衛星星歷的可視化表達與衛星軌道的設計

呂鴻斌　楊光飛　馬騰冰

讀懂衛星星歷并在此基礎上進行衛星軌道的設計是多學科融合的一個課題。本課通過地理、物理、數學三個學科老師接龍授課的形式很好地解決了這個跨學科的問題，并通過WWT軟件將真實的衛星星歷進行可視化表達，展示WWT在STEM教學中的優勢。

一、WWT在STEM教學中的作用

萬維望遠鏡（Worldwide Telescope，簡稱WWT）是2008年5月微軟研究院推出的一款基于科學大數據背景下的免費天文教學與科普軟件。WWT應用在STEM教學中有以下幾大優勢。

1.自由探索功能

WWT 是一個運行科學數據的全波段的互聯網望遠鏡。只要能上網就可以通過WWT 訪問和使用世界各大天文臺海量數據資源，如哈勃空間望遠鏡（HST），斯隆數字化巡天（SDSS）數據，錢德拉X 射線天文臺數據等等。

2.漫游創作功能

用戶可以選擇主題進行漫游的制作，可以漫游太陽系、可以漫游某顆行星，或者漫游星座等。WWT 還提供社區交流，用戶可以將自己滿意的漫游上傳與人分享，還可以下載國內外天文愛好者制作的漫游進行學習。

3.科學數據的可視化表達功能

WWT有強大的計算機圖形學和圖像處理技術，在軟件相應地方填入數據，便能自動生成大圓航線、橢圓軌道、經緯網等。也能結合EXCEL，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來。我校實踐了的有：1999年地震數據、好奇號火星探測器運行軌跡、全球四大定位系統衛星軌道等的可視化呈現。結合天文大數據，廣州大學王洪光教授利用WWT實現了脈沖星在宇宙中分布的可視化呈現，華中師大喬翠蘭教授也帶領學生利用WWT重繪了赫羅圖。

二、基于WWT平臺下的STEM教學接龍課之緣起

衛星星歷，又稱為兩行軌道數據，是用于描述太空飛行體位置和速度的表達式——兩行式軌道數據系統。衛星、航天器或飛行體一旦進入太空，即被列入NORAD（北美空防司令部）衛星星歷編號目錄。列入NORAD衛星星歷編號目錄的太空飛行體將被終生跟蹤。衛星星歷以開普勒定律的6個軌道參數之間的數學關系確定飛行體的時間、坐標、方位、速度等各項參數，具有極高的精度。

衛星星歷可以在公開的數據庫中查到。利用WWT強大的計算機圖形學和圖像處理技術，簡單的幾步操作就可以自動識別衛星星歷，即實現可視化的表達，并且能演示其實時的動態變化。

但讀懂衛星星歷需要有地理科學、物理學和數學的基礎。只有對衛星星歷充分認知的前提下才能實現學生自主探究，設計出屬于自己的衛星軌道。故本課設計上嘗試三個學科（地理、物理、數學）老師接龍上課，充分發揮每位老師的專業特長，使之成為合力。

三、教學設計

1.教學目標

知識與技能：了解衛星星歷，理解其中的科學原理;了解GPS的定位原理。

過程與方法：通過小組合作和對衛星數據的收集，制作GPS衛星星座圖;利用WWT探索軌道參數對衛星軌道形態的影響;利用WWT設計出屬于自己的衛星軌道。

情感態度與價值觀：體驗科學的制作過程、感覺枯燥數據華麗變身之美。

科學素養方面，理解升交點、歷法（地理科學）在星歷中的體現;萬有引力和向心力對衛星軌道的高度及周期的影響（物理學）。技術素養方面，用WWT作為工具實現科學數據和可視化表達。數學素養方面，將橢圓參數在軌道設計中的應用;最優定位構型及其分類理論在軌道傾角和衛星星座布局上的應用;理解聯立方程在精確定位中的作用。

2.學情分析

本課為我校校本選修——《基于WWT的宇宙漫游制作》的其中一節課，選修學生以高一學生為主。學生對本課涉及的經緯網、歷法、萬有引力、向心力、橢圓、方程組等必備知識有一定的了解，但由于學科跨度大，國家課程中鮮見將其有機的融合并靈活應用，所以理解上存在一定的難度。本課程打通了三大學科，并且能將真實的數據進行可視化表達，這也是學生興趣之所在。

3.教學過程及學科分工

活動一：認識衛星星歷。讓學生通過對比，分析WWT解讀的是衛星星歷的哪些內容。

活動二：軌道參數的改變對軌道形態的影響。讓學生改變升交點經度、軌道傾角的參數，觀察軌道形態的變化;改變半長軸、偏心率的參數，觀察軌道形態的變化。

活動三：制作GPS衛星星座圖。讓學生小組合作上網收集GPS的衛星星歷，分工制作軌道圖層，最后疊加成完整的GPS衛星星座圖。

拓展活動：GPS軌道高度的設定及其定位原理。教師講解GPS衛星軌道的高度的設定與其飛行周期的關系，展示GPS四星定位原理。

責任編輯 黃博彥