ศูนย์รวมความรู้

กระทรวงเทคโนโลยี
สารสนเทศและการสื่อสาร

รายละเอียดแนวทางการพัฒนากิจการอวกาศ
ของประเทศไทย
 


หน่วยงานในสังกัดกระทรวงไอซีที












<< เชื่อมโยงเว็บไซต์ >>

  หน้าหลัก \ ศูนย์รวมความรู้

    ศูนย์รวมความรู้

โดย สมภพ ภูริวิกรัยพงศ์
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร 51 ถนนเชื่อมสัมพันธ์ เขตหนองจอก กรุงเทพ 10530
โทร 02-988-3655, 02-988-3666 โทรสาร 02-988-4040 E-mail: [email protected]


ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

เราทราบกันดีว่า วัฏจักรสุริยะ (solar cycle) เกิดขึ้นทุกๆ 11 ปี ทั้งนี้จะมีกิจกรรมต่างๆ เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ อาทิ การปะทุใหญ่หรือที่เรียกว่า "โซลาแฟลร์" ซึ่งจะทำให้เกิดพายุสุริยะที่กระจายอนุภาคพลังงานสูงสู่ห้วงอวกาศ ทั้งนี้ ณ เวลาปัจจุบัน เรากำลังเข้าสู่วัฏจักรสุริยะรอบที่ 24 ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

โซลาแฟลร์นั้นเริ่มต้นจากการเกิดจุดดับจำนวนมากบนดวงอาทิตย์ ซึ่งจุดดับดังกล่าวเกิดจากความเร็วในการหมุนรอบตัวเอง ของดวงอาทิตย์ในแต่ละรอบมีค่าไม่เท่ากัน ส่งผลให้เส้นแรงแม่เหล็กรอบดวงอาทิตย์เกิดการพันกัน จนทำให้บริเวณหนึ่งๆ มีค่าความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กสูงมาก ซึ่งส่งผลให้ความเข้มของสนามแม่เหล็กในบริเวณดังกล่าวสูงตามไปด้วย ผลที่ตามมาคือสนามแม่เหล็กความเข้มสูงจะขวางการไหลเวียนของก๊าซความร้อน ณ บริเวณดังกล่าว ทำให้เกิดเป็นจุดดับบนดวงอาทิตย์ ซึ่งจุดดับเหล่านี้มีอุณหภูมิต่ำกว่าพื้นผิวดวงอาทิตย์ และผลของจุดดับที่เกิดขึ้นจำนวนมากบนดวงอาทิตย์ก็จะส่งผลทำให้เกิดโซลาแฟลร์ในท้ายที่สุด

วัฏจักรสุริยะรอบที่ 23-24 (ช่วงเวลาปัจจุบัน)
ภาพจาก http://wattsupwiththat.com/2009/01/15/sunspot-lapse-exceeds-95-of-normal/

จุดดับบนดวงอาทิตย์ในช่วงปี 2001 ที่มีกิจกรรมอย่างหนาแน่นบนดวงอาทิตย์
ภาพจาก http://web.me.com/uriarte/Earths_Climate/Sunspots_and_solar_cycles_files/sunspot032901.gif

ในช่วงเวลาที่เกิดกิจกรรมสูงสุดหรือเกิดจุดดับมากที่สุดบนดวงอาทิตย์ (solar maximum) อาทิ ปี 2001 (วัฏจักรสุริยะรอบที่ 23) ส่วนของรังสีอัลตราไวโอเลตไกล (FUV : far ultraviolet) ของสเปกตรัมแสงปรากฏขึ้นอย่างหนาแน่น และส่งผลให้ชั้นบรรยากาศของโลกเรานั้นมีชั้นความหนาเพิ่มขึ้นและภายในชั้นบรรยากาศเองก็มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นด้วย ทั้งนี้ผลจากการปะทุหรือโซลาแฟลร์ได้ปลดปล่อยพลาสมาปริมาณมากถึง 10 พันล้านตันที่ความเร็ว 1,000 ไมล์ต่อวินาทีโดยประมาณ นอกจากนี้ โซลาแฟลร์ยังสร้างอนุภาคพลังงานสูง อาทิ โฟนตรอนและรังสีเอ็กซ์ ซึ่งเคลื่อนที่มาถึงโลกของเราเกือบจะทันทีที่มันเกิดขึ้น

สำหรับอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงที่เกิดจากโซลาแฟลร์นั้น จะส่งผลทำให้เกิดคลื่นวิทยุตั้งแต่ย่านความถี่ HF (3 - 30 MHz) จนถึงย่านความถี่แถบ L (1 - 2 GHz) ที่มีความเข้มสูงมาก ทั้งนี้วงรอบจุดดับสูงสุด (หรืออีกนัยหนึ่งก็คือวัฏจักรสุริยะ) รอบต่อไปจะเกิดขึ้นในเดือนพฤษภาคม ปี 2013 นั้น จำนวนจุดดับอาจจะไม่มากเหมือนวงรอบอื่นๆ อย่างไรก็ตาม โซลาแฟลร์ที่รุนแรงนั้นมักจะเกิดขึ้นในวัฏจักรรอบที่มีจุดดับจำนวนต่ำกว่าค่าเฉลี่ย

จากข้อมูลข้างต้น จึงเป็นที่มาของการพยากรณ์ว่าวัฏจักรสุริยะรอบที่มาถึงจะทำให้เกิดพายุแม่เหล็ก (magnetic storms) พายุชั้นบรรยากาศ (ionospheric storms) ซึ่งจะรบกวนสัญญาณวิทยุที่ใช้กันอยู่บนพื้นโลกและในอวกาศ รวมไปถึงสัญญาณนำร่องของระบบจีพีเอสและจีเอ็นเอสเอส ซึ่งการรบกวนดังกล่าวจะมีผลทางเทคนิคโดยตรงกับโครงสร้างสัญญาณที่ได้ออกแบบไว้

พายุแม่เหล็ก (magnetic storms)
ภาพจาก http://www.space.noa.gr/~daglis/activities/storms99/img/Sun_Earth.jpg

ในบางกรณี การปะทุในย่านคลื่นวิทยุจะส่งผลรบกวนโดยตรงกับสัญญาณจีเอ็นเอสเอส แต่ในบางกรณีพายุแม่เหล็กและพายุชั้นบรรยากาศจะขัดขวางสัญญาณวิทยุที่แพร่กระจายออกจากดาวเทียม ทั้งนี้ภายใต้สภาพแวดล้อมดังกล่าวจะมีการทดสอบเป็นครั้งแรกในอนาคตอันใกล้นี้ โดยในช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีจุดดับมากที่สุดของวัฏจักรสุริยะรอบที่ผ่านมา (ปี 2001) ผู้ใช้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสเกิดความประหลาดใจที่เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสของพวกเขาทำงานผิดปกติ โดยเฉพาะเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสชนิดความแม่นยำสูงที่ใช้เทคนิคการตรวจวัดเฟสความแตกต่างของสัญญาณพาห์

สำหรับเทคโนโลยีจีเอ็นเอสเอสสำหรับผู้ใช้ทั่วไปๆ ในสหรัฐอเมริกาหรือในยุโรป จะสามารถทนต่อผลที่เกิดจากการปะทุบนดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นไม่กี่ครั้งในรอบปี แต่ในกรณีซินทิลเลชัน (scintillation) หรือความแปรผันของสัญญาณวิทยุในชั้นบรรยากาศนั้น ในอดีตยังไม่เป็นที่กังวลมากนัก แต่อย่างไรก็ตาม ผู้ใช้ก็ควรที่จะรับทราบผลของซินทิลเลชันที่มีต่อการทำงานของเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส

ทั้งนี้ในบทความนี้ เราจะสนใจในการแปรผันของสัญญาณวิทยุในชั้นบรรยากาศและมีวิธีเสนอแนะสำหรับการประเมินเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสก่อนที่ช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีจุดดับมากที่สุดของวัฏจักรสุริยะรอบใหม่ที่จะมาถึงในปี 2013

ผลของซินทิลเลชัน
ซินทิลเลชันในชั้นบรรยากาศซึ่งเกิดจากความผิดปกติในชั้นบรรยากาศจะส่งผลกระทบต่อสัญญาณจีพีเอสในสองทางได้แก่ การหักเห (refraction ) และ การกระจาย (diffraction) โดยผลกระทบทั้งคู่จะทำให้เกิดการหน่วงกลุ่ม (group delay) ของสัญญาณวิทยุในขณะที่เคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศ รวมไปถึงเฟสของสัญญาณวิทยุดังกล่าวก็จะเกิดการเลื่อนไป โดยมีผลมาจากสัญญาณวิทยุ (อาทิ จีพีเอส) เกิดการกระทบกับอิเล็กตรอนอิสระในชั้นบรรยากาศตลอดเส้นทางที่สัญญาณวิทยุดังกล่าวเคลื่อนที่ผ่านเข้าไป

ทั้งนี้จำนวนอิเล็กตรอนอิสระจะถูกอธิบายโดย TEC (total electron content ) ซึ่งมีนิยามว่าเป็นจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในพื้นที่ตัดขวางหนึ่งตารางเมตร โดยพิจารณาจากเส้นทางการเดินทางของสัญญาณวิทยุจากเครื่องรับไปยังดาวเทียม

ionospheric TEC
ภาพจาก http://iono.jpl.nasa.gov/images/gim_demo.gif

ในทางกายภาพแล้ว ผลคูณระหว่างความเร็วกลุ่ม (group velocity) และความเร็วเฟส (phase velocity) ของสัญญาณจีพีเอสจะมีค่าเท่ากับความเร็วแสงยกกำลังสอง ดังนั้น ถ้าค่า TEC เพิ่มขึ้น ค่าความเร็วกลุ่มจะช้าลงและความเร็วเฟสจะเพิ่มขึ้น เพื่อให้ผลคูณของค่าทั้งสองมีค่าคงที่

ทั้งนี้ความเร็วกลุ่มที่ช้าลงนี้จะทำให้เกิดความผิดพลาดในการวัดระยะ (ซึ่งเครื่องรับฯ จะนำค่าดังกล่าวไปคำนวณหาตำแหน่งของเครื่องรับฯ หรือตำแหน่งของผู้ใช้ต่อไป) ในขณะที่ความเร็วเฟสที่เพิ่มขึ้นนั้นจะส่งผลให้เกิดการเลื่อนของเฟสที่ไม่พึ่งประสงค์ ถ้าเฟสที่เลื่อนเกิดขึ้นเร็วอย่างรวดเร็วจะมีผลต่อการทำงานภายในเครื่องรับฯ ที่เกี่ยวข้องกับการติดตามสัญญาณดาวเทียม โดยเฉพาะกับส่วนที่เรียกว่า "เฟสล็อคลูป" ทั้งนี้การเปลี่ยนแปลงในการหน่วงกลุ่มและการเลื่อนของเฟสนั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่นของอิเล็กตรอนซึ่งล้วนเกิดจากการหักเหของสัญญาณ

สำหรับในกรณีของผลที่เกิดจากการกระจายของสัญญาณจะมีความซับซ้อนมากกว่ากรณีแรก (การหักเห) โดยเมื่อสัญญาณจีพีเอสเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศที่มีความผิดปกติ (อันเนื่องมาจากการโซลาแฟลร์) ชั้นบรรยากาศดังกล่าวจะมีผลให้สัญญาณจีพีเอสกระจัดกระจายออกเป็นคลื่นวิทยุหลายวิถี ทั้งนี้สัญญาณจีพีเอสแต่ละวิถีนั้นจะมีเฟสที่เปลี่ยนไปทำให้เกิดการกระเพื่อมในสัญญาณทั้งในส่วนของขนาดและเฟส

ผลกระทบที่เกิดจากทั้งการหักเหและการกระจายถูกเรียกว่า “ซินทิลเลชัน” หรือ ความแปรผันของสัญญาณวิทยุในชั้นบรรยากาศ ทั้งนี้ซินทิลเลชันแบบกระจายนั้นมีผลรุนแรงต่อเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส โดยจะทำให้กำลังไฟฟ้าของสัญญาณจีพีเอสตกลงเกิน 30 dB-Hz และเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเฟสอย่างรวดเร็ว

ใครที่ควรจะต้องกังวล ?
ในประเด็นเรื่องวัฏจักรสุริยะรอบใหม่ที่จะมาถึงในปี 2013 นั้น ผลกระทบที่เกิดขึ้นในแต่ละภูมิภาคอาจจะไม่เท่ากัน โดยอันเนื่องมาจากสภาวะภูมิอวกาศในแต่ละภูมิภาคที่มีความแตกต่างกัน ทั้งนี้ชั้นบรรยากาศที่หนาขึ้นและมีความหนาแน่นขึ้นนั้นจะทำให้สัญญาณวิทยุที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมไปถึงสัญญาณจีพีเอสเคลื่อนที่ช้าลงในทุกละติจูดที่เราพิจารณา

โดยที่ละติจูดสูง แสงเหนือ(ออโรลา) จะรบกวนสัญญาณจีพีเอส ส่วนละติจูดในเขตร้อนนั้น ชั้นบรรยากาศจะสร้างพายุของมันเอง ซึ่งในปัจจุบันชั้นบรรยากาศในบริเวณดังกล่าวมีความหนาแน่นสูงอยู่แล้ว และตัวชั้นบรรยากาศเองก็หนาเพิ่มขึ้นด้วย ส่วนบริเวณละติจูดกลางๆ นั้น ชั้นบรรยกาศจะถูกรบกวนโดยโซลาแฟลร์และพายุแม่เหล็ก ทั้งนี้พายุชั้นบรรยากาศมีผลกระทบอย่างน่าเป็นห่วงต่อสัญญาณจีพีเอส อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาสัญญาณดาวเทียมรวมไปถึงสัญญาณจีพีเอสในชั้นบรรยากาศมาเป็นเวลาร่วมสิบปีที่ผ่านมาแล้วนั้น ทำให้เราได้เห็นภาพที่ชัดเจนของภูมิอากาศในชั้นบรรยากาศ

รูปที่ 1 แผนที่ซินทิลเลชันแสดงความถี่ของการรบกวน ณ ช่วงเวลาที่มีกิจกรรมสูงสุดบนดวงอาทิตย์
ทั้งนี้ซินทิลเลชันที่รุนแรงจะปรากฏในบริเวณแถบสีแดงรอบๆ เส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก
โดยมีความถี่ประมาณ 100 วันต่อปี ส่วนบริเวณละติจูดจากขั้วโลกลงมา ความถี่ในการเกิดซินทิลเลชันจะน้อยลง
ส่วนที่บริเวณละติจูดกลางๆ ความถี่ของซินทิลเลชันประมาณ 10 วันต่อปี
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579#Baseband_Technologies_Inc_

จากรูปที่ 1 บริเวณที่สัญญาณดาวเทียมได้รับผลกระทบมากที่สุดจะเป็นบริเวณละติจูดกลางๆ ที่ซึ่งพายุชั้นบรรยากาศได้ก่อตัวขึ้นหลังจากดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าไปแล้วและจะเป็นอยู่อย่างนี้อีกหลายชั่วโมง แต่ในระหว่างกลางวัน ความร้อนจากดวงอาทิตย์จะทำให้ชั้นบรรยากาศเคลื่อนเข้าใกล้เส้นศูนย์สูตรและเคลื่อนตัวลงมาตามเส้นแรงสนามแม่เหล็กโลกเพื่อก่อตัวเป็นแถบชั้นที่มีความหนาแน่นสูง 2 แถบบนแต่ละด้านของเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กโลก (แถบสีแดง) ดังที่ในรูปที่ 1

เส้นแรงสนามแม่เหล็กโลก
ภาพจาก http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/images/28_03_Earth_magnetic_field.jpg

หลังจากที่ดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าไปแล้ว แม่เหล็กไฟฟ้าจะก่อตัวในรูปความไม่แน่นอนแบบเรย์ลี-เทย์เลอร์ โดยที่ชั้นบรรยกาศที่หนักนี้สามารถที่จะระเบิดพุ่งออกเป็นฟองได้อย่างทันทีทันใดในระยะหลายร้อยกิโลเมตร ซึ่งจะทำให้เกิดสัญญาณกระชากอย่างรุนแรง ณ ความเร็วหลายร้อยเมตรต่อวินาที และทิ้งให้ชั้นบรรยากาศเต็มไปด้วยความไม่ราบเรียบและไม่สม่ำเสมอ พฤติกรรมดังกล่าวเกิดขึ้นตามฤดูกาล โดยเกิดขึ้นอย่างรุนแรงที่อิเควน็อกซ์ แต่รูปแบบของมันจะแยกออกไปจากรูปแบบที่เกิดขึ้นในส่วนของทวีปอเมริกาใต้ที่ซึ่งเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กได้เบี่ยงออกไปจากเส้นศูนย์สูตรโลกอย่างชัดเจน ทั้งนี้รูปแบบที่เกิดขึ้นนี้สามารถถูกรบกวนได้โดยพายุแม่เหล็กซึ่งสามารถสร้างพายุชั้นบรรยากาศขึ้นในบริเวณเขตร้อนหลังจากเวลาเที่ยงคืน

จากการที่ชั้นบรรยากาศมีความหนาแน่นสูงและหนามาก โดยเฉพาะในบริเวณ 2 แถบสีแดงรอบเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก ดังแสดงในรูปที่ 1 ดังนั้นซินทิลเลชันในบริเวณดังกล่าวจะรุนแรงมาก

สำหรับบริเวณที่อยู่ในละติจูดสูง สิ่งที่รบกวนสัญญาณจีพีเอสจะเกิดขึ้นในระหว่างพายุแม่เหล็ก ซึ่งก้อนกลุ่มชั้นบรรยากาศของซีกกลางวันจะถูกกวาดข้ามขั้วโลกไปยังซีกด้านกลางคืน ทั้งนี้ในช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีจุดดับมากที่สุดของวัฏจักรสุริยะรอบที่ผ่านมา (ปี 2001) พายุแม่เหล็กทำให้ชั้นบรรยากาศหนามากในซีกกลางวันของสหรัฐอเมริกาและจากนั้นถูกพัดพาข้ามขั้วโลกเหนือไปยังยุโรป

การเกิดซินทิลเลชันของความถี่ย่าน L ในระหว่างมีกิจกรรมสูงสุดและต่ำสุดบนดวงอาทิตย์
ภาพจาก http://roma2.rm.ingv.it/en/themes/11/ionospheric_scintillation

ก้อนกลุ่มชั้นบรรยากาศที่ก่อตัวไม่สม่ำเสมอนี้จะทำให้สัญญาณจีพีเอสเกิดซินทิลเลชันและมีนัยสำคัญต่อผู้ใช้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่อยู่ในบริเวณละติจูดสูงๆ นอกจากนี้ออโรลา (แสงเหนือใต้) สามารถที่จะทำให้เฟสของสัญญาณจีพีเอสเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วหรือกระทั่งเกิดซินทิลเลชันแบบกระจาย

ออโรลา
ภาพจาก http://zuserver2.star.ucl.ac.uk/~idh/apod/image/0704/aurora1_wikipedia.jpg

ส่วนบริเวณที่อยู่ในละติจูดกลางๆ การรบกวนสัญญาณจีพีเอสจะเกิดขึ้นในระหว่างพายุแม่เหล็ก โดยเมื่อเกรเดียนต์ของชั้นบรรยากาศก่อตัวขึ้น ทั้งนี้เกรเดียนต์ดังกล่าวจะรบกวนระบบอ็อกเมนเทชัน (อาทิ เอสบาส และจีบาส) โดยตรง และในบางครั้งที่เกรเดียนต์ก่อตัวขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอนี้จะทำให้สัญญาณจีพีเอสเกิดซินทิลเลชันได้

จากช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีจุดดับมากที่สุดของวัฏจักรสุริยะรอบที่ผ่านมานั้น (ปี 2001) เราทราบเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับสิ่งที่จะมีผลต่อสัญญาณจีพีเอสและจีเอ็นเอสเอส อีกทั้งทรัพยากรณ์ที่ใช้ในการทำความเข้าใจซินทิลเลชันที่ละติจูดกลางๆ ก็มีไม่มาก แม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศในระดับที่ต่ำก็ตาม

ซินทิลเลชันคืออะไร ?
ซินทิลเลชันเป็นรูปแบบของคลื่นหลายวิถีในอวกาศ (space-based multipath) แทนที่คลื่นวิทยุจะสะท้อนจากพื้นผิวที่อยู่ใกล้ๆ และไปรวมกัน ณ สายอากาศ (กรณีการหักเห : refraction) ระนาบคลื่นวิทยุได้พุ่งเข้าชนกับก้อนกลุ่มชั้นบรรยากาศที่มีความไม่สม่ำเสมอ และจากนั้นเมื่อโผล่ออกมาจากพื้นผิวของชั้นบรรยากาศแล้ว ขนาดของสัญญาณมีค่าเกือบจะคงที่ แต่เฟสของระนาบคลื่นวิทยุมีการเปลี่ยนแปลง (กรณีการเลี้ยวเบน : diffraction) ทั้งนี้เฟสที่เปลี่ยนแปลงนี้จะขึ้นอยู่กับค่า TEC ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเส้นทางของสัญญาณต่างๆ

สัญญาณจีพีเอสเดินทางชั้นบรรยากาศและเกิดซินทิลเลชัน
ภาพจาก http://roma2.rm.ingv.it/en/themes/11/ionospheric_scintillation

รูปที่ 2 คลื่นวิทยุแพร่กระจายผ่านชั้นบรรยากาศ เส้นตามแนวราบแสดงถึงขนาดของสัญญาณคลื่นวิทยุ
จากความไม่สม่ำเสมอของชั้นบรรยากาศส่งผลให้เฟสของสัญญาณคลื่นวิทยุเลื่อนไป
และขนาดของสัญญาณถูกรบกวนในขณะที่คลื่นวิทยุแพร่กระจายผ่านไปยังส่วนล่างของชั้นบรรยากาศ
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

ชั้นบรรยากาศสามารถถูกพิจารณาว่าเป็นชั้นบางๆ (ที่ทำให้เฟสของคลื่นวิทยุมีการเปลี่ยนแปลง) ณ ความสูง 350 กิโลเมตร ในขณะที่สัญญาณจีพีเอสแพร่ผ่านความไม่สม่ำเสมอในชั้นบรรยากาศ สัญญาณจีพีเอสจะประสบกับ TEC ค่าต่างๆ ดังนั้นเมื่อคลื่นวิทยุโผล่ออกจากก้อนกลุ่มชั้นบรรยากาศที่มีความไม่สม่ำเสมอ เฟสของสัญญาณคลื่นจะมีการเปลี่ยนแปลง ณ จุดนี้ขนาดของสัญญาณจะยังไม่มีการเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ในขณะที่คลื่นวิทยุยังแพร่กระจายจากดาวเทียมอย่างต่อเนื่อง และเมื่อคลื่นวิทยุโผ่ลออกจาก ณ จุดต่างๆ ตามชั้นบรรยากาศส่วนล่าง สัญญาณดังกล่าวจะเริ่มรวมกันโดยขึ้นอยู่กับเฟสของสัญญาณ ในขณะที่ขนาดของสัญญาณอาจจะเพิ่มขึ้นหรือลดลง (เฟด) และเมื่อสัญญาณดังกล่าวเดินทางมาถึงผู้รับหรือเครื่องรับฯ บนพื้นโลก กำลังไฟฟ้าของสัญญาณอาจจะลดลงมากกว่า 30 เดซิเบล

การลดลงของกำลังไฟฟ้ามีคุณลักษณะที่เรียกว่า "ความยาวของเฟรสเนล" (Fresnel length) โดยมีค่าตามสมการ

... (1)

โดยที่
λ   ความยาวคลื่น อาทิ ความถี่ L1 ของสัญญาณจีพีเอสมีค่าความยาวคลื่นประมาณ 19 เซนติเมตร
d   ระยะระหว่างเครื่องรับสัญญาณไปยังก้อนกลุ่มที่ทำให้เกิดการกระจัดกระจาย

โดยทั่วไป ความยาวของเฟรสเนลสำหรับความถี่ L1 ของสัญญาณจีพีเอสมีค่า 400 เมตร แต่ค่าดังกล่าวจะเปลี่ยนไปตามมุมเงยและความสูงของก้อนกลุ่มที่ทำให้เกิดการกระจาย ทั้งนี้พฤติกรรมของซินทิลเลชันนั้นมาจากการเคลื่อนตัวของชั้นบรรยากาศ รวมไปถึงการเคลื่อนตัวของตำแหน่งที่สัญญาณจีพีเอสเคลื่อนผ่านชั้นบรรยากาศ และการเคลื่อนตัวของเครื่องรับฯ อย่างไรก็ตาม สำหรับพื้นที่ในเขตร้อนนั้นจะมีความเหมือนกันของการเกิดซินทิลเลชันซึ่งก็คือชั้นบรรยากาศจะเคลื่อนตัวจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกด้วยความเร็ว 100 เมตรต่อวินาที และ ตำแหน่งที่สัญญาณจีพีเอสเคลื่อนผ่านชั้นบรรยากาศก็มีการเคลื่อนตัวจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออกเช่นกันด้วยความเร็วประมาณ 10 – 20 เมตรต่อวินาที ทั้งนี้แต่ละพฤติกรรมดังกล่าวจะทำให้เกิดการเฟดของสัญญาณได้ โดยจะใช้เวลาประมาณครึ่งวินาที หรือ อาจจะมากกว่า 2 หรือ 3 วินาที

ในการเคลื่อนที่ของเครื่องรับฯ นั้นสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของผลลัพธ์ได้ โดยเฉพาะของความเร็วของเครื่องบิน (เครื่องรับสัญญาณติดตั้งบนเครื่องบิน) สำหรับพื้นที่ในเขตร้อนที่ซึ่งสนามแม่เหล็กเกือบจะอยู่ในแนวราบนั้น รูปแบบซินทิลเลชันจะขยายตัวออกไปในแนวทิศเหนือและทิศใต้

รูปที่ 3 อัตราส่วนระหว่างสัญญาณพาห์ต่อสัญญาณรบกวน (carrier to noise : C/No)
ในกรณีที่ไม่มีซินทิลเลชัน (สัญญาณจากดาวเทียมจีพีเอส PRN 7)
และกรณีที่มีซินทิลเลชัน (สัญญาณจากดาวเทียมจีพีเอส PRN 8)
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

จากรูปที่ 3 แสดงสัญญาณจากดาวเทียมจีพีเอสสองดวง (PRN 7 และ PRN 8) ที่บันทึกไว้ในเวลาเดียวกัน โดยสัญญาณที่แพร่โดยดาวเทียมจีพีเอส PRN 7 นั้นประสบกับซินทิลเลชันที่มีเฟดดิงมากกว่า 30 dB-Hz และสัญญาณที่แพร่โดยดาวเทียมจีพีเอส PRN 8 ที่ไม่ประสบกับซินทิลเลชัน ทั้งนี้ข้อมูลดังกล่าวบันทึกที่ประเทศบราซิลในระหว่างช่วงเวลาที่เกิดจุดดับบนดวงอาทิตย์มากที่สุดในรอบที่ผ่านมา

ทั้งนี้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสส่วนใหญ่ที่รับสัญญาณความถี่ L1 รหัส CA หรือเครื่องรับของพลเรือนที่สามารถรับสัญญาณความถี่ L2 รหัส P(Y) นั้นจะหยุดการติดตามสัญญาณดาวเทียม ถ้าค่า C/No ต่ำกว่า 25 dB-Hz หรือ 30 dB-Hz สำหรับสภาวะในรูปที่ 3 เครื่องรับฯ เหล่านี้ จะหยุดติดตามสัญญาณดาวเทียมเป็นเวลา 10 วินาที หรือนานมากกว่านั้น ทั้งนี้การเฟดดิงของขนาดสัญญาณในระหว่างที่มีซินทิลเลชันนั้น เฟสของสัญญาณก็จะมีการเปลี่ยนแปลงด้วย

รูปที่ 4 ตัวอย่างของเฟดลึก และความสัมพันธ์ระหว่างเฟดและสัญญาณเฟส โดย ณ จุดสูงสุดของเฟดนั้น
เกิดการกระโดดของเฟสครึ่งวงรอบ ซึ่งถูกเรียกว่า "canonical fades"
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

จากรูปที่ 4 แสดงตัวอย่างซอฟแวร์ของเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ตอบสนองต่อซินทิลเลชันที่รุนแรง โดยภาพได้ถูกขยายเพื่อพิจารณาซินทิลเลชันในช่วง 10 วินาทีของข้อมูล โดยรูปด้านบนที่ถูกวงกลมไว้แสดงถึงเฟดที่ใหญ่มาก และที่สอดคล้องกันก็คือการกระโดดของเฟสครึ่งวงรอบที่แสดงในภาพด้านล่าง ซึ่งมักจะทำให้เกิดการสลิปของลูกคลื่นเฟส หรือถ้าแย่ไปก็นั้น ลูปการทำงานที่ติดตามสัญญาณพาห์ของเครื่องรับฯ จะสูญเสียการติดตาม ทั้งนี้ เราเรียกความสัมพันธ์ระหว่างเฟดลึกและการกระโดดของเฟสครึ่งวงรอบว่า "canonical fades" ทั้งนี้ก็เนื่องจากการการวิเคราะห์พบว่าความสัมพันธ์ดังกล่าวจะเป็นแบบนี้ทุกๆครั้งทีมีเฟดลึก

เฟดลึกนั้นเกิดเมื่อขนาดของสัญญาณคลื่นตรงและสัญญาณคลื่นหลายวิถีนั้นมีค่าใกล้เคียงกัน แต่มีเฟสที่ตรงข้ามกัน เมื่อเราพิจารณาสัญญาณคลื่นตรงและสัญญาณคลื่นหลายวิถีเป็นสองเวคเตอร์โดยให้หางของเวคเตอร์สัญญาณคลื่นหลายวิถีอยู่ที่หัวของเวคเตอร์สัญญาณคลื่นตรง ดังนั้นเฟดลึกจะปรากฏขึ้นเมื่อส่วนหัวของสัญญาณคลื่นหลายวิถีผ่านเข้าไปใกล้กับส่วนหางของสัญญาณคลื่นตรง ซึ่ง ณ จุดนี้ ผลรวมของเวคเตอร์จะกลายเป็นเวคเตอร์เล็กๆอย่างรวดเร็ว และเวคเตอร์ผลรวมนี้จะชี้ไปยังทิศตรงกันข้ามซึ่งเป็นเฟสครึ่งวงรอบที่เลื่อนไป และทำให้เราเห็นการกระโดดของเฟสครึ่งวงรอบ

บ่อยครั้งที่เราถูกถามว่า "อะไรเป็นเหตุให้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสหยุดการติดตามสัญญาณดาวเทียมในระหว่างที่เกิดซินทิลเลชัน โดยเป็นเพราะขนาดที่เฟดไปหรือเฟสที่เปลี่ยนแปลงไป" คำตอบก็คือ "ใช่" เพราะว่า การเปลี่ยนแปลงเฟสที่รวดเร็วนั้นเกิดขึ้นในระหว่างที่เกิดเฟดลึก ทั้งนี้มีน้อยครั้งมากที่เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสจะติดตามสัญญาณดาวเทียมได้อย่างถูกต้องในระหว่างที่เกิดเฟดลึกโดยไม่มีการสลิปลูกคลื่นของสัญญาณเฟส

ถ้าเป็นเช่นนั้น "อะไรที่เราสามารถที่จะแก้ไขได้?" ขั้นตอนแรกในการลดหรือบรรเทาปัญหาดังกล่าว ก็คือ เครื่องรับสัญญาณนำร่องทั้งหลายจะต้องถูกออกแบบมาให้มีเสถียรภาพต่อผลกระทบที่เกิดจากซินทิลเลชัน ซึ่งในการออกแบบดังกล่าวให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีนั้น จำเป็นที่เราจะต้องมีแบบจำลองของซินทิลเลชันที่เหมาะสม !!!

แบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนล
โดยทั่วไปแล้วเราสามารถจำลองซินทิลเลชันของชั้นบรรยากาศได้ในหลายๆ ทาง แต่มีแนวทางหนึ่งที่ชัดเจนก็คือการประเมินประสิทธิภาพของเครื่องรับจีพีเอสในสภาวะการทำงานจริงในช่วงระยะเวลาหนึ่งจนกระทั่งเรายอมรับผลได้

โครงสร้างของแบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนล
z เป็นสัญญานจีพีเอสที่จำลองขึ้นและมีผลของเฟด ξ (ซึ่งเกิดจากซินทิลเลชัน)
n เป็นสัญญาณรบกวน τ0 เป็นค่าความถี่ตัด
S4 เป็นพารามิเตอร์ที่ระบุถึงการกระจายของขนาด
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

แนวทางที่ชัดเจนถัดมาได้แก่การบันทึกแบนวิดท์ทั้งหมดของสัญญาณจีพีเอสในระหว่างที่เกิดซินทิลเลชัน แล้วทำการป้อนค่าที่บันทึกไว้กลับเข้าไปยังลูปการติดตามสัญญาณดาวเทียมของเครื่องรับฯ แต่ข้อด้อยของแนวทางนี้คือ มีความเป็นไปได้ที่สิ่งที่บันทึกไว้อาจจะไม่ได้เป็นสิ่งที่เกิดซินทิลเลชันทั้งหมด และโดยข้อเท็จจริงแล้วสิ่งที่บันทึกไว้นั้นอาจจะไม่ใช่ฟังก์ชันสเตชันนารีในทางสถิติ อีกทั้งเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสโดยทั่วไปแล้วก็ไม่ยินยอมให้เราเข้าถึงลูปการติดตามสัญญาณดาวเทียมได้โดยตรง

อีกแนวทางหนึ่งก็คือการสร้างซินทิลเลชันจากแบบจำลองจากหลักการพื้นฐานที่เรียกว่า "เฟสสกรีน" และทำการป้อนให้กับเครื่องจำลองสร้างสัญญาณจีพีเอส (GPS signal simulator) อย่างไรก็ตาม แบบจำลองดังกล่าวยังพัฒนาได้ไม่ดีนัก อีกทั้งก็ไม่แน่ว่าจะให้ผลซินทิลเลชันที่แรงพอ

ดังนั้นสิ่งที่เราเลือกก็คือ สร้างแบบจำลองเชิงสถิติและนำผลที่ได้ไปเปรียบเทียบกับข้อมูลที่ได้ในทางปฏิบัติจากเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส และจากโครงการดาวเทียมที่ใช้ย่านความถี่ที่กว้างมากๆ ทั้งนี้การวิเคราะห์อย่างครบถ้วนได้เคยถูกนำมาใช้ประเมินแบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนล

การทดสอบในซอฟแวร์นั้นมีประสิทธิภาพสำหรับการประเมินความสมเหตุสมผลในแนวทางที่นำเสนอ แต่ไม่ค่อยเป็นประโยชน์สำหรับการทดสอบเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส ดังนั้นเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย เครื่องจำลองสัญญาณจะต้องถูกใช้ในการทดสอบที่เรียกว่า "in-the-loop-test" ภายในฮาร์ดแวร์

การอิมพีเมนท์แบบจำลอง
เพื่อทดสอบผลกระทบของซินทิลเลชันบนเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส เราจำเป็นที่จะต้องสร้างซินทิลเลชันที่ซับซ้อนขึ้นอย่างหลากหลาย เพื่อให้ได้รูปแบบลำดับค่าขนาดและเฟสที่เปลี่ยนแปลงได้ตามสภาวะการตามที่ต้องการ

เราใช้เครื่องจำลองสร้างสัญญาณจีพีเอสเป็นแหล่งแพร่กระจายสัญญาณ โดยเครื่องจำลองสัญญาณดังกล่าวยอมให้เราระบุตำแหน่งของเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสและพลวัตของเครื่องรับฯ รวมไปถึงดาวเทียมจีพีเอสและวงโคจรของดาวเทียมจีพีเอส และกำลังไฟฟ้าของสัญญาณ

นอกจากนี้ เครื่องจำลองสัญญาณดังกล่าวยังยอมรับการปรับเปลี่ยนแก้ไขขนาดและเฟสของสัญญาณที่ความถี่ 100 Hz ซึ่งเพียงพอสำหรับซินทิลเลชันที่เร็วมาก ทั้งนี้ขนาดและเฟสของสัญญาณดาวเทียมแต่ละดวงสามารถควบคุมและเปลี่ยนแปลงได้ ทั้งนี้พารามิเตอร์ต่างๆ ของแบบจำลองซินทิลเลชันที่ตั้งไว้สำหรับดาวเทียมจีพีเอสแต่ละดวงจะถูกรวบรวมเป็นไฟล์หนึ่งไฟล์และส่งผ่านไปยังฟังก์ชันของ MATLAB (โปรแกรมวิเคราะห์ที่ได้รับการยอมรับในแวดวงวิชาการ) พร้อมกับค่าเวลาและค่าหมายเลข PRN (pseudorandom noise) เพื่อสร้างไฟล์คอมมานด์ที่เรียกว่า "User Actions File" ซึ่งจะถูกโหลดเข้าไปในเครื่องจำลองสัญญาณดังกล่าว โดยที่ไฟล์ดังกล่าวจะสร้างการเปลี่ยนแปลงในขนาดและเฟสของสัญญาณแบบอัตโนมัติ

รูปที่ 6 เฟสแตกต่างระหว่างสัญญาณที่สร้างโดยเครื่องจำลองสร้างสัญญาณจีพีเอส
และสัญญาณที่วัดโดยเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสของคอร์แนล Cornell GRID
(GPS Receiver Implemented on a DSP chip)
ภาพจาก http://www.insidegnss.com/node/1579

จากรูปที่ 6 เฟสครึ่งวงรอบมีการสลิปเกิดขึ้นหลายแห่ง โดยแต่ละแห่งมีความเกี่ยวข้องกับ canonical fades ทั้งนี้ในการทดสอบได้มีการตั้งค่าขนาดของสัญญาณให้มีค่า 51.8 dB-Hz และ เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสคอร์แนลมีความเหมาะสมสำหรับการทำงานในสภาวะซินทิลเลชัน และไม่สูญเสียการติดตามสัญญาณ นอกจากนี้การทดสอบในครั้งนี้ยังได้ใช้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสทั่วๆ ไปด้วย โดยผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นชัดเจนว่ามีการสูญเสียการติดตามสัญญาณดาวเทียมเป็นช่วงๆ

นอกจากนี้ ในการทดสอบนี้ยังได้ทดสอบความแม่นยำและน่าเชื่อถือของคำตอบที่คำนวณโดยเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส โดยการเพิ่มจำนวนดาวเทียมที่สัญญาณเกิดซินทิลเลชัน และผลลัพธ์ที่ได้ก็เป็นไปตามความคาดหมาย ค่า GDOP (geometrical dilution of precision) และ PDOP (positioning dilution of precision) มีค่าเพิ่มขึ้น ทั้งนี้การทดสอบดังกล่าวมีความสำคัญมาก เนื่องจากบ่อยครั้งที่สัญญาณดาวเทียมเกิดซินทิลเลชันขึ้นในระหว่างที่เกิดพายุชั้นบรรยากาศขึ้นในบริเวณพื้นที่เขตร้อน

การออกแบบเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ทนต่อซินทิลเลชัน
เราสามารถที่จะออกแบบเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ทำงานได้ในสภาวะซินทิลเลชัน ถึงแม้ว่าเราจะไม่ทราบว่าเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่มีจำหน่ายอยู่ทั่วไปในเชิงพาณิชย์นั้นจะมีฟังก์ชันดังกล่าวแล้วก็ตาม อาทิ ถ้าในการใช้งานเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ไม่ต้องการการติดตามเฟสของคลื่นพาห์แล้ว FLL (frequency lock loop) สามารถถูกนำมาใช้งานแทน PLL (phase lock loop) ทั้งนี้ก็เนื่องจาก FLL มีเสถียรภาพมากกว่า PLL ในระหว่างซินทิลเลชัน

ถ้าการประยุกต์ใช้งานไม่ต้องการเฟสของคลื่นพาห์ เราควรที่จะใช้ PLL อันดับที่สาม พร้อมด้วยชุดตรวจจับล่วงหน้าที่มีช่วงเวลาประมาณ 10 มิลลิวินาที และแบนวิดท์ 10 Hz โดยค่าดังกล่าวได้เคยถูกใช้ในการทดสอบและได้ผลดีในการติดตามสัญญาณดาวเทียมในสภาวะซินทิลเลชัน

อีกแนวทางหนึ่งที่ใช้ในการออกแบบก็คือการกำจัดบิทข้อมูลนำร่อง สาเหตุก็เนื่องจากเฟสจะเปลี่ยนแปลงที่บริเวณก้นของเฟดลึกที่ใกล้จะถึงครึ่งวงรอบ ซึ่ง PLL แบบกำลังสองนั้นไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนบิทข้อมูล และเฟสที่เปลี่ยนเนื่องจากซินทิลเลชัน

แต่มีสิ่งหนึ่งที่เราคาดหวังไว้ เวลาระหว่างวงรอบที่สลิปสามารถที่จะถูกขยายออกได้โดยการการกำจัดบิทข้อมูลนำร่องและอนุโลมให้ PLL ทำงานได้เต็มวงรอบการติดตามสัญญาณดาวเทียม โดยการทำงานในโหมดนี้ PLL จะทราบโดยทันทีว่าถ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสครึ่งวงรอบแล้วจะเป็นสัญญาณรบกวนแทนที่จะเป็นสัญญาณดาวเทียมที่ต้องติดตาม

สำหรับการกำจัดบิทข้อมูลนำร่องในทางปฏิบัติแล้วสามารถทำได้โดยการสร้างฐานข้อมูลอย่างต่อเนื่องเพื่อรองรับข้อความนำร่องของทั้ง 12.5 นาทีซูเปอร์เฟรมสำหรับดาวเทียมแต่ละดวง ยกเว้นในช่วง 20 วินาทีแรกหลังจากอีเฟมเมอร์ริด (ข้อมูลชนิดแม่นยำใช้สำหรับการระบุตำแหน่งดาวเทียมจีพีเอสดวงนั้นๆ ในอวกาศ)ได้รับปรับปรุงใหม่ และช่วงเวลาที่อัลมาแนค (ข้อมูลชนิดทั่วไปใข้สำหรับการระบุตำแหน่งดาวเทียมจีพีเอสทุกดวงในอวกาศ) ถูกปรับปรุงในแต่ละวัน ดังนั้นการทำนายบิทข้อมูลที่จะเข้ามาของฐานข้อมูลควรที่จะมีความแม่นยำมากกว่า 98 เปอร์เซนต์

สำหรับสัญญาณนำร่องใหม่ของจีพีเอสและจีเอ็นเอสเอสนั้นที่จะใช้ในอนาคตนั้นได้เปิดโอกาสให้เราออกแบบเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ทนต่อซินทิลเลชันได้ ทั้งนี้สัญญาณบนความถี่ L2 และ L5 จะไม่การเปลี่ยนบิทข้อมูล ดังนั้นการกำจัดบิทข้อมูลนำร่องจึงไม่มีความจำเป็นต้องดำเนินการ หรือกล่าวโดยรวมว่าสัญญาณนำร่องใหม่ของจีพีเอสและจีเอ็นเอสเอสนั้นได้ถูกออกแบบมาให้มีเสถียรภาพที่ทนต่อซินทิลเลชันมากกว่าสัญญาณนำร่อง (ความถี่ L1 รหัส C/A) ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน

อย่างไรด็ตาม มีสิ่งหนึ่งที่เราควรจะหลีกเลี่ยงได้แก่ การใช้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบสองความถี่ที่ใช้เทคนิคที่เรียกว่า "ไร้รหัส codeless" หรือ "กึ่งไร้รหัส semicodeless" หรือ "z-tracking" ในการติดตามสัญญาณความถี่ L2 ทั้งนี้ลูปการติดตามสัญญาณความถี่ L2 ของเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบสองความถี่ดังกล่าวนั้นอ่อนแอต่อซินทิลเลชัน

จากเป็นที่ทราบดีว่า ดาวเทียมจีพีเอสรุ่นใหม่ที่ส่งสัญญาณนำร่องรุ่นใหม่ได้ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเพื่อทดแทนดาวเทียมรุ่นเก่าบางแล้วนั้น เครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบสองความถี่รุ่นเก่า (L1 + L2P(Y)) จะถูกทดแทนด้วยเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแบบสองความถี่รุ่นใหม่ (L1 + L2C หรือ L1 + L5) ซึ่งผู้ผลิตบางค่ายได้ผลิตเครื่องดังกล่าวออกมาบางแล้ว ทั้งนี้ผู้ใช้กำลังรอเวลาว่าเมื่อไรที่ดาวเทียมจีพีเอสรุ่นใหม่และสัญญาณนำร่องรุ่นใหม่จะทำงานอย่างเต็มระบบ

ท้ายที่สุด อย่างน้อยเครื่องรับสัญญาณนำร่องควรที่จะได้รับการออกแบบให้ทนต่อสภาวะซินทิลเลชัน เพื่อตอบสนองต่อเรื่องนี้ ขนาดที่รวดเร็ว (50 Hz) หรือ การวัดค่าสัญญาณพาห์ต่อสัญญาณรบกวน และการคำนวณค่า S4 ก็ควรที่จะมีให้กับผู้ใช้ ถ้าไม่มีสิ่งเหล่านี้ให้กับผู้ใช้แล้ว ผู้ใช้เองก็จะไม่สามารถวินิจฉัยการปรากฏขึ้นของผลจากซินทิลเลชันในการทำงานของเครื่องรับสัญญาณนำร่องของผู้ใช้ได้เลย หรืออาจจะสับสนว่าเป็นปัญหาอย่างอื่นแทนที่จะเป็นปัญหาเรื่องซินทิลเลชัน

บทสรุป
สำหรับผู้ใช้ส่วนใหญ่ที่ใช้เครื่องรับสัญญาณจีพีเอส สภาพอวกาศและซินทิลเลชันอาจจะเป็นเรื่องเล็กน้อยที่ทำให้รำคาญหรือกวนใจ อย่างไรก็ตาม แต่ยังมีผู้ใช้บางกลุ่มที่มีความจำเป็นที่ต้องการทราบถึงผลกระทบของซินทิลเลชันที่มีต่อเครื่องรับสัญญาณจีพีเอส อาทิ เทคนิคการวัดความแตกต่างทางเฟสระหว่างคลื่นพาห์ (carrier phase differential) ซึ่งสามารถที่จะวัดได้ถึงระดับเซนติเมตร แต่สิ่งที่วัดได้มีความอ่อนแอต่อสัญญาณรบกวน ปัญหาที่เกิดขึ้นอาจจะเป็นจริงโดยเฉพาะกับพื้นที่ในเขตร้อน แต่ซินทิลเลชันที่ความถี่จีพีเอสสามารถเกิดขึ้นได้ทุกแห่งในโลก

สำหรับผู้ออกแบบหรือผู้ผลิตเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสแล้ว ถ้าการประยุกต์ใช้งานมีความต้องการการทำงานอย่างต่อเนื่องแล้ว การออกแบบก็ต้องพิจารณาเรื่องของซินทิลเลชันเข้าไว้ด้วย สำหรับผู้ใช้ ถ้ามีความต้องการใช้งานเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสที่ทำงานได้อย่างต่อเนื่องแล้ว ก็ต้องพิจารณาว่าเครื่องรับฯ ดังกล่าวตอบสนองต่อสภาวะซินทิลเลชันได้อย่างไร รวมไปถึงว่าจะใช้งานเครื่องรับฯ ดังกล่าวเมื่อใดและสถานที่ใด

ทั้งนี้บทความนี้ได้นำเสนอแนวทางเชิงสถิติซึ่งสามารถอิมพีเมนท์ในการทดสอบแบบฮาร์ดแวร์-อิน-ลูป เพื่อประเมินการทำงานของเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสในสภาวะซินทิลเลชัน ซึ่งแนวทางนี้จะรักษาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดที่เฟดและเฟสที่กระเพื่อม

ข้อความที่เขียนและพัฒนาบนโปรแกรม MATLAB ได้ถูกนำมาใช้ในการพัฒนาขนาดและเฟสของสัญญาณจีพีเอสตามแบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนล อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ เครื่องรับฯ รุ่นใหม่ๆ ได้ถูกออกแบบมาสำหรับสัญญาณจีพีเอสรุ่นใหม่และสัญญาณจีเอ็นเอสเอส ดังนั้นแบบจำลองซินทิลเลช้นของคอร์แนลจำเป็นที่จะต้องถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง สำหรับซินทิลเลชันแบบปานกลางนั้น เราทราบดีว่าการเฟดเนื่องจากซินทิลเลชัน ณ ความถี่ L1 และ L2 นั้นมีความสัมพันธ์กัน โดยเฉพาะกับความถี่ L2 นั้นการเฟดจะลึกมากกว่า L1 เนื่องจากความถี่ของ L2 ต่ำกว่าความถี่ L1

อย่างไรก็ตาม เมื่อซินทิลเลชันเริ่มมีความรุนแรงมากขึ้น การเฟด ณ ความถี่ทั้งสองก็เริ่มที่จะเป็นอิสระต่อกัน ทั้งนี้นักวิจัยกำลังวิจัยว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร และจะทำการสร้างแบบจำลองผลดังกล่าวเพื่อจะได้นำไปใช้งานต่อไป

ณ ปัจจุบัน แบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนลยังสามารถใช้ในการประเมินความสามารถการติดตามสัญญาณดาวเทียมนำร่องของเครื่องรับสัญญาณความถี่ L1 รหัส C/A ซึ่งในระหว่างช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีจุดดับมากที่สุดของวัฏจักรสุริยะรอบที่ผ่านมานั้น (ปี 2001) ผู้ใช้จำนวนมากพบว่าเครื่องรับสัญญาณจีพีเอสของตนเองไม่สามารถติดตามสัญญาณดาวเทียมได้อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นการสร้างและพัฒนาแบบจำลองซินทิลเลชันของคอร์แนลขึ้นนั้นจึงเป็นสิ่งจำเป็นที่จะรองรับการพัฒนาเครื่องรับสัญญาณนำร่องให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
    [1] P. M. Kintner, T.E. Humphreys, and J.C. Hinks, GNSS and Ionospheric Scintillation How to Survive the Next Solar Maximum, Inside GNSS, July/August 2009, p 22-30.
    [2] http://roma2.rm.ingv.it/en/themes/11/ionospheric_scintillation
    [3] Aarons, J., "50 years of Radio-Scintillation Observations," Antennas and Propagation Magazine, IEEE, 39(6), 7-12, doi: 10.1109/74.646785, 1997a.
    [4] Aarons, J., "Global Positioning System Phase Fluctuations at Auroral Latitudes," Journal of Geophysical Research 102, 17,219, 1997b.
    [5] Groves, K. M., and S. Basu, J. M. Quinn, T. R. Pedersen, K. Falinski, A. Brown, R. Silva, and P. Ning, "A Comparison of GPS Performance in a Scintillating Environment at Ascension Island," Proceedings ION GPS 2000, Institute of Navigation, 2000.
    [6] Hinks, J. C., and T. E. Humphreys, B. W. O'Hanlon, M. L. Psiaki, and P. M. Kintner, Jr., "Evaluating GPS Receiver Robustness to Ionospheric Scintillation," Proceedings ION GNSS 2008, Sept. 16-19, 2008, Institute of Navigation, Savannah, GA.
    [7] Humphreys, T. E., and B. M. Ledvina, M. L. Psiaki, and P. M. Kintner, Jr., “GNSS Receiver Implementation on a DSP: Status, Challenges, and Prospects, Proceedings ION GNSS 2006, Fort Worth, TX, Institute of Navigation, 2006.
    [8] Humphreys, T. E., and M. L. Psiaki, J. C. Hinks, B. O’Hanlon, and P. M. Kintner, Jr., "Simulating Ionosphere-Induced Scintillation for Testing GPS Receiver Phase Tracking Loops," IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, in press, 2009a.
    [9] Humphreys, T. E., and M. L. Psiaki, and P. M. Kintner, Jr, "Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS carrier phase tracking," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, in press, 2009b.
    [10] Kintner, P. M., and H. Kil, and E. de Paula, "Fading Time Scales Associated with GPS Signals and Potential Consequences," Radio Science, 36(4), 731-743, 2001.
    [11] Kintner, P. M., and B. M. Ledvina, E. R. de Paula, and I. J. Kantor, "Size, Shape, Orientation, Speed, and Duration of GPS Equatorial Anomaly Scintillations," Radio Science, 39, RS2012, doi:10.1029/2003RS002878, 2004.
    [12] Ledvina, B. M., and J. J. Makela, and P. M. Kintner, First Observations of Intense GPS L1 Amplitude Scintillations at Midlatitude, Geophysical Research Letters., 29(14), 1659, doi:10.1029/2002GL014770, 2002.
    [13] Skone, S., and K. Knudsen, and M. de Jong, "Limitations in GPS Receiver Tracking Performance under Ionospheric Scintillation Conditions," Physics and Chemistry of the Earth (A), 26, 613-621, 2001.
    [14] Smith, A. M., and C. N. Mitchell, R. J. Watson, R. W. Meggs, P. M. Kintner, K. Kauristie, and F. Honary, GPS scintillation in the high arctic associated with an auroral arc, Space Weather, 6, S03D01, doi:10.1029/2007SW000349, 2008.

แก้ไขล่าสุด 13 สิงหาคม 2552

กลับไปด้านบน


copyright © 2016 กองโครงสร้างพื้นฐานเทคโนโลยีดิจิทัล สำนักงานคณะกรรมการดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติ กระทรวงดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจและสังคม
ชั้น 7 อาคาร B ศูนย์ราชการเฉลิมพระเกียรติ 80 พรรษา 5 ธันวาคม 2550 ถนนแจ้งวัฒนะ แขวงทุ่งสองห้อง เขตหลักสี่ กรุงเทพฯ 10210
โทรศัพท์ 0-2141-6877 โทรสาร 0-2143-8027 e-mail: [email protected]