ก่อนที่จะมีระบบ GPS เรายังไม่เคยมีเครื่องมือที่นำมาใช้บอกตำแหน่งและทิศทางที่สมบูรณ์เลย สิ่งที่มนุษย์เราต้องใช้ตั้งแต่เริ่มเดินทางรอบโลกจะมีก็เพียงแต่เข็มทิศเท่านั้นที่ใช้บอกทิศทาง วิธีสังเกตจากดวงดาว ซึ่งใช้การได้ดีเพราะดาวอยู่ห่างจากโลกเรามาก แต่การวัดดาวทำได้เฉพาะตอนกลางคืนและต้องเป็นคืนที่ท้องฟ้าแจ่มใส เครื่องมือที่ทันสมัยในยุคอิเลคทรอนิคส์ ซึ่งมนุษย์ได้สร้างขึ้นสำหรับการเดินเรือแบบใหม่ชื่อระบบ LORAN ที่ใช้คลื่นวิทยุซึ่งติดตั้งตามพื้นที่ส่วนต่าง ๆ ต่อมาใช้ดาวเทียมเหมือนระบบ GPS คือ ระบบที่เรียกว่า "TRANSIT SYSTEM" หรือ "SATNAV" ทั้งสองระบบที่กล่าวมาข้างต้น ปัจจุบันได้ยกเลิกการใช้งานแล้วเนื่องจากมีข้อบกพร่องในการบอกตำแหน่ง ในส่วนของระบบ LORAN นั้นสามารถที่จะบอกตำแหน่งได้เพียงบริเวณหนึ่งๆเท่านั้นไม่สามารถที่จะทำการบอกตำแหน่งได้ครอบคลุมทั้งหมด ส่วนระบบ TRANSIT นั้น สามารถที่จะบอกตำแหน่งครอบคลุมพื้นที่ได้มากกว่า แต่ก็มีข้อบกพร่อง คือ วงโคจรดาวเทียมของระบบอยู่ในระดับต่ำและมีจำนวนน้อยเกินไป และเนื่องจากระบบ TRANSIT ใช้วิธีการวัดคลื่นแบบDoppler ซึ่งถ้ามีการเคลื่อนไหวเครื่องรับสัญญาณเพียงเล็กน้อยก็จะเกิดความคลาดเคลื่อนในการบอกตำแหน่งไปได้มาก
วิวัฒนาการของ GPS
In 1972, the US Air Force Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman AFB) conducted developmental flight tests of two prototype GPS receivers over White Sands Missile Range, using ground-based pseudo-satellites.
In 1978 the first experimental Block-I GPS satellite was launched.
In 1983, after Soviet interceptor aircraft shot down the civilian airliner KAL 007 that strayed into restricted Soviet airspace due to navigational errors, killing all 269 people on board, U.S. President Ronald Reagan announced that the GPS would be made available for civilian uses once it was completed.
In 1989, the first modern Block-II satellite was launched.
In 1996, recognizing the importance of GPS to civilian users as well as military users, U.S. President Bill Clinton issued a policy directive declaring GPS to be a dual-use system and establishing an Interagency GPS Executive Board to manage it as a national asset.
On May 2, 2000 "Selective Availability" was discontinued as a result of the 1996 executive order, allowing users to receive a non-degraded signal globally.
In 2004, the United States Government signed a historic agreement with the European Community establishing cooperation related to GPS and Europe's planned Galileo system.
In 2004, U.S. President George W. Bush updated the national policy, replacing the executive board with the National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Executive Committee.
November 2004, QUALCOMM announced successful tests of Assisted-GPS for mobile phones.
In 2005, the first modernized GPS satellite was launched and began transmitting a second civilian signal (L2C) for enhanced user performance.
ส่วนประกอบของระบบ GPS
- ส่วนอวกาศ Space Segment (SS)
- ส่วนควบคุม Control Segment (CS)
- ส่วนผู้ใช้ User Segment (US)
วงโคจรของดาวเทียม GPS
- ลักษณะของวงโคจรของดาวเทียมจีพีเอสมีลักษณะแบบ Non-Geostationary orbit
- จำนวน 6 วงโคจร แต่ละวงประกอบด้วยดาวเทียม อย่างน้อยจำนวน 4 ดวง
- โคจรเอียงทำมุม 55 องศา กับเส้นศูนย์สูตร
- โคจรรอบโลกสูงจากพื้นผิวโลก เป็นระยะทาง 20,200 กม.โดยประมาณ
ซึ่งลักษณะของวงโคจรถูกออกแบบมาให้ทุกพื้นที่บนโลกสามารถมองเห็นดาวเทียม ได้อย่างน้อย 4 ดวง
ภาคพื้นดินสถานีควบคุม (Control Station Segment)
ส่วนนี้จะคอยควบคุมสั่งการและดูแลดาวเทียม ตรวจตราความเรียบร้อยของระบบ ส่งค่าการแก้ไขปรับแต่งต่างๆเช่น ข้อมูลวงโคจร ข้อมูลเวลา
- สถานีสังเกตการณ์ (Monitor Station) จำนวน 5 แห่ง กระจายอยู่ตามจุดต่างๆ ของโลก ได้แก่ Hawaii , Kwajalein , Ascension Island , Diego Garcia และ Colorado Spring
- จานส่งสัญญาณภาคพื้นดิน (Ground Antennas) ซึ่งมีอยู่ด้วยกัน 3 จุด ได้แก่ Ascension Island , Diego Garcia , Kwajalein
- ศูนย์บัญชาการ (Master Control Station(MCS)) ตั้งอยู่ฐานทัพอากาศสหรัฐฯ Schriever AFB รัฐ Colorado
ประเภทเครื่องรับสัญญาณ GPS
สามารถแบ่งได้ 2 ประเภท
- เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบนำหน
- เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบรังวัด
- เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบนำหน ( Navigation Receiver) รับสัญญาณที่เป็นคลื่นวิทยุจากดาวเทียม ในขณะเดียวกันก็สร้างรหัส C/A (Coarse/Acquisition) ขึ้นมาเปรียบเทียบกับรหัสที่ถอดได้จากสัญญาณ เมื่อเปรียบเทียบได้รหัสที่ตรงกันจะทำให้รู้เวลาที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางจากดาวเทียมมายังเครื่องรับ ในการหาตำแหน่ง ( แบบ 3มิติ) ต้องวัดระยะทางไปยังดาวเทียมพร้อมกัน 4 ดวง หากจำนวนดาวเทียมน้อยกว่า 3 ดวง ค่าตำแหน่งที่ได้จะไม่มีความน่าเชื่อถือและในกรณีที่มีดาวเทียมอยู่ในท้องฟ้ามากกว่า 4 ดวง เครื่องรับจะเลือกดาวเทียม 4 ดวง ที่มีรูปลักษณ์เชิงเรขาคณิตที่ดีที่สุด หรือมีค่า PDOP ต่ำที่สุดมาใช้ในการคำนวณตำแหน่งของเครื่องรับ
- เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบรังวัด
- การทำงานของเครื่องรับแบบรังวัดมีหลักการสำคัญ 3 ประการ
(1) การใช้คลื่นส่งวัดระยะแทนการใช้รหัส C/A วัดระยะ ทำให้การวัดระยะมีความถูกต้องมากขึ้นเป็นพันเท่า
(2) การใช้วิธีการวัดแบบสัมพัทธ์เป็นวิธีการขจัดความคลาดเคลื่อนแบบมีระบบ (Systematic Errors) ที่อยู่ในข้อมูลหรือที่เกิดขึ้นในการวัดระยะทางให้หมดไปหรือลดน้อยลงได้ ด้วยเหตุนี้ความคลาดเคลื่อนทางตำแหน่งจึงลดลง
(3) การวัดระยะด้วยคลื่นส่ง เครื่องรับสัญญาณวัดระยะระหว่างเครื่องรับกับดาวเทียมได้เพียงบางส่วนเท่านั้น จำเป็นต้องอาศัยการประมวลผลช่วยหาระยะที่ขาดหายไป
- วิธีการทำงานคือ นำเครื่องรับแบบรังวัดไปวางที่หมุดที่ต้องการหาตำแหน่งเปรียบเทียบกันเป็นเวลาตั้งแต่ 30 นาทีขึ้นไป จากนั้นนำข้อมูลที่ได้จากการรับสัญญาณมาประมวลผลได้เป็น เส้นฐาน และนำข้อมูลดังกล่าว มาประมวลผลร่วมกับข้อมูลที่ได้จากการรังวัดตำแหน่งอื่นๆ ที่ต้องการทราบค่าเพื่อหาค่าพิกัดที่ถูกต้องของตำแหน่งนั้น การทำงานรังวัด
หลักในการบอกตำแหน่ง GPS
การทำงาน GPS แบ่งออกได้เป็น 5 ขั้นตอน คือ
- การรับสัญญาณจากดาวเทียมโดยหลักการรูปสามเหลี่ยมระหว่างดาวเทียมกับเครื่องรับ
- GPS วัดระยะโดยใช้เวลาเดินทางของคลื่นวิทยุ
- ในดาวเทียมและเครื่องรับจำเป็นจะต้องมีนาฬิกาที่ละเอียดสูงมาก
- นอกจากระยะทางแล้วจะต้องทราบตำแหน่งของดาวเทียมที่อยู่ในอวกาศด้วย
- ในชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) และชั้นบรรยากาศโลก (Atmosphere) ความเร็วคลื่นวิทยุเดินทางได้ช้าลง จึงต้องทำการแก้ไขจุดนี้ด้วย
หลักในการบอกตำแหน่ง GPS
- การรับเอาสัญญาณจากดาวเทียมจีพีเอสอย่างน้อย 4 ดวง
- สัญญาณที่รับมานี้จะทำให้ทราบข้อมูลที่สำคัญต่อการคำนวณตำแหน่งของเครื่องรับสัญญาณ คือตำแหน่งของดาวเทียมแต่ละดวง และเวลาที่สัญญาณเดินทางมาถึง
- ซึ่งจะทำให้ทราบระยะทางจากดาวเทียมถึงเครื่องรับจีพีเอส โดยการนำเอาเวลาที่ได้หลังจากตัดความคลาดเคลื่อนของเวลา มาคูณกับความเร็วแสง
- ระยะทางที่ได้นี้คือ Pseudorange มาทำการแก้สมการเพื่อหาค่าที่ไม่ทราบค่า จากสมการ
ความคลาดเคลื่อนของระบบ GPS
ค่าความผิดพลาดในการหาตำแหน่งมีอยู่ 2 ประเภท คือ
- Correctable Error แก้ไขได้ จะเป็นค่าความผิดพลาดที่เกิดขั้นเหมือน ๆ กันกับเครื่องรับ GPS ทุกเครื่องที่อยู่ในบริเวณเดียวกัน
- Non-Correctable Error แก้ไขไม่ได้ จะเป็นค่าความผิดพลาดแบบที่ไม่มีความสัมพันธ์กันเลย ในระหว่างเครื่องรับทุกเครื่องที่อยู่ในบริเวณเดียวกัน
ระบบติดตมด้วยดาวเทียมอื่น ๆ
Beidou – China's regional system that China has proposed to expand into a global system named COMPASS.
Galileo – a proposed global system being developed by the European Union, joined by China, Israel, India, Morocco, Saudi Arabia, South Korea, and Ukraine, planned to be operational by 2011–12.
GLONASS – Russia's global system which is being restored to full availability in partnership with India.
Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) – India's proposed regional system.
QZSS – Japanese proposed regional system, adding better coverage to the Japanese Islands.
บทความ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น