國際空間站馬拉松觀測報告與指南

去年的ISS馬拉松，空間站第一次過境。現在才發現那時候自己對拍攝參數把握的非常差。現在全靠後期救場，不過那時候在教九樓頂一邊跑馬一邊拍漸變切片，還是挺棒的。

一年一度的國際空間站馬拉松又來啦。

國際空間站，International Space Station，人類建造的目前最大膽在軌飛行器，正在我們頭頂400公里的軌道上飄著。它佔地面積相當於一個標準足球場，擁有足夠數量的太陽能電池板，因而當它過境本地的時候，我們有可能看到它明亮的光芒。國際空間站運行在近地軌道上，它環繞地球一圈的時間不到兩個小時，因而一個晚上看到數次過境也是很有可能的。不過，既然是馬拉松，我們就要追求極限。

以上是國際空間站照片及基本數據，圖片來自NASA，數據來自CalSky，Heavens-Above的數據類似。

今年的國際空間站馬拉松窗口是在5月22日至29日之間，第二次目前預計是在7月22日至26日之間。根據預報，我們選擇在24日至25日的夜間觀測，這一夜的預報可見過境次數為6次。

報告

我們選擇在北京師範大學科技樓C區樓頂觀測，這裡有天文系的一個圓頂，視野開闊且條件方便。後半夜因為要求，我們轉移到西操場觀測剩餘兩次過境。北師位於北京北二環與北三環之間，光污染影響嚴重，但並不妨礙ISS這種明亮天體的過境觀測。而且因為光污染，拍攝起來的對比感會更強（可以參考以下照片）。

當晚北京晴，空氣質量很好，大氣透明度高，但親測濕度大，因而視寧度可能不佳。當天月相為朔（殘月，但幾乎可以忽略），非常適宜觀測。

這次觀測由我（筆者）、天文社前前任社長李鎮業與現任社長陳懷雪共同完成，三人相機與鏡頭分別為60Da，14mm；600D，18-55mm；600D，18-55mm。

過境預報如下（來自Heavens-Above）：

所以這是一項需要奮戰整晚的長途跋涉，雖然工作量遠不如梅西耶天體馬拉松，但也需要足夠的耐心和精力，以及提前了解準確預報和判斷。ISS馬拉松更多的觀測方式是進行攝影，所以需要預判各種情況，難度也不低。

另：圖片按我，李鎮業，陳懷雪的順序排列。

第一次：20：07 ~ 20：12

亮度-2.4等，最高方位東南，最高高度19°，太陽高度-7°

此時仍然處在航海昏影階段，換句話說天還是亮的。不過這不影響觀測。ISS從南西南方向升起，隨後以低高度划過東南天空，落入東北東方向。從科技樓觀測點來看，ISS從B區升起，穿出科技樓後從後主樓樓頂划過。我在這次過境前剛剛趕到科技樓頂，與李鎮業和陳懷雪在一陣手忙腳亂後都順利開始拍攝。不過因為科技樓的東側沒有通道，我與陳懷雪在南側拍攝，李鎮業在北側拍攝。

第一次過境的結果還是很理想的，肉眼能夠清晰可見，拍攝結果也不錯，在這之後我們就開始後期工作。他們兩人一開始統一了拍攝參數，而我因為鏡頭焦距和他們不同，最初沒有和他們使用同一參數，後來也統一。

因為我一開始有點手忙腳亂，參數沒有設置的很好，還導致一開始沒目視到ISS，沒來及拍升起的部分。這張圖裡ISS正掠過後主樓。畫面中間偏下的地平線上的亮點是目前在建的北京最高樓中國樽。

上圖：李鎮業的北側視角；下圖：陳懷雪的南側視角。因李鎮業沒有三腳架，而陳懷雪沒用快門線，又使用了長焦距，兩人拍攝過程中抖動都很明顯，不過最後照片依然能夠作為觀測證明。

第二次：21：43 ~ 21：49

亮度-2.7等，最高點方位北西北，最高高度45°，太陽高度-20°

已經天黑，但科技樓西邊兩個操場的聚光燈都還亮著。這樣一來這一次的開頭，ISS升起階段時受燈光影響非常嚴重。不過因為這一次過境的軌跡足夠長，我們有足夠的時間向其他機位轉移。樓下的同學們在操場上揮灑著汗水，我們則以另一種形式奮鬥著。2333333從樓上俯瞰校園的感覺真的很棒。

這一次過境的亮度也是較亮，而時間也很長，所以我們有足夠時間去反應。不過根據反射定律，通常情況下我們看到的類似反光現象都是光源與反光物體處於對側，而從這次到第五次過境實際上都是同側，這是因為ISS有大量太陽能電池板，而這些電池板顯然不會同時工作，因而它們在此時的朝向是各異的，又因為電池板面積足夠大，因而能出現鈍角度反光的過境現象。

因為東操場的聚光燈，這一次的升起階段受干擾很嚴重。雖然這是我為了有操場作為地景刻意架在檯子上拍的，但手機實測效果不佳。右下角聚光燈的輝光延伸到畫面偏中間的高度，手機放大照片，在輝光的末尾應該能找到一條淡淡的斜線。另外因為疊加軟體的壓縮問題，圖片在進一步處理後有明顯的色階痕迹。

兩張圖均為同一組，是前張拍完之後更換地點做的另一組拍攝。因為ISS過境時間較長，在場地開闊和預判機位的情況下有足夠時間轉移位置。軌跡開頭的間隔比較長，這是因為我最開始估計ISS進入相機視場的時間有問題，剛開始沒準備好拍攝，下面李鎮業的圖，還有之前之後的一些圖也是類似的情況。這裡顯示了ISS向東北方向的軌跡。地面右側下緣的無光高樓就是三環的爛尾樓，而在其左邊樹立起來的發光建築就是北京觀光塔「大釘子」

李鎮業視角，畫面依然有抖動。這裡顯示了ISS遠去的軌跡。按照安排，李鎮業的視角向東北，也就是本次過境的軌跡末端，朝向奧體中心方向，但因為相對位置原因，上面圖中的「大釘子」被爛尾樓擋住了。

陳懷雪視角，朝向正北。不過她的機位比較特殊，不是在邊緣的檯子上選在科技樓頂的天線中，結果也很有特色。這裡顯示了ISS軌跡最高處，朝向北西北方向。

第三次：23：21 ~ 23：25

亮度-0.5等，最高點方位北西北，最高高度14°，太陽高度-28°

這次過境和下次過境一樣，都是低空掠過，高度和亮度都很低。此時的ISS的軌道在北京附近基本上是東西朝向，且位置恰好夾在400公里高度的地影與地表晨昏線之間，這兩次過境就是ISS馬拉松真正罕見的地方。不過相應的，因為是低空飛過，這兩次的觀測難度也是最大的。雖然這種情況下ISS的亮度仍然可以達到0等左右，但只要環境不好、地面光源影響嚴重或者有遮擋，拍攝甚至目視觀測都會受到很大影響，所以ISS馬拉松最關鍵的兩點是能看到這兩次，和看到這兩次。

所以這次北京的天氣和我們挑選的觀測地都幫了忙，晴天和高處避開燈光和遮擋都能有效保證這兩次觀測。

我的視角朝向正北，基本上覆蓋了這次ISS過境的全過程。因為這次是在北方掠地過境，且幾乎和晨昏線平行，所以軌跡比較「平」，也很低很暗弱。下方的另一條軌跡是飛機航跡。可以看到ISS的軌跡在中間部分有略微變暗，這是ISS貼近地影導致的變暗，還有更極端的情況，就是ISS消失一段時間再出現，就是它完全進入地影。

李鎮業視角，面向北東北，顧及ISS落下的部分。可以見到，因為角度較大，軌跡貼近地面，所以即使是最高的地方亮度也比較暗弱，不過無論是觀測還是拍攝都清晰可見。軌跡右側的幾顆亮星組成了「W」的形狀，這就是著名的仙后座W形。

陳懷雪視角，朝向西北，顧及ISS升起的部分。不過因為升起時亮度很暗淡，最終疊加照片不太好辨認ISS的軌跡（畫面右側），這也是ISS馬拉松中最難進行的部分。左上方的亮星是獅子座的軒轅十二。

第四次：01：00 ~ 01：02

亮度-0.3等，最高點方位正北，最高高度12°，太陽高度-28°

這次與上次一樣，只是高度更低、亮度更暗。從軌道來看，這一次和上一次的軌跡基本上是對稱的，其實這也很好理解。因為後半夜多數建築都已經關燈，地面燈光的影響會進一步減小，例如離我們不遠的，在北太平橋東北的城建大廈已經熄燈。

有另一位同學與我們一起觀測了這次過境，和上次一樣，ISS在最高處的亮度依然明顯。

我的視角依然朝向正北，這個方向幾乎能記錄下此次過境的全貌，但因為筆者一開始沒能目視發現ISS，按下快門已經很遲了，所以只記錄下一段。凌晨1點大部分建築燈光都已經熄滅，但對於北京這座城市來談，沒有一個夜晚是完全熟睡的。

李鎮業視角，和上次一樣朝向北東北。畫面很模糊，不過依然能明顯看到軌跡。此次過境的軌跡顯得更「平」，而亮度則更暗弱一些。此時仙后座已經升高，預示著傳統的秋季星空的圖案即將出現。下方的另一條軌跡是飛機航跡。

陳懷雪視角，依然是西北方向。ISS升起的軌跡依然暗弱，卻和上一次過境很相似。此時背景的星點和上次相比已經是完全不同。

第五次：02：35 ~ 02：41

亮度-1.6等，最高點方位北東北，最高高度28°，太陽高度-20°

因為老師要求，這一次我們的觀測地變成了西操場。因為剩下兩次的高度都不低，而且後半夜也不再有什麼燈光，第五次觀測就很順理成章的完成了。後半夜的濕度很大，草皮上有一層水，不過不至於影響身體與觀測。這次觀測因為操場上沒有支撐物，加上潮濕，李鎮業就沒有拍攝。其實這個時候大家都已經很困了，不過我們還是堅持著看完最後兩次過境。

ISS划過東操場看台。我的視角是東北方向，顧及ISS的落下。有趣的是，ISS最終落到科技樓之後。最開始的幾段間隔較長是因為剛開始拍攝時筆者沒有掌握好ISS進入相機視場的時間，按下快門線時相機的實時取景仍然開啟，稍後才關閉。實時取景模式下高速連拍是無法實現的。

陳懷雪視角，朝向偏正北方向，顧及ISS的升起。ISS從藝術樓、化學樓、學生活動中心與生地樓之上飛過，亮度較亮。

第六次：04：12 ~ 04：18

亮度-3.3等，最高點方位西南，最高高度36°，太陽高度-6°

此時已經進入航海晨光階段，換句話說天已經亮了，不過ISS也比較亮，所以並不影響觀測和拍攝（其實對拍攝還是有點影響的，下圖可以看出，這是需要經驗和預判的）。有一些老人和老教師已經來西操場晨練了，雖然地面還有點黑，但能明顯看到人來人往。這個時候是近地面氣溫最低的時候，只著襯衫的筆者感到一絲寒意，不過拍攝過程中的跑前跑後很快就緩解了這種寒意。

最終，隨著明亮的最後一次過境結束於邱季端體育館後，我們順利完成了全部6次ISS過境的觀測與拍攝，大吉大利，晚上吃雞~~（大霧）

ISS划過學一樓至學四樓（從右向左），學一樓左側的亮星軌跡是大角星，學四樓上側，畫面最左端的是土星。右下角李鎮業（站）和陳懷雪（蹲）也在拍攝。這時候天空基本上是完全亮了，呈現的是藍色，與學一樓到學四樓的紅色對比鮮明。

兩張圖均為同一組，是前張拍完之後更換地點做的另一組拍攝。考慮到轉移時間，最後開始拍攝時ISS已經進入視場一段時間。因為已經天亮，上圖18張疊加的結果要明顯好於下圖30張疊加，因而只對上圖進行了進一步的後期處理。原序列是一直拍到最後ISS落入邱季端體育館以後的，總計48張，但疊加後亮度已經遮蓋ISS軌跡，顯然不可取。

陳懷雪視角，也是兩個機位。不過很明顯，因為晨光，最後疊加的照片有點慘不忍睹。

其他觀測項目

銥星閃光

相比於去年（6個，特別嚇人），今年的銥星閃光數量就少了很多，不知道是不是因為一代銥星開始退役的結果。不過這次銥閃很亮，而且當時有多人在場，大家都很吃驚。

Iridium 77 21：25：09 -7.7等

閃光下面的亮星是織女星，右側後主樓和科技樓頂的八木天線。左下角恰好拍到李鎮業在玩光繪，此時有幾位天文系16級的女生也在樓頂觀測。

彩蛋+

1.李鎮業的光繪

北師光繪哪裡強，勵耘物理李鎮業~~

自從天文社一群人15年年末在教九樓頂搞了一次光繪跨年之後，我們就再也沒搞過光繪了。這次幾個天文系16級的女生也來圍觀，大家合計了一下，突發奇想準備玩幾下光繪，於是好戲開場了。

李鎮業的「軌道」，這裡只拍到「軌枕」。他本想在上面再畫一列火車，結果因為技術難度太大，最終棄療。

莫名很有立體感的2017~

2.校園裡邊懟銀河

這是很多學生天愛的夢想，有的學校是很容易實現的，比如蘭州大學榆中校區，而有的則是不可能的任務，比如北京的一眾高校。北京的大規模光污染連150公里外的興隆都得怕三分，但只要是天氣好，北京城區的空氣通透程度其實也是非常好的，這給拍攝帶來了一點點便利。

北師是難度最高的學校之一，因為距離市中心最近，周圍全是光源，學校本身又小，無法有效遮擋燈光。所以一般認為這真的是登天一般的任務。

第四次觀測結束之後，陳懷雪嘗試了一下在樓頂懟，然後不出意料的失敗了。但是當晚的天氣確實很好，如果掌控好參數，其實也是有可能的。於是在第五次觀測之後，我和陳懷雪又嘗試了一次，於是我就有了如下成果：

上圖是ACR初步處理結果，下圖是PS處理結果，天鵝段銀河，已經比較明顯了，雖然很暴力0.0

上圖是ACR初步處理結果，下圖是PS處理結果，銀心段銀河，還是很暴力，但考慮到銀心靠近地面，所以處理成這樣，感覺能勉強看到，已經是極限了......畫面中間偏左下，亮星（土星）左邊隱約能看到一個不是點狀的亮斑，那個是礁湖星雲M8。

3.金星

亮瞎人眼的金星又來了。還好因為是日出前升起，這一次的「日金貼」會少一些，但極為明亮的金星還是很能在日出前吸引大家的目光。

樓縫間的金星，此時已經接近日出。

金星剛剛升過東操場看台，超超超超超超超超超級亮有沒有......這張圖攝於上一張圖稍早前。

4.校園夜景

科技樓頂是一個很好的俯瞰點。雖然它沒有後主樓22樓那麼高，但是因為離操場和生活區更近，所以俯瞰的效果其實更好。這是第一次過境之後拍攝的東西操場全景，因為拍攝問題，東操場的一小部分沒有覆蓋到。站在樓頂上看真的很爽啊啊啊啊啊啊啊！

因為原圖是用14mm拍攝的，廣角照片在拼接時會有嚴重畸變的現象，所以整張圖有點「凸起」。右側還有些太陽照射遠處大氣反射來的紅光，航海昏影時在環境極好的地點可以肉眼看到這樣的景象。

5.專業術語

寫作本文的時候，關於「屋頂邊緣的矮牆」或者「檯子」到底應該怎麼稱呼，好奇去查了一下，結果發現居然還真有一個專業術語，叫「女兒牆」，因垂絲汀！

指南

國際空間站的軌道周期約為97分鐘，連續觀測6次國際空間站過境的總時間是485分鐘（忽略頭尾過境時間），即8小時5分鐘。而現在中緯度地區的夜晚時間，以北京為例，為9小時20分鐘左右，大於所需的觀測和等候時間。實際上這一時間直到夏至也不會有變化（北京9小時），所以理論上一晚上至少應該能見到6次國際空間站過境。

但是，太陽在一年中的直射點位置是在不斷變化的，而國際空間站又有51.6°的軌道傾角，ISS在夜晚過境時，實際上大部分時間是淹沒在地球陰影之中的，所以通常情況下一個晚上至多也只能看4次。

一次稀有（誤）的ISS過境，歪脖子看效果更佳~~來自去年馬拉松的第五次過境。

那麼，什麼情況下我們能夠看到6次ISS過境呢？夏至日前後，太陽的直射點接近北緯23.5°，相對應的晨昏線與赤道的夾角是66.5°，與國際空間站的軌道傾角51.6°比較接近。而相應的，400公里高度的地影位置與晨昏線位置又有19.78°的夾角，因而如果ISS運行到與晨昏線的北端和南端近似保持平行的情況下（如下圖），在夏至日前後就有可能出現ISS整夜可見的情況。

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