ประวัตริ ะบบกาหนดพิกดั โลก
(Global Positioning System: GPS)1 เรียบเรียงโดย กนกลดา ท้าวไทยชนะ ความเป็นมา ในราวปี 1960s ช่วงสงครามเย็น ประกอบกับเป็นช่วงที่ประเทศรัสเซียได้ส่งดาวเทียมสปุคนิค (Sputnik) ขึ้นโคจรเหนือพื้นผิวโลกได้สาเร็จเมื่อปี 1957 ระบบกาหนดตาแหน่งพิกัดโลกหรือ GPS ได้รับการออกแบบและ ประยุกต์ใช้ในหน่วยงานด้านการทหารมาก่อน ซึ่งเป็นการสร้างระบบการเชื่อมโยงเครือข่ายระหว่างดาวเทียม ร่วมกันในขณะที่โคจรรอบโลกเพื่อระบุตาแหน่ง (fix points) เหนือโลกขึ้นไปและใช้การส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ ที่ตั้งอยู่บนผิวโลก โดยสัญญาณที่ส่งจะสัมพันธ์กับรหัสเวลา (Time code) และจุดตาแหน่งพิกัดโลกที่ทาให้ผู้ใช้ สามารถรู้ตาแหน่ งที่ตนเองยื นอยู่บ นผิ วโลกได้ถูกต้องที่สัมพันธ์กับความเร็ว และเวลาการหมุนของโลก ระบบ ดาวเทียม GPS รุ่นแรกสร้างโดยกองทัพเรือสหรัฐอเมริกาเมื่อปี 1960 (รูปที่ 1) ในช่วงแรกมีดาวเทียม 5 ดวงที่ใช้ ในการโคจรรอบโลก และกาหนดให้มีการติดตั้งสัญญาณรับ GPS บนเรือกลางมหาสมุทรทุกๆ 1 ชั่วโมง พอในปี 1967 ทาง US ได้ประสบความสาเร็จในการสร้างดาวเทียม Timation Satellite ที่สามารถระบุตาแหน่งที่มีความ แม่นยาสูงเพราะได้ติดตั้งนาฬิกาอตอมมิ ค (Atomic Clock) ไปบนดาวเทียม จากนั้นมาพัฒนาการของดาวเทียม GPS ได้รุดหน้าอย่างรวดเร็วโดยกองทัพเรือ สหรัฐเพื่อจุดประสงค์ด้านการทหาร นอกจากนี้ในช่วงปี 1978 และ 1985 ยังได้เพิ่มจานวนชุดดาวเทียม GPS เป็น 11 ดวงที่ส่งขึ้นโคจรรอบโลก แม้ว่าภายหลังจากนั้นทางนโยบาย สหรัฐอเมริกาในช่วงประธานาธิบดีโรนัลด์ เรแกน ได้เปิดโอกาสให้เอกชนสามารถดาเนินการส่งดาวเทียม GPS ร่วม ด้วยเนื่องจากสภาวะเศรษฐกิจตกต่าที่รัฐไม่สามารถดาเนินการต่อเนื่องได้ จนกระทั่งปี 1993 ทางสหรัฐอเมริกาจึง สามารถส่งดาวเทียม GPS จานวน 24 ดวงขึ้นโคจรรอบโลกได้สาเร็ จอีกครั้งซึ่งเป็นดาวเทียมที่มีความสมบูรณ์แบบ และปฏิบัติการมาจนถึงทุกวันนี้คือ ดาวเทียม Navstar Satellite ที่รู้จักกันในชื่อดาวเทียม GPS สัญชาติสหรัฐ แม้ จะมี 24 ดวง แต่เวลาปฏิบัติงานจะใช้เพียง 21 ดวง อีก 3 ดวงเอาไว้สารอง ภายหลังในปี 1995 เป็นต้นมาได้เพิ่ม เครือข่ายเชื่อมโยงด้วยสัญญาณดาวเทียมเป็น 30 ดวงเพื่อนาไปใช้ในกิจการต่างๆ เช่น การประยุกต์ใช้ ด้านต่างๆ การค้นหาเส้นทาง การทาแผนที่ การวิจัยด้านภูเขาไฟ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโลก และการติดตาม สัตว์ป่าหายาก ที่รู้จักกันดีในชื่อของ geocatching หรือเกมล่าสัตว์นั่นเอง
1
http://www.mio.com/technology-what-is-gps.htm
1
รูปที่ 1 ดาวเทียม GPS ดวงแรกสร้างโดยกองทัพเรือสหรัฐในปี 1960 ที่มา: http://www.pocketgpsworld.com/The-first-GPS-NAVSTAR-satellite--NTS2-goes-on-display9065.php เวลา สถานที่ และความแม่นยา เกีย่ วข้องกันอย่างไร2 คาถามง่ายๆ ของการใช้ GPS คือใช้ตอบคาถามว่า...ตอนนี้เราอยู่ที่ไหน ...เป็นคาตอบที่ต้องการระบุถึง ความแม่นยาของตาแหน่งที่เราอยู่นั่นเอง ด้วยเทคโนโลยีนาฬิกาอะตอมมิค (Atomic Clock) ซึ่งมีคุณสมบัติในการ รักษาเวลาที่มีความเที่ยงตรงในระดับพันล้านต่อวินาที ซึ่ง นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นและประดิษฐ์ขึ้นมาใช้บนระบบ GPS สาหรับการใช้เป็นเครื่องมือนาหน (Navigation) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงสงครามอ่าวเปอร์เซียราวปี 1991 กองทัพสหรั ฐอเมริ กาได้ มีการน าอุป กรณ์นาหน (Navigation) ไปใช้ส าหรับ การลาดตระเวนทางบก (กลาง ทะเลทราย) ทางทะเล และทางอากาศ อีกทั้งยังใช้อุปกรณ์นาหนนี้เพื่อการระบุตาแหน่งขีปนาวุธมิไซล์ (Missile) มุ่งสู่เป้าหมายได้อย่างแม่นยา นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาเทคโนโลยี GPS ได้ถูกนามาใช้ในภาคพลเรือนมากขึ้นจนทุก วันนี้ จนกระทั่งเครื่องมือ GPS ได้กลายมาเป็นส่วนหนึ่งที่ อยู่ในชีวิตประวันของเราไปเสีย แล้ว อีกทั้งยัง มีการ ประยุกต์ใช้ได้อย่างหลากหลายเพื่อช่วยเหลือสังคมและจัดการสิ่งแวดล้อม แล้วยังส่งผลต่อเนื่องให้กับอุตสาหกรรม ทีเ่ ชื่อมโยงกับระบบ GPS นี้มากมาย โดยสอดคล้องกับความก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีการคิดค้นแผงวงจรไฟฟ้า ชิปคอมพิวเตอร์ จึงทาให้ศักยภาพของการรับส่งสัญญาณ GPS มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นตามไปด้วย ความสาคัญของเวลา สถานที่ และการนาทาง -เวลา (Timing) เป็นความสามารถที่ได้มาและรักษาซึง่ ความถูกต้องและแม่นยาของเวลาจากมาตรฐาน เวลาโลก (UTC: Coordinated Universal Time) ตามจุดต่างๆ ของโลกและรวมไปถึงเวลาที่ถูกถ่ายโอนไปด้วย -สถานที่ (Positioning) เป็นความสามารถที่บ่งบอกถึงความถูกต้องและแม่นยาของตาแหน่งใดๆบนโลก เป็น 2 มิติ (x,y) หรือบางทีอาจจะเป็น 3 มิติ (x,y,z) ก็ได้ โดยอ้างอิงจากมาตรฐานระบบยีโอเดติค (Geodetic system 1984) หรือ WGS84 ตามมาตรฐานสากล The International Terrestrial Reference Frame (ITRF)
2
http://phys.columbia.edu/~millis/1601/supplementaryreading/GPSandAtomicClocks.pdf
2
-การนาทาง (Navigation) เป็นความสามารถที่กาหนดตาแหน่งปัจจุบันทั้งเคลื่อนที่และอยู่กับที่ โดย สามารถบอกถึงความถูกต้อง (correction) และความเร็วได้ตามตาแหน่งที่ต้องการทุกแห่งบนโลกไม่ว่าจะเป็น ระดับจากพื้นผิวต่าไปสู่พื้นผิวที่สูงขึ้น หรือ จากพื้นผิวสู่อวกาศได้ การประยุกต์ใช้ GPS ทุกวันนี้อุปกรณ์ GPS แทบจะไร้ข้อจากัดในการนาไปใช้ เพราะประสิทธิภาพของระบบและการพกพา รวมไปถึงความแม่นยาเชิงพื้นที่ได้ส่งผลให้มีการนาไปประกอบการใช้งานได้หลากหลาย เช่น - รถยนต์ประกอบรุ่นใหม่ต้องติดตั้งอุปกรณ์ GPS ร่วมกับแผนที่นาทาง - การบริการด้านการขนส่ง โดยติดตั้งระบบ GPS ไปกับรถบรรทุก เพื่อควบคุมเส้นทางและความเร็ว ของสินค้าไปยังลูกค้าตามเวลาที่กาหนด (รูปที่ 2) - บริษัทขนส่งทางเรือจาเป็นต้องมีระบบ GPS ที่ติดตั้งไปในตู้คอนแทนเนอร์สาหรับการติดตามสินค้าใน ระหว่างการขนส่ง ที่บันทึกไว้และควบคุมเส้นทางของสินค้าว่าไปถึงที่ไหนแล้ว เวลาเท่าไร - การแสดงความเป็นเจ้าของในธุรกิจยานยนต์ขนาดเล็กที่จาเป็นต้องติดตั้งระบบ GPS ไว้ เช่น บริษัท รถเช่า หรือ อุปกรณ์สินค้าที่ให้เช่า เป็นต้น - นักบินพลเรือนจาเป็นต้องใช้ระบบ GPS สาหรับการนาทาง สาหรับศึกษาพืชพรรณ การถ่ายภาพทาง อากาศ และการสารวจ - สายการบินต่างๆ สามารถประหยัดงบประมาณหลายล้านดอลล่าร์หากใช้ระบบ GPS ในการวาง แผนการบิน ซึ่งระบบ GPS สามารถนามาใช้เป็นเครื่องมือการลงจอดในบริเวณเล็กได้ดีพอกับลาน จอดที่กว้างได้ และทางสนามบินต่างๆ สามารถสร้างระบบหลีกเลี่ยงสภาวะอากาศที่ส่งผลกระทบต่อ การลงจอดของเครื่องบินได้ - ระบบ GPS ใช้สาหรับการทาแผนที่ การวัดพื้นผิวโลก และงานสารวจ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทาแผนที่ ถนนไปจนถึงการติดตามไฟป่า และยังใช้วัดระดับการปรับผิวดินสาหรับงานก่อสร้าง และการเกลี่ยดิน ให้ได้ความหนาระดับนิ้วได้ - ระบบ GPS ยังใช้สาหรับการติดตามการเกิดแผ่นดินไหวและการเคลื่อนตัวของเปลือกโลกได้ (รูปที่ 3) - บริษัทโทรคมนาคมได้ใช้ระบบ GPS ในการระบบโครงข่ายการรับสัญญาณภาคพื้นดิน เมื่ออ้างอิงกับ นาฬิกากับเวลาใน GPS - ในดาวเทียมได้ติดตั้งระบบเครื่องรับสัญญาณ GPS เพื่อติดตามตาแหน่งของดาวเทียมของตนเอง - ระบบ GPS ยังติดตั้งไปกับเครื่องยนต์ของผู้ขับขี่ไมเพียงแค่สามารถค้นหาตาแหน่งที่อยู่ของยานยนต์ นั้นๆ แล้วยังสามารถใช้เป็นเครื่องบอกทิศทางได้อีกด้วย พัฒนาการของระบบ GPS เป็นการเริ่มต้นเท่านั้น ซึ่งยังมีโอกาสประยุกต์ใช้ในด้านอื่นๆ อีกมากมายตาม ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเครื่องรับ GPS ซึ่งประมาณการการเติบโตและอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับ GPS ไว้ที่ 2 พันล้านดอลล่าร์ และจะเติบโตไปภายใน 10 ปีข้างหน้าอีกประมาณ 30 พันล้านดอลล่าร์
3
รูปที่ 2 ระบบ GPS สาหรับติดตามรถบรรทุกสินค้า ที่มา: http://www.locationtracker.com/products.aspx
รูปที่ 3 การใช้ระบบ GPS ติดตามการเกิดแผ่นดินไหว ที่มา: http://www.fieldtechnologies.com/news/seismologists-warn-japan-earthquake-avaluable-lesson-for-pacific-northwest/ ลาดับพัฒนาการของระบบ GPS3 ปี 1938-1940 ไอ.ไอ. เรบี (I.I. Rabi) ได้ประดิษฐ์อุปกรณ์สะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระดับโมเลกุล ( Molecular-beam magnetic ) ที่ มหาวิทยาลัย โคลัมเบียในปี 1938 เขาและเพื่อนร่วมงานได้ประยุกต์ใช้ สัญญาณคลื่นแม่เหล็กร่วมกับอะตอมและโมเลกุล เป็นไปได้หรือไม่ที่นาฬิกาอะตอมมิคสามารถวัดแรงดึงดูด ที่เป็น Red shift ได้ ส่งผลให้ไรบีได้รับรางวัลโนเบิลไพรส์ในปี 1944 3
http://phys.columbia.edu/~millis/1601/supplementaryreading/GPSandAtomicClocks.pdf 4
ปี 1949 นอร์ แ มน แรมซี ย์ (Norman Ramsey) ได้ ป ระดิ ษ ฐ์ เ ครื่ อ งแยกสนามก าเนิ ด สั ญ ญาณ (Oscillator-field resonance method) ที่ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบิลไพรส์ในปี 1989 จากนั้น เจอร์รัลด์ ซัคคาเรียส์ (Jerrold Zacharias) ได้ประยุกต์ใช้วิธีการของแรมซีย์ในการสร้างนาฬิกาจาก ธาตุซีเซียม (Cesium-beam fountain clock) ที่มีความแม่นยาเพียงพอที่สามารถวัดแรงโน้มถ่วงโลกที่เ ป็น Red shift ได้ ในปีเดียวกันนี้เอง ทางสถาบันมาตรฐานแห่งชาติ (National Bureau of Standards) ได้ใช้นาฬิกา อะตอมมิคบนคลื่นไมโครเวฟผ่านเข้าไปในแกสแอมโมเนีย (Based on microwave absorption in ammonia gas) เป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนานาฬิกาอะตอมมิคบนฐาตุซีเซียม (รูปที่ 4)
รูปที่ 4 นาฬิกาอะตอมมิคทาจากธาตุซีเซียม ทีมา: https://www.youtube.com/watch?v=XRWlDCgNVXg ปี 1954 ชาร์ล ทาวน์เนอร์ (Charles Towner) แห่งมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ได้สาธิตอุปกรณ์ขยายคลื่นบน การปล่อยปล่อยรังสีจากโมเลกุลแอมโมเนียเป็นครั้งแรก (The first maser based on emission of radiation from ammonia molecules) และทาว์นเนอร์ได้รับรางวัลโนเบิลไพร้ส์สาขาฟิสิกส์ร่วมในปี 1964 ปี 1954-1956 ซัคคาเรียส์ (Jerrold Zacharias) กับบริษัทแห่งชาติได้พัฒนาอุปกรณ์ขนส่งด้วยตัวเอง เป็นครั้งแรกอยู่ในรูปแบบนาฬิกาอะตอมมิคชื่อว่า อะตอมมิครอน (Atomicron) (รูปที่ 5)
รูปที่ 5 นาฬิกาอะตอมมิค ที่มา: http://10outof10plz.blogspot.com/ 5
ปี 1959 อัลแบรท์ คาสท์เลอร์ (Albert Kastler) และ ชอง บรอส์เซิล (Jean Brossel) ทางานอยู่ที่เมือง แปรีสและที่มหาวิทยาลัย MIT ได้พัฒนาวิธีการท่อนาแสงที่เรียกว่า Optical pumping และได้รับรางวัลโนเบล ไพรส์สาหรับงานชิ้นนี้ ปี 1957 สหภาพรัสเซีย ได้ส่งกระสวยอวกาศ สปุทนิค (Sputnik) ขึ้นโคจรในเดือนตุลาคม และที่สถาบัน MIT ได้ประดิษฐ์ดาวเทียม Doppler ขึ้นที่ห้องปฏิบัติการลินคอล์น และห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ประยุกต์จอห์น ฮอบ กินส์ แห่งมหาวิทยาลัย MIT อย่างไม่เป็นทางการ (APL: Applied Physics Laboratory) และทางกองทัพเรือ สหรัฐได้เริ่มต้นใช้ห้อง APL ในการทดลองนี้ในเดือนธันวาคม ปี 1960 แรมซีย์ (Ramsey) และ นักศึกษาใน เคลปเนอร์ (Kelppner) และ โกลด์เบอร์ค (Goldenberg) เริ่มทาการทดลองเครื่องขยายสัญญาณไฮโดรเจนที่ ม. ฮาร์วาร์ด ปี 1961 พัฒนาการของ GPS เริ่มต้นขึ้นภายใต้ความร่วมมือทางด้านอวกาศสาหรับความจาเป็นของ กองทัพสหรัฐ ปี 1960-1965 ธาตุรูบิเดียมได้ถูกนามาใช้ในการทานาฬิกา แม้ว่าธาตุซีเซียมจะใช้เป็นมาตรฐานในการ บอกเวลาสากลแล้วก็ตาม ปี 1964 – 1965 ตาแหน่งแรกที่ได้จากการกาหนดตาแหน่งในขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนตัวไปได้ถูกคานวณ เป็นครั้งแรกบนเรือดาน้าโพลารีส (Polaris submarine) ปี 1967 ระบบการเคลื่อนที่และบอกตาแหน่งพิกัดไปด้วยนั้นเริ่มนาไปสู่การใช้ในภาคพลเรือนแล้ว ปี 1968 กาหนดมาตรฐานการใช้ระบบดาวเทียมนาหนเป็นครั้งแรกโดยกระทรวงกลาโหมสหรัฐ ปี 1973 พัฒนาการของดาวเทียมนาฟสตาร์ จีพีเอส (Navstar GPS) ได้รับการพัฒนาโดย กระทรวงกลาโหม ปี 1974 ทดสอบดาวเทียม GPS เป็นครั้งแรกในโครงการ Timation โดยใช้นาฬิการูบิเดียม และเทคนิค การคานวณเวลา ปี 1977 ทดสอบดาวเทียม GPS ร่วมกับนาฬิกาซีเซียม ปี 1978-1985 ตัวอย่างชุดดาวเทียม GPS จานวน 10 ยานได้นาขึ้นโคจรรอบโลกสร้างโดย บริษัท Rockwell International ปี 1989-1993 ชุดดาวเทียม 24 ดวงนาขึ้นโคจรและสิ้นสุดลงในวันที่ 26 มิถุนายน 1993 ปี 1996 ทาเนียบขาวได้ประกาศระดับความแม่นยาของดาวเทียม GPS ที่สามารถให้พลเรือนใช้ได้ GPS คืออะไร ระบบกาหนดตาแหน่งพิกัดโลก หรือ GPS: Global Positioning System เป็นเครือข่ายการเชื่อมโยง ดาวเทียมที่โคจรรอบโลกโดยการส่งรายละเอียดสัญญาณของตาแหน่งบนอวกาศแล้วกลับมายังโลกด้ วยอุปกรณ์รับ สัญญาณ GPS เช่นอุปกรณ์นาหน (navigation devices) ที่ถูกนามาใช้เพื่อคานวณตาแหน่งที่ถูกต้องบนพื้นโลก ความเร็วและเวลา ณ ตาแหน่งที่พาหนะนั้นเคลื่อนที่ไป เช่น บนเครื่องบิน เรือเดินสมุทร รถบรรทุก และคนขับรถ เป็นต้น ที่สามารถตามหาเส้นทางที่ดีที่สุดจากเส้นทาง A ไป B ในเวลาที่สั้นที่สุดนั่นเอง แม้ว่าในช่วงแรกของ พัฒนาการ GPS โดยกองทัพเรือสหรัฐอเมริกาในช่วงปี 1960s ก็ตามแต่ทุกวันนี้อุปกรณ์นาทางสามารถให้ผู้ใช้ 6
เข้าถึงข้อมูลตาแหน่งที่มีความแม่นยาสูงในระยะที่มีความคลาดเคลื่อนทางพื้นที่ไม่กี่เมตร ก็เพียงพอต่อการใช้ ประโยชน์ในการเดินทางได้ ส่วนทางด้านการทหารที่นาระบบ GPS มาใช้นั้นต้องอาศัยความแม่นยาทางพื้นที่สูงใน การระบุตาแหน่งที่ถูกต้องและแม่นยาในระดับเซนติเมตร กองทัพเรือสหรัฐอเมริกาได้ประดิษฐ์ดาวเทียม Navstar Global Positioning System (GPS) เป็น ระบบปฏิบัติการเต็มรูปแบบในชื่อของ GNSS (Global Navigation Satellite System) โดยให้บริการครอบคลุม พื้นที่ทั้งโลก ส่วนสหภาพยุโรปหรืออียู ได้พัฒนาดาวเทียม GPS ของตนเองขึ้นในชื่อ Galileo Positioning System ที่ส่งขึ้นไปปฏิบัติการบนห้วงอวกาศในปี 2013 และประเทศจีนกาลังมีดาวเทียม GPS ของตนเองในชื่อ Baidu ส่วนประเทศรัสเซียได้ส่งดาวเทียม GPS ของตนเองในชื่อ GLONASS เป็นต้น ดาวเทียม GPS ทางานอย่างไร ระบบดาวเทียม GPS มีด้วยกัน 3 ระบบ คือ 1. ชุดดาวเทียมระหว่าง 27 และ 32 ดวง (อีก 3 ดวงไว้สารอง) ที่โคจรรอบด้วยด้วยพลังงานโซลาเซล ระดับความสูงที่ 20,000 กิโลเมตรเหนือพื้นโลกขึ้นไป (รูปที่ 6) 2. สถานีควบคุมและติดตามดาวเทียม GPS ( เช่น ที่ฮาวาย (Hawaii), ดีเอโก การ์เซียร์ (Diego Garcia) และ คาวาเจล (Kawajale) เป็นต้น) 3. อุปกรณ์รับ GPS เช่นติดตั้งในรถยนต์ บนเรือ บนเครื่องบิน เป็นต้น ดาวเทียม GPS แต่ละดวงจะมีวงโคจรของตนเองเพื่อให้เครื่องรับสามารถจับสัญญาณได้อย่างน้อยที่สุด 4 ดวงพร้ อมกัน ในเวลาหนึ่ ง โดยที่ ดาวเทีย มจะส่ งสั ญญาณคลื่ นไมโครเวฟไปยั งเครื่ องรับ ที่อ อกแบบบนระบบ คอมพิวเตอร์ให้รับสัญญาณได้ 4 ดวงพร้อมกันในการระบุตาแหน่งระยะทางที่แม่นยาจากนั้นจะคานวณโครงข่าย สามเหลี่ ยมเพื่อหาตาแหน่ งที่ยื นอยู่บนพื้น โลกให้ ใกล้ เคียงที่สุดโดยอ้างอิงจากระยะทาง ในความเป็นจริงแล้ ว สัญญาณจากดาวเทียม 3 ดวงก็สามารถคานวณโครงข่ายสามเหลี่ยมได้ แต่การคานวณตาแหน่งบนพื้นโลกต้อง อ้างอิงตาแหน่งที่ยืนอยู่บนโลกด้วยระยะทางจากทั้งสามดวงก่อน ดังนั้นสัญญาณจากดาวเทียมดวงที่สี่ จึงเป็นการ คานวณซ้าเพื่อการยืนยันผลของตาแหน่งในการคานวณครั้งแรก หากตาแหน่งที่คานวณจากระยะทางของดาวเทียม A-B-C ไม่สอดคล้องกับการคานวณที่ได้จากดาวเทียม A-B-D ดังนั้นจาเป็นต้องมีการยืนยันค่าที่ได้รับและทดสอบ นั่นเอง กระบวนการค านวณระยะทางจากดาวเที ย ม GPS ไปยั งเครื่ องรั บ ที่ อ้ างอิ ง จากการเดิน ทางของ สัญญาณเวลา เช่น ที่เวลา 16.45 น. ดาวเทียมอาจจะเริ่มต้นส่งสัญญาณ และเครื่องรับจะเริ่มทางานรับในค่าสุ่ม ต่อเนื่องของเวลาที่ 16.45 น. ตามเวลาท้องถิ่น แต่ไม่ได้ส่งสัญญาณต่อเนื่อง เมื่ออุปกรณ์รั บสัญญาณจากดาวเทียม ที่ต่างกัน (4 ดวง) ในเวลาเดียวกันก็จะแสดงลักษณะการคาบเกี่ยวเวลา (Time lag) กันเพราะคลื่นไมโครเวฟจะส่ง สัญญาณในรอบที่สองของการส่งสัญญาณจากดาวเทียมไปยังเครื่องรับ และการคาบเกี่ยวเวลานี้เองจะแปลงเป็น ระยะทางของแต่ละดาวเทียม จะมีการเหลื่อมเวลากันเพียงเล็กน้อยระหว่างการส่งสัญญาณจากแต่ละดวงแล้วจึงจะ นามาใช้ในการคานวณตาแหน่งที่เครื่องรับที่ตง้ั อยู่บนผิวโลก การส่งสัญญาณที่ดาวเทียมด้วยคลื่นไมโครเวฟในช่วงคลื่นวิทยุ ในแต่ละดาวเทียม GPS จะมีกาลังส่งที่ 50 bits per second ในช่วงคลื่นไมโครเวฟย่านความถีป่ ระมาณ 1600 MHz (เปรียบเทียบกับคลื่นวิทยุ FM ที่ความถึ่ 7
85.5 และ 108.0 MHz ส่วนเครือข่ายไวไฟ จะอยู่ที่ความถี่ประมาณ 5000 MHz และ 2400 MHz ซึ่งมีความ แม่นยากว่า )ดังนั้นดาวเทียม GPS ทุกตัวจะส่งสัญญาณที่ความถี่ 1575.42 MHz (สัญญาณที่ L1) และความถี่ 1227.6 MHz (สัญญาณ L2) ในการส่งสัญญาณอย่างน้อยที่สุด 30 วินาทีต้องส่งได้ 1500 bits และถ้าหากมีอัตรา ที่สู ง กว่ า ที เ กิ ด จากความผิ ด ปกติ ข องดาวเที ย มในขณะส่ ง ข้ อ มู ล จะเป็ น การให้ สั ญ ญาณจ าลองสุ่ ม ( Pseudorandom: PRN) ซึ่งจะมีความแตกต่างกันไปในแต่ละดาวเทียม ส่วนเครื่องรับจะแสดงรหัส PRN ของแต่ละ ดาวเทียมไว้ที่ไม่สามารถแปลงรหัสได้แต่ทาให้สามารถแยกแยะความแตกต่างของดาวเทียม (รูปที่ 7)
รูปที่ 6 ระบบดาวเทียม GPS ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
รูปที่ 7 สัญญาณรหัสดาวเทียม GPS ที่มา: http://what-when-how.com/gps/gps-details/
8
ระบบการสื่อสารในอวกาศ องค์การนาซาได้กาหนดตาแหน่งการรับส่งสัญญาณดาวเทียม GPS ด้วยวงโครจรที่สัมพันธ์กับการหมุน ของโลกหรือ Geosynchronous (GEO) ที่ระดับความสูงประมาณ 20,000 กิโลเมตร เหนือพื้นโลก (รูปที่ 8และรูป ที่ 9) ไม่ว่าจะเป็นดาวเทียม GPS , GNSS หรือ GLONASS (รัสเซีย) ก็ตามได้กาหนดความสูงไว้ที่ระดับนี้ที่สามารถ บอกตาแหน่งเวลาได้ถูกต้องประมาณ 95% ที่ระดับพืน้ ที่ 10 x 20 เมตรบนพื้นโลก หรือจะให้รายละเอียดที่ถูกต้อง ยิ่งขึ้นประมาณ 1 เมตร แต่ก็ขึ้นอยู่กับระบบเซนเซอร์ที่ติดตั้งไปด้วย
รูปที่ 8 ระดับความสูงของดาวเทียม GPS ที่ 20,183 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก ที่มา: http://www.nasa.gov/sites/default/files/gps_lobes_heo_leo.jpg
รูปที่ 9 ตาแหน่งของดาวเทียม GPS ที่มา: http://www.nasa.gov/sites/default/files/gps_ssv_geo.jpg 9
ส าหรั บ การรั บ สั ญ ญาณ GPS ภาคพื้นดิ น ให้ มีความแม่นย าทางตาแหน่ งพิ กั ดส าหรับ ผู้ ใ ช้ จาเป็นต้องมีสัญญารับแบบคู่ขนานที่สัมพันธ์กับดาวเทียมในพันธกิจรีโมทเซนซิง (หรือดาวเทียมโครจรใกล้ผิวโลก : Low-Earth Orbit) อย่างเช่นดาวเทียม เจสัน-1 และ เจสัน-2 (เป็นแผนที่ตรวจสอบพื้นผิวทะเล) เป็นต้น โดยมี โครงข่าย GDGPS ร่วมกับสถานีอ้างอิงกว่า 100 แห่งทั่วโลก (รูปที่ 10)
รูปที่ 10 สถานีดาวเทียม GPS ภาคพื้นดินตามจุดต่างๆ ทั่วโลก ที่มา: http://arstechnica.com/information-technology/2012/12/faster-gps-that-wont-kill-yourbattery-needs-the-cloud-and-a-crowd/ โปรแกรมการทาแผนที่ GPS ทางานอย่างไร ดาวเทียม GPS เป็นโครงข่ายของชุดดาวเทียมที่โคจรรอบโลกและส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ GPS และ อุปกรณ์นาหน (Navigation Devices) โดยให้ตาแหน่งที่แม่นยา ความเร็ว และ ความสูงหากบินอยู่เหนือผิวโลก หรืออยู่บนภูเขาสูง โดยทั่วไปแล้วประโยชน์ของการใช้ นาทางจาเป็นต้องมีโปรแกรมแผนที่เพื่อให้ทันสมัย โดยจะ พบว่ามักจะมีการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมถนนประมาณร้อยละ 5 ในเส้นทางหนึ่งๆ และมีเส้นทางตัดใหม่เกิดขึ้นอยู่ เสมอ ดังนั้นจาเป็นต้องมีการปรับปรุงแผนที่เส้นทางให้ทันสมัย รวมไปถึงสัญญาณจราจรต่างๆ ที่เพิ่มขึ้นตามมา 10
ด้วย อุปกรณ์ของผู้ใช้จาเป็นต้องมีแผนที่นาทางที่ทันสมัยเพื่อการใช้ประโยชน์ แม้ว่าอย่างน้อยที่สุดจะมีแผนที่ เส้นทางหลักเป็นพื้นฐานแล้วก็ตาม แต่ในบางพื้นที่มีการเปลี่ยนแปลงเส้นทางบ่อย ดังนั้นบริษัททาทาแผนที่ดิจิทัล จึงต้องมีการปรับปรุงโปรแกรมแผนที่เส้นทางให้ทันสมั ยอยู่เสมอ เพื่อประโยชน์ต่อผู้เดินทางได้ใช้งานได้อย่าง รวดเร็วและมีประสิทธิภาพในการเดินทางจาก A – B แต่เนื่องด้วยดาวเทียม GPS ไม่ได้สร้างมาเพื่อทาแผนที่แต่ สามารถนาไปประยุกต์ใช้โดยการซ้อนทับข้อมูลบนแผนที่ฐานจากอุปกรณ์รับ GPS ซึ่งอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถทา การปรับปรุงข้อมูลแผนที่เส้นทางได้ให้ทันสมัยซึ่งมีให้เลือก 2 อย่างคือ การจ่ายเพิ่มขึ้นเพื่ออัปเดทรายการ หรือ เข้าไปดาวน์โหลดบนออนไลน์ได้เพื่อให้เครื่องพร้อมที่จะทางานได้ในการต่อเชื่อมกับอุปกรณ์นาหน ความแม่นยาคลาดเคลื่อน ระบบ GPS ที่สามารถบอกตาแหน่ง ความสูง และความเร็วได้อย่างแม่นยาคลาดเคลื่อนได้ ขึ้นอยู่กับระบบ การทางานจากแหล่งรับสัญญาณเนื่องจาก ความไม่แม่นยาในการเก็บรักษาเวลาที่ได้รับมาจากนาฬิกาของเครื่องรับ ตัวสัญญาณคลื่นไมโครเวฟ การเดินทางที่ความเร็วแสง ซึ่งต้องใช้ดาวเทียมประมวลผล 3 ดวงเป็นอย่างน้อยที่จะทา ให้ระบบคอมพิวเตอร์ของเครื่องรับคานวณตาแหน่ง ความสูง และความเร็ว ได้ แม้ว่านาฬิกาในดาวเทียม GPS จะ แม่นยาแต่เครื่องรับไม่สอดคล้องกันก็ทาให้ความแม่นยาทางพื้นที่คลาดเคลื่อนได้เช่นกัน ทางแก้คือ หากต้องการ นาฬิกาอะตอมมิคที่ติดตั้งไปกับเครื่องรับ GPS ก็จะต้องจ่ายที่ราคาประมาณ 100,000 ดอลล่าร์ ทางเลือกที่สองคือ ใช้ความรู้ทางคณิตศาสตร์คานวณความคลาดเคลื่อนทางเวลาที่ได้รับกับสัญญาณที่ได้รับจากดาวเทียม GPS ทัง้ 3 ดวง ซึ่งไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายแต่ต้องใช้เทคนิคแก้ไขเอง องค์กรคณะกรรมการด้านระบบดาวเทียมกาหนดพิกดั โลก หรือ ICG (International Committee on Global Navigation Satellite Systems) องค์กร ICG ก่อตั้งเมื่อปี 2005 ภายใต้องค์การสหประชาชาติ หรือ UN โดยที่สมาชิกเป็นอาษาสมัครที่มี ความสนใจในดาวเทียมกาหนดพิกัดโลกที่เป็นภาคพลเรือน การนาหน การกาหนดเวลา และการบริการมูลค่าเพิ่ม เป็นต้น ส่วนพันธกิจขององค์กร ICG เน้นความร่วมมือระหว่างผู้ให้บริการของดาวเทียม GNSS ครอบคลุมภูมิภาค และเพิ่มความสามารถ การประยุกต์ และการส่งสัญญาณ และการประชาสัมพันธ์ถึงการใช้ประโยชน์ของบริการ เหล่านี้ รวมไปถึงการวางแผนเน้นการใช้ในอนาคต และให้การสนับสนุนกับประเทศกาลังพัฒนา สมาชิกประกอบด้วยผู้ให้บริการหลักได้แก่ ประเทศจีน (ดาวเทียมไป๋ดู Compass/Beidou Navigation Satellite System: CNSS) กลุ่มสหภาพยุโรป (ดาวเทียมกาลิเลโอ European Satellite Navigation System (Galileo)) และสหพันธรัฐรัสเซีย (ดาวเทียมโกลนาส Global Navigation Satellite System: GLONASS) สหรัฐอเมริกา (ดาวเทียมจีพีเอส Global Positioning System: GPS) ส่วนรัฐสมาชิกในยูเอ็นสามารถใช้บริการ และประยุกต์ใช้ดาวเทียมจีเอนเอสเอส (GNSS) ร่วมกัน
11
ทุกวันนี้ผู้ให้บริการหลัก4 ได้ขยายกรอบการให้บริการเพิ่มขึ้น ได้แก่ -สหภาพยุโรปภายใต้หน่วยงาน ESA (European Space Agency) ซึ่งเป็นดาวเทียมเอ็กโนส (European Geostationary Navigation Overlay Service: EGNOS) -ประเทศอินเดีย มีดาวเทียมจีอีโอ (GPS and Geostationary : GEO) ดาวเทียมกาแกน (Augmented Navigation System) และดาวเทียม ไอเอ็นอาร์เอสเอส (Indian Regional Navigation System: INRSS) -ประเทศญี่ปุ่น มีดาวเทียมเอ็มทีแซต (Multi-functional Transport Satellite: MTSAT) ดาวเทียมเอ็ม เอสเอเอส (Satellite-base Augmentation System) และดาวเทียมคิวแซดเอสเอส (Quais-Zenite Satellite Space Based Augmentation System : QZSS) -ประเทศไนจีเรีย มีดาวเทียมนิคคอมแซต-วัน เอสบาส (Nigerian Communication Satellite Space Based Augmentation System: NigComsat-1 SBAS) -ประเทศจีน มีดาวเทียม COMPASS และ ดาวเทียม Beidou เป็นดาวเทียม ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา -สหพันธรัฐรัสเซีย มีดาวเทียม เอสดีซีเอ็ม (Wide-area System of Differential Corrections and Monitoring : SDCM) -สหรัฐอเมริกา มีดาวเทียมดับบลิวเอเอสเอส (Wide-area Augmentation System: WASS) สรุป ระบบ GPS เป็นได้มากกว่าการบอกตาแหน่งพิกัด ความสูง และความเร็ว โดยที่สามารถประยุกต์ใช้กับสิ่ ง ต่างๆ รวมไปถึงการติดตั้งไปบนระบบที่มือถือแบบ smartphone มาพร้อมระบบปฏิบัติการ WindowsPhone , Android , Symbian ที่มี OVI Maps หรืออื่นๆของโปรแกรม Navigator ที่ช่วยบอกทางพร้อมทั้งเป็น GPS receiver ที่สามารถระบุพิกัดของเราได้ เช่น เมนู Mylocation ที่ติดไปกับข้อความใน twitter ผ่าน Foursquare หรือ facebook ผ่าน messenger ว่าเราอยู่สถานที่ใด ได้ทากิจกรรมอะไรบ้าง ซึ่ง GPS นี้ว่า Location Based หรือ Geotaging นั่นเอง รวมถึงการถ่ายภาพพร้อมระบุตาแหน่งว่าเกิดอะไรขึ้นที่ไหนอย่างไร แต่ในบางกรณีในการ ระบุ Mylocation หากไม่มีสัญญาณ GPS ก็จะใช้พวกสัญญาณจาก wi-fi หรือเซลต์ตามเครือข่ายเสาสัญญาณ โทรศัพท์มือถือก็ได้แต่อาจจะแม่นยาน้อยกว่า GPS ในกล้อง digital หรือโทรศัพท์มือถือในโหมดถ่ายภาพ ที่ สามารถระบุตาแหน่งพิกัดแนบไปกับรูปภาพที่เราถ่าย ทาให้บอกได้ว่าภาพนั้นถ่ายที่ไหน ได้แม่นยามาก ซึ่งมีค่าย ให้บริการ LBS มากมายเช่น ABLE ITS (POWER MAP), ESRI (GARMIN), MAP POINT ASIA (SMARTMAP), BANGKOK GUIDE, MapKing, iGO, SpeedNavi, Mio Map , Papago เป็นต้น ส่วนโปรแกรม Google Maps สาหรับมือถือที่มีบริการให้ใช้ฟรี และโปรแกรมแผนที่สาหรับ Nokia อย่าง OVI Map ล้วนติดตั้งระบบ GPS และ สามารถประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ มากมาย 4
http://www.unoosa.org/oosa/en/ourwork/icg/icg.html 12