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尔顏

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发表于 2012-8-22 20:27 |只看该作者 |倒序浏览

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A题：GPS定位问题
GPS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。

图A.1：GPS卫星的图片       图A.2：车载型GPS信号接收机
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。
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。
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
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。
表A.1：卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标
卫星1 8747 15150 10100
卫星2 －9756 16898 5228
卫星3 0 10100 17494
卫星4 －12370 7142 14284

表A.2：四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间（单位：秒）
地点

地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126
地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.0493610
地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496
你所要完成的问题如下：
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。
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）。
表A.3：第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标
卫星5 －7669          15723 －10100

表A.4：五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间（单位：秒）
地点

地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.0633407
注：地球半径近似为R = 6371 公里；光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。
（注：2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛）

zan