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A题:GPS定位问题
- S% V, e# s5 B6 a" ^$ [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。( X* O" T0 b" A
5 y/ Y* M$ O2 K7 S6 `
图A.1:GPS卫星的图片 图A.2:车载型GPS信号接收机# A T5 m! F/ _/ W& r( ]4 H# d& b
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。9 H) p4 o* q+ Y6 q+ B, n4 `
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。
5 U, O* V/ h* P+ j: {8 e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
6 J$ m6 J! D9 T; P. Z" A, s1 ?4 \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。
' w! u# A0 I1 M表A.1:卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)1 e) s" h7 R& P9 }% ~' i) R3 l$ |
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标; d. N' A. \; A/ k& R, d
卫星1 8747 15150 10100
/ U! N" n: Q- C& D& e7 w7 O- n1 q卫星2 -9756 16898 5228# s; U2 b [8 Y: x
卫星3 0 10100 17494
) v; @+ L1 s, I8 ?卫星4 -12370 7142 14284
. ]' u/ K- K% R4 W1 [
) Q. }! m3 {0 ^8 m( B1 u1 f表A.2:四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间(单位:秒)/ e: l5 Y4 S& ?
地点 & H( h7 f) S4 i9 ]( P0 T
+ J& E: l8 `+ a3 f& Z C
( D) p$ ]# s% v- g
1 \, j- p: X1 [# }1 g" K/ a7 ^2 B _# S8 ~8 |+ i7 q7 a
地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244, l' l) @0 H) `' `2 F) ^0 c5 F
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126# m& b" |6 j s1 A8 p e
地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.04936102 r! f& {" j/ V4 l
地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496# c& ^1 P; W! o. d# l/ b
你所要完成的问题如下:' s6 H- A# y2 r; f2 z" B1 F
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 w1 ]8 l1 f: ]6 N2. 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)。; C. b8 Q+ [, S/ f+ a" ^+ ]! V( {# Z
表A.3:第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)
a) M9 [6 S' C8 G5 o9 P卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标
$ c, d; n6 j6 d5 g5 H$ z% S! O卫星5 -7669 15723 -10100+ q) G! S# j+ G; e$ R0 B% c% L
$ @1 h7 X+ f) Q. ]& I% Y. q
表A.4:五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间(单位:秒)% ]; b, I1 E7 B
地点 5 h1 l" f+ E/ h7 } \# ^$ A& N
: q* O$ p1 @1 C4 K
# |" J6 a! B' X9 G2 H7 u8 W
2 f# E! M* E' x, x& L
/ Z1 E. I2 J' M! I0 d1 `
/ l5 r( e( F$ Z: m6 u( U
地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.0633407
( v+ Z. K5 W* }% }/ }; Q+ o9 x注:地球半径近似为R = 6371 公里;光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。
( b B4 b+ c2 P3 z(注:2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛)
. ]* Y% }1 f* l1 {# u q |
zan
|