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如何拍摄空间站凌日/凌月?

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空间站介绍

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国际空间站

  • 大小:109m*73m
  • 质量:419725kg
  • 近地点:417km
  • 远地点:421km
  • 轨道倾角:51.6°
  • 平均轨道速度:7.66km/s
  • 轨道周期:92.68min
如何拍摄空间站凌日/凌月?
国际空间站(International Space Station,简称ISS)起建于1998年,2010年前后才完成建设。ISS由俄罗斯和美国主导,欧空局、日本、加拿大等众多国家参与,是人类历史上第9个载人空间站,也是一个超级大的空间站,加压舱容积907立方米,仅比前8个的总和略小(1083立方米)。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
截止2021年底,已经有来自20个国家的256人次入驻过国际空间站。

2022年1月,美国宇航局宣布计划于2031年1月令国际空间站退役使其脱离轨道。

2022年7月26日,俄罗斯方面表示将在2024年之后退出国际空间站。

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中国空间站

  • 长度:34.5m(当前)
  • 质量:44500kg
  • 近地点:377km
  • 远地点:384km
  • 轨道倾角:41.5°
  • 平均轨道速度:7.68km/s
  • 轨道周期:92.2min
如何拍摄空间站凌日/凌月?
继天宫一号(2011年9月29日——2018年4月2日)、天宫二号(2016年9月15日——2019年7月19日)两次实验后,我国于2021年4月29日在文昌航天发射场发射天和核心舱,开启天宫空间站的建设。

天空空间站是继美国的天空实验室(1973年5月14日——1979年7月11日)、苏联/俄罗斯的和平号空间站(1986年2月19日——2001年3月23日)、以及国际空间站之后,第4个大型空间站。(也可以说是第3个,因为美国的天空实验室实在有点弱,就执行过3次入驻任务)。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
天宫空间站又称中国空间站(国外称Chinese Space Station,简称CSS),可能是因为核心舱名字是天和,有时也用天和称呼中国空间站。

天宫空间站由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱组成。其中,问天实验舱已经于2022年7月24日发射,并与次日完成对接。梦天实验舱计划在今年10月发射。天宫空间站还会有一个共轨飞行的空间望远镜,即巡天光学舱,是一个类似于哈勃太空望远镜的太空光学望远镜,口径比哈勃略小,但视场大的多(300-350倍),计划2023年12月发射。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
迄今为止,天宫空间站已经执行了3次人员入驻任务,分别为2021年6月17日神舟十二号飞船将聂海胜、刘伯明、汤洪波三名航天员送入 ,入驻91天后,于2021年9月17日返回地面。神舟十三号乘员翟志刚、王亚平、叶光富,于2021年10月16日发射,入驻182天,2022年4月16日返回。神舟十四号乘员陈冬、刘洋、蔡旭哲,于2022年6月5日发射,计划今年12月返回。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
如何拍摄空间站凌日/凌月?
查询空间站过境预报

国际空间站与天宫空间站均运行在大约高度为400km的轨道上,每天绕地球转约15-16圈。根据两个空间站的轨道特点,对一个地区来说,每天都会有数次过境。自然也有一定的概率刚好从太阳或月球表面上经过,形成凌日凌月,其原理与日食类似,包括水星凌日、金星凌日。

不过,空间站由于相对于我们角速度极快,凌食发生时,持续时间很短,一般1-2s。短的甚至不足1s,长的一般也不会超过5s 。每次凌日或凌月时,仅有一个很狭长的带状区域能看到凌食现象,这个带状区域称为凌食带(如下图的红色或蓝色区域)。凌食带最宽时约20余公里(如图中最宽的一个),最窄时仅数公里,如图中左下两个,宽度仅4km左右。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
只有在凌食带上,才能看到空间站凌日或凌月的现象。并且约靠近凌食带中心线,发生凌时,空间站距离日面或月面中心越近,凌食的持续时间也越长。所以,要拍到凌食过程,必须精确查询空间站的凌食预报,做具体的观测规划。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
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网站:https://satshadow.top/

  • 优点:速查10天内,ISS、中国空间站(天宫空间站、天和实验舱)凌日或凌月路径非常方便。网站非常简洁明了。
  • 缺点:只有凌食中心线路径,没有凌食带地图。
查询方法非常傻瓜,打开网站后,在网页左侧依次选择“目标”(网站当前可以预报ISS和中国空间站两个)、“背景天体”(网站可以预报上述卫星凌太阳、月球、木星等)、“预报时长”(2天或10天)。

选择后,等待数秒,地图上就会显示出一系列的线条,这些线条是未来10天内,所选目标对所选天体的凌食带中心线路径。这样,你就可以根据地图,寻找合适的地点做拍摄规划。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
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网站:https://transit-finder.com/

  • 优点:可以查询ISS、中国空间站、哈勃望远镜的过境预报,可以在地图上显示出凌食带的宽度。
  • 缺点:英文网站,略复杂。
打开网站,网页中部会有如下界面,然后输入必要的参数,获得具体的凌食预报。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
1)输入自己的坐标。如图,我这里是手动输入北纬30°,东经120°。坐标可以让浏览器自动获取(Auto-detect),或者在地图上选取(Select from map)。坐标精度不需要太高。

2)选择查询时长。上图中的第二个红框。

3)输入查询范围。上图中的第三个红框,网站只会计算凌食带处于以你输入的坐标为圆心,以查询范围为半径范围内的凌食预报。

4)点“CALCULATE”,网站会有数秒钟的计算,会跳转如下界面:

如何拍摄空间站凌日/凌月?
以我这次查询为例,第一行告诉你查到3次凌太阳的预报和3次凌月球的预报。这个数据包含了ISS、天宫、哈勃三颗卫星的凌食预报。

点击第二行右侧的“SHOW ALL ON MAP”,网页会跳转到地图界面,如下图。地图上会显示这6次预报的凌食带,你可以根据地图做观测规划。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
对任何一次凌食比较感兴趣,可以在列表中查看详情。点击“SHOW ON MAP”,会跳出地图界面,显示所选凌食预报的凌食带情况,如下图。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
点击“MORE INFORMATION”,会显示此次凌食的详细参数,如下图(以我9月17日拍摄的数据为例)。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
a、angular size:此次凌食卫星的角大小,如这一次天宫凌日,空间站8.36角秒,还是比较大的。当然,根据自己的拍摄设备(望远镜焦距、CMOS像元大小),此数据也可以用来计算卫星在照片上的大小,做具体的拍摄规划。(这里的角大小应该不准,后面根据实际照片说明

b、Angular separation:此次凌食,卫星与目标天体中心的角距离。如这次角距离1.2角分,而太阳为31.8角分,也就是说,此次天宫几乎从太阳中心经过。

c、velocity: 51.3 ′/s (angular)。此次凌食,卫星的角速度。这个数据非常重要,可以用来计算允许的最长曝光时间。这次天宫的速度非常快,按我的拍摄设备,曝光时间要短至0.03ms(按极致的要求),已经是摄像头的极限曝光时间。

d、时间“10:55:29.49”:这个时间非常重要,因为凌食过程最多仅持续数秒,必须校准好自己的手表(或手机时间等),精确计算时间,准时拍摄。

其他数据,对拍摄关系不是特别大,不做说明。

3

微信小程序:天文通

  • 中国人开发,使用非常方便。
  • 只有凌食中心线路径,没有凌食带地图。
微信搜索小程序“天文通”,进入小程序,可以获得如下界面:

如何拍摄空间站凌日/凌月?
点击左上角的坐标(我这里显示的是杭州市武林广场),会跳出一个界面,可以采用“定位”、“手动输入”、“地图选点”三种方式选择自己的观测点。(很简单,不截图说明了)

小程序功能很多,这里只介绍空间站的凌食预报。

点击小程序右下角的蓝色圆圈,跳出如下界面:

如何拍摄空间站凌日/凌月?
点击“空间站凌日月预报”,小程序会进行数秒钟的计算,然后显示出预报列表,如下图。数据的使用,类似于网站https://transit-finder.com,不再详述。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
上图的右上角,有一个“中国空间站 50公里 15天 凌日”的字样,右侧有一个下拉箭头。点击这里,会跳出如下界面:

如何拍摄空间站凌日/凌月?
可以选择时间、前景目标(中国空间站、ISS、哈勃等)、背景天体(太阳、月球、木星等)。使用方法类似于网站https://transit-finder.com,不再详述。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
如何拍摄

如何拍摄空间站凌日/凌月?
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设备选取

不同的设备,可以有不一样的拍摄难度及效果。即使是手机,怼目镜后面,也有机会拍到凌食过程。下面视频就是在观测太阳时,使用手机目镜后拍摄,录到的凌食过程。拍摄者为庞老师。

A. 望远镜与摄像头组合

初次拍摄,或者对自己技术不够放心的,建议选用焦距不太长的望远镜,以及合适的摄像头组合,保证自己的拍摄视场足够大,可以拍到整个日面或月面(至少相差不是太多),这样可以确保不会因为自己拍摄的日面或月面部分,恰好不是凌食时空间站经过的部分,造成拍摄失败。

视场可以使用Stellarium模拟,或者下述网站模拟。具体模拟方法这里不再详述。

https://www.12dstring.me.uk/fovcalc.php

比如我这次拍摄,望远镜选择的是锐星107ph,焦距700mm;摄像头选择的是ASI174。这个组合刚好可以拍到整个太阳。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
不建议使用单反拍摄。单反帧率太低不容易抓到卫星。

B. 电脑

要达到尽量完美的拍摄,需要注意两点。其一:确保摄像头的USB数据线不是低质量的数据线,不会影响数据传输速度。其二,自己的电脑性能足够,内存建议8G以上,硬盘是质量较高的SSD硬盘,容量不低于500G。

熟悉行星摄影的都知道,行星摄影时,摄像头产生的数据,与电脑间的传输及其重要。传输速度慢(USB传输线质量差,或者电脑USB接口不是USB3.0),会导致帧率下降,无法达到摄像头的最高性能,造成数据丢失。

传输速度没问题了,但电脑性能差,无法及时保存拍摄的数据,就会造成丢帧,大量拍摄的数据丢失。

我手头的一根数据线(不记得是ASI174的,还是ASI224的),使用它接174拍摄时,帧率只能达到官方数据的1/2左右。换用ASI071的数据线才解决此问题。

电脑配12G内存,硬盘为三星1T SSD,使用ASI071拍摄月球,也可以做到不丢帧。
电脑性能不足,造成丢帧。对行星摄影,会浪费宝贵的拍摄时间。对空间站凌日,由于过程极短,部分画面丢失未保存,会发现拍摄的凌日过程,空间站的运动不是匀速的,存在跳帧现象。
2

拍摄前准备

凌月一般是夜间,夜间望远镜的使用比较方便。只要凌月时间不是日落后不久星星都还没出来,可以安心的提前组装并调试好设备,对好极轴,确保拍摄更容易成功。操作熟练的,提前半小时到达拍摄地点足够了。

凌日的拍摄,因为在白天,难以对极轴,并且用望远镜对准太阳是一件比较困难的事情。需要做更多的准备工作。最好至少提前一个小时到达拍摄地点,利用指南针、GPS等途径,尽量做到极轴是大致准确的,要求高的,可以利用太阳使用漂移法提高极轴的准确性(焦距只要不是太长,不是很必要)。

对准太阳,一般采用投影法,即观看望远镜在地面上的影子,在影子各个角度居中时,望远镜就已经大致对准了太阳,这时再经过微调,一般是比较容易找到太阳的。

当然,最好是在寻星镜上也装巴德膜,利用寻星镜,找太阳就很容易了。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
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拍摄

A. 拍摄方式

建议采用行星摄影的方式,使用摄像头录制视频。这样不容易错过凌食过程。

B. 拍摄时机

建议根据预报的凌食时间,提前2分钟左右开始拍摄。对自己手表的时间精度不放心的,可以连续录制5分钟左右的视频,基本上可以确保一定拍到凌食过程。

对时间精度以及预报都很放心的,可以提前0.5分钟开始拍摄,录制1分钟视频。不出意外,是可以拍到凌食过程的。

我此次拍摄,是在凌食时刻前约1.5分钟开始拍,连续录制了5段每段时长为1min的视频,最后在第2段视频的大致中间的位置,成功拍到凌食过程。

C. 拍摄参数

卫星的移动速度非常快,所以曝光时间要尽可能的短。否则卫星会拖线。具体的保证不拖线的最长曝光时间,除了与ISS或天宫的角速度(大约在5~55角分每秒)有关外,还与望远镜焦距及摄像头像元大小有关。我此次使用的设备,焦距700mm,摄像头像元5.75微米,可以计算得到曝光时间应短于0.1毫秒。最终我选择了ASI174能达到的最短曝光时间0.034ms。

增益(Gain)不太重要,根据曝光时间选择合适的增益即可。

下图,右边是我所拍摄,曝光时间0.034ms。左边是当天另外一个爱好者拍摄,同样使用ASI174摄像头,望远镜使用90mm日珥镜,焦距800mm,曝光时间0.4ms。可以看出,我的照片天宫没有拖线(“土”字形明显),而左边照片,天宫明显有拖线(“土”字明显有变形)。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
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后期处理

可以直接将拍摄到的凌食过程,从录制的视频中剪辑出来,根据需要调速,或其他的处理过程,形成一个基本的凌食过程视频。

这样简单粗暴的处理方式,当然配不上“天文摄影师”的伟大头衔,得到的视频锐度太差,美感不够。

A. 在当天录制的视频中,选择一段没有凌食过程的,采用行星摄影的后期处理方式,处理出一张高质量的太阳或者月球照片,作为底图。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
B. 将视频中有空间站的帧,全部提取出来(可以用Pr,或者其他视频处理软件),保存为一系列照片。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
C. 对步骤B中获得的照片进行锐化。(要求不高这一步可以省略)

D. 将底图及有空间站的照片,全部导入PS,对齐。其实就是有空间站的照片与底图进行对齐,凌食过程很短,就算极轴不准跟踪有偏差,这么短的时间,太阳或月球基本上不会有明显的移动。

E. 将每张照片上的空间站抠出来(PS基本功,此处不表),叠在底图上,就得到如下照片。

如何拍摄空间站凌日/凌月?
这次拍摄,捕捉到天宫的有80帧,最后一帧天宫刚好位于日轮边缘,所以照片中有79.5个天宫空间站。如果因电脑性能或其他原因,有造成丢帧现象,那这里得到的天宫排列,就不会和我这张照片一样均匀分布,而是间隔时长时短。

PS:根据拍摄结果,日面上80个空间站几乎紧密排列,略有间隔,可以估算出天宫的角大小约15~20角秒,是网站预报的8.36角秒的2倍或更多。根据查询得到的天宫空间站当前的大小(约45m),根据预报的距离(约445km),可以计算出天宫的角大小约16.2角秒。印证了拍摄结果。所以,前述网站对天宫角大小的预报,应该是错误的,可能后台使用了错误的(或过时的天宫的大小数据。

F. 重新制作凌日过程视频。可以直接在PS里处理,也可以将80张照片单独保存,用其他软件处理成视频,类似于制作延时摄影视频。

PS:空间站凌日或凌月的拍摄还是有一定的挑战性的。我之前尝试过两次拍摄,第一次因曝光参数的选取问题拍摄失败,第二次因为天气未能拍摄。这一次是第三次拍摄,准备充足取得圆满成功,尤其是清晰的拍到了天宫的太阳能电池板。

内容由奇点天文收集整理

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

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