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A题:GPS定位问题
$ p2 e1 N4 a' D! q3 uGPS是英文 Global Positioning System 的缩写,即全球定位系统。GPS 的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星,3颗备用卫星),它位于距地表20200公里的上空均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星。图A.1给出GPS卫星的示意图。$ h2 u$ ^* p2 U( d0 ~+ W# C
6 _/ t* [& L+ Q4 _* \ @ j( @
图A.1:GPS卫星的图片 图A.2:车载型GPS信号接收机. e& w$ b6 w( [ W0 {
GPS的用户设备部分是GPS信号接收机,它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作,图A.2为一款GPS信号接收机。( j: w/ s6 E4 G! r9 ?0 L2 h
GPS信号接收机能收到GPS卫星发来的信息,信息由GPS卫星所在的空间位置和GPS信号到达地面接收机的时间组成。卫星所在的空间位置由卫星的轨道参数确定,为简化问题,这里假定它是准确值。GPS信号到达接收机的时间是由卫星上的时钟(铯原子钟)和地面接收机上的时钟(低成本钟)决定,所以有误差。由GPS卫星上的原子钟与地面GPS标准时间之间的误差称为钟差,钟差是未知的。
! P7 ? ]# z- a* x3 Q4 U* _2 D设 为第 颗卫星在地心空间直角坐标系上的坐标, 为GPS信号到达接收机的时间。所谓地心空间直角坐标系就是将坐标系的原点O与地球质心重合,Z轴指向地球北极,X轴指向经度原点E,Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系,如图A.3所示。 图A.3:地心空间直角坐标系
% i& W5 d: T- g7 m表A.1给出了4颗卫星在空间中的位置,表A.2给出这4颗卫星的GPS信号到达四个地点处GPS接收机的时间。; _+ l# x/ t7 E% n
表A.1:卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)0 A" P( o S. R4 a; C7 `
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标- L- R: ]# V1 O: h
卫星1 8747 15150 10100( i5 K3 u! f; g
卫星2 -9756 16898 52285 }8 K+ V- D1 ]! B# H+ a
卫星3 0 10100 174940 \1 M" H2 A3 a I" [+ ]
卫星4 -12370 7142 142845 x. H3 R* O! g
D* i9 Z) G+ _; P7 e# @) W; I表A.2:四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间(单位:秒)* U1 m: j0 [$ S# C- M. ?
地点 8 U8 R# K0 m7 e3 \# z
0 n9 N" k9 x, M& ~, Y2 k
0 ^( M6 f# T$ N' u0 a' {) B
) ]& c7 K+ P# X0 H/ X2 r- t2 m$ n9 r4 w2 ^
地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244" A0 e$ x* I; D7 s& o- e; o
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126) P. Q9 G. ]5 t. D1 V1 p
地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.0493610
: p; G0 i) N5 i, K5 D地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496! I/ ^0 A! E* E6 W* |
你所要完成的问题如下: E. F" i2 W8 P0 a& k' o
1. 建立相应的数学模型,确定出上述四个地点的经度与纬度,并在地图上标明它们所在的位置。
( Z) v$ g! `( Y6 V3 n% \2. 在通常的情况下,地面的GPS接收机能收到5—8颗卫星的信号,对于多于4颗卫星的情况,你将如何修改你的数学模型,使得定位更准确?表A.3给出第5颗卫星的位置,表A.4给出5颗卫星的GPS信号到地点5的时间。请用你提出的方法计算出地点5的位置(经度、纬度,并在地图上标出)。5 p9 s' F. J8 M0 X2 ^
表A.3:第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)
+ u1 m8 p! H1 n7 c卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标9 W5 ?' q4 W8 N3 L" w
卫星5 -7669 15723 -10100" q7 c' ? c, x7 F2 u3 c# f
8 l# C# R- {& ^3 Z0 I) U
表A.4:五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间(单位:秒)' S" `& a& B, |4 ~ _
地点 1 n) t# S& `: k; j' v
7 {6 Q! e( c- w% i
" m! L2 ~- O" j, T
$ i& N3 R6 ?5 {. S; t% }
# L0 f0 m' t! K, e+ O, ~" Z3 ^# V; f, a& ~8 D6 M+ E# x: f
地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.06334076 x; B9 ~8 r& ~' P, [
注:地球半径近似为R = 6371 公里;光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。: a/ Z% [& B$ U8 i1 U
(注:2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛)% t! V- F6 Z+ Z" O% w
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