มารุ้จัก GPS กัน

มารู้กันว่า (เขาใช้) เทคนิคอะไรบ้างเพิ่มความเที่ยงตรงของเครื่องรับจีพีเอส

เครื่องรับจีพีเอสแบ่งออกเป็นสามชนิดตามลักษณะการใช้งาน (นอกเหนือจากการใช้งานในกิจการทหาร สหรัฐ)

1. สำหรับการใช้งานทั่วไป (Consumer-Grade Receiver) คืออันที่เราๆท่านๆใช้กันอยู่ในการนำทาง แทนแผนที่กระดาษ เครื่องรับชนิดนี้ทำงานที่คลื่นความถี่ L1 (1.575 กิ๊กกะเฮิร์ส) และใช้รหัส C/A ซึ่งเปิดให้คนทั่วไปใช้โดยเสรี และไม่เสียค่าใช้จ่าย เครื่องรับชนิดนี้สามารถระบุตำแหน่ง (พิกัด) ได้เที่ยงตรงภายในระยะทาง 4-20 เมตร (ไม่ีมีการชดเชยความคลาดเคลื่อนด้วยวิธีอื่นๆ) เครื่องรับที่ไม่ได้มีการแก้ไขความคลาดเคลื่อนนี้เรียกว่า Autonomous Receiver เครื่องรับจีพีเอสทุกรุ่น ทุกยี่ห้อที่เราใช้กันอยู่ในไทยเป็นชนิดนี้ทั้งหมด

2. สำหรับงานทำแผนที่และภูมิสารสนเทศ (Mapping & GIS) เครื่องรับแบบนี้ใช้แต่ความถี่ L1 แตเพิ่มความเที่ยงตรงโดยการใช้สัญญาณนาฬิกาความเที่ยงตรงสูง เมื่อเทียบกับสัญญาณนาฬิกาที่ใช้ใน เครื่องรับ Consumer-Grade ซึ่งมีสัญญาณนาฬิกาชนิดที่ใช้ในอุปกรณ์ดิจิตอลทั่วไปเช่น คอมพิวเตอร์, Pocket PC ซึ่งมีความคลาดเคลื่อนสูงเมื่อเทียบกับ atomic clock เครื่องรับสำหรับงานทำแผนที่และสารสนเทศน์นี้จะให้ความเที่ยงตรงภายใน +/- 10 ซม.

3. สำหรับการใช้งานสำรวจ (Survey-Grade Receiver) อย่างที่ชื่อบอก เครื่องรับชนิดนี้ใช้ในกิจการทำรังวัด และการสำรวจอื่นๆที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงมากๆ ใช้ทั้งคลื่นความถี่ L1 และ L2 (1.228 กิ๊กกะเฮิร์ส) ที่ใช้ในกิจการทหาร ความถี่ L2 นี้จะช่วยลดผลกระทบจากการเดินทางของสัญญาณผ่านชั้นบรรยากาศชั้นสูง (ความถี่ยิ่งสูงจะยิ่งถูกลดทอนความแรงได้ง่าย) เครื่องรับชนิดนี้ให้ความเที่ยงตรงสูงมาก (น้อยกว่า +/- 1 ซม.) และราคาก็สูงมากตามไปด้วย (สูงกว่า US$10,000)

ความคลาดเคลื่อนของเครื่องรับจีพีเอสเกิดจาก

1. ผลกระทบจากการเดินทางของสัญญาณผ่านชั้นบรรยากาศชั้นสูง (Ionoshere) ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 5 ม.

2. ความคลาดเคลื่อนของวงโคจรดาวเทียม ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 2.5 ม.

3. ความคลาดเคลื่อนของนาฬิกาบนดาวเทียม (ระบบจีพีเอสทำงานได้ด้วยการเทียบเวลาที่เที่ยงตรงมากๆ ระดับ atomic clock) ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 2 ม.

4. การรบกวนกันของสัญญาณจีพีเอส ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 1 ม.

5. ผลกระทบจากการเดินทางของสัญญาณผ่านชั้นบรรยากาศชั้นต่ำ (Troposphere) ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 0.5 ม.

6. ความคลาดเคลื่อนของตัวเลข ทำให้ผิดพลาดได้ +/- 1 ม.

จะเห็นว่าสาเหตุ 1. ทำให้ผิดพลาดได้มากที่สุด ซึ่งสามารถทำให้น้อยลงที่สุดได้โดยความถี่ L2 ส่วนสาเหตุ 2. และ 3. ก็มีความสำคัญมากเช่นกัน

จากสาเหตุดังกล่าวจึงต้องคิดค้นเทคนิคต่างๆเพื่อให้เครื่องรับจีพีเอสเที่ยงตรงมากขึ้น จะกล่าวถึงเพียงเทคนิคที่ใช้กันมากเท่านั้น

1. Differential GPS (DGPS) ใช้เครือข่ายวิทยุ (กระจายคลื่นแบบ FM) ที่แต่ละสถานีจะมีเครื่องรับจีพีเอสติดตั้งอยู่ เครื่องรับจีพีเอสดังกล่าวจะคำนวณพิกัดและเทียบกับพิกัดของตำแหน่งที่ตั้ง (วัดไว้ก่อนหน้า) และกระจายคลื่นบอกค่าแตกต่างออกไป เครื่องรับจีพีเอสที่สามารถใช้งาน DGPS ได้ ต้องสามารถรับคลื่น FM นี้ได้นอกเหนือจากการรับสัญญาณจีพีเอส เครื่องรับดังกล่าวจะใช้ค่าความแตกต่างนี้ชดเชยค่าที่วัดได้จริง โดยวิธีการนี้สามารถให้ค่าความเที่ยงตรงได้สูงถึงระดับ 1 ถึง 3 ม. ตัวอย่างของระบบ DGPS นี้คือระบบของ หน่วยป้องกันชายฝั่งสหรัฐ (US Coast Guard) ทราบว่าในเมืองไทยก็มีใช้ในกิจการของทางราชการ และไม่สามารถนำมาใช้งานได้สำหรับเครื่องรับที่เราใช้กันอยู่ซึ่งไม่ support DGPS

2. Satellite Based Augmentation (SBAS) คือใช้เครือข่ายดาวเทียมภาคพื้นดิน คำนวณความคลาดเคลื่อน (เกี่ยวกับสัญญาณนาฬิกา และ ผลกระทบจากการเดินทางของสัญญาณผ่านชั้นบรรยากาศชั้นสูง) แล้วส่งไปให้ดาวเทียมกลุ่มหนึ่งที่โคจร (ดูเหมือนว่า) อยู่กับที่ (Geosynchronous Orbit) ดาวเทียม SBAS ดังกล่าวไม่รวมอยู่ในกลุ่มดาวเทียมจีพีเอสซึ่งประกอบไปด้วยดาวเทียม 24 ดวง ซึ่งโคจรเป็น 6 ระนาบ ระนาบละ 4 ดวงนะครับ ข้อมูลจากดาวเทียม SBAS จะใช้ในการเพิ่มความเที่ยงตรงของเครื่องรับที่ใช้ได้กับระบบนี้ ระบบ SBAS นี้ต่างกับระบบ DGPS ซึ่งใช้เครือข่ายวิทยุนะครับ

ตัวอย่างของระบบ SBAS คือระบบ WAAS (Wide Area Augmentation System) ที่ใช้ในอเมริกาเหนือ, ระบบ EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) ที่ใช้ในยุโรป, ระบบ MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) ที่ใช้ในญี่ปุ่น และระบบ GAGAN ที่ใช้ในอินเดีย เครื่องรับหลายๆยี่ห้อที่เราใช้กัน (เช่นการ์มิน) มักจะ support ระบบ WAAS แต่เนื่องจากไม่มีเครือข่าย WAAS ในไทยจึงจำเป็นต้องยกเลิก (disable) WAAS ในเครื่องรับ

3. Local Area Augmentation System (LAAS) คล้ายกับระบบ WAAS (SBAS) แต่ข้อมูลแก้ไขความคลาดเคลื่อนแทนที่จะส่งไปยังดาวเทียมก็จะถูกส่งออกไปเครื่องส่งวิทยุครอบคลุมพื้นที่ใช้งานเช่นบริเวณสนามบินหรือพื้นที่อื่นๆที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงแทน ระบบดังกล่าวมักจะใช้งานในพื้นที่ในรัศมี 30-50 กม. เครื่องส่งดังกล่าวบางทีเรียกว่า ‘ดาวเทียมจำลอง’ (Pseudo-Satellite) เพราะทำงานเลียนแบบดาวเทียม WAAS แต่ราคาค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับดาวเทียมจริง (US$ 50,000) ระบบดังกล่าวสามารถให้ความเที่ยงตรงได้ระดับ +/- 10-30 มิลลิเมตร (คือน้อยกว่าเซนติเมตรมาก) ทั้งทางระนาบ (พิกัด) และทางสูง (altitude) ซึ่งสามารถนำไปใช้งานนำให้เครื่องบินบินขึ้นและร่อนลงโดยอัตโนมัติเหมือนที่เราเห็นในหนังบางเรื่อง

4. Relative Kinematic Positioning (RKP) ใช้วิธีการแก้ไขความคลาดเคลื่อนของระยะทางโดยการส่ง-รับข้อมูลซ้ำๆกันของเครื่องรับกับเครือข่าย DGPS ตัวอย่างของเครื่องรับแบบนี้คือเครื่องจีพีเอส Real-Time Kinematic (RTK) สำหรับงานสำรวจซึ่งให้ความเที่ยงตรงถึงระดับ +/- 10 ซม.

นอกจากนี้ยังมีระบบอื่นๆเช่น Wide Area GPS Enhancement (WAGE) และ Carrier-Phase Enhancement (CPGPS) ซึ่งจะไม่กล่าว ณ ที่นี้เพราะคงไกลตัวเราไปหน่อย

หวังว่าข้อมูลที่เรียบเรียงมานี้คงมีประโยชน์แก่เพื่อนๆไม่มากก็น้อย …. อย่างน้อยก็ให้ทราบว่าเครื่องรับจีพีเอสมีกี่แบบ และระบบ (เทคนิค) ที่ใช้แก้ไขความคลาดเคลื่อนเช่น DGPS, WAAS, EGNOS, RKP (RTK)… ฯลฯ คืออะไรกัน