天問二號如何給地球拍大片？

5月29日凌晨，行星探測工程天問二號探測器發(fā)射升空。

天問二號探測器拍攝的地球彩色圖

天問二號探測器拍攝的月球全色圖

7月1日，出差一個多月的天問二號，公開發(fā)布了由它拍攝的地球和月球的照片。雖然此前人類已經(jīng)拍到了火星、月球、地球甚至黑洞的照片，但是，這次首次出差并擔任“攝影師”的天問二號，不僅熟練運用了搭載的“相機”，同時還發(fā)布了地球的彩照，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(wěn)定？如何在太空中拍出彩色照片？

對此，華西都市報、記者采訪了天體物理學(xué)博士、人造天體攝影師、“中國空間站記錄者”劉博洋。

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給黑洞拍照最難

“很多深空探測器會在地球、月球附近合適位置拍攝地球、月球，作為科學(xué)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(fā)射，科學(xué)目標是執(zhí)行小行星2016 HO3的伴飛探測及采樣返回、主帶彗星311P伴飛探測等任務(wù)。在發(fā)射后第二天，5月30日就相繼給地球、月球拍照，可謂飛向小行星前的“牛刀小試”。

“給黑洞拍照最難。給地球、月球、火星拍照本身難度沒有差異，主要是在什么機位拍。但飛過去的難度有差異，從這個角度來說，拍火星比拍地球難，拍月球比拍地球難。”劉博洋說。

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如何給地球月球拍照？

國際天文聯(lián)合會小天體中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，截至2022年12月，人類已總共發(fā)現(xiàn)125萬多顆小天體，編號的超過61萬顆，其中近地小行星超過3萬顆，彗星4000余顆。

為進行小行星探測科學(xué)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(xué)探測載荷。其中能用于可見光彩色成像的主要是中視場彩色相機和窄視場導(dǎo)航敏感器。

“本次拍攝時，天問二號距離地、月為59萬千米左右，適合使用窄視場導(dǎo)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并與星圖數(shù)據(jù)庫比較，快速確認了自身姿態(tài)。這樣，天問二號可以在動量輪驅(qū)使下，讓窄視場導(dǎo)航敏感器先后指向當時地球、月球所在方向；隨后窄視場導(dǎo)航敏感器拍攝確認地球或者月球是否在畫面中央，并把指向誤差信息反饋給衛(wèi)星平臺進行指向修正。在確認目標位于視場中心后，進行拍攝。”劉博洋解釋。

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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，同時還需要后期處理。

窄視場導(dǎo)航敏感器是一個5120乘以3840像素的相機，物鏡口徑大于16厘米，焦距略大于80厘米。距離目標3公里時，可以分辨大小2.4厘米的目標。

“這次拍攝地球和月球具體模式不同，地球是彩色圖像，用到了紅綠藍三色濾光片。”劉博洋說，由于窄視場導(dǎo)航敏感器本身的相機只能記錄灰度影像，需要先后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。

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天問二號如何與地面人員配合拍照？

那么，地面控制人員如何操作窄視場導(dǎo)航敏感器？一張清晰的成像圖背后，有沒有“翻車”作品？拍一張照片需要多長時間？

“據(jù)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(chǔ)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。本次拍攝的具體過程，公開資料并未披露。”劉博洋介紹。

“我推測拍攝地球的時機這樣選取，要讓地球的大小剛好為畫幅的一半左右，如果在畫面中撐得太滿，指向難度增大，容易出畫；如果在畫面中太小，又會浪費相機分辨率。天問二號在距地球59萬公里的條件下，拍攝的地球約2700像素，占長邊52%，短邊70%，屬于比較合適的比例。”

“拍攝月球使用全色濾光片，拍攝可以進行得很快；拍攝地球用到紅綠藍三色濾光片，需要切換濾光片，每次切換可能需要1秒到數(shù)秒。在此期間，衛(wèi)星會飛過一段距離，導(dǎo)致后期對齊時，紅綠藍三色畫面不完全一致。因此可以在發(fā)布的地球影像最亮點處看到輕微的從紅到藍的色散特征。”

劉博洋解釋，在數(shù)據(jù)回傳后，首先需要進行圖像分幅，隨后進行暗電流校正、相對輻射校正，也就是天文攝影中常說的暗場、平場處理。對于彩色圖像，如這次的地球照片，還需要把紅綠藍三色圖像做對齊和彩色合成。

華西都市報-記者 張崢 圖據(jù)新華社