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尔顏        

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    [LV.2]偶尔看看I

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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
    - 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
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