极轨卫星轨道报释义与应用实验教学方法研究

0 引言
“卫星气象学”课程是高等院校大气科学、卫星遥感等专业开设的基础课程，学习实验课程，可以加深学生对卫星气象学理论的理解，强化理论联系实际的能力，并能提高上机操作、信息处理与卫星数据分析应用的能力。

然而“卫星气象学”课程具有名词多、公式复杂、概念抽象等特点，使学生对相关知识难以理解、易混淆，若实验课程还采用传统的学生自主操作等方法，仅靠学生自我归纳和吸收知识，则难以使所有学生都达到教学目标，从而影响实验课程本身要达到的辅助提高理论教学的效果。

在实验教学中，根据教学内容的特点和教学目标的设置，有必要设计相应的教学实施方法，以促进学生更全面地理解理论知识。

1 教学内容及其特点
“卫星气象学”课程包括两方面主要内容：①研究利用人造地球卫星这一观测平台探测地球大气各种气象要素的原理和方法；②研究卫星探测资料如何应用于大气科学研究的各领域。

如根
极轨卫星轨道报释义与应用
实验教学方法研究
王 敏1，周树道2，项 杰2
（1．南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044； 
2．国防科技大学气象海洋学院，江苏 南京 211101） 
【摘要】极轨卫星轨道报释义与应用是“卫星气象学”课程实验教学中非常重要的内容。

实验中通过模拟卫星运动轨道仿真系统的动态演示，带领学生利用Excel等常用办公软件列表和绘制卫星轨道参数随时间的变化曲
线，帮助学生更好地理解和掌握卫星运动轨道的参数含义，并掌握对常用极轨卫星轨道报的获取、阅读和
翻译能力。

既可为学生学习“卫星气象学”课程奠定基础，也可为教师从事相关领域的教学、科学研究等
提供一定的参考。

【关键词】极轨卫星；卫星气象；轨道报；运动参数；办公软件
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2021）01-0081-04
收稿日期：2020-2-1
作者简介：王敏（1983—），女，陕西咸阳人，博士，副教
授，研究方向为遥感图像处理；
周树道（1964—），男，浙江宁波人，硕士，教授，研究方
向为卫星遥感技术；
项杰（1965—），男，安徽巢湖人，博士，教授，研究方向
为卫星遥感技术。

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据卫星的辐射探测资料，研究地—气系统的辐射平衡；根据温度铅直分布廓线和测风资料，为数值天气分析和预报提供大量非常规观测资料；根据海洋表面海水温度资料、陆地上积雪的覆盖范围和高纬度地区海洋表面积冰范围的资料，研究海—气热量交换作用和气候变化；根据卫星云图资料，识别各种不同的天气系统（如锋面、高空急流、台风、温带气旋、反气旋、雷暴等），判断天气系统的发展阶段及其未来的演变趋势，估算台风中的最大风速，以及对流云的降水强度等。

卫星轨道是卫星在空间环绕地球运行的路径，遵循开普勒行星运动定律，卫星运行的轨迹是一条封闭的椭圆曲线，椭圆轨道平面穿过地心。

由于轨道的不同，气象卫星分为太阳同步极地轨道气象卫星（也称为极轨气象卫星）和地球同步气象卫星（也称为静止气象卫星）。

通过卫星运动轨道，可以了解卫星运动的高度、卫星气象载荷观测的时间及地理范围等，为后期的气象卫星资料处理和应用等提供基础数据。

极轨卫星轨道报释义与应用是“卫星气象学”课程实验教学中第一节具有核心实践操作的内容，具有名词多、知识点难理解和易混淆等特点。

名词多是指卫星轨道涉及的运动参数较多，如高度、星下点、升交点、周期、截距、偏心率、近地点、远地点、春分点、卫星轨道六要素（长轴、短轴、交点角或升交点赤经Ω、近地点幅角ω、轨道倾角i、过近地点时刻t0）等，如图1所示。

学生学起来感觉难理解、易混淆，如表达角度概念的轨道倾角、升交点赤经及近地点幅角等角概念，以及近地点、远地点、升交点、星下点和春分点等概念。

常规的卫星轨道报数据不仅包括了上述卫星轨道参数，还给出了卫星过升交点前、后每2分钟对应的星下点经、纬度和高度。

卫星轨道报全文由英文字母和数字构成，表达了丰富的含义，但对于基础较弱的学生，容易引起厌学和反感情绪。

2 教学目标
教学目标是教学活动期待得到的学生的学习结果。

教师实施的教学活动要以教学目标为导向，即通过教学方法的设计实现教学目标。

因此，教学目标在教学过程中起着十分重要的作用。

极轨卫星轨道报释义与应用实验的教学目标可以归纳为以下4个方面：①掌握常用气象卫星轨道报的获取方式；②理解气象卫星轨道报的构成及物理含义；③从轨道报中提检出轨道基本信息；④分析轨道高度、星下点纬度、星下点经度随时间变化的特征。

教师在归纳总结出本次课的教学目标后，需要梳理每个教学目标对应的知识点等教学内容，然后从教学内容的深浅、难易程度及学生自身特点等方面入手，分析研究出适合的教学方法。

3 教学方法
常规的实验教学与理论教学可能由于不是同一教师讲授，教师无法全面了解学生的学习情况，存在实践教学与理论教学相脱节的情况；常规实验教学大多未配备可演示的模拟系统，学生无法直观建立起形象的物理概念，导致教学效果不够理想。

针对上述问题，结合教学目标，实验
图1 卫星轨道运动参数
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主要采用以下3种教学方法进行。

（1）开发模拟演示系统。

卫星轨道受多个参数约束，并且参数各不相同，极轨卫星相较于静止卫星而言，除了高度、倾角、偏心率等常规参数不同，还由于地球自转使极轨卫星和地球之间存在着相对运动，学生难以想象其运动过程。

针对气象卫星的运动过程，国防科技大学气象海洋学院教学团队开发了一套卫星轨道运动模拟演示系统，如图2所示。

该系统分为静止卫星和极轨卫星两类，每类卫星可自行设定和调整运动参数，系统会根据设定的运动参数实时模拟出卫星的运动轨迹。

上述系统目前安装于计算机上，后续也可以开发成手机App，方便学生操作，系统也可得到广泛应用。

该系统可以帮助学生建立起直观、形象的物理概念，提高学生对各运动参数所起作用的理解。

（2）充分利用网络资源。

极轨卫星轨道报释义与应用实验需要前期数据即卫星轨道报，按照实验指导书——《卫星气象学实验实习教程》，教师将前期搜集的历史数据上传，学生可自行下载。

下载的数据为Word编辑的不同卫星的轨道报数据。

虽然这些数据已是终极数据，一目了然，但学生并未掌握这些数据的原始获取渠道，以及该卫星相关的背景资料。

因此，笔者在教学中带领学生登录国内外相关的气象卫星网站，下载原始轨道报数据，如NOAA（美国国家海洋和大气管理局）及风云卫星遥感数据服务网（卫星轨道报数据的下载地址见图3）。

这样不仅可以帮助学生掌握卫星轨道报的获取方式，还可以帮助学生
进一步了解卫星的相关背景资料。

（3
）扩充Excel图表功能。

极轨卫星轨道报释
义与应用实验的核心操作是由学生从轨道报原始数（a）静止卫星仿真（
b）极轨卫星仿真
图2 卫星轨道运动模拟演示系统
图3 卫星轨道报数据的下载地址
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据中提检出卫星运动参数，如卫星名称、参考轨道数、时间、升交点、周期、截距、轨道长半轴、椭率、倾角等，这部分内容在卫星轨道报PART I和PART IV中根据卫星轨道报格式释义（英文）说明可以轻易找到。

更重要的是，从卫星轨道报PART II和PART III中根据卫星轨道报格式释义分别提取出卫星过升交点前、后每2分钟对应的星下点经、纬度和高度的数据，制成Excel表格，进而根据表格分别绘制轨道高度、星下点纬度、星下点经度随时间的变化曲线，以及星下点纬度与星下点经度之间的关系曲线。

利用Excel制表并绘制曲线并不是难事，但为了更加直观地显示出卫星运动时星下点的轨迹，可以进一步扩大Excel功能，如在已建立的星下点经、纬度曲线下添加自行下载的地球投影图作为底图，还可以与模拟卫星轨道仿真系统里的演示效果相互验证，共同帮助学生更直观地理解卫星如何在地球投影图上走过。

4 教学实施及考核
采用上述教学方法进行讲授后，教师可以向学生布置相应的上机作业，由学生独立完成上机操作，教师进行考核评价。

此外，作业需根据教学目标进行综合设置，如独立上网下载教师指定的某极轨卫星轨道报数据，并根据该数据报利用Excel制作卫星过升交点前、后每2分钟对应的星下点经、纬度和高度的数据，并根据表格分别绘制轨道高度、星下点纬度、星下点经度随时间的变化曲线，以及星下点纬度与星下点经度之间的关系曲线。

这样前后环节环环相扣，任一环节出错都会影响后续任务，以便全面考查学生对教学内容的理论理解程度及实际操作的熟练程度。

教师根据实际操作过程设置相应的分值，对学生提交的表格曲线进行评分。

最后，教师要求学生在卫星轨道运动模拟演示系统中设置作业涉及的卫星运动参数，对自己完成的作业结果进行验证。

实践表明，采用上述教学方法相较于传统教学方法而言，确实有助于提高学生对多项卫星运动参数的理解及操作常规办公软件的熟练程度。

如在学生提交的49份作业中，除了个别表格出现数值摘抄错误、坐标设置不够细致、布局不够合理美观等问题，学生基本都完成了列表及绘图任务，平均成绩达到良好（80分以上）。

可以看出，学生通过课程的学习，已能较好地掌握相关的理论知识，并熟练掌握在Excel中绘制任意两列或多列数据的曲线及其坐标设置等高级操作。

5 结语
极轨卫星轨道报释义与应用作为“卫星气象学”课程实验中非常重要的内容，可为后续内容的学习奠定基础。

笔者先后阐述了“卫星气象学”课程内容的特点、教学目标，从开发模拟演示系统、充分利用网络资源、扩充Excel功能3个方面详细介绍了适用于极轨卫星轨道报释义与应用的教学方法，为从事相关教学、科学研究的教师提供了一定借鉴。

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