近日，中国空间站首次获得高清“全家福”。通过这张“全家福”，空间站的每一个部分都可以一览无余。此前，我们只能通过安装在空间站外部的高清摄像机，拍摄空间站的局部照片，或是通过与空间站交会对接的飞船的舱外摄像机，获得比较模糊的空间站全景。你一定很好奇，这张高清“全家福”是怎么拍摄的呢？
（图源《知识就是力量》杂志）
绕着“模特”飞一圈
要开门见山告诉大家的是，这几张照片是由航天员使用手持相机拍摄的。2023年10月31日，在中国空间站“出差”5个月的3名航天员，乘坐神舟十六号载人飞船返回地球家园。空间站的高清“全家福”，便是在神舟十六号载人飞船返回过程中，航天员通过飞船返回舱的舷窗拍摄的。
然而，想要清晰地捕捉空间站的全景，并非只是按下快门这般简单。
首先，需要让神舟十六号载人飞船（以下简称“飞船”）飞到合适的位置。要拍摄空间站，最好的视角是在其上方，这个视角能够更好地展示空间站的全貌。不过，要到这里并不容易——与空间站分离后，飞船位于空间站的下方，需要通过轨道控制从空间站上方掠过。这个动作利用了飞船的一个绝活——绕飞，即飞船环绕空间站的飞行。
飞船与空间站径向分离后，先从下方200米的停泊点绕飞至空间站前方停泊点，再从前方停泊点绕飞至后方停泊点。而拍摄的时机，就选择在从空间站前方向后方绕飞的过程当中。
绕飞是如何实现的？
绕飞充分利用了相对运动的动力学特性。考虑到地球引力的作用，两个飞行器间的相对运动关系是通过一组非线性方程进行描述的，方程形式复杂，不能直接用来分析二者的相对运动规律；然而，当两个飞行器运行在圆轨道上，它们之间的相对距离远小于它们与地心的距离时，描述二者的相对运动方程就可以得到线性化的简化，从而实现两个飞行器相对运动规律的分析及控制。基于线性化的相对运动方程，通过发动机施加特定的速度增量，就可以控制飞船沿着期望的椭圆轨迹绕空间站运动，即实现绕飞。
摄影师也要摆pose
除了寻找合适的拍摄位置，飞船还需要找到合适的角度。
根据上文我们可以知道，拍摄过程中使用了飞船返回舱的舷窗。以飞船的正常飞行姿态看去，舷窗分布在返回舱的左右两侧。所以，飞船如果以正常飞行姿态飞跃空间站的上方，航天员就无法从舷窗中看到空间站。因此，飞船必须进行一个滚动姿态调整，让舷窗变成一上一下，这样，航天员就可以使用下方的舷窗拍摄空间站了。滚动调姿则是通过安装在飞船推进舱上的姿控发动机实现的。
此外，整个绕飞过程中，为了精确控制飞船和空间站的相对运动轨迹，必须保持两个飞行器间的通信，从而实现相对位置和速度的测量。由于相对测量敏感器布置在飞船的轨道舱前端，绕飞时需尽可能地让飞船的头部朝向空间站。
为了保障拍摄顺利进行，飞船仅有轨迹和姿态的控制是不够的，还需要满足其他几个约束条件：第一，测控约束——绕飞的关键弧段需要位于中继卫星测控区内，便于地面对飞船进行状态监视和控制；第二，光照约束——拍摄过程要在光照区内进行，光照角度也要精心设计，确保照片具有完美的光照条件；第三，安全距离约束——“道路千万条，安全第一条”，为了确保航天员安全，绕飞全程飞船不能进入空间站禁飞区。
（图源《知识就是力量》杂志）
为了获得完美的高清“全家福”照片，飞船的每一个动作，都离不开设计人员和飞控人员的精心策划、精确设计、精准实施。空间站清晰的轮廓背后，不仅有蔚蓝的星球，也有无数航天人对浩瀚星河的守候。
知识拓展
什么是正飞、倒飞？
在绕飞过程中，虽然飞船会出现相对于空间站向后运动的情况，但飞船相对于地球而言始终是向前飞行的（即绝对运动方向向前）。当飞船的头部与飞船的绝对运动方向相反时，就被称为倒飞，反之则为正飞。
撰文| 李蒙
责任编辑 | 代竹蕊 张丽涵
运营编辑 | 张丽涵
质量审核 | 业蕾
❖ 来源：《知识就是力量》杂志
《给中国空间站拍张 “全家福”》❖
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