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A题:GPS定位问题
& C* l/ ^7 ]5 EGPS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; m+ A) U* s: i- L/ K4 }$ E * v& {( q% n8 t0 c, s2 r4 J: }
图A.1:GPS卫星的图片 图A.2:车载型GPS信号接收机
2 y. d' c1 S' O) j% r; j% UGPS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。
0 `5 j; Q9 |6 {. y9 A+ O: X6 f& hGPS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。
% ]2 f U* Q9 |9 m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
$ _* F/ w3 h& Z+ k; \ }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。
- ]$ b2 ^/ i* ^4 N$ ~" m表A.1:卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)- l' N3 O4 R# l2 d u* Z5 p1 z
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标( }; X1 S" y# Q
卫星1 8747 15150 10100
9 Z V3 x6 c" X* L" C+ H/ F卫星2 -9756 16898 5228
& ~# @% t( ^- Y卫星3 0 10100 17494 y2 x1 @* m* ^/ ~* X$ s7 R
卫星4 -12370 7142 14284
' x3 Z I' r) ]; l8 l8 [. R5 {# d$ e
表A.2:四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间(单位:秒)3 ^+ q: ]/ f6 w7 Y
地点
h# _# e: p3 j) R% z
q+ R/ L! ~) z9 F ; E1 s. F" _# W. m0 V
, V# [- P% A, `- i- Z% R
; o. c8 u/ ? v! x. V2 w# N! x5 U地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244+ F7 e5 g7 T4 x2 o5 i
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126
; Q) B c5 g+ N) e! ~4 Q# [地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.0493610
6 X/ N# E) I) {地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496
) p( U ?0 {1 d7 g你所要完成的问题如下:% ?3 m8 J% Q' r* F2 u" N' D) @
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。
6 b" n# D3 C" w2. 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)。
9 P9 R0 B: V" k1 T; c# A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% H$ `) A ]$ J卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标( ]+ i5 ?/ C% \
卫星5 -7669 15723 -10100
! @8 T, M y( s, I' \: Y5 g- R$ S) V; p: `- V" a! f6 k, J
表A.4:五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间(单位:秒)
6 u. P: D/ q# |8 z# e* z地点 : x8 Q' z5 z4 [. C, s' N6 ~
3 x! x& |& G% \ 5 a2 R& Q0 J/ ] `/ V- b k
6 x4 f/ i% t6 m% |
' `1 d& V6 j" S" F" ]
% n0 f0 z5 H+ t: F% p! S. ]地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.06334076 E9 t7 T0 ]# I
注:地球半径近似为R = 6371 公里;光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。" h" D" u4 n( u4 Y- U
(注:2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛)
" R- v3 o- x% g, q' N: w |
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