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]


การระบุตำแหน่งโดยใช้สัญญาณวิทยุจากดาวเทียมนำร่อง : จีพีเอสและโกลนาส

ระบบนำร่องโดยใช้ดาวเทียมนำร่อง

ระบบนำร่องโดยใช้ดาวเทียมนำร่องไม่ว่าจะเป็นจีพีเอส (GPS: Global Positioning System) หรือโกลนาส (GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System) ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่ กลุ่มดาวเทียมนำร่อง สถานีควบคุมภาคพื้นดิน และ ผู้ใช้ที่มีเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมนำร่อง

สัญญาณคลื่นวิทยุที่แพร่ออกโดยดาวเทียมนำร่องประกอบด้วย
สัญญาณคลื่นพาห์ความถี่สูง อาทิเช่น ความถี่ L1 1.57542 GHz ของจีพีเอส
ข้อมูลนำร่องบรรจุข้อมูลระบบและข้อมูลดาวเทียมนำร่อง อาทิเช่น ตำแหน่งดาวเทียมนำร่องทั้งกลุ่ม
รหัสเฉพาะสำหรับดาวเทียมนำร่องแต่ละดวง อาทิเช่น รหัส P และรหัส C/A ของจีพีเอส โดยข้อมูล นำร่องจะถูกเข้ารหัสไว้

ลักษณะสัญญาณคลื่นวิทยุที่แพร่ออกโดยดาวเทียมจีพีเอส

ในการระบุตำแหน่งของผู้ใช้ (user) โดยใช้สัญญาณวิทยุจากดาวเทียมนำร่องนั้น มีเงื่อนไขและขั้นตอนการคำนวณโดยสรุปดังนี้
1. เครื่องรับของผู้ใช้ รับสัญญาณดาวเทียมนำร่องอย่างน้อย 4 ดวง
2. เครื่องรับ คำนวณค่า TOA (Time of Arrival) จากข้อมูลรหัส สำหรับดาวเทียมนำร่อง 4 ดวง
3. เครื่องรับคำนวณระยะระหว่างผู้ใช้และดาวเทียมนำร่องแต่ละดวง (r) จากค่า TOA
4. เครื่องรับดึงข้อมูลตำแหน่งดาวเทียมนำร่องทั้ง 4 ดวงจากข้อมูลนำร่องที่ส่งออกมาจากดาวเทียมนำร่อง
5. เครื่องรับคำนวณตำแหน่งของผู้ใช้ โดยใช้ข้อมูลดิบ 2 ส่วน
       5.1 ระยะ r สำหรับดาวเทียมนำร่องทั้ง 4 ดวง
       5.2 ตำแหน่งดาวเทียมนำร่องทั้ง 4 ดวง

หมายเหตุ
TOA (Time of Arrival) เวลาที่คลื่นสัญญาณวิทยุใช้ในการเดินทางจากแหล่งกำเนิด (ดาวเทียมนำร่อง) มาถึงผู้ใช้
ระยะระหว่างดาวเทียมนำร่องและผู้ใช้ (r) โดย r = TOA x c โดยที่ c เป็นค่าความเร็วแสง

การระบุตำแหน่งของผู้ใช้ของทั้งจีพีเอสและโกลนาสจะใช้หลักการ TOA (Time of Arrival) เพื่อคำนวณหาระยะห่างระหว่างดาวเทียมนำร่องและผู้ใช้

ในกรณีที่ผู้ใช้รับสัญญาณจากดาวเทียมนำร่องเพียงหนึ่งดวง เมื่อพิจารณาในระบบสามมิติ ตำแหน่งของผู้ใช้จะเป็นตำแหน่งใดๆ บนทรงกลม ที่มีรัศมีเท่ากับระยะ r ดังกล่าว โดยแสดงในแผนภาพ (ก)

เมื่อผู้ใช้รับสัญญาณวิทยุจากดาวเทียมนำร่อง 2 ดวง ตำแหน่งของผู้ใช้อยู่ที่บริเวณพื้นผิวที่เกิดจากการตัดกันของทรงกลม 2 ลูก ดังแสดงในแผนภาพ (ข)

และเมื่อรับสัญญาณวิทยุจากดาวเทียมนำร่อง 3 ดวง ตำแหน่งของผู้ใช้จะมี 2 ตำแหน่งดังแสดงในแผนภาพ (ค) แต่จะมีเพียงหนึ่งตำแหน่งเท่านั้นที่ถูกต้อง สำหรับกรณีที่ผู้ใช้อยู่บนพื้นโลก ตำแหน่งที่ต่ำกว่าเป็นตำแหน่งที่ถูกต้อง

(ก) กรณีรับสัญญาณดาวเทียมนำร่อง 1 ดวง
(ข) กรณีรับสัญญาณดาวเทียมนำร่อง 2 ดวง
(ค) กรณีรับสัญญาณดาวเทียมนำร่อง 3 ดวง
กายภาพตำแหน่งผู้ใช้ในกรณีรับสัญญาณวิทยุจากดาวเทียมนำร่อง 1, 2 และ 3 ดวง ตามลำดับ

ข้อเท็จจริง
- ข้อมูลนำร่องที่ส่งออกมาจากดาวเทียมนำร่อง
บอกตำแหน่งของดาวเทียมนำร่องทุกดวง
ไม่มีตำแหน่งของผู้ใช้ !!!
สรุป: ดาวเทียมนำร่องไม่ได้ระบุตำแหน่งของผู้ใช้ แต่เป็นเครื่องรับของผู้ใช้เองที่คำนวณหาตำแหน่ง ของผู้ใช้ โดยใช้ข้อมูลดิบ 2 ส่วน ตามข้อ 5



ทำไมต้องใช้ดาวเทียมนำร่องอย่างน้อย 4 ดวง
ตำแหน่งของผู้ใช้ใน 3 มิติ ประกอบด้วย 3 ตัวแปร สำหรับความแม่นยำในการระบุตำแหน่งขึ้นอยู่กับค่า TOA ซึ่งความถูกต้องของค่า TOA จะขึ้นอยู่กับความเที่ยงตรงของฐานเวลาทั้งที่เครื่องรับและดาวเทียมนำร่อง ซึ่งดาวเทียมนำร่องใช้นาฬิกาอะตอม (จดหมายข่าวฉบับที่ 1/2550) ที่มีความเที่ยงตรงสูงมากเป็นตัวกำหนดฐานเวลา ในขณะที่เครื่องรับทั่วไปใช้อุปกรณ์จำพวก oscillator เป็นตัวกำหนดฐานเวลาให้กับเครื่องรับ ซึ่งมีความเที่ยงตรงน้อยกว่านาฬิกาอะตอมมาก ดังนั้น จำเป็นที่จะต้องพิจารณาค่าฐานเวลาที่แตกต่างกันด้วย โดยพิจารณาให้เป็นตัวแปรที่ 4

ในการคำนวณทางพีชคณิต เมื่อมีจำนวนตัวแปร 4 ตัวที่ต้องคำนวณหาค่า ดังนั้นจึงต้องมีข้อมูลการวัดในเวลาเดียวกันอย่างน้อย 4 ชุด ซึ่งก็คือข้อมูลการวัดระยะถึงดาวเทียมนำร่องทั้ง 4 ดวง*

หมายเหตุ
ในกรณีที่การคำนวณใช้ตัวกรองคาลแมน เมื่อตัวกรองคาลแมนเริ่มให้ค่าตำแหน่งที่ลู่เข้าสู่ค่าที่ถูกต้องแล้ว ถึงแม้ว่าจะมีข้อมูลการวัดเพียง 1 ชุด จากดาวเทียมนำร่อง 1 ดวง ก็เพียงพอที่ตัวกรองคาลแมนจะคำนวณให้ค่าตำแหน่งของผู้ใช้ได้ ซึ่งเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมนำร่องส่วนใหญ่ก็ใช้ตัวกรองคาลแมน

จีพีเอส และโกลนาส
ทั้งจีพีเอสของสหรัฐอเมริกาและโกลนาสของรัสเซียเป็นระบบนำร่องโดยใช้ดาวเทียม ซึ่งมีการพัฒนาและสร้างขึ้นในห้วงเวลาใกล้เคียงกัน จากอดีตจนถึงปัจจุบัน ดาวเทียมจีพีเอสมีทั้งหมด 5 รุ่น ได้แก่ Block I, Block II, Block II-A, Block II-R และ Block II-RM โดยในอนาคตจะมีรุ่น Block II-F และ Block III สำหรับเทคโนโลยีของดาวเทียมจีพีเอสทั้ง 5 รุ่น และรุ่น Block II-F สรุปได้ตามตารางวิวัฒนาการของจีพีเอส

วิวัฒนาการของจีพีเอส
รุ่น ดาวเทียม วิวัฒนาการ สร้างโดยบริษัท สถานะภาพปัจจุบัน
Block I
จำนวน 11 ดวง
ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1978
ความถี่ L1 : ข้อมูลนำร่องเข้ารหัส C/A + ข้อมูลนำร่องเข้ารหัส P
ความถี่ L2 : ข้อมูลนำร่องเข้ารหัส P
Rockwell International ปฏิบัติการในอวกาศสิ้นสุดลง
(อายุการปฏิบัติการโดยเฉลี่ย 5 ปี)
Block II
จำนวน 11 ดวง
ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1989
ปฏิบัติการอัตโนมัติได้ถึง 14 วัน
อายุการปฏิบัติการ 7.5 ปี
Rockwell International ปฏิบัติการในอวกาศสิ้นสุดลง
Block II-A
จำนวน 19 ดวง
ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1990
ปฏิบัติการอัตโนมัติได้ถึง 180 วัน
Rockwell International ปฏิบัติการในอวกาศจำนวน 15 ดวง
Block II-R
จำนวน 21 ดวง
ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1997 Lockheed Martin ปฏิบัติการในอวกาศจำนวน 12 ดวง
Block II-RM ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2005
เพิ่มรหัส C/A สำหรับความถี่ L2
เพิ่มรหัส M สำหรับภารกิจด้านความมั่นคง
Lockheed Martin ปฏิบัติการในอวกาศจำนวน 3 ดวง
Block II-F
ความถี่ใหม่ L5 สำหรับพลเรือน Boeing กำหนดการส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2008


โกลนาสเป็นระบบนำร่องของประเทศรัสเซีย ซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงเวลาเดียวกับจีพีเอส แต่เนื่องจากผลกระทบด้านเศรษฐกิจ ได้ส่งผลให้จำนวนดาวเทียมโกลนาสจำนวนหนึ่งที่สร้างเสร็จเรียบร้อยแล้ว ไม่ได้รับงบประมาณสนับสนุนส่งขึ้นสู่อวกาศ ทำให้ระบบเสมือนไม่สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพเหมือนในกรณีของจีพีเอส

วิวัฒนาการของโกลนาส
รุ่น วิวัฒนาการ สถานะภาพปัจจุบัน
รุ่นที่ 2 Uragan ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1982
อายุการปฏิบัติการโดยเฉลี่ย 2 ปี
ปฏิบัติการในอวกาศสิ้นสุดลง
รุ่นที่ 2 Uragan-M ดวงแรกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2001
อายุการปฏิบัติการ 7 ปี
นาฬิกาอะตอมผิดพลาด 1 ใน 1013 ต่อวัน
ปฏิบัติการในอวกาศจำนวน 12 ดวง
รุ่นที่ 2 Uragan-K เพิ่มความถี่ใหม่ย่านแถบความถี่ L
อายุการปฏิบัติการ 10 ปี
กำหนดการส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2008


ข้อเปรียบเทียบระหว่าง GLONASS และ GPS
  GLONASS GPS*
จำนวนดาวเทียมนำร่อง 24 24
จำนวนวงโคจร 3 6
มุมระนาบวงโคจรอ้างอิงกับ ระนาบเส้นศูนย์สูตรโลก 64.8° 55°
ความสูงของวงโคจรอ้างอิงกับ จุดศูนย์กลางโลก 19,130km 20,180 km
คาบเวลาวงโคจร 11h 15m 40s 11h 58m 00s
ระบบจีโอเดติค PZ-90 WGS-84
ฐานเวลาอ้างอิง UTC (Russia) UTC (USNO)
เทคนิคการเข้าถึงหลายทาง FDMA CDMA
ความถี่สัญญาณ L1 (MHz) 1602.0 - 1614.94 1575.42
ความถี่สัญญาณ L2 (MHz) 7/9 L1 60/77 L1
ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งสำหรับทหารอเมริกัน และหน่วยงานด้านความมั่นคง 10 เมตร 10 เมตร
ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งสำหรับพลเรือนทั่วโลก 100 เมตร 100 เมตร


*หมายเหตุ การเปรียบเทียบตามตารางข้างต้นเป็นการใช้ข้อมูลโครงสร้างของจีพีเอสรุ่นปัจจุบัน (GPS II) ซึ่งในอนาคตที่จะใช้จีพีเอสรุ่นที่ 3 (GPS III) คุณสมบัติจะไม่เป็นไปตามตาราง

เอกสารอ้างอิง

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]