天问二号如何在59万千米外给地球拍大片？｜封面科考队

天问二号拍摄的地球

封面新闻记者 张峥

7月1日，出差一个多月的天问二号，公开发布了由它拍摄的两张地球、月球的照片。虽然此前人类已经拍到了火星、月球、地球甚至黑洞的照片，但是，这次首次出差并担任摄影师的天问二号，拍照技术一流：不仅熟练运用了搭载的“相机”，同时还发布了彩色的地球，让人眼前一亮。

你一定很好奇，被人类“放”到太空中的探测器，如何在59万千米外给地球和月球拍照？航天器如何保持稳定？如何在太空中拍出彩色照片？

对此，封面新闻记者深入请教了天体物理学博士、人造天体摄影师、“中国空间站记录者”刘博洋。

给黑洞拍照最难

“很多深空探测器都会在地球、月球附近合适位置拍一下地球、月球，作为各科学载荷的基本测试之用。”刘博洋告诉记者。

小天体探测是深空探测的重要组成部分，也是近年来行星探测的热点。天问二号5月29日发射，科学目标是执行小行星2016 HO3的伴飞探测及采样返回、主带彗星311P伴飞探测等任务。在发射后第二天，5月30日就相继给地球、月球拍照，可谓是在飞向小行星前的“小试牛刀”。

“给黑洞拍照最难。给地球、月球、火星拍照本身难度没有差异，主要是你要去到什么机位拍，飞过去的难度有差异，那当然拍火星比地球难，拍月球比拍地球难。”刘博洋说。

天问二号拍摄的月球

如何在59万千米外给地球和月球拍照？

国际天文联合会小天体中心的统计数据表明，截至2022年12月总共发现125万多颗小天体，已编号的超过61万颗，其中近地小行星超过3万颗，彗星4 000余颗。

为了完成科学目标，进行小行星探测科学研究，天问二号携带了中视场彩色相机、多光谱相机、热辐射光谱仪、可见红外成像光谱仪、探测雷达、带电粒子与中性粒子分析仪等科学探测载荷。其中能用于可见光彩色成像的主要是中视场彩色相机和窄视场导航敏感器。

“本次拍摄时，天问二号距离地、月分别为59万千米左右，适合使用窄视场导航敏感器。在拍摄时，天问二号携带的星敏感器通过拍摄星空背景并与星图数据库比较，快速确认航天器的姿态，这样航天器可以在动量轮驱使下，让窄视场导航敏感器先后指向当时地球、月球所在方向；随后窄视场导航敏感器拍摄确认地球或者月球是否在画面中央，并把指向误差信息反馈给卫星平台进行指向修正。确认目标位于视场中心后，进行拍摄。”刘博洋解释。

如何给地球拍彩照？

如何给地球拍彩色照片？这需要切换红绿蓝三色滤光片，同时还需要后期的处理。

窄视场导航敏感器是一个5120x3840像素的相机，物镜口径大于16cm，焦距略大于800mm。距离目标3km时，可以分辨大小为2.4cm的目标。

“这次拍摄地球和月球时具体的模式不同，地球是彩色图像，用到了红绿蓝三色滤光片，”刘博洋说，由于窄视场导航敏感器本身的相机只能记录灰度影像，需要先后切换三个滤光片才能完成拍摄。而拍摄月球时，则没有使用特定颜色，如红绿蓝滤光片，而是使用全色滤光片，让整个可见光波段，以及少量近红外波段的光线都能透过，因此得到一张灰度影像。

天问二号如何与地面人员配合拍照？

那么，地面控制人员如何操作窄视场导航敏感器？一张清晰的成像图背后，有没有翻车作品？拍一张图需要多长时间？

“据推测，地面控制中心需提前制定好拍摄时间、指向角度等基础计划，上传给天问二号。但具体拍摄时，目标的搜寻和准确指向、对焦过程，可以由星上计算机自行完成。但是本次拍摄的具体过程，公开资料并未披露。”刘博洋解释。

“我推测拍摄地球的时机这样选取，要让地球的大小刚好为画幅的一半左右，如果在画面中撑太满，指向难度增大，指不准容易出画；如果在画面中太小，浪费相机分辨率。59万公里下，地球大小2700像素，占长边52%，短边70%，属于比较合适的比例。”

“拍摄月球使用全色滤光片，预期拍摄可以进行得很快；拍摄地球用到红绿蓝三色滤光片，两两之间需要切换滤光片，每次切换可能需要1s到数秒。在此期间卫星会飞过一段距离，导致后期对齐时，红绿蓝三色画面不完全一致，因此我们可以在发布的地球影像的最亮点处看到轻微的从红到蓝的色散特征。”

刘博洋解释，在数据回传后，首先需要进行图像分幅，随后需要进行暗电流校正、相对辐射校正，也就是天文摄影中常说的暗场、平场处理。对于彩色图像，如这次的地球，还需要把红绿蓝三色图像做对齐和彩色合成。