ความเป็นมาของดาวเทียม GPS

ดาวเทียม GPS ถูกพัฒนามาจากเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ ในศตวรรษที่ 20 เรียกว่า Radio beacons ที่สามารถช่วยพัฒนาการเดินทางมากยิ่งขึ้นไปอีก นอกจากนี้เทคโนโลยีของดาวเทียมยังช่วยในเรื่องของการเดินทางและการหาตำแหน่ง โดยพิจารณาจากเส้นที่สัญญาณเดินทางผ่านการวัดของ Doppler ที่เคลื่อนที่ไปซึ่งมีระบบ Transit เป็นระบบที่ใช้ในการเดินเรือโดยอาศัยดาวเทียม ซึ่งมีการคิดค้นสำเร็จในปี ค.ศ. 1950 มีการใช้งานอยู่ 33 ปี จึงปลดประจำการไป

ดาวเทียม และ ระบบ Transit คืออะไร

ระบบ Transit ได้พัฒนามาให้ข้อมูลการหาตำแหน่งที่แน่นอนให้กับเรือดำน้ำ Polaris ที่มีจรวดนำวิถี หลักการคือ การคาดการณ์โดยใช้ความถี่ Doppler ที่เปลี่ยนแปลงไปจากตำแหน่งดาวเทียม Sputnik ส่งโดยสหภาพโซเวียตในเดือนตุลาคม ค.ศ. 1957 ทำให้สัญญาณเปลี่ยนของ Doppler สามารถพิจารณาการโคจรของดาวเทียมใช้ข้อมูลที่จดเอาไว้ที่สถานีหนึ่งในกรณีที่ดาวเทียมโคจรผ่านไป

ระบบ Transit ประกอบด้วยดาวเทียม 6 ดวง ที่มีลักษณะคล้ายวงกลม มีการโคจรผ่านขั้วโลกที่ความสูง 1,075 กิโลเมตร ระยะเวลาของการหมุน 107 นาที การโคจรของดาวเทียม Transit จะแน่นอนกว่าโดยการติดตามจากสถานีบนพื้นโลกที่กำหนดไว้ ด้วยสภาพที่น่าพอใจความเร็วที่แน่นอนเป็น 35 ถึง 100 เมตรต่อนาที แต่ระบบ Transit ก็ยังมีปัญหาในเรื่องของ การครอบคลุมพื้นที่ที่มีช่องว่างระหว่างกันมาก ทำให้ผู้ใช้ต้องคำนวณโดยการ Interpolate ตำแหน่งของตนเองในระหว่างที่ดาวเทียมโคจรเคลื่อนผ่านไป

จุดเริ่มต้นของ ดาวเทียม GPS

และจากความสำเร็จของระบบ Transit เป็นการกระตุ้นให้ทั้งกองทัพเรือและกองทัพอากาศของสหรัฐฯ พิจารณาระบบช่วยการเดินทางที่ก้าวหน้ากว่าเดิมและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ทางกระทรวงกลาโหมของสหรัฐฯ ได้ผลิตระบบขึ้นใหม่ที่เรียกว่า “Navstar” ใช้ในการหาตำแหน่งทั่วโลก ซึ่งถูกนำไปใช้ในการระบุตำแหน่งเพื่อการนำวิถีของจรวดทั้งทางบก ทางอากาศ และยังสามารถบอกได้ว่ากองกำลังทหารอยู่ ณ ที่ใดของสนามรบ

จึงเป็นจุดเริ่มต้นของการผลิตคิดค้นระบบวิธีการระบุตำแหน่งบนพื้นโลก ซึ่งระบบ GPS จะขัดแย้งกับ Transit คือระบบ GPS ให้สัญญาณครอบคลุมพื้นที่ต่อเนื่องและให้ความถูกต้องและแม่นยำกว่าระบบเดิม ซึ่งได้ผลิตดาวเทียมให้มีความทันสมัย (Modernization) และเหมาะสมในการนำไปใช้งานต่าง ๆ จนถึงปัจจุบัน ดาวเทียม GPS ได้ถูกสร้างขึ้นมาแล้ว 4 รุ่น ได้แก่ Block I , Block II / IIA, Block IIR และ Block IIF

องค์ประกอบของระบบดาวเทียม GPS

แบ่งออกเป็น 3 องค์ประกอบหลัก ๆ ได้แก่

ส่วนศูนย์ควบคุมกลาง (Control Station Segment)

เป็นศูนย์กลางและศูนย์บัญชาการในการควบคุมการทำงานของระบบ GPS รวมไปถึงการดูแลความเรียบร้อยของระบบ ตั้งอยู่ที่ฐานทัพอากาศเมือง Colorado Spring ประเทศสหรัฐอเมริกา ศูนย์ควบคุมกลาง (Control Station Segment) ประกอบด้วย

• สถานีสังเกตการณ์ (Monitor Station) จำนวน 5 แห่ง กระจายอยู่ตามจุดต่าง ๆ ของโลก ได้แก่ Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia และ Colorado Spring
• จานส่งสัญญาณภาคพื้นดิน (Ground Antennas) ซึ่งมีอยู่ด้วยกัน 3 จุด ได้แก่ Ascension Island, Diego Garcia และ Kwajalein
• ศูนย์บัญชาการ (Master Control Station) ตั้งอยู่ฐานทัพอากาศสหรัฐฯ Schriever AFB รัฐ Colorado

การทำงาน คือ เมื่อสถานีรับสัญญาณจากดาวเทียมมา เพื่อปรับแก้ไขข้อมูลวงโคจร (Ephemeris) และข้อมูลเวลา (Clock Correction) ของดาวเทียมแต่ละดวงและจะทำการส่งข้อมูลวงโคจร (Ephemeris) และข้อมูลเวลา (Clock Data) กลับไปยังดาวเทียม แล้วดาวเทียมก็จะทำการส่งข้อมูลที่ได้รับการแก้ไขเรียบร้อยแล้วมาพร้อมกับคลื่นวิทยุมายังเครื่องรับสัญญาณ GPS

ส่วนอวกาศ (Space Segment) ประกอบด้วย

• ดาวเทียมทั้งหมด 24 ดวง แต่ละดวงโคจรรอบโลกเป็นเวลา 12 ชั่วโมง
• มีความสูงของวงโคจรอยู่ประมาณ 11,000 ไมล์จากพื้นโลก
• ดาวเทียมแต่ละดวงจะมีนาฬิกาอะตอม (Atomic Clock) ติดตั้งอยู่ถึง 4 เครื่อง ซึ่งให้เวลาที่ตรงและถูกต้องมาก
• มีระนาบของวงโคจร 6 ระนาบ แต่ละระนาบมีดาวเทียม 4 ดวง และเอียงทำมุมกับเส้นศูนย์สูตร (Equator) เป็นมุม 55 องศา

โครงสร้างของวงโคจร (Constellation) ในลักษณะนี้ทำให้มีดาวเทียมจำนวน 5-8 ดวง ที่เครื่องรับสัญญาณ GPS สามารถรับสัญญาณได้ ณ ตำแหน่งหนึ่งตำแหน่งใดได้ตลอดเวลา และดาวเทียม GPS จะมีแผงเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar cell panels) โดยปกติจะพยายามหมุนตัวให้สามารถรับพลังงานแสงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุด

ดังนั้นตัวดาวเทียมจึงมีการหมุนปรับตัวตลอดเวลาโดยให้ปีกเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ตั้งฉากกับตำแหน่งของดวงอาทิตย์ในตัวดาวเทียมยังบรรจุแบตเตอรี่สำหรับให้พลังงานเมื่อดาวเทียม GPS เคลื่อนตัวอยู่ภายในเงาโลกตลอดเวลา

ตำแหน่งของดาวเทียมจะถูกคำนวณให้เครื่องรับสัญญาณหาตำแหน่งของผู้ใช้ที่สามารถรับข้อมูลได้ 50 bps ต่อเนื่องกัน วงโคจรของดาวเทียมแต่ละดวงต่อระยะเวลา 1 ชั่วโมง โดยการตั้ง Element การโคจรที่ 15 Keplerian พร้อมทั้งค่าสัมประสิทธิ์ฮาร์โมนิค เพิ่มขึ้นจากการรบกวนและแก้ไขทุก ๆ 4ชั่วโมง

ส่วนของผู้ใช้งาน (User Segment)

ประกอบด้วย 2 ส่วนใหญ่ ๆ คือ ส่วนที่เกี่ยวข้องกับทางทหาร (Military) และทางพลเรือน (Civilian) ซึ่งทางพลเรือนจะได้รับสัญญาณฟรีแต่ผู้ใช้จะต้องรับผิดชอบหาซื้อจานรับ (Antenna) และเครื่องรับ (Receiver) ด้วยตนเอง นโยบายการให้บริการข้อมูล GPS ของรัฐบาลสหรัฐฯ มีดังนี้

• Precise Positioning Services : PPS ใช้ในการทางทหารเป็นหลัก ข้อมูลที่ใช้จะมีการเข้ารหัส เฉพาะผู้ที่มีเครื่องถอดรหัสจึงจะสามารถใช้งานได้ ความถูกต้องของพิกัด คือ 22 เมตรในแนวราบ 27.7 เมตร ในแนวดิ่ง และ 200 nanosecond (UTC)
• Standard Positioning Services : SPS ใช้ในการพลเรือนเป็นหลัก ความถูกต้องลดลงเนื่องจาก Selective Availability (SA) ความถูกต้องของพิกัดคือ 100 เมตรในแนวราบ 156 เมตรในแนวดิ่ง และ 340 nanosecond (UTC)

‍