จีพีเอสคืออะไร?
           
คำถามยอดฮิตกับคำตอบหลากหลาย เราขอให้นิยามง่ายๆ คือ ระบบการระบุพิกัดบนพื้นโลก ซึ่งมีคำในภาษาอังกฤษ
ว่า Global Positioning System ใช้ดาวเทียม NAVSTAR ของสหรัฐอเมริกา จำนวน 24 ดวง โคจรรอบโลก แบ่งเป็น
6 วงโคจร แต่ละวงโคจรมีดาวเทียม 4 ดวง (มีดาวเทียมอะไหล่กี่ดวง ปลดไปแล้วกี่ดวง มีของค่ายอื่นอีกไหม หาอ่านเอาเอง
นะครับมีคนเขียนไว้เยอะมาก)

จีพีเอสทำงานอย่างไร?
         ก่อนจะถึงตรงนั้นเรามาทำความเข้าใจหลักการเบื้องต้นบางอย่างก่อนเพื่ออธิบายหลัการทำงานของจีพีเอสซึ่งเป็น
เทคโนโลยี่ชั้นสูงระบบหนึ่งที่เราสามารถมีไว้ใช้ได้ในปัจจุบัน


     รูปที่ 1 การหาตำแหน่งของวัตถุที่มีระยะห่างจากจุดคงที่ที่เราทราบ

     จากรูปที่1 เพดาห้องมีความสูง 4 เมตร กำหนดให้วัตถุชิ้นหนึ่งผูกเชือกมีความยาว 5 เมตร ปลายข้างหนึ่ง
ยึดติดบนเพดาน ให้หาตำแหน่งของวัตถุที่ อยู่ห่างจากจุดคงที่บนเพดานเป็นระยะ 5 เมตรเท่ากันตลอด
     เราจะพบว่าตำแหน่งของวัตถุที่อยู่ห่างจากจุดคงที่บนเพดานห้อง คือตำแหน่งใดๆที่ต่อเรียงกันเป็นวงกลม รัศมี 3
เมตรบนพื้นห้องนั่นเอง (ถ้าเราไม่ทดลองจริงใช้การคำนวณด้วย ทฤษฏิบทที่ 29 ของปีทากอรัส ก็สามารถคำนวณ
ได้) นั่นจะเห็นว่าหลักการของจีพีเอสใช้การคำนวณด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์ ซึ่งจะไม่ขอกล่าวในที่นี้
     ถ้าเราสมมุติให้จุดบนเพดานห้อง คือดาวเทียมที่อยู่นอกโลกและมีระยะห่างคงที่ และถ้าเราทราบว่าเราอยู่
ห่างจากดาวเทียมเท่าไร เราก็สามารถหาตำแหน่งของ เราบนพื้นโลกได้   แต่ปัญหาคือมันไม่ได้มีจุดเดียว

แล้วปัญหานี้เขาแก้อย่างไร
     จากตำราของฝรั่งเขาอ้างถึงดาวเทียมที่อยู่ในห้วงอวกาศ ซึ่งอาจจะทำให้ยากต่อการจินตนาการ ผู้เขียนจึง
ย่อส่วนให้เล็กลงและใกล้ต้วเรามากขึ้นและสามารถพิสูจน์ได้ด้วยไม้บรรทัดและวงเวียน
     คราวนี้เราลองมาดูเหตุการณ์สมมุติอีกสัก 1 เหตุการณ์
  สมมุติให้เราอยู่ที่ใดที่หนึ่งบนพื้นราบโดยที่เราก็ไม่
รู้ว่าอยู่ตรงจุดใด แต่มีตัวช่วยคือ นาย A นาย B นาย C   โดยตัวช่วยทั้งสามคนร้องตะโกนบอกเราว่า เราอยู่ห่าง
จากนาย A เป็นระยะทาง 15 เมตร ห่างจาก B 20 เมตร และห่างจาก C 25 เมตร  ดูรูปที่ 2 ประกอบ


    รูปที่ 2 เราอยู่ห่างจาก A,B,C เป็นระยะทาง 15,20,25 เมตรตามลำดับ

     ตอนนี้เรารู้ระยะทางแต่ไม่รู้ทิศทาง ฉะนั้นเราจะอยู่ห่างจาก A เป็นรัศมี 15 เมตร เหมือนหลักการในรูปที่ 1
ถ้าเราทำการขีดเส้นรอบตัวนาย A,B,C ได้เราจะพบว่าวงกลมมีการทับซ้อนกันและมีจุดตัดหลายจุด แต่ถ้าพิจารณา
ให้ละเอียดจะพบว่าพื้นที่ ที่มีจุดตัดครบทั้ง A,B,C คือพื้นที่เล็กๆ สีน้ำตาล
นั้นคือตำแหน่งของเราอยู่จุดใดจุดหนึ่ง
ในพื้นที่สี่น้ำตาล
ปัญหาก็อยู่ตรงที่ว่าถ้าพื้นที่มันใหญ่ตำแหน่งของเราก็จผิดพลาดมากขึ้น

วิธีแก้ปัญหานี้คือหาจุดอ้างอิงที่ 4 ดังรูปที่ 3


                           รูปที่ 3 จุดอ้างอิงที่ 4 คือนาย D

         จากรูปที่ 3 ถ้าเราเพิ่มจุดอ้างอิงที่ 4 คือวงกลมสีฟ้า ทำให้พื้นที่สีน้ำตาลถูกตัดให้แคบลงโดยเราอยู่ในพื้นที่สีฟ้า
แต่ในตำราของฝรั่งอ้างว่าดาวเทียมดวงที่สี่ใช้เพื่อเหตุผลทางด้าวยเทคนิค    และไม่จำเป็นต้องตัดกับ 3 จุดแรกด้วย
(คราวนี้เลยไม่รู้จะเขียนรูปอย่างไร) โดยใช้ดาวเทียมหรือจุดอ้างอิงที่สี่ มาเพื่อทำการตรวจสอบความผิดพลาดเรื่อง
เวลามาตรฐาน "Universal Time" และเมื่อพบความคลาดเคลื่อนไปเท่าไร ก็สามารถที่จะปรับแก้เวลาให้เท่ากับเวลา
ของดาวเทียม      แล้วจะหารายละเอียดมาบอกเล่ากันต่อไป

อย่าลืมนะครับเหตุการณ์สมมุตินี้เราอยู่บนพื้นดิน และนี้ก็คือหลักการหาพิกัดในการเดินทางหรือเดินเรือในมหาสมุทร
ตั้งแต่อดีตจนปัจจุบันโดยใช้จุดอ้างอิงบนพื้นโลก หรือชาวเรืออาจใช้ดวงดาวเป็นจุดอ้างอิงที่เรียกว่า "วัดแดดวัดดาว"
        เรากลับมาที่เหตุการณ์สมมุติของเราก่อน ปัญหาที่เกิดขึ้นอีกของการใช้จุดอ้างอิง 3 จุดคือ   ถ้าเราให้ระยะห่าง
ระหว่างเรากับจุดอ้างอิง A,B,C เท่าเดิม(รัศมีเท่าเดิม) แต่เลื่อนจุดอ้างอิงเข้าใกล้กันหรือห่างออกจากกัน


  รูปที่ 4 เลื่อนจุดอ้างอิง  A,B,C
เข้ามาใกล้กัน โดยยังคงรัศมีของแต่ละวงยังเท่าเดิม
        
        ***เลื่อนตำแหน่งของA,B,Cให้เข้ามาใกล้หรือแคบลงจะพบว่าพื้นที่สีน้ำตาลจะกว้างขึ้นนั่นหมายถึงตำแหน่ง
              ของเราก็จะผิดพลาดมากขี้น
        ***และถ้าเลื่อนจุด A,B,Cให้ห่างออกโดยให้รัศมีเท่าเดิมจะพบว่าพื้นที่สีน้ำตาลจะเล็กลงนั่นคือตำแหน่งหรือพิกัด
            ของ เราจะถูกต้องมากขึ้น

       จะเห็นได้ว่าระยห่างระหว่างจุด A,B,C รูปที่ 2 จะมากกว่า ระยะห่างของจุด A,B,C ในรูปที่ 4 ผลทำให้พื้นที่จุด
ตัดของทั้งสามวงในรูปที่ 2 มีน้อยกว่าพื้นที่ในรูปที่ 4 (รูปที่ 2 มีความถูกต้องมากกว่า)
        ในระบบดาวเทียมจีพีเอสก็มีผลกระทบเช่นเดียวกันกับรูปที่ 2 และ 4 ด้วยเหมือนกัน
จะกล่าวในรายละเอียดต่อไป

แล้วเหตุการณ์สมมุติข้างต้นเกี่ยวพันอย่างไรกับระบบจีพีเอส?
           ในหลักการของจีพีเอสก็ใช้วิธีการคล้ายๆกันนี้ แต่นาย A,B,C เปลี่ยนเป็นดาวเทียมที่อยู่หางจากพื้นโลก
สองหมื่นกว่ากิโลเมตร (11,000 ไมล์) และวิธิการวัดระยะห่างก็อาศัยคลื่นวิทยุส่งมาจากดาวเทียมเป็นเครื่องมือในการ
วัดระยะทางจากดาวเทียมมายังเครื่องรับจีพีเอส  เนื่องจากนักวิทยาศาตร์ทราบว่า :-
            - คลื่นวิทยุเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับแสงคือ 186,000 ไมล์ หรือประมาณ 300 ล้านเมตรต่อวินาที
            - ถ้าเราทราบเวลาที่ดาวเทียมส่งรหัสมายังภาครับของเรายังพื้นโลกเราก็จะทราบระยะห่างของเรากับดาวเทียม
            - ถ้าเราได้ระยะของดาวเทียมจำนวน 3 ดวงเราก็จะทราบพิกัดของเราบนพื้นโลก แบบ 2 มิติ
            - ถ้าเราได้ระยะของดาวเทียมดวงที่ 4 เข้ามก็จะทำให้ความถูกต้องแน่นอนมากขึ้น และยังสามารถรู้ความสูงของ
              เราจากพิ้นด้วย เรียกว่า สามารถทราบพิกัดแบบ 3 มิติเลยทีเดียว

        จากหลักการข้างต้นจะเห็นว่าหัวใจของระบบคือการวัดระยะทางระหว่างดาวเทียมกับภาครับ ซึ่งตัวจักรที่สำคัญคือ
คือฐานเวลาซึ่งจะต้องมีความถูกต้องเที่ยงตรงมาก ระบบฐานเวลาบนดาวเทียมจีพีเอส ใช้อะตอมมิคล๊อก หรือนาฬิกาอะตอม
มีเวปไซค์หนึ่งของฝรั่งเขียนไว้น่าสนใจ ซึ่งพอจะแปลเป็นไทยได้ว่า"นาฬิกาอะตอม ไม่ได้มีความเกี่ยวข้องกับอะตอมใดๆทั้ง
สิ้น  แต่ชื่อ"อะตอมมิค"  สื่อถึงความละเอียดในระดับอะตอม"  ท่านว่าไว้อย่างนี้จริงเท็จอย่างไรไม่ยืนยัน

ใครเป็นคนคำนวณหาพิกัดบนพื้นโลก?
        บางท่านมีความเข้าใจคลาดเคลื่อนว่า ดาวเทียมที่อยู่นอกโลกห่างออกไป สองหมื่นกว่ากิโลเมตร เป็นตัวบอกพิกัดของ
เรา ซึ่งที่แท้จริงแล้วบอร์ดภาครับดาวเทียมที่อยู่บนโลกกับเรานั่นแหละเป็นนคนคำนวณหาพิกัดของตัวเอง โดยอาศัยดาวเทียม
จีพีเอสที่อยู่นอกโลกเป็นจุดอ้างอิง
        ดาวเทียมที่อยู่นอกโลกทำหน้าที่ส่งข้อมูลของตัวเองที่มีความจำเป็นในการคำนวณหาพิกัดของตัวเองของบอร์ดภาครับ
บนพื้นโลก ฉะนั้นจะถูก-ผิด หรือแม่นยำขนาดไหนอยู่ที่ภาครับนั่นแหละครับ

 ความถูกต้องเที่ยงตรงของฐานเวลาในบอร์ดภาครับที่อยู่บนพื้นโลกมีความถูกต้องมากแค่ไหน?
        นั่นคือที่มาของราคาของภาครับดาวเทียมจีพิเอสไม่ว่าจะเป็นเครื่องแบบมือถือ หรือ engine board ซึ่งเป็นบอร์ดเปลือย
ที่เราเห็นโดยทั่วไป เช่น GM-82,GR-82 หรือจะเป็นเครื่องสำเร็จที่มีชื่อเช่น Lieca,Trimble, Garmin,Magellane
        ซึ่งราคาถูกหรือแพงก็ขึ้นอยู่กับฐานเวลาของเครื่องนั้นๆแต่ในปัจจุบันนอกจากฐานเวลาที่ถูกต้องแเละมีเสถียรภาพมากขึ้น
แล้ว  ชิพในการประมวลผลก็มีส่วนสำคัญและบริษัทผู้ผลิตต่างก็พัฒนาให้ดีขึ้น ความไวสูงขึ้น  ความสามารถในการประมวลผล
กับ จำนวนดาวเทียมที่มากขึ้น เช่นสามารถประมวลผลดาวเทียมได้พร้อมกันถึง 20 ดวง
        จำนวนดาวเทียมที่ประมวลผลได้มากกว่าไม่ได้หมายถึงภาครับเครื่องนั้นดีกว่าเครื่องที่ประมวลผลดาวเทียมได้น้อยดวงกว่า
หากแต่ได้เปรียบ เมื่ออยู่ในสภาวะที่ไม่สามารถรับสัญญาณจากดาวเทียมได้ดี เครื่องรับที่รับดาวเทียมได้มากดวงกว่า ก็มีสิทธิ์
เลือกสัญญาณดาวเทียมดวงที่ดีที่สุดมาประมวลผลได้ครบ 4 ดวง
        ในสถานการณ์เดียวกันสถานที่เดียวกัน ณ ที่ท้องฟ้าเปิด (Open sky) ภาครับดาวเทียมที่สามารถรับดาวเทียมได้ 20 ดวง
ไม่ได้บอกเราว่าเครื่องนั้นบอกพิกัดได้ถูกต้องกว่าเครื่องที่รับดาวเทียมได้ 12 ดวง เพราะความถูกต้องอยู่ที่ฐานเวลาที่จะคำนวณ
ระยะห่างของดาวเทียมกับเครื่องรับได้ถูกต้องมากกว่า แต่เครื่องรับที่มีขีดความสามารถรับดาวเทียมได้มากดวงกว่าย่อมได้เปรียบ
ในการที่จะเลือกดาวเทียมดวงที่มีสัญญาณดีที่สุดและอยู่ในมุมที่ดีที่สุดมาทำการคำนวณ

ปัจจัยที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของพิกัด
        เนื่องจากระบบจีพีเอสใช้เวลาเป็นส่วนสำคัญในการคำนวณหาพิกัด ก่อนที่รู้ถึงปัจจัยแห่งความผิดพลาด เรามาดูเวลากับ
ระยะทางกันก่อน คลื่นวิทยุเดินทางด้วยควาเร็ว 300 ล้านเมตร/วินาที หรือ 300 เมตร ต่อ 1/1,000,000 วินาที หรือ 1 ไมโคร
วินาที ต่อ 300 เมตร แต่ดาวเทียมเราอยู่ห่างจากพื้นโลกเป็นระยะทาง 11,000 ไมล์ หรือคลื่นวิทยุใช้เวลาเดินทางจากดาว
เทียมถึงพื้นโลกประมาณ 0.06  วินาที หรือ ประมาณ 60 มิลลิวินาที

เรามาดูปัจจัยที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนมีดังนี้
      1. การหักเหของคลื่นวิทยุในชั้นบรรยากาศ (ทำให้มีผลต่อเวลาในการเดินทางของคลื่นวิทยุ)
      2.การสะท้อนของคลื่นวิทยุเมื่อเดินทางมาถึงภาคพื้นดินทำให้เกิด multi path เช่นการสะท้อนกับภูเขา,ตึก,อาคาร ปัจจัย
         แก้ไขได้ยากเนื่องจากเป็นเรื่องของพื้นที่ของการใช้งาน เช่น ในเมืองที่มีตึกสูง
      3.ความคลาดเคลื่อนหรือเสถียรภาพของฐานเวลาในภาครับ ภาครับราคาถูกต้นทุนต่ำอาจมีเสถียรภาพของฐานเวลาต่ำ
      4.มุมและความห่างของดาวเทียมที่นำมาคำนวณหาพิกัด(ดังตัวอย่างในรูปที่ 4) เนื่องจากมีดาวเทียมให้ภาครับทำการ
         ประมวลผลจำนวนน้อย ซึ่งอาจได้ดาวเทียมดวงที่ทำมุมแคบ สาเหตุที่ทำให้เหลือดาวเทียมน้อยดวงในการประมวลผล คือ
         ปัจจัยตั้งแต่ข้อ 1-3

สำหรับท่านที่ต้องการเรียนรู้ทฤษฏีที่มีรายละเอียดทางด้านวิชาการ ค้นหาได้จาก http://www.trimble.com/gps/index.shtml
ถ้าเครื่องคอมพิวเตอร์ของท่านไม่ได้ติดตั้ง Shockwave Player  จะต้องทำการติดตั้งก่อนถึงจะดูภาพเคลื่อนไหวได้
หรือจะดูจากวิดีโอด่านล่างนี้ก่อนก็ได้




ขอจบตอนที่ 1 แค่นี้ก่อนครับ
นายจีพีเอส