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尔顏

A题：GPS定位问题
$ w9 s& G4 ?  dGPS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。
  
/ c0 y! H) Y5 f1 r% Z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。
9 j6 B& [2 g0 [! rGPS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。
/ ?; B! K4 O3 H1 v9 Q7 {+ B. o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
0 `! E" e( u% c' c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 G' T# n; H$ }& Z表A.1：卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
/ }9 O8 v) w6 o: a+ w1 P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
# D0 F- Q4 R6 f卫星4        －12370        7142        14284
# ~4 Q" k. l# L& b& M9 N- Y4 M
! E$ d. M7 V0 Z& |# c% g$ n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         
6 U+ Y% W' |! B, P, G" u


8 V0 y4 l, ?0 a! ~. h/ m& N% U8 Z
# T; X% R: k) k5 s0 k# q3 p地点1        0.0549354        0.0489226        0.0491307        0.0489244
地点2        0.0549906        0.0490084        0.0491953        0.0490126
8 X/ R& F# l2 m. q+ F' z7 L9 r地点3        0.0552587        0.0493557        0.0494843        0.0493610
; c+ c! S" L# i4 \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。
0 w! E+ _! D  b! G+ p' B9 V2. 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）。
' |0 f1 V! S8 G* D% l( W表A.3：第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
* Y+ Q5 o& F$ O3 u0 F! p! O, H卫星        X坐标        Y坐标        Z坐标
4 z5 d( n, u1 W# K卫星5        －7669                     15723        －10100

; x& @4 r" D% H; u# J表A.4：五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间（单位：秒）
4 C9 [5 s' B' o! e" B地点         


. {1 x0 a9 z3 f* n


; H+ H( [2 V( K9 i4 G地点5        0.0547118        0.0489472        0.0489068        0.0488635        0.0633407
+ V- Q. u9 c: N0 }& Z. @7 t注：地球半径近似为R = 6371 公里；光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。
7 U9 r( D9 M9 s! I（注：2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛）
3 ]% ^+ m# B3 K1 R9 J