บทความโดย : Capt. Nemo - กัปตัน นีโม

ระบบหาที่เรือด้วยดาวเทียม (SATELLITE NAVIGATION SYSTEM)

ระบบเดินเรือด้วยแรงเฉื่อยด้วยเลเซอร์ไยโรจะสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของเรือได้ ถูกต้องแม่นยำกว่าการเดินเรือรายงานแบบดั้งเดิมมาก แต่วิธีเดียวในการยืนยันความถูกต้องของ ตำบลที่เรือยังคงต้องอาศัยจุดอ้างอิงจากภายนอกตัวเรือ และด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย ระบบ เดินเรือด้วยแรงเฉื่อยจึงมักถูกใช้ประกอบกับระบบหาที่เรือที่อาศัยแหล่งอ้างอิงจากภายนอก เช่นระบบหาที่เรือด้วยวิทยุ อย่างไรก็ดีระบบหาที่เรือด้วยวิทยุในช่วงกลางศตวรรษที่ ๒๐ ยังมีข้อจำกัดในด้านพื้นที่ครอบคลุมและความถูกต้องแม่นยำ โดยระบบ LORAN-C ให้ตำบลที่ที่มีความถูกต้อง แม่นยำสูง แต่มีพื้นที่ครอบคลุมจำกัด และความถูกต้องแม่นยำจะลดลงเมื่อระยะจากสถานีส่ง เพิ่มมากขึ้น ส่วนระบบ OMEGA ใช้คลื่นวิทยุย่านความถี่ต่ำมากซึ่งให้การครอบคลุมทั่วโลก แต่การใช้คลื่นวิทยุย่านความถี่ต่ำมากซึ่งมีขนาดความยาวคลื่นกว่าสิบไมล์ทำให้ให้ความถูกแม่นยำลดลง

การพัฒนาระบบหาที่เรือด้วยดาวเทียมเกิดมาจากความต้องการระบบที่สามารถให้ตำบลที่ ที่มีความถูกต้องแม่นยำสูงตลอด ๒๔ ชั่วโมง และมีพื้นที่ครอบคลุมทั่วโลก โดยแนวความคิดในการนำดาวเทียมมาใช้หาที่เรือได้ถือกำเนิดขึ้นมาพร้อมๆ กับความสำเร็จในการส่งดาวเทียมขึ้นสู่วงโคจรเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ.๑๙๕๗ (พ.ศ.๒๕๐๐) โดยนักวิทยาศาสตร์ที่สถาบันวิจัย APPLIED PHYSICS LABORATORY ณ มหาวิทยาลัย JOHNS HOPKINS ได้สังเกตปรากฏการณ์ DOPPLER ของสัญญาณวิทยุจากดาวเทียม SPUTNIK ของสหภาพโซเวียตขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่านฝั่งตะวันออกของสหรัฐอเมริกา และพบว่าลักษณะของปรากฏการณ์ DOPPLER ของสัญญาณที่ส่งออกมาจากดาวเทียมผ่านสถานีภาคพื้นที่ทราบตำบลที่แน่นอนนั้น สามารถนำมาใช้คำนวณหาวงโคจรของดาวเทียมได้ และในทางกลับกัน ปรากฏการณ์ DOPPER จากดาวเทียมที่ทราบวงโคจรแน่นอนสามารถนำมาใช้คำนวณหาตำบลที่บน พื้นโลกได้ ในปีต่อมาสถาบันวิจัย APPLIED PHYSICS LABORATORY ได้ร่วมมือกับกองทัพเรือสหรัฐฯ ในการสร้างระบบหาที่เรือด้วยดาวเทียมขึ้น โดยอาศัยหลักการของปรากฏการณ์ DOPPLER เรียกว่าระบบ NAVSAT (NAVY NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) หรือที่เป็นที่รู้จักในชื่อพลเรือนว่าระบบ TRANSIT

ปรากฏการณ์ DOPPLER และระบบ NAVSAT

ปรากฏการณ์ DOPPLER คือการที่ความถี่คลื่นเกิดการเปลี่ยนแปลงสูงขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้รับมีการเคลื่อนที่สัมพันธ์เข้าหากัน และความถี่คลื่นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงลดลงเมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้รับมีการเคลื่อนที่สัมพันธ์ออกจากกัน โดยขนาดของการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพันธ์

ระบบ NAVSAT ใช้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงความถี่ (DOPPLER SHIFT) ของสัญญาณที่ส่งออกมาจากดาวเทียมในการคำนวณหาตำบลที่ โดยการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสัญญาณขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนที่ผ่านตำบลที่ของเครื่องรับบนพื้นโลกแบ่งออกได้เป็น ๓ ช่วง ช่วงแรกคือช่วงที่ดาวเทียมกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเครื่องรับ ความถี่ของสัญญาณที่รับได้จะมีค่าสูงและค่อยๆ ลดลงเมื่อดาวเทียมเคลื่อนที่เข้าใกล้เครื่องรับเนื่องจากความเร็วสัมพันธ์ในการเคลื่อนที่เข้าหาลดลง ช่วงที่สองคือช่วงที่ดาวเทียมผ่านเหนือเครื่องรับ ความถี่ของสัญญาณที่รับได้จะมีค่าเท่ากับความถี่ที่ส่งออกมาจริง และช่วงที่สามคือช่วงที่ดาวเทียมเคลื่อนที่ออกจากเครื่องรับ ความถี่ของสัญญาณที่รับได้จะมีค่าลดลงไปตามระยะห่างจากเครื่องรับ

ระบบ NAVSAT เริ่มใช้ในปี ค.ศ.๑๙๖๔ (พ.ศ.๒๕๐๗) ส่วนประกอบหลักของระบบประกอบด้วยดาวเทียม ๑๓ ดวง (สำรอง ๓ ดวง) โคจรรอบโลกที่ความสูง ๖๐๐ ไมล์ ด้วยความเร็วประมาณ ๕ ไมล์ต่อวินาที (ดาวเทียมแต่ละดวงโคจรรอบโลกทุก ๑๐๗ นาที) สถานีภาคพื้นทำหน้าที่ติดตามดาวเทียมในวงโคจรและส่งค่าแก้ต่างๆ ให้กับดาวเทียม และเครื่องรับสัญญาณและคำนวณตำบลที่บนเรือ โดยดาวเทียมในระบบจะส่งสัญญาณที่ความถี่ ๑๕๐ และ ๔๐๐ เมกะเฮิรตซ์ การเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงความถี่จากดาวเทียมสองดวงจะให้เส้นตำบลที่ ๑ เส้น ส่วนตำบลที่แน่นอน (FIX) จะได้จากการเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงความถี่จากดาวเทียมอย่างน้อย ๓ ดวง (ปกติจะใช้ดาวเทียม ๔ – ๗ ดวงเพื่อเพิ่มความถูกต้อง) โดยวงโคจรของดาวเทียมแต่ละดวงจะ ครอบคลุมทุกจุดบนพื้นโลกอย่างน้อยวันละ ๒ ครั้ง และการหาตำบลที่แน่นอนด้วยดาวเทียม ๔ ดวงจะทำได้ทุก ๓๕ – ๙๕ นาที

ระบบ GPS

ระบบหาที่เรือด้วยดาวเทียม GLOBAL POSITIONAL SYSTEM หรือ GPS ในปัจจุบัน ถือกำเนิดมาจากการริเริ่มพัฒนาระบบ NAVSTAR GPS (NAVIGATION SYSTEM USING TIMING AND RANGING GLOBAL POSITIONING SYSTEM) โดยกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ ในปี ค.ศ.๑๙๗๓ (พ.ศ.๒๕๑๖) เพื่อใช้เป็นระบบหาตำบลที่แบบสามมิติที่ให้ทั้งตำบลที่และความสูงได้อย่างต่อเนื่องสำหรับเรือและอากาศยานในกองทัพ แทนระบบ TRANSIT ที่ให้ตำบลที่เพียงสองมิติเป็นระยะๆ ทุก ๓๕ – ๙๕ นาที

ระบบ GPS ประกอบด้วยดาวเทียม ๒๘ ดวง โคจรรอบโลกที่ความสูง ๑๐,๙๐๐ ไมล์ แต่ละดวงโคจรรอบโลกทุก ๑๒ ชั่วโมง สถานีภาคพื้น ๕ แห่งทำหน้าที่ติดตามดาวเทียมในวงโคจรและส่งข้อมูลให้กับสถานีควบคุมหลักที่มลรัฐโคโลราโด และเครื่องรับสัญญาณทำหน้าที่คำนวณหาตำบลที่

การหาตำบลที่ในระบบ GPS ใช้หลักการ TIMING AND RANGING หรือการคำนวณระยะทางจากเวลาที่สัญญาณจากดาวเทียมเดินทางมาถึงเครื่องรับ โดยดาวเทียมแต่ละดวงจะส่งสัญญาณที่ความถี่ ๑๕๗๕.๔๒ เมกะเฮิรตซ์ (เรียกว่าความถี่ L1) และความถี่ ๑๒๒๗.๖๐ เมกะเฮิรตซ์ (เรียกว่าความถี่ L2) ข้อมูลในความถี่ L1 ประกอบด้วยสัญญาณหยาบ (COARSE ACQUISITION CODE – C/A CODE) สำหรับผู้ใช้ทั่วไป (STANDARD POSITIONING SERVICE – SPS) และสัญญาณละเอียด (PRECISION CODE – P CODE) ซึ่งเข้ารหัสสำหรับใช้ในกองทัพสหรัฐฯ เท่านั้น (PRECISE POSITIONING SERVICE – PPS) ส่วนข้อมูลในความถี่ L2 ประกอบด้วยสัญญาณ P CODE เพียงอย่างเดียว การส่งสัญญาณ P CODE ในสองความถี่ทำให้เครื่องรับสามารถเปรียบหาผลกระทบจากบรรยากาศชั้น IONOSPHERE เพื่อลดความคลาดเคลื่อนจากการรบกวนของชั้นบรรยากาศ

ลักษณะวงโคจรของดาวเทียม GPS ถูกออกแบบมาให้ทุกพื้นที่บนโลกสามารถมองเห็น ดาวเทียมได้อย่างน้อย ๔ ดวงตลอดเวลา โดยสัญญาณจากดาวเทียมหนึ่งดวงจะให้เส้นตำบลที่หนึ่งเส้นที่เกิดจากจุดตัดระหว่างพื้นผิวโลกกับทรงกลมที่มีรัศมีเท่ากับระยะทางจากดาวเทียม ตำบลที่แบบสองมิติจะได้จากจุดตัดระหว่างทรงกลมรัศมีจากดาวเทียม ๒ ดวงกับพื้นผิวโลก แต่เนื่องจากนาฬิกาในเครื่องรับอาจมีความคลาดเคลื่อนได้ ดังนั้นจึงต้องใช้ดาวเทียมดวงที่สามเพื่อแก้ค่าความคลาดเคลื่อนแบบเดียวกับการหาที่เรือชายฝั่งด้วยที่หมาย ๓ แห่ง และตำบลที่แบบสามมิติ (ตำบลที่และความสูง) จะหาได้จากดาวเทียมอย่างน้อย ๓ ดวง และใช้ดาวเทียมดวงที่ ๔ เพื่อแก้ค่าความคลาดเคลื่อน

ระบบ GPS มีมาตรการที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยอยู่ ๒ มาตรการ คือการเติมค่าความคลาดเคลื่อนลงใน C/A CODE เพื่อลดความถูกต้องแม่นยำ เรียกว่ามาตรการ SELECTIVE AVAILABILITY และการป้องกันการรบกวนและปลอมแปลงสัญญาณ P CODE เรียกว่ามาตรการ ANTI-SPOOFING ต่อมาเมื่อวันที่ ๑ พฤษภาคม ค.ศ.๒๐๐๐ (พ.ศ.๒๕๔๓) รัฐบาลสหรัฐฯ ได้ประกาศยุติการใช้มาตรการ SELECTIVE AVAILABILITY ซึ่งเพิ่มความถูกต้องของบริการ SPS สำหรับผู้ใช้ทั่วไป แต่รัฐบาลสหรัฐฯ ยังคงมีขีดความสามารถในการเริ่มใช้มาตรการ SELECTIVE AVAILABILITY อีกเมื่อเห็นว่ามีความจำเป็น

GPS ด้วยการคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนของสัญญาณ GPS จากสถานีฝั่งที่ทราบตำบลที่ แน่นอน จากนั้นสถานีฝั่งจะส่งค่าแก้ให้กับเครื่องรับในบริเวณใกล้เคียง ระบบ DGPS สามารถให้ตำบลที่ได้ถูกต้องแม่นยำเทียบเท่ากับบริการ PPS และสามารถแก้ค่าความคลาดเคลื่อนจากมาตรการ SELECTIVE AVAILABILITY ได้ แต่ระบบ DGPS มีพื้นที่ครอบคลุมค่อนข้างจำกัด เนื่องจากเครื่องรับจะต้องอยู่ภายในรัศมีประมาณ ๑๐๐ ไมล์จากสถานีฝั่ง

:: หน้าที่ 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 ::