# 问题一：有界测向误差下定位区域的直径与圆覆盖 ## 摘要 针对同一干扰源在多个检测点处的带误差方位观测，建立前向角域交集模型，将定位区域表示为二维线性不等式组的可行域。首先推导角域的半平面表达，给出兼顾空集、点、线段和无界区域的几何构造算法；随后证明，有界定位区域的直径必由一对顶点取得，且判断是否存在直径等于区域直径的覆盖圆，只需检验任意一组最远顶点的中点。通过符合题设测向条件的等边三角形反例，说明直径圆一般不能覆盖定位区域。进一步以最小包围圆连接定位精度和后续清除条件，并给出算法复杂度、数值处理原则及既有演练观测的复算结果。全部结论以有界误差模型为前提，不引入误差独立、正态或均匀分布假设。 **关键词：** 交会定位；有界误差；半平面交；凸多边形直径；最小包围圆。 ## 1. 问题界定与思路来源 题目要求由若干检测点坐标及同一干扰源的示向度，求交会定位多边形的直径，并判断以该直径为直径的圆能否覆盖定位区域。题面规定测向误差在 $[-1^\circ,1^\circ]$ 内，同一地点重复测量的误差不变；示向度从正东沿逆时针方向计量。[题面第1页、附录2第(1)、(3)项](C:/Users/HelixCopex/code/MATH/issue/B题.pdf) 由此得到三步建模思路。第一，单次观测不能确定一条精确射线，却可以确定一个包含真实方向的角域，因此采用集合相交而非直线最小二乘。第二，角域可以写成半平面交，问题随之转化为凸几何问题。第三，“两点最远距离”和“覆盖全部位置所需半径”是不同的优化量，应分别计算直径和最小包围圆。 半平面、凸组合和凸集交运算属于标准凸分析工具，其背景见 Boyd 与 Vandenberghe 的《Convex Optimization》第2章；本文针对测向模型给出独立推导，不将一般理论本身视为新的研究贡献。[文献2](https://web.stanford.edu/~boyd/cvxbook/bv_cvxbook.pdf) 本文严格区分两个集合：问题一的 $P$ 仅表示测向角域之交；第二问及在线搜索中的 $K$ 可进一步结合源位置圆域和接收距离先验。向 $P$ 加入圆盘后，边界可能出现圆弧，不能继续把它当成原问题中的纯多边形。 ## 2. 符号及基本假设 | 符号 | 含义 | | --- | --- | | $s_i=(s_{ix},s_{iy})$ | 第 $i$ 个检测点，坐标单位为米 | | $\theta_i$ | 第 $i$ 次有效示向度 | | $\delta_i$ | 误差半角，题设取 $1^\circ$ | | $g=(x,y)$ | 未知干扰源位置 | | $W_i$ | 第 $i$ 次测向对应的闭前向角域 | | $P$ | 所有角域的交集 | | $V=\{v_1,\ldots,v_m\}$ | 非空有界 $P$ 的顶点集 | | $D(P)$ | 区域内任意两点距离的上确界 | | $B(c,r)$ | 中心为 $c$、半径为 $r$ 的闭圆盘 | | $\rho(P)$ | 覆盖 $P$ 的最小圆盘半径 | 假设各次有效示向度对应同一频道的同一个静止源。仅把 `direction` 观测代入角域模型，不能给 `near` 或 `no_signal` 人为赋予角度。理论推导允许 $0\le\delta_i<90^\circ$，用于讨论退化情况，题目主模型始终采用 $\delta_i=1^\circ$。 程序可额外计入两位小数舍入对应的 $0.005^\circ$ 裕量，但必须显式声明。题设的 $1^\circ$ 误差界与实现中的浮点容差是两个概念，均不能在结果解释时省略。 ## 3. 由角域推导半平面约束 定义方向向量 $u(\alpha)=(\cos\alpha,\sin\alpha)$，二维叉积为 $[a,b]=a_xb_y-a_yb_x$。三角函数计算前将角度换成弧度。 令 $u_i^-=u(\theta_i-\delta_i)$、$u_i^+=u(\theta_i+\delta_i)$。当 $0<\delta_i<90^\circ$ 时，真实位置位于两条边界射线之间，等价于 $[u_i^-,g-s_i]\ge0$ 和 $[u_i^+,g-s_i]\le0$。第一条要求 $g-s_i$ 在下边界的左侧，第二条要求其在上边界的右侧。 将第一条展开，得到 $\sin(\theta_i-\delta_i)x-\cos(\theta_i-\delta_i)y\le\sin(\theta_i-\delta_i)s_{ix}-\cos(\theta_i-\delta_i)s_{iy}$。 将第二条展开，得到 $-\sin(\theta_i+\delta_i)x+\cos(\theta_i+\delta_i)y\le-\sin(\theta_i+\delta_i)s_{ix}+\cos(\theta_i+\delta_i)s_{iy}$。 同时保留前向约束 $u(\theta_i)\cdot(g-s_i)\ge0$。该约束在正半角情形下冗余，但当 $\delta_i=0$ 时，前两条只限定一条直线，加入它才得到正确的射线。角域顶点本身也包含在闭集合内，这是保守几何处理，并不表示该点仍能获得示向度。 因此，$P=\bigcap_{i=1}^{n}W_i=\{g:Ag\le b\}$。采用向量不等式后，$359^\circ$ 与 $0^\circ$ 跨界无需分段比较角度。每个 $W_i$ 是闭凸集，故 $P$ 也是闭凸集；它可能为空、为单点、为线段、为有界凸多边形，也可能无界。 ## 4. 定位区域的构造与分类 ### 4.1 边界交点与可行性 把约束统一写成 $a_jx+b_jy\le c_j$。两条边界的行列式为 $\Delta_{jk}=a_jb_k-a_kb_j$。当 $\Delta_{jk}\ne0$ 时，交点坐标为 $x=(c_jb_k-c_kb_j)/\Delta_{jk}$、$y=(a_jc_k-a_kc_j)/\Delta_{jk}$。保留满足全部约束的交点，再去重并构造凸包。 **命题1：** 至少有一次观测时，非空的角域交集一定存在极点，因此可通过可行边界交点枚举判空。 **证明：** 取第一个角域的轴向量 $u_1$，其中任意 $g$ 满足 $u_1\cdot(g-s_1)\ge\cos\delta_1\,\lVert g-s_1\rVert$，且 $\cos\delta_1>0$。在非空 $P$ 上最小化线性函数 $u_1\cdot(g-s_1)$；以任一可行点的函数值截取下水平集，得到非空紧集，故最小值能够取得。最小化点集位于一条支撑直线上，且有界，所以为点或线段。取该点或线段端点即得到 $P$ 的极点。二维线性约束的极点至少有两条法向量线性无关的有效边界，否则沿所有有效边界的公共切向可作双向小扰动，与极点定义矛盾。因此极点包含在上述交点枚举中。证毕。 无观测时，$P=\mathbb R^2$，应直接判为无界，不能用“没有交点”判断为空集。 ### 4.2 无界性判定 对非空 $P$ 定义衰退锥 $\mathcal R=\{d:Ad\le0\}$。若存在 $d\ne0$，则任意 $g_0\in P$ 与 $t\ge0$ 都满足 $g_0+td\in P$，所以 $P$ 无界。 反之，若 $P$ 无界，可取 $g_k\in P$ 使 $\lVert g_k-g_0\rVert\to\infty$。单位向量 $(g_k-g_0)/\lVert g_k-g_0\rVert$ 存在收敛子列，极限 $d$ 满足 $\lVert d\rVert=1$。将 $Ag_k\le b$ 减去 $Ag_0$，再除以距离并取极限，得到 $Ad\le0$。因此 $P$ 有界当且仅当 $\mathcal R=\{0\}$。 本模型的衰退锥被一个小于 $180^\circ$ 的闭角域约束，若包含非零向量，必含一条极射线，该射线平行于某条有效约束边界。故只需检查每个法向量 $(a_j,b_j)$ 的两个切向方向 $(b_j,-a_j)$、$(-b_j,a_j)$ 是否满足所有齐次不等式。 ### 4.3 分类约定 可行交点为空时返回空集；存在非零衰退方向时返回无界。否则求可行交点的凸包，按顶点数和仿射维数区分单点、线段和二维多边形。空集的直径在本文约定为未定义；无界集合的直径为 $+\infty$。程序使用空值及单独的无穷标志表示二者，避免写入非标准 JSON 数值。 显示窗口只用于绘图裁剪。任意大矩形都不能取代衰退锥判定，更不能把截断图形的直径称为原无界区域的直径。 ## 5. 直径的顶点定理 **定理1：** 若 $P=\operatorname{conv}(V)$ 非空且有界，则 $D(P)=\max_{i,j}\lVert v_i-v_j\rVert$。 **证明：** 任取 $x,y\in P$，可写成 $x=\sum_i\lambda_i v_i$、$y=\sum_j\mu_jv_j$，其中权重非负且分别求和为1。于是 $x-y=\sum_{i,j}\lambda_i\mu_j(v_i-v_j)$。由三角不等式，$\lVert x-y\rVert\le\sum_{i,j}\lambda_i\mu_j\lVert v_i-v_j\rVert\le\max_{i,j}\lVert v_i-v_j\rVert$。最远顶点对又属于 $P$，上界可以达到，结论成立。证毕。 因此，小规模问题中直接枚举所有顶点对即可，计算复杂度为 $O(m^2)$。单点的直径为0，线段的直径为端点距离。这里的直接枚举不是近似算法；其缺点仅在于大规模时计算量较高。 ## 6. 直径圆覆盖的充要条件 **定理2：** 取任意一组最远顶点 $a,b$，令 $D=\lVert a-b\rVert$、$o=(a+b)/2$。存在直径为 $D$ 的覆盖圆，当且仅当所有顶点均满足 $\lVert v_i-o\rVert\le D/2$。 **证明：** 若半径为 $D/2$、中心为 $z$ 的圆同时包含 $a,b$，则 $D\le\lVert a-z\rVert+\lVert z-b\rVert\le D$。两个不等式必须同时取等号，所以 $z$ 在两点连线上，且到两点距离相等，只能是中点 $o$。当 $D=0$ 时结论直接成立。另一方面，圆盘是凸集，包含全部顶点等价于包含它们的凸包。因此只需在这个唯一可能的圆心处检查全部顶点。证毕。 该定理不仅回答“以某条直径线段为直径的圆是否覆盖”，也回答“能否移动一个同样大小的圆使其覆盖”。若检查失败，移动圆心或更换最远顶点对均不能解决。 定义最大超出量 $E=\max_i\lVert v_i-o\rVert-D/2$。在精确算术下，$E=0$ 表示覆盖成立，$E>0$ 表示失败；不会出现严格负值，因为最远点对就在圆周上。取达到最大值的顶点，即得到一份可以独立复核的覆盖失败证据。 ## 7. 符合测向条件的反例 取误差半角均为 $1^\circ$，三个检测点及读数如下。 | 检测点 | 坐标（米） | 示向度 | | --- | --- | --- | | $s_1$ | $(-1000,0)$ | $1^\circ$ | | $s_2$ | $(540,-500\sqrt3)$ | $121^\circ$ | | $s_3$ | $(520,520\sqrt3)$ | $241^\circ$ | 每个角域的下边界方向分别为 $0^\circ,120^\circ,240^\circ$。对应的三个左半平面是 $y\ge0$、$\sqrt3x+y\le40\sqrt3$、$y\le\sqrt3x$，交集为顶点 $A=(0,0)$、$B=(40,0)$、$C=(20,20\sqrt3)$ 的等边三角形。 还需验证每个角域的另一条边不会切去这个三角形。以 $s_1$ 为例，到三个顶点的方向分别为 $0^\circ,0^\circ,\arctan(20\sqrt3/1020)$，最后一项约为 $1.945^\circ<2^\circ$，均在 $[0^\circ,2^\circ]$ 内。其余两站由绕三角形中心旋转 $120^\circ$ 的对称性成立。因此三个完整前向角域之交恰为上述三角形。 将真实源取为三角形中心 $g_*=(20,20\sqrt3/3)$。以第一站为例，真实方向约为 $0.649^\circ$，与 $1^\circ$ 的读数偏差小于 $1^\circ$；检测距离约为1020米，小于1500米。另两站同理。该反例符合题设方位误差和可能的有效接收半径。 此时 $D=40$ 米，而以 $AB$ 为直径的圆中心为 $(20,0)$，到 $C$ 的距离为 $20\sqrt3>20$ 米，不能覆盖。三角形外接圆即最小包围圆，其中心为 $(20,20\sqrt3/3)$，半径为 $40/\sqrt3\approx23.094011$ 米。这也证明了“直径不超过40米”不足以保证一次清除。 ## 8. 最小包围圆及其清除含义 ### 8.1 存在性、唯一性与支撑点 定义 $f(z)=\max_{v\in V}\lVert v-z\rVert$，则 $\rho(P)=\min_z f(z)$。由于 $V$ 有限，$f$ 连续且随 $\lVert z\rVert\to\infty$ 而趋于无穷，最小值存在。 若两个不同中心 $c_1,c_2$ 都以半径 $r$ 覆盖 $V$，中点 $c$ 对每个顶点满足 $\lVert v-c\rVert^2=(\lVert v-c_1\rVert^2+\lVert v-c_2\rVert^2)/2-\lVert c_1-c_2\rVert^2/4