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A题:GPS定位问题' R0 m5 Q7 q/ t/ D8 H. c
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。
' z. q& Y( o6 @) r
; c$ W1 f7 Y6 w1 e图A.1:GPS卫星的图片 图A.2:车载型GPS信号接收机" B* h9 q7 Q1 m) O
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。
- r; L3 ^. I6 P1 @2 {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。6 y& F8 X- k! a4 A' ]6 z- l
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" d8 y0 a+ e* U; l$ u% k1 L% x$ S
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。4 Y4 C" ~# s2 R, B5 I5 n+ v. g2 s
表A.1:卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)
. E2 x. R% | W卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标
' }8 M% r9 }3 F. ~4 k卫星1 8747 15150 101002 v0 H1 S9 j# v( ?/ u
卫星2 -9756 16898 5228* I2 T) |4 _0 h
卫星3 0 10100 174944 s, H6 v! f- D
卫星4 -12370 7142 14284 N% w% ^4 x8 w# L
: X2 t' [+ v9 @: j- b0 x表A.2:四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间(单位:秒)/ o0 r5 t$ b2 x2 i" Q
地点 ; g+ \; O3 u7 s
G) {, g" S3 _' \( a, M* }3 B; F
& o6 S( @+ z- {1 [' X0 M$ X% ]7 v
+ P* u( n7 Y+ F1 b6 q# A& j# f9 w( U
地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244; \9 x/ v: S4 {' E" Z$ ~
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126& |- \9 T( J5 e! u/ G
地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.0493610
! e% ^% S5 m5 d; C( U地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496
4 R2 d7 u* C. R" F0 S你所要完成的问题如下:
3 o& M7 Z0 W- C2 E) S7 E1 f! [5 r1. 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。/ J0 P& v& a: |0 @
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)。! A9 Q5 ]- m2 P& l5 p3 t) P2 T- V
表A.3:第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)4 c9 j, d+ x3 |) l6 s# r2 L
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标
6 G# X: m1 L3 a E" ~) k卫星5 -7669 15723 -10100% a" i3 c0 `1 k4 X4 }9 ^1 H
# E! ~4 G* k( I( n表A.4:五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间(单位:秒)0 D* d" M+ G' U
地点
6 _8 o* w4 F* O& y ) f y3 r4 s" S1 n1 ^! ]9 }4 m: ~, m
! X% e$ N) c1 L8 Z1 K! J
0 C2 Q& d- `$ S- e
+ t2 L% f# S# S" b/ V8 S( s/ R$ P) c$ m" y
地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.0633407! L- [8 V: u" W' F3 R, @/ V! T
注:地球半径近似为R = 6371 公里;光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。( @' s/ Y& ?/ n2 w0 M1 s! S$ P- |
(注:2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛)8 o i( r8 y! L; T% P
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