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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
    & 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
    zan
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