卫星星历的可视化表达与卫星轨道的设计

吕鸿斌　杨光飞　马腾冰

读懂卫星星历并在此基础上进行卫星轨道的设计是多学科融合的一个课题。本课通过地理、物理、数学三个学科老师接龙授课的形式很好地解决了这个跨学科的问题，并通过WWT软件将真实的卫星星历进行可视化表达，展示WWT在STEM教学中的优势。

一、WWT在STEM教学中的作用

万维望远镜（Worldwide Telescope，简称WWT）是2008年5月微软研究院推出的一款基于科学大数据背景下的免费天文教学与科普软件。WWT应用在STEM教学中有以下几大优势。

1.自由探索功能

WWT 是一个运行科学数据的全波段的互联网望远镜。只要能上网就可以通过WWT 访问和使用世界各大天文台海量数据资源，如哈勃空间望远镜（HST），斯隆数字化巡天（SDSS）数据，钱德拉X 射线天文台数据等等。

2.漫游创作功能

用户可以选择主题进行漫游的制作，可以漫游太阳系、可以漫游某颗行星，或者漫游星座等。WWT 还提供社区交流，用户可以将自己满意的漫游上传与人分享，还可以下载国内外天文爱好者制作的漫游进行学习。

3.科学数据的可视化表达功能

WWT有强大的计算机图形学和图像处理技术，在软件相应地方填入数据，便能自动生成大圆航线、椭圆轨道、经纬网等。也能结合EXCEL，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来。我校实践了的有：1999年地震数据、好奇号火星探测器运行轨迹、全球四大定位系统卫星轨道等的可视化呈现。结合天文大数据，广州大学王洪光教授利用WWT实现了脉冲星在宇宙中分布的可视化呈现，华中师大乔翠兰教授也带领学生利用WWT重绘了赫罗图。

二、基于WWT平台下的STEM教学接龙课之缘起

卫星星历，又称为两行轨道数据，是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式——两行式轨道数据系统。卫星、航天器或飞行体一旦进入太空，即被列入NORAD（北美空防司令部）卫星星历编号目录。列入NORAD卫星星历编号目录的太空飞行体将被终生跟踪。卫星星历以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。

卫星星历可以在公开的数据库中查到。利用WWT强大的计算机图形学和图像处理技术，简单的几步操作就可以自动识别卫星星历，即实现可视化的表达，并且能演示其实时的动态变化。

但读懂卫星星历需要有地理科学、物理学和数学的基础。只有对衛星星历充分认知的前提下才能实现学生自主探究，设计出属于自己的卫星轨道。故本课设计上尝试三个学科（地理、物理、数学）老师接龙上课，充分发挥每位老师的专业特长，使之成为合力。

三、教学设计

1.教学目标

知识与技能：了解卫星星历，理解其中的科学原理;了解GPS的定位原理。

过程与方法：通过小组合作和对卫星数据的收集，制作GPS卫星星座图;利用WWT探索轨道参数对卫星轨道形态的影响;利用WWT设计出属于自己的卫星轨道。

情感态度与价值观：体验科学的制作过程、感觉枯燥数据华丽变身之美。

科学素养方面，理解升交点、历法（地理科学）在星历中的体现;万有引力和向心力对卫星轨道的高度及周期的影响（物理学）。技术素养方面，用WWT作为工具实现科学数据和可视化表达。数学素养方面，将椭圆参数在轨道设计中的应用;最优定位构型及其分类理论在轨道倾角和卫星星座布局上的应用;理解联立方程在精确定位中的作用。

2.学情分析

本课为我校校本选修——《基于WWT的宇宙漫游制作》的其中一节课，选修学生以高一学生为主。学生对本课涉及的经纬网、历法、万有引力、向心力、椭圆、方程组等必备知识有一定的了解，但由于学科跨度大，国家课程中鲜见将其有机的融合并灵活应用，所以理解上存在一定的难度。本课程打通了三大学科，并且能将真实的数据进行可视化表达，这也是学生兴趣之所在。

3.教学过程及学科分工

活动一：认识卫星星历。让学生通过对比，分析WWT解读的是卫星星历的哪些内容。

活动二：轨道参数的改变对轨道形态的影响。让学生改变升交点经度、轨道倾角的参数，观察轨道形态的变化;改变半长轴、偏心率的参数，观察轨道形态的变化。

活动三：制作GPS卫星星座图。让学生小组合作上网收集GPS的卫星星历，分工制作轨道图层，最后叠加成完整的GPS卫星星座图。

拓展活动：GPS轨道高度的设定及其定位原理。教师讲解GPS卫星轨道的高度的设定与其飞行周期的关系，展示GPS四星定位原理。

责任编辑 黄博彦