天問二號如何在59萬千米外給地球拍大片？｜封面科考隊

天問二號拍攝的地球

封面新聞記者 張崢

7月1日，出差一個多月的天問二號，公開發布了由它拍攝的兩張地球、月球的照片。雖然此前人類已經拍到了火星、月球、地球甚至黑洞的照片，但是，這次首次出差並擔任攝影師的天問二號，拍照技術一流：不僅熟練運用了搭載的“相機”，同時還發布了彩色的地球，讓人眼前一亮。

你一定很好奇，被人類“放”到太空中的探測器，如何在59萬千米外給地球和月球拍照？航天器如何保持穩定？如何在太空中拍出彩色照片？

對此，封面新聞記者深入請教了天體物理學博士、人造天體攝影師、“中國空間站記錄者”劉博洋。

給黑洞拍照最難

“很多深空探測器都會在地球、月球附近合適位置拍一下地球、月球，作爲各科學載荷的基本測試之用。”劉博洋告訴記者。

小天體探測是深空探測的重要組成部分，也是近年來行星探測的熱點。天問二號5月29日發射，科學目標是執行小行星2016 HO3的伴飛探測及採樣返回、主帶彗星311P伴飛探測等任務。在發射後第二天，5月30日就相繼給地球、月球拍照，可謂是在飛向小行星前的“小試牛刀”。

“給黑洞拍照最難。給地球、月球、火星拍照本身難度沒有差異，主要是你要去到什麼機位拍，飛過去的難度有差異，那當然拍火星比地球難，拍月球比拍地球難。”劉博洋說。

天問二號拍攝的月球

如何在59萬千米外給地球和月球拍照？

國際天文聯合會小天體中心的統計數據表明，截至2022年12月總共發現125萬多顆小天體，已編號的超過61萬顆，其中近地小行星超過3萬顆，彗星4 000餘顆。

爲了完成科學目標，進行小行星探測科學研究，天問二號攜帶了中視場彩色相機、多光譜相機、熱輻射光譜儀、可見紅外成像光譜儀、探測雷達、帶電粒子與中性粒子分析儀等科學探測載荷。其中能用於可見光彩色成像的主要是中視場彩色相機和窄視場導航敏感器。

“本次拍攝時，天問二號距離地、月分別爲59萬千米左右，適合使用窄視場導航敏感器。在拍攝時，天問二號攜帶的星敏感器通過拍攝星空背景並與星圖數據庫比較，快速確認航天器的姿態，這樣航天器可以在動量輪驅使下，讓窄視場導航敏感器先後指向當時地球、月球所在方向；隨後窄視場導航敏感器拍攝確認地球或者月球是否在畫面中央，並把指向誤差信息反饋給衛星平臺進行指向修正。確認目標位於視場中心後，進行拍攝。”劉博洋解釋。

如何給地球拍彩照？

如何給地球拍彩色照片？這需要切換紅綠藍三色濾光片，同時還需要後期的處理。

窄視場導航敏感器是一個5120x3840像素的相機，物鏡口徑大於16cm，焦距略大於800mm。距離目標3km時，可以分辨大小爲2.4cm的目標。

“這次拍攝地球和月球時具體的模式不同，地球是彩色圖像，用到了紅綠藍三色濾光片，”劉博洋說，由於窄視場導航敏感器本身的相機只能記錄灰度影像，需要先後切換三個濾光片才能完成拍攝。而拍攝月球時，則沒有使用特定顏色，如紅綠藍濾光片，而是使用全色濾光片，讓整個可見光波段，以及少量近紅外波段的光線都能透過，因此得到一張灰度影像。

天問二號如何與地面人員配合拍照？

那麼，地面控制人員如何操作窄視場導航敏感器？一張清晰的成像圖背後，有沒有翻車作品？拍一張圖需要多長時間？

“據推測，地面控制中心需提前制定好拍攝時間、指向角度等基礎計劃，上傳給天問二號。但具體拍攝時，目標的搜尋和準確指向、對焦過程，可以由星上計算機自行完成。但是本次拍攝的具體過程，公開資料並未披露。”劉博洋解釋。

“我推測拍攝地球的時機這樣選取，要讓地球的大小剛好爲畫幅的一半左右，如果在畫面中撐太滿，指向難度增大，指不準容易出畫；如果在畫面中太小，浪費相機分辨率。59萬公里下，地球大小2700像素，佔長邊52%，短邊70%，屬於比較合適的比例。”

“拍攝月球使用全色濾光片，預期拍攝可以進行得很快；拍攝地球用到紅綠藍三色濾光片，兩兩之間需要切換濾光片，每次切換可能需要1s到數秒。在此期間衛星會飛過一段距離，導致後期對齊時，紅綠藍三色畫面不完全一致，因此我們可以在發佈的地球影像的最亮點處看到輕微的從紅到藍的色散特徵。”

劉博洋解釋，在數據回傳後，首先需要進行圖像分幅，隨後需要進行暗電流校正、相對輻射校正，也就是天文攝影中常說的暗場、平場處理。對於彩色圖像，如這次的地球，還需要把紅綠藍三色圖像做對齊和彩色合成。