GPS

ความหมายและส่วนประกอบของ GPS

GPS (Global Positioning System) คือระบบบอกตำแหน่งพิกัด บนพื้นโลก โดยรัฐบาลสหรัฐอเมริกานำมาใช้งานในทางทหาร เพื่อการคำนวณค่าตำแหน่งพิกัดรวมทั้ง GPS ยังสามารถนำมาใช้งานในทางพาณิชย์ เพื่อการนำทาง หรือเพื่อการสำรวจการทำเหมืองแร่ และป่าไม้ ซึ่งระบบ GPS ประกอบไปด้วย 3 ส่วนหลัก คือ

          1. ภาคอวกาศ (Space Segment) ประกอบด้วย กลุ่มของดาวเทียม 3 ค่าย คือ อเมริกา รัสเซีย ยุโรป GPS ที่โคจรรอบโลก สองรอบใน 1 วัน ซึ่งจะส่งสัญญาณเวลา ที่มีความแม่นยำสูง และข้อมูลที่สำคัญอื่นๆ ที่จะใช้ในการคำนวณ ตำแหน่งพิกัด ไปยังทุกจุดบนพื้นโลก ตลอด 24 ชั่วโมง

          2. ภาคพื้นโลก (Ground Segment) ประกอบด้วย กลุ่มของสถานีควบคุมดาวเทียม ทำหน้าที่ควบคุม วงโคจรดาวเทียม   คำนวณวงโคจรและตำแหน่งดาวเทียม ตรวจวัดความผิดพลาดของวงโคจร ปรับแก้ความถูกต้อง ของสัญญาณเวลา นำข้อมูลทั้งหมดมาปรับแก้ ก่อนส่งข้อมูลที่ถูกต้อง ขึ้นไปที่ดาวเทียม เพื่อส่งสัญญาณลงมายังผู้ใช้ ทั่วโลก และยังมีศูนย์ควบคุมย่อยอีก 5 จุดกระจายไปยังภูมิภาคต่างๆ ทั่วโลก   

          3. ภาคผู้ใช้ (Users Segment) ประกอบด้วย ผู้ใช้งาน และ เครื่องบอกตำแหน่งพิกัด ซึ่งก็คือ เครื่องรับสัญญาณGPS (GPS Receiver) ที่รับข้อมูล ต่างๆ จากดาวเทียมแล้วนำมาคำนวณและประมวลผลให้เหมาะสมกับการใช้งาน และหาตำแหน่งพิกัดของเครื่อง

ส่วนผู้ใช้งาน ผู้ใช้งานต้องมีเครื่องรับสัญญาณที่สามารถรับคลื่นและแปรรหัสจากดาวเทียมเพื่อนำมาประมวลผลให้เหมาะสมกับการใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ

ส่วนประกอบของเครื่องรับสัญญาญาณดาวเทียม  GPS

โดยทั่วไปเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม  (Receiver)  ประกอบด้วย  3  ส่วนคือ
1.  ตัวเครื่อง  (Body)
2.  ส่วนให้พลังงาน  (Power  Supply)
3.  ส่วนเสาอากาศ  (Antenna)

ประเภทเครื่องรับสัญญาณ  GPS    เครื่องรับสัญญาณ  GPS  แบ่งออกได้เป็น  2  กลุ่ม
    1.  เครื่องรับแบบเรียงลำดับสัญญาณดาวเทียม ได้แก่

1.1  Starved-Power  Single  Receivers  เครื่องแบบนี้ออกแบบให้พกพาได้และสามารถ ทำงานได้ด้วยถ่านไฟฉายขนาดเล็ก  การจำกัดการใช้กระแสไฟโดยให้ปิดการทำงานตัวเองโดยอัตโนมัติ  เมื่อแสดงตำแหน่งครั้งสองครั้งใน  1  นาที เหมาะสำหรับใช้งานบอกตำแหน่งส่วนตัว ข้อเสีย  คือ  ความถูกต้องของ  GPS  ไม่ดี  และต่อเชื่อมกับอุปกรณ์อื่นไม่ได้  และไม่สามารถใช้วัดหาความเร็วได้

1.2  Single  Channel  Receivers  เป็นเครื่องรับสัญญาณห้องเดียวใช้ทำงานหาระยะจากดาวเทียมทุกดวง  แต่ที่ไม่เหมือนคือเครื่องรับช่องเดียวแบบมาตรฐานไม่จำกัดที่กำลังไฟ  ดังนั้น จึงทำการรับต่อเนื่องได้  มีผลทำให้ความถูกต้องสูงกว่า  และใช้วัดหาความเร็วได้

1.3  Fast-Multiplexing  Single  Receivers  เครื่องรับนี้สามารถเปลี่ยนดาวเทียมได้เร็วกว่ามาก  ข้อดีคือ  สามารถทำการวัดได้ในขณะที่กำลังรับข้อมูลจากดาวเทียม  ดังนั้นเครื่องทำงานได้อย่างต่อเนื่อง  และการที่มีนาฬิกาไม่เที่ยงจึงมีผลต่อเครื่องประเภทนี้น้อย

1.4  Two-Channel  Sequencing  Receivers  การเพิ่มช่องรับสัญญาณขึ้นอีกหนึ่งช่องช่วยให้เครื่องเพิ่มขีดความสามารถขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
    2.  Continuous  Receivers  ได้แก่  เครื่องรับที่สามารถรับสัญญาณดาวเทียมพร้อมกันได้ตั้งแต่  4  ดวงขึ้นไป  และสามารถแสดงผลค่าตำแหน่งและความเร็วได้ทันทีหรือต้องการ                 ความถูกต้องสูงนอกจากข้อดีที่ใช้วัดตำแหน่งอย่างต่อเนื่อง

หลักการทำงานของ  GPS

หลักการพื้นฐานของ  GPS  เป็นเรื่องง่ายๆ  แต่อุปกรณ์ของเครื่องมือถูกสร้างขึ้นด้วยวิทยาการขั้นสูง  การทำงาน GPS  คือ

1.  จะอาศัยหลักพื้นฐานของ  GPS  :  Satellites  Triangulation
                     หลักการ  :  อาศัยตำแหน่งของดาวเทียมในอวกาศเป็นจุดอ้างอิง  แล้ววัดระยะจากดาวเทียม  4  ดวง  และใช้หลักการทางเรขาคณิตในการคำนวณหาตำแหน่งบนพื้นโลก

2.  วัดระยะทางระหว่างเครื่องรับ  GPS  กับดาวเทียม  GPS  โดยการวัดระยะเวลา               ที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางจาก  ดาวเทียมสู่เครื่องรับใช้เวลาเดินทางของคลื่นวิทยุ

สูตร  :  ระยะทาง  =  ความเร็ว  *  เวลาที่ใช้เดินทาง
คลื่นวิทยุ  :  ความเร็ว  =  186,000  ไมล์ต่อนาที

การวัดระยะเวลาในการเดินทาง  คือ  โดยการเทียบกันของคลื่นสัญญาณที่ดาวเทียมส่งมากับคลื่นสัญญาณที่เครื่องรับ  GPS ส่งมา  ส่วนคลื่นที่ใช้ในการส่งจะเป็น  Pseudo  Random          Noise  Code

3.  การวัดระยะเวลาที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางของ  GPS  จะต้องใช้นาฬิกาที่          แม่นยำมาก  ถ้า  PRN  CODE จากดาวเทียมมีข้อมูลเวลาที่คลื่นเริ่มออกเดินทางจากดาวเทียมเมื่อคลื่นสัญญาณจากดาวเทียมและคลื่นสัญญาณจากเครื่องรับ GPS  สมวารกัน  (Synchronize)             และจะต้องใช้  Atomic  Clock  ในการวัดเวลา  ส่วนเวลาที่ใช้ในการเดินทางจะสั้นมากประมาณ            0.06  วินาที  คือเวลาของเครื่องรับ  GPS  *  เวลาของดาวเทียม  ส่วนการบอกตำแหน่ง  GPS            ยังเป็นเวลาที่มีความแน่นอนถึง  10  นาโนวินาทีหรือดีกว่า

4.  ต้องรู้ตำแหน่งของดาวเทียม  GPS  ที่แน่นอนในอวกาศ

-  วงโคจรสูงมากประมาณ  11,000  ไมล์
-  วงโคจรอาจคลาดเคลื่อน  (Ephemeris  Errors)  เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของ

ดวงจันทร์และดวงอาทิตย์

        -  สถานีควบคุมจะใช้เรดาร์ตรวจสอบการโคจรของดาวเทียม  GPS  ตลอดเวลาแล้วส่ง

ข้อมูลไปปรับแก้ข้อมูลวงโคจรและเวลาของดาวเทียม  เมื่อข้อมูลได้รับการปรับแก้แล้วจะถูกส่งมายังเครื่องรับ GPS

                5.  ต้องแก้ไขความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการเดินทางของคลื่นวิทยุมาสู่โลกสาเหตุที่ของความคลาดเคลื่อน  (GPS  Errors)  ของค่าพิกัดที่คำนวณได้

        -  เกิดจากการเดินทางสู่ชั้นบรรยากาศ  Ionosphere  จะมีประจุไฟฟ้า  และชั้น

Troposphere  จะมีทั้งความชื้น อุณหภูมิ ความหนาแน่นที่แปรเปลี่ยนได้ตลอดเวลาใน
                        -  การสะท้อนของคลื่นสัญญาณไปในหลายทิศทาง  (Multipath  Error)  ซึ่งที่ผิวโลกคลื่นสัญญาณต้องกระทบกับวัตถุ  ก่อนถึงเครื่องรับ  GPS  จะทำให้มีการหักเหและสัญญาณจะอ่อน

                        -  ปัญหาที่เกิดจากดาวเทียม  (Check error,  Ephemeris  error)  อาจเกิดจากวงโคจรคลาดเคลื่อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์หรืออาจจะเกิดจากความคลาดเคลื่อนของนาฬิกาเพียงเล็กน้อยจะทำให้การคำนวณระยะทางผิดพลาดได้มากเนื่องจากดาวเทียมอยู่สูงมาก

                     -  ความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างตำแหน่งของดาวเทียมและตำแหน่งของเครื่องรับ GPS  ซึ่งจะคำนวณเป็นค่า  GDOP  =  Geometic  Dlution  of  recision  ซึ่งเนื่องจากลักษณะการวางตัวของดาวเทียม  และ  GDOP  มีส่วนประกอบคือ

                     -  อาจจะเกิดจากความผิดพลาดอื่นๆเช่น  ความผิดพลาดของคอมพิวเตอร์  หรือมนุษย์ที่ควบคุมสถานี  1  เมตร  ถึง 100  เมตร  ซึ่งผิดพลาดได้มาก  หรือความผิดพลาดของเครื่องรับ GPS,  Software,  Hardware,  ผู้ใช้  ซึ่งความผิดพลาดนี้ไม่แน่นอน

ข้อดีของระบบ  GPS

·       รู้ทุกเส้นทางที่รถไปมา  รวมถึง  วัน  เวลา  ความเร็ว  ทิศทาง  ระยะทางทั้งหมด

·       ใช้ได้ทั้งการคมนาคมทั้งทางบก  ทางน้ำ  หรือในอวกาศ

·       ประหยัดรายจ่ายและค่าน้ำมัน  เพิ่มเที่ยวขนส่งงานโดยไม่เพิ่มจำนวนรถ

·       ไม่มีค่าใช่จ่ายรายเดือน

·       ไม่มีค่าใช้จ่ายอื่นๆอีกเลย  ในการใช้งาน  และสามารถบันทึกข้อมูลได้สูงสุดถึง 13,000 ครั้งต่อวัน  (ซึ่งระบบReal-Time ทำไม่ได้)

·       เป็นเครื่องมือช่วยในการตัดสินใจได้ดี  ประโยชน์ที่ได้รับจากระบบติดตามยานพาหนะ     BG-FLEET Management

ข้อเสียของระบบ  GPS

·       เครื่องรับสัญญาณบางประเภทราคาแพง

·       รางถ่านบางประเภทอาจมีปัญหา  ถ้านำไปขี่จักรยานอาจจะดับได้ง่ายๆ  แต่สามารถแก้ไขได้โดยการโมรางถ่านนิดหน่อย

·       อาจเกิดปัญหาที่เกิดจากดาวเทียม  (Check error,  Ephemeris error)  อาจเกิดจาก           วงโคจรคลาดเคลื่อน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์หรืออาจจะเกิดจากความคลาดเคลื่อนของนาฬิกาเพียงเล็กน้อยจะทำให้การคำนวณระยะทางผิดพลาด              ได้มากเนื่องจากดาวเทียมอยู่สูงมาก

·       การต่อเชื่อมกับอุปกรณ์อื่นและความสะดวกบางเครื่องแสดงได้เฉพาะพิกัดภูมิศาสตร์           บางเครื่องไม่สามารถต่อเข้ากับเครื่องมืออื่นหรือคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก  (PC)  ได้        

        และข้อใหญ่ที่ต้องพิจารณา ความแข็งแรงทนทานถ้าต้องใช้เครื่องทำงานในพื้นที่ทะเล 

        หรือในพื้นที่ป่าเขา  การใช้ไฟและความร้อนที่เกิดขึ้นเป็นตัวชี้สำคัญที่จะต้องเอาใจใส่

ประโยชน์  และการนำไปประยุกต์งานเชิงสร้างสรรค์

ด้วยความสามารถของ  GPS  ทำให้เราสามารถนำข้อมูลตำแหน่งมาใช้ประโยชน์ได้มากมาย  ตัวอย่างเช่น

1.       Mobile  Telecommunications  เช่น  บอกตำแหน่งของคู่สนทนา  การหาตำแหน่งที่เราอยู่(ในกรณีที่เราหลงทาง)  เป็นต้น     

2.       การเดินเรือ  เช่น  บอกตำแหน่งของผู้บุกรุกน่านน้ำของประเทศใดๆ  เพื่อที่จะทำการสกัดจับได้ทันท่วงที่ บอกตำแหน่งของสัตว์ที่เราต้องการในบริเวณนั้นๆได้อย่างสะดวกและตรงตามที่ต้องการเพื่อประหยัดเวลาและค่าใช้จ่าย  เป็นต้น 

3.       การคมนาคมในอวกาศ  (Space  navigation)  เช่น  การบอกตำแหน่งที่อยู่ของอุกกาบาต  ที่อยู่ในระยะที่เป็นอันตรายต่อโลก  เพื่อเป็นการเตรียมพร้อมที่จะรับมือกับอันตรายที่จะเกิดขึ้น  บอกตำแหน่งของ  UFO  หรือวัตถุแปลกปลอมที่จะเข้ามาบุกรุกและทำลายล้างมวลมนุษยชาติ  เป็นต้น

4.       การเชื่อมโยงกับระบบการสื่อสาร  (Position  and  Telecommunication)  เช่น  บอกตำแหน่งของสิ่งที่เราอยากรู้ทุกอย่างที่อยู่บนโลกนี้โดยผ่านทางระบบเครือข่ายอินเทอร์เน็ตหรือผ่านทางโทรศัพท์มือถือซึ่งสามารถใช้ได้ทุกที่ทุกเวลา  เป็นต้น    

5.       การหาตำแหน่งหรือติดตามยานพาหนะที่เคลื่อนที่  (Automatic  Vehicle  Location)  เช่น  บอกตำแหน่งของยี่ห้อ  รุ่น  และสีของรถที่วิ่งอยู่บนถนนได้  เพื่อช่วยในการตามหารถที่ถูกขโมยมาหรือจะตามรถที่มีการกระทำความผิดแล้วหลบหนีการจับกุม  เป็นต้น    

6.       การสร้างแผนที่  (Mapping)  เช่น  บอกตำแหน่งของขุมทรัพย์ของโจรสลัด  สร้างแผนที่การจราจรทางอากาศ การสร้างแผนที่การจราจรทางน้ำ  สร้างแผนที่การวางไข่ของสัตว์น้ำ  สร้างแผนที่การอพยพของนก  เป็นต้น       

7.       การวางแผนในการสำรวจเบื้องต้น  (Survey)  เช่น  การบอกตำแหน่งของสิ่งที่เราต้องการสำรวจ  เช่น  ทอง น้ำมันกลางอ่าวไทย  ฯลฯ    

8.       สิ่งแวดล้อม  (Environment)  เช่น  บอกตำแหน่งที่เกิดไฟไหม้ป่า  ตำแหน่งที่มีการตัดไม้ทำลายป่า  บอกตำแหน่งของสัตว์ป่าที่หายากและใกล้สูญพันธุ์  เป็นต้น

9.       บอกตำแหน่งของสิ่งของมีค่าที่เราทำหายไปได้  โดยที่เราสมารถระบุลักษณะของสิ่งของสิ่งนั้นได้  ว่าสิ่งของที่ต้องการให้หานั้นมีลักษณะอย่างไร  แล้วเครื่องนี้ก็สามารที่จะค้นหาให้เราได้อย่างถูกต้องและตรงกับความต้องการ  แต้ต้องมีระบุสถานที่ที่เราทำของหายได้อย่างถูกต้อง

10.    บอกตำแหน่งของสิ่งมีชีวิตหรือสิ่งที่ไม่มีชีวิตที่เราไม่สามารถมองเห็นได้  แต่เราสามารถรับรู้ได้ด้วยความรู้สึก เช่น  การบอกตำแหน่งของวิญญาณหรือที่เราเรียกกันว่า  “ผี” ซึ่งเป็นพลังงานรูปหนึ่ง  เครื่องนี้จะทำหน้าที่บอกตำแหน่งของสิ่งที่เรามองไม่เห็น  แล้วเราก็ใช้กล้องหรืออุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์พิสูจน์ว่าผีมีจริงหรือไม่