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\section{问题一:有界误差交会定位与覆盖圆}\aigcA
\subsection{从示向度到前向角域的半平面模型}
交会定位的第一个困难在于,带误差的示向度只限制方向而不唯一确定位置。
由题设可知,示向度误差不超过 $\pm1^\circ$,故给定检测点 $s_i=(s_{ix},s_{iy})$ 与读数 $\theta_i$ 后,
真实方位必然落在 $[\theta_i-\delta,\theta_i+\delta]$ 内。据此,
真实位置属于以前向方向 $u(\theta_i)$ 为中轴的角域
\begin{equation}
W_i=\left\{g:
\begin{aligned}\relax
[u(\theta_i-\delta),g-s_i]&\ge0,\\
[u(\theta_i+\delta),g-s_i]&\le0,\\
u(\theta_i)\cdot(g-s_i)&\ge0
\end{aligned}\right\}.
\label{eq:wedge}
\end{equation}
三条不等式的意义并不相同。前两条把位置限制在左右边界之间,
第三条显式保留"只在前方"这一方向性,
从而使零误差的退化情形对应一条射线而不是整条直线。
为便于统一求解,将其改写为 $a x+b y\le c$ 的形式,法向依次为
\begin{equation}
\begin{aligned}
&(\sin(\theta_i-\delta),-\cos(\theta_i-\delta)),\\
&(-\sin(\theta_i+\delta),\cos(\theta_i+\delta)),\\
&(-\cos\theta_i,-\sin\theta_i),
\end{aligned}
\end{equation}
右端为相应法向与 $s_i$ 的内积。采用正弦、余弦表示还有一个工程上的好处:
$0^\circ$ 与 $360^\circ$ 的跨界无需特判即可自动处理。
由于所有角域都是凸的半平面交,多个测点的信息可以直接合并。
问题一的多边形定位区域因此定义为
\begin{equation}
P=\bigcap_{i=1}^{n}W_i=\{g:Ag\le b\}.
\label{eq:q1set}
\end{equation}
式~\eqref{eq:q1set} 根据各次测向角域确定问题一的定位区域;
后续问题将在此基础上加入圆域 $\Omega$ 与接收距离约束。
值得先说明的是,半平面交是闭凸集,可能为空集、单点、线段、有界多边形或无界集,
这些情形必须分别处理,否则"直径"与"覆盖圆"都没有定义。
\subsection{区域构造、空集及无界情形}
要求解式~\eqref{eq:q1set},只需枚举约束边界之间的交点再筛除不可行者。
令约束数 $k=3n$,对任意两条不平行边界
$a x+b y=c$、$d x+e y=f$,候选交点为
\begin{equation}
x=\frac{ce-bf}{ae-bd},\qquad y=\frac{af-cd}{ae-bd}.
\end{equation}
仅保留满足全部不等式的交点,再经去重和单调链凸包构造即得顶点集合。
数值上,实现先平移与缩放坐标,以降低千米尺度坐标带来的误差;
同时保留近平行边界的求交,因为其远端交点可能决定细长区域的直径。
顶点集确定之后,还需判断区域是否无界。为此对非空集合定义衰退锥
\begin{equation}
\mathcal R=\{d:Ad\le0\}.
\end{equation}
若 $\mathcal R$ 含非零向量,则 $g+td\in P$ 对所有 $t\ge0$ 成立,
区域无界、直径为 $+\infty$。二维多面锥只需检查约束边界的两个切向
$(b,-a)$ 与 $(-b,a)$ 是否满足全部齐次不等式。
由于本题至少一个前向窄角域会排除直线性,非空交集必存在极点,
故在该输入族中不存在可行边界交点却判为空集的情况;无观测输入单独返回整个平面,
不按空集处理。
有界非空区域中,一个顶点对应单点,两个顶点对应线段,其余为凸多边形。
空集没有本文定义的有效直径与覆盖圆,程序以显式状态报告观测不相容,
便于检查频道、误差界或输入数据。
\subsection{直径与直径圆的判定}
题目要求计算定位区域直径,并判断以该直径为直径的圆能否覆盖整个区域。
对前者,可以证明无需在区域内部搜索。
\begin{proposition}[顶点直径]
设 $P=\operatorname{conv}\{v_1,\ldots,v_m\}$ 非空有界,则
\begin{equation}
D(P)=\max_{i,j}\norm{v_i-v_j}.
\label{eq:diameter}
\end{equation}
\end{proposition}
\begin{proof}
任意 $x,y\in P$ 可表示为凸组合
$x=\sum_i\lambda_i v_i$、$y=\sum_j\mu_jv_j$。
由于系数非负且各自和为 $1$,
\[
\norm{x-y}
=\left\|\sum_{i,j}\lambda_i\mu_j(v_i-v_j)\right\|
\le\sum_{i,j}\lambda_i\mu_j\norm{v_i-v_j}
\le\max_{i,j}\norm{v_i-v_j}.
\]
最远顶点对本身属于 $P$,故上界可达。
\end{proof}
由命题可知,只需枚举顶点对即可,计算量为 $O(m^2)$。
至于第二个问题,结论比直觉更严格:最远顶点对的中点未必能覆盖整个区域。
\begin{proposition}[直径圆覆盖的充要条件]
取最远顶点对 $a,b$,令 $D=\norm{a-b}$、$o=(a+b)/2$。
存在直径等于 $D$ 的圆盘覆盖 $P$,当且仅当
\begin{equation}
\max_{v\in V(P)}\norm{v-o}\le D/2.
\label{eq:diametercircle}
\end{equation}
\end{proposition}
\begin{proof}
若半径 $D/2$ 的圆盘中心为 $z$ 且包含 $a,b$,则
$D\le\norm{a-z}+\norm{z-b}\le D$。
等号迫使 $z=o$。反之,圆盘为凸集,包含全部顶点即包含它们的凸包。
\end{proof}
证明过程同时说明:圆心被 $a,b$ 唯一确定,因此只需逐一检查其余顶点到该中点的距离。
若条件不成立,输出圆外顶点及超出量 $e=\max_v\norm{v-o}-D/2$,
即得到可独立检查的否定证据。换言之,不能仅以直径端点在圆周上判断整个区域被覆盖。
图~\ref{fig:q1geometry}(a)(b) 给出一组三点交会算例及其实例区域的放大,
(b) 中虚线为直径圆、实线为最小包围圆。
该算例的定位区域由 $\ExOneVertices$ 个顶点确定,直径为 $\ExOneDiameter$ m,
以该直径为直径的圆半径为 $\ExOneRadius$ m,
而最远顶点到圆心的距离超出该圆 $\ExOneExceed$ m,故直径圆并不覆盖定位区域;
其最小包围圆半径为 $\ExOneMec$ m,满足 $20$ m 的清除判据。
这说明直径不超过 $40$ m 与能否清除是两个不同的判据,覆盖判定必须逐顶点检查。
\subsection{反例与可清除半径}
上述差别并非数值巧合,而是几何上的必然。为说明这一点,
构造等边三角形
\begin{equation}
A=(0,0),\qquad B=(40,0),\qquad C=(20,20\sqrt3).
\end{equation}
其直径为 $40$ m。以 $AB$ 为直径的圆心为 $(20,0)$,半径为 $20$ m,
但 $C$ 到圆心的距离为 $20\sqrt3$ m,位于圆外。
其最小包围圆圆心为 $(20,20/\sqrt3)$,半径
$40/\sqrt3\approx23.094$ m,同样大于清除半径。
图~\ref{fig:q1geometry}(c) 展示两类圆的差别。
\begin{figure}[htbp]
\centering
\includegraphics[width=\linewidth]{geo-q1-geometry.png}
\caption{问题一的几何算例。(a) 三点交会:三条浅色示向度的角域边界与它们的交集(定位区域),
观测取自自建模拟器演练局 \texttt{8VRC-ADW4-XDXM-F62L} 的频道 $\ExOneChannel$;
(b) 该定位区域的放大:虚线为直径圆、实线为最小包围圆,
几何量由生产求解器 \texttt{mcm26b.geometry.solve} 现算;
(c) 等边三角形解析反例:虚线直径圆 $r=20$ m 不覆盖顶点 $C$,
实线最小包围圆 $\rho=40/\sqrt3\approx23.094$ m 覆盖全部顶点,该图不是模拟器观测。}
\label{fig:q1geometry}
\end{figure}
该三角形并非人为设定的特例,它可以由题设的 $\pm1^\circ$ 角域构造出来。例如检测点
$(-1000,0)$、$(540,-500\sqrt3)$、$(520,520\sqrt3)$,
对应示向度为 $1^\circ$、$121^\circ$、$241^\circ$。
各角域的一侧边界给出三角形的三条支撑线,另一侧边界包含整个三角形,
故交集恰为上述三角形。
既然覆盖判据不足以保证清除,就需要一个与清除动作直接对应的指标。
为此对一般候选区域定义最小包围圆
\begin{equation}
\rho(P)=\min_{z\in\mathbb R^2}\max_{g\in P}\norm{g-z},\qquad
m\in\arg\min_z\max_{g\in P}\norm{g-z}.
\label{eq:mec}
\end{equation}
其边界由至多三个支撑点确定,可用 Welzl 随机增量算法计算\cite{welzl}。
实现采用固定随机种子及显式栈,并在输出前检查全部顶点的包含关系。
在精确模型中,若 $\rho(P)\le20$,于 $m$ 清除即可覆盖所有可能真源;
考虑浮点计算后采用 $\rho(P)+\eta_{\mathrm{num}}\le20$ 的充分判据。
由此可见,$D(P)\le40$ 只是必要条件,并非充分条件。
\subsection{算法一与复杂度}
将上述判定串成流程,即得问题一的求解算法。
\begin{algorithm}[htbp]
\caption{有界测向角域交会与覆盖圆判定}
\label{alg:q1}
\begin{algorithmic}[1]
\Require 同一频道的检测点、示向度和误差半角
\Ensure 区域状态、顶点、直径、直径圆判定与最小包围圆
\If{观测为空}
\State \Return 无界
\EndIf
\State 归一化坐标,生成 $3n$ 条半平面约束
\State 枚举非平行边界交点,仅保留满足全部约束的点
\If{无可行点}
\State \Return 空集
\EndIf
\State 检查衰退锥;若存在非零方向,\Return 无界及无穷直径
\State 对可行交点去重并求凸包,区分单点、线段和二维多边形
\State 枚举最远顶点对,计算 $D$ 与中点 $o$,检查全部顶点是否在 $\B(o,D/2)$ 内
\State 计算最小包围圆 $\B(m,\rho)$,复核包含关系与数值余量
\State \Return $\rho+\eta_{\mathrm{num}}\le20$ 是否成立
\end{algorithmic}
\end{algorithm}
边界交点枚举需 $O(k^2)$ 次,每点校验 $k$ 条约束,主计算量为 $O(k^3)$;
凸包最坏需 $O(k^2\log k)$,直径枚举需 $O(m^2)$。
Welzl 算法在随机排列下具有期望线性时间。该求解流程适合少量观测,
当前入口限制最多 $100$ 个检测点;更大规模可替换半平面交算法。
综上,问题一给出两点结论:1. 带误差交会定位的直径可由顶点对枚举精确得到,
覆盖判定则必须逐顶点检查;2. 与清除动作真正对应的判据是最小包围圆半径不超过 $20$ m,
直径约束只是它的必要条件。