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。
