在经过多帧叠加的超采样处理后，图片的像素提高到了200多像素。
最后经过处理，成功输出了一系列300×300像素的图像（合成GIF图）：
而这，是刘博洋开始做这一项目的第17天。
之后还要发射小火箭
在谈到整个项目中最难的一个阶段时，刘博洋印象最深刻的，就是如何让望远镜被Python代码调用：
对于我这样一个编程很差的人，开发最初完全就是一个黑箱。
刘博洋本科、博士分别就读于北京大学、西澳大学，都是天体物理学专业。
这个专业要求掌握基本的编程技能，但是刘博洋大学时的相关课程，比如计算机概论、数据结构都是低分飘过或者缓考的。
到了博士阶段，多了大量需要用脚本完成的数据处理工作，他才开始深入地学习编程语言。
这次之所以选择自编代码操控望远镜，除了没有找到现成可用的软件之外，也是想要继续锻炼自己的编程能力。
那么这套代码会开源吗？
在我们这样问时，刘博洋表示：
至少要在自己能调试的范围，将代码优化到一个自己满意的程度，才会考虑下一步。
他目前最近期的一个目标，是两周后的中国空间站的再一次过境。
在成功拿国际空间站”练了手“后，刘博洋充满了信心，还在考虑是否要在接下来的捕捉中适当缩小视场，进而提高拍摄的精度。
中国空间站的拍摄如果顺利，将在4月21号之前结束，之后，他就要立刻赶往青海，开展新项目：发射一枚装着自己相机的小火箭。
再远一些，刘博洋还提到了今年下半年可能会有的神舟系列的火箭、以及实验舱的发射，他到时候会拿着自己的这套跟踪空间站的程序，再去跟拍大火箭。
如此硬核的“备战”计划，妥妥一位狂热的航天爱好者无疑了。
刘博洋最后这样说：
天文的兴趣从小就有，也因此本硕博都读的天体物理学。
不过随着为国内的航天任务越来越多，我能接触到相关活动的机会也就越来越多，于是航天方面的兴趣也就逐渐发展了起来，到现在已经发展成主要的业余爱好了。
参考链接：
[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
— 完 —
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