近日，中國空間站首次獲得高畫質“全家福”。透過這張“全家福”，空間站的每一個部分都可以一覽無餘。此前，我們只能透過安裝在空間站外部的高畫質攝像機，拍攝空間站的區域性照片，或是透過與空間站交會對接的飛船的艙外攝像機，獲得比較模糊的空間站全景。你一定很好奇，這張高畫質“全家福”是怎麼拍攝的呢？
（圖源《知識就是力量》雜誌）
繞著“模特”飛一圈
要開門見山告訴大家的是，這幾張照片是由航天員使用手持相機拍攝的。2023年10月31日，在中國空間站“出差”5個月的3名航天員，乘坐神舟十六號載人飛船返回地球家園。空間站的高畫質“全家福”，便是在神舟十六號載人飛船返回過程中，航天員透過飛船返回艙的舷窗拍攝的。
然而，想要清晰地捕捉空間站的全景，並非只是按下快門這般簡單。
首先，需要讓神舟十六號載人飛船（以下簡稱“飛船”）飛到合適的位置。要拍攝空間站，最好的視角是在其上方，這個視角能夠更好地展示空間站的全貌。不過，要到這裡並不容易——與空間站分離後，飛船位於空間站的下方，需要透過軌道控制從空間站上方掠過。這個動作利用了飛船的一個絕活——繞飛，即飛船環繞空間站的飛行。
飛船與空間站徑向分離後，先從下方200米的停泊點繞飛至空間站前方停泊點，再從前方停泊點繞飛至後方停泊點。而拍攝的時機，就選擇在從空間站前方向後方繞飛的過程當中。
繞飛是如何實現的？
繞飛充分利用了相對運動的動力學特性。考慮到地球引力的作用，兩個飛行器間的相對運動關係是透過一組非線性方程進行描述的，方程形式複雜，不能直接用來分析二者的相對運動規律；然而，當兩個飛行器執行在圓軌道上，它們之間的相對距離遠小於它們與地心的距離時，描述二者的相對運動方程就可以得到線性化的簡化，從而實現兩個飛行器相對運動規律的分析及控制。基於線性化的相對運動方程，透過發動機施加特定的速度增量，就可以控制飛船沿著期望的橢圓軌跡繞空間站運動，即實現繞飛。
攝影師也要擺pose
除了尋找合適的拍攝位置，飛船還需要找到合適的角度。
根據上文我們可以知道，拍攝過程中使用了飛船返回艙的舷窗。以飛船的正常飛行姿態看去，舷窗分佈在返回艙的左右兩側。所以，飛船如果以正常飛行姿態飛躍空間站的上方，航天員就無法從舷窗中看到空間站。因此，飛船必須進行一個滾動姿態調整，讓舷窗變成一上一下，這樣，航天員就可以使用下方的舷窗拍攝空間站了。滾動調姿則是透過安裝在飛船推進艙上的姿控發動機實現的。
此外，整個繞飛過程中，為了精確控制飛船和空間站的相對運動軌跡，必須保持兩個飛行器間的通訊，從而實現相對位置和速度的測量。由於相對測量敏感器佈置在飛船的軌道艙前端，繞飛時需儘可能地讓飛船的頭部朝向空間站。
為了保障拍攝順利進行，飛船僅有軌跡和姿態的控制是不夠的，還需要滿足其他幾個約束條件：第一，測控約束——繞飛的關鍵弧段需要位於中繼衛星測控區內，便於地面對飛船進行狀態監視和控制；第二，光照約束——拍攝過程要在光照區內進行，光照角度也要精心設計，確保照片具有完美的光照條件；第三，安全距離約束——“道路千萬條，安全第一條”，為了確保航天員安全，繞飛全程飛船不能進入空間站禁飛區。
（圖源《知識就是力量》雜誌）
為了獲得完美的高畫質“全家福”照片，飛船的每一個動作，都離不開設計人員和飛控人員的精心策劃、精確設計、精準實施。空間站清晰的輪廓背後，不僅有蔚藍的星球，也有無數航天人對浩瀚星河的守候。
知識拓展
什麼是正飛、倒飛？
在繞飛過程中，雖然飛船會出現相對於空間站向後運動的情況，但飛船相對於地球而言始終是向前飛行的（即絕對運動方向向前）。當飛船的頭部與飛船的絕對運動方向相反時，就被稱為倒飛，反之則為正飛。
撰文| 李蒙
責任編輯 | 代竹蕊 張麗涵
運營編輯 | 張麗涵
質量稽核 | 業蕾
❖ 來源：《知識就是力量》雜誌
《給中國空間站拍張 “全家福”》❖
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