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尔顏

A题：GPS定位问题
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。
  
! a# }# }7 D5 i2 G& f图A.1：GPS卫星的图片         图A.2：车载型GPS信号接收机
* D- a& D" e3 P6 ~+ IGPS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。
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。
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
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。
表A.1：卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
% b6 R, M  R- G8 ~. S6 H8 C. k0 u卫星        X坐标        Y坐标        Z坐标
8 B; k/ g- O+ H& @卫星1        8747        15150        10100
* \  q6 a  R& @+ E$ w5 Y9 w1 ?卫星2        －9756        16898        5228
卫星3        0        10100        17494
卫星4        －12370        7142        14284

表A.2：四颗卫星的GPS信号到达四个地点的时间（单位：秒）
. S. z& ]3 v5 t6 X1 b地点         


+ {0 y8 ]1 E' k+ @. C% E

地点1        0.0549354        0.0489226        0.0491307        0.0489244
地点2        0.0549906        0.0490084        0.0491953        0.0490126
: l( k* x+ ?9 }" Y8 T地点3        0.0552587        0.0493557        0.0494843        0.0493610
地点4        0.0551766        0.0493397        0.0493486        0.0492496
% k: r; X. i5 B你所要完成的问题如下：
1 G% k2 @5 [! h0 R$ E: i1. 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。
: l* o" g& e- D+ w8 E! E2. 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）。
表A.3：第5颗卫星在地心直角坐标系中的位置（单位：公里）
3 _# s$ C& L* W. w2 w% p" l4 c卫星        X坐标        Y坐标        Z坐标
% z4 E" V" R0 I$ `5 z& o卫星5        －7669                     15723        －10100

+ s0 J/ ?' y, A7 ?% ~9 t7 F* {; [  |表A.4：五颗卫星的GPS信号到达地点5的时间（单位：秒）
8 X8 J8 }3 W. W) A8 X地点         

$ m/ D$ W6 K  J/ J, d# O" P8 t
5 @- a5 Z! s0 @6 c
! x, [- a, P1 q" J! }

  O4 B. p1 D$ V' q& E" x* s* D3 Y地点5        0.0547118        0.0489472        0.0489068        0.0488635        0.0633407
注：地球半径近似为R = 6371 公里；光速为c = 299 792.458 公里 / 秒。
（注：2012年北京工业大学“太和顾问杯”数学建模竞赛初赛）
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