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A题:GPS定位问题
9 L) y c$ s$ Y V/ \: fGPS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。& C+ M0 e3 _! Q, b8 }- Q
, K( F" |" _- Z( O0 }4 M g3 a% U
图A.1:GPS卫星的图片 图A.2:车载型GPS信号接收机( z7 C# `- _5 x) y
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。
) J- J0 y. X- I+ v" D: s3 uGPS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。
& g; `3 f0 u# N0 K6 n6 P7 A/ X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 _7 _5 S9 q' }/ Z8 G* L5 f7 o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。* l! b8 O6 K+ {% x4 h0 D
表A.1:卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里); |0 m6 }" D8 v& f1 P$ M! P8 ^
卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标, v0 Q" k1 ?- y, P, b. e0 U1 N/ N8 {6 X
卫星1 8747 15150 10100
8 Y' \$ r; a h) `. f卫星2 -9756 16898 5228. z- I6 r& f; c
卫星3 0 10100 17494! Z! N1 u+ x! U3 C) x
卫星4 -12370 7142 142840 b2 H8 }0 g2 c0 u2 j# H
& L8 J( I( C* ~
表A.2:四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间(单位:秒)
. B4 m/ Y i% G" a$ B2 s地点 " W- w# ^( H* D# ~
r, k( x4 K5 d7 D1 r
' R" @9 \1 G+ N! E
" \# m' N# w8 r7 V8 Y' ]$ P4 @+ W! T! T/ a; h+ E& ~& |, w
地点1 0.0549354 0.0489226 0.0491307 0.0489244# d& i, z+ `5 j8 @, ?9 a0 |
地点2 0.0549906 0.0490084 0.0491953 0.0490126: C0 P! Q$ n8 m$ r' V9 S: l
地点3 0.0552587 0.0493557 0.0494843 0.0493610
8 i' K' W0 h( |' Y1 P( V7 C1 Z+ n* v地点4 0.0551766 0.0493397 0.0493486 0.0492496# ~& T% m5 o' g. y- r7 ?8 A. L5 a& z
你所要完成的问题如下:8 \, T! n, R4 J( h9 ~1 b ? y
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 s( }$ y: @# o+ g2. 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 [0 |" i& d" k表A.3:第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置(单位:公里)
: v1 |! g5 b2 h# V卫星 X坐标 Y坐标 Z坐标9 \6 q/ Z# X- E7 ^7 K
卫星5 -7669 15723 -10100
1 {' g7 x$ W8 I' B+ J E4 @( _
. F8 m! `) x, g6 ?6 O表A.4:五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间(单位:秒); C ~ U( j' l) y# z
地点 # N; ~& s3 |, H/ Y- h* A
% B6 F# U7 b6 v- o ! P7 s7 j. x# v7 u( P5 r
6 i( V" t, D( y: i* J4 d & U) p. g/ z/ L
- s; ]0 B; x& R, d- j3 m* g: {地点5 0.0547118 0.0489472 0.0489068 0.0488635 0.0633407- Q; w& g: ?$ L. @5 @
注:地球半径近似为R = 6371 公里;光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。" r" D1 g5 Q( ~( w- k
(注:2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛)$ M( _" G" t0 |& f
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