GPS คืออะไร?

ระบบการหาตำแหน่งทั่วโลก หรือ GPS (Global Positioning System) คือระบบการนำทางด้วยดาวเทียมซึ่งประกอบด้วยดาวเทียมอย่างน้อย 24 ดวง GPS สามารถปฏิบัติการได้ในทุกสภาพอากาศ ทุกที่ในโลก ตลอด 24 ชั่วโมงต่อวัน และไม่มีค่าลงทะเบียนหรือค่าธรรมเนียมในการตั้งค่า กระทรวงกลาโหมสหรัฐ (USDOD) แต่เดิมปล่อยดาวเทียมให้โคจรสำหรับการปฏิบัติงานทางทหาร แต่ในทศวรรษ 1980 เป็นต้นมาก็เริ่มกำหนดให้พลเรือนสามารถเข้าถึงการใช้งานดาวเทียมได้

GPS ทำงานอย่างไร

ดาวเทียม GPS โคจรรอบโลกวันละสองรอบในวงโคจรที่แน่นอน ดาวเทียมแต่ละดวงจะส่งสัญญาณและปัจจัยการโคจรเฉพาะตัวที่ช่วยให้อุปกรณ์ GPS สามารถถอดรหัสและคำนวณตำแหน่งที่แม่นยำของดาวเทียมดังกล่าวได้ ตัวรับสัญญาณ GPS จะใช้ข้อมูลนี้และวิธีการสามเหลี่ยมระยะในการคำนวณตำแหน่งที่ถูกต้องของผู้ใช้ โดยหลักแล้ว ตัวรับสัญญาณ GPS จะวัดระยะห่างจากดาวเทียมแต่ละดวงโดยอิงจากระยะเวลาที่ใช้ในการรับสัญญาณที่ส่งมาได้ ด้วยค่าวัดระยะทางที่ได้จากดาวเทียมอื่น ๆ อีกไม่กี่ดวง ตัวรับสัญญาณก็จะสามารถระบุตำแหน่งของผู้ใช้และแสดงตำแหน่งดังกล่าวแบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อวัดเส้นทางการวิ่งของคุณ ทำแผนที่สนามกอล์ฟ หาทางกลับบ้าน หรือการผจญภัยในที่ต่าง ๆ

ในการคำนวณตำแหน่ง 2 มิติของคุณ (ละติจูดและลองติจูด) และติดตามการเคลื่อนที่ ตัวรับสัญญาณ GPS ต้องถูกล็อกเข้ากับสัญญาณของดาวเทียมอย่างน้อย 3 ดวง และด้วยดาวเทียม 4 ดวงขึ้นไป ตัวรับสัญญาณจะสามารถระบุตำแหน่ง 3 มิติของคุณ (ละติจูด ลองติจูด และระดับความสูง) โดยทั่วไปแล้ว ตัวรับสัญญาณ GPS จะติดตามดาวเทียม 8 ดวงขึ้นไป แต่นั่นก็ขึ้นอยู่กับเวลาในแต่ละวันและสถานที่บนโลกที่คุณอยู่ อุปกรณ์บางชิ้นสามารถทำทุกอย่างที่กล่าวมาได้จากข้อมือของคุณ.

เมื่อตำแหน่งของคุณถูกระบุแล้ว หน่วย GPS จะสามารถคำนวณข้อมูลอื่น ๆ เช่น:

ความเร็ว
ทิศทาง
แทร็ค
ระยะทางการเดินทาง
ระยะถึงปลายทาง
พระอาทิตย์ขึ้น/ตก
และอีกมากมาย

GPS แม่นยำแค่ไหน?

ทุกวันนี้ตัวรับสัญญาณ GPS แม่นยำสูงมาก เพราะการออกแบบแบบหลายช่องทางขนาน ตัวรับสัญญาณของเราล็อกเข้ากับดาวเทียมหลายดวงได้ทันทีที่เปิดใช้ครั้งแรก อุปกรณ์เหล่านั้นจะยังคงล็อกแบบติดตามแม้แต่ในป่าทึบหรือในเมืองใหญ่ที่มีตึกสูงมากมาย ปัจจัยทางบรรยากาศบางอย่างและแหล่งที่มาของความผิดพลาดอื่น ๆ อาจส่งผลต่อความแม่นยำของตัวรับสัญญาณ GPS ได้ ตัวรับสัญญาณ GPS ของ Garmin โดยปกติแล้วจะแม่นยำถึงในระยะ 10 เมตร ความแม่นยำจะดีขึ้นอีกเมื่ออยู่บนผืนน้ำ.

ความแม่นยำของตัวรับสัญญาณ GPS ของ Garmin ส่วนหนึ่งถูกปรับปรุงด้วยระบบการเสริมพื้นที่กว้างหรือ WAAS ความสามารถนี้สามารถพัฒนาความแม่นยำให้ดียิ่งกว่าระยะ 3 เมตร โดยการแก้ไขบรรยากาศ ไม่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพิ่มเติมหรือค่าธรรมเนียมใด ๆ ในการใช้งานดาวเทียม WAAS และผู้ใช้งานยังสามารถเพิ่มความแม่นยำได้ด้วย Differential GPS (DGPS) ซึ่งจะแก้ไขระยะ GPS ให้ถูกต้องในระยะเฉลี่ย 1 ถึง 3 เมตร กองกำลังรักษาชายฝั่งสหรัฐฯปฏิบัติงานบริการการแก้ไข DGPS ที่พื้นฐานที่สุด ซึ่งประกอบไปด้วยเครือข่ายของหอบังคับการต่าง ๆ ที่รับสัญญาณ GPS และถ่ายทอดสัญญาณที่ถูกต้องด้วย Beacon ส่งสัญญาณ ในการที่จะรับสัญญาณที่ผ่านการแก้ไขแล้ว ผู้ใช้งานต้องมีตัวรับสัญญาณ Differential Beacon และเสาอากาศ Beacon เพิ่มเติมจาก GPS ที่มีอยู่

ระบบดาวเทียม GPS

ดาวเทียม 31 ดวงที่ปัจจุบันนี้อยู่ในเซกเมนต์อวกาศของ GPS กำลังโคจรรอบโลกที่ความสูง 12,000 ไมล์เหนือเราขึ้นไป ดาวเทียมเหล่านี้เคลื่อนที่สม่ำเสมอ ทำให้สามารถวนรอบโลกได้วันละสองรอบ และโคจรด้วยความเร็วประมาณ 7,000 ไมล์ต่อชั่วโมง ไอพ่นจรวดขนาดเล็กช่วยให้ดาวเทียมแต่ละดวงบินไปในเส้นทางที่ถูกต้องเสมอ

ต่อไปนี้คือข้อเท็จจริงที่น่าสนใจบางประการเกี่ยวกับดาวเทียม GPS:

กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯตั้งชื่อทางการของ GPS ว่า NAVSTAR
ดาวเทียม GPS ดวงแรกถูกปล่อยในปี 1978
กลุ่มดาวเทียมสมบูรณ์ประกอบด้วยดาวเทียม 24 ดวงเกิดขึ้นสำเร็จในปี 1994
ดาวเทียมแต่ละดวงสร้างมาให้อยู่ได้ถึง 10 ปี ดาวเทียมใหม่ที่ใช้แทนดวงเก่าถูกสร้างขึ้นอยู่เสมอและปล่อยไปในวงโคจร
ดาวเทียม GPS มีน้ำหนักประมาณ 2000 ปอนด์ และกว้างประมาณ 17 ฟุต พร้อมแผงโซล่าร์ที่ขยายออก
ดาวเทียม GPS ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ แต่ก็มีแบตเตอรี่สำรองในตัว ในกรณีที่เกิดสุริยคราส
กำลังการส่งสัญญาณมีเพียง 50 วัตต์หรือน้อยกว่านั้น

ระบบ GPS อื่น ๆ

ยังมีระบบอื่น ๆ ที่คล้ายกับ GPS ในโลกนี้อยู่ ซึ่งทั้งหมดถูกจัดประเภทเป็นระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก (Global Navigation Satellite System) หรือ GNSS GLONASS คือระบบกลุ่มดาวเทียมที่สร้างขึ้นโดยรัสเซีย หน่วยงาน European Space Agency กำลังสร้าง Galileo ขณะที่จีนก็สร้าง BeiDou ตัวรับสัญญาณของ Garmin ส่วนมากติดตามทั้ง GLONASS และ GPS และบางตัวยังติดตาม BeiDou อีกด้วย ยิ่งติดตามดาวเทียมหลายดวงเท่าไหร่ โซลูชั่นก็จะยิ่งเชื่อถือได้มากขึ้นเท่านั้น คุณอาจติดตามดาวเทียมได้เกือบ 20 ดวงด้วยผลิตภัณฑ์รุ่นใหม่ ๆ ของ Garmin

อะไรคือสัญญาณ?

ดาวเทียม GPS ถ่ายทอดสัญญาณวิทยุพลังงานต่ำอย่างน้อย 2 ชนิด สัญญาณเหล่านั้นจะเดินทางตามเส้นทางที่ปราศจากสิ่งกีดขวาง หมายความว่าสัญญาณจะผ่านก้อนเมฆ แก้ว และพลาสติก แต่จะไม่ผ่านวัตถุทึบแข็งส่วนใหญ่ เช่น อาคารหรือภูเขา อย่างไรก็ตาม ตัวรับสัญญาณรุ่นใหม่ ๆ ไวต่อสัมผัสกว่า และมักจะติดตามผ่านบ้านเรือนต่าง ๆ ได้

In recent years, GPS has added an additional frequency, named L5, to satellites being launched. This advanced signal has more power and better tracking characteristics over the original L1 signal. Recent Garmin GPS receivers are now using L5 to improve accuracy and reliability. This multi-band solution (i.e., both L1 and L5) provides improvements under trees or in urban canyons.

สัญญาณ GPS ประกอบไปด้วยข้อมูลที่แตกต่างกัน 3 ชนิด:

รหัสสุ่มเทียม คือรหัสระบุตัวตนที่ระบุว่าดาวเทียมดวงไหนกำลังถ่ายทอดข้อมูล คุณจะสามารถดูได้ว่าดาวเทียมดวงไหนที่คุณได้รับสัญญาณมาบนหน้าดาวเทียมของอุปกรณ์ของคุณ
ข้อมูลปฏิทินดาวเคราะห์ เป็นข้อมูลที่จำเป็นเพื่อระบุตำแหน่งดาวเทียมและมอบข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับสภาพของดาวเทียม วัน และเวลาปัจจุบัน
ข้อมูลปูม บอกตัวรับสัญญาณ GPS ว่าดาวเทียมดวงไหนจะไปอยู่ตรงไหนในเวลาไหนตลอดทั้งวัน และแสดงข้อมูลการโคจรสำหรับดาวเทียมดวงดังกล่าวและดาวเทียมดวงอื่น ๆ ทั้งหมดในระบบ


แหล่งที่มาความผิดพลาดของสัญญาณ GPS ต่าง ๆ
ปัจจัยที่ส่งผลต่อสัญญาณ GPS และความแม่นยำได้แก่:

ความล่าช้าของชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์และโทรโพสเฟียร์: สัญญาณดาวเทียมจะช้าลงเมื่อผ่านชั้นบรรยากาศดังกล่าว ระบบ GPS จะใช้โมเดลในตัวในการแก้ไขความผิดพลาดชนิดนี้บางส่วน
สัญญาณกระจายหลายเส้นทาง: สัญญาณ GPS อาจสะท้อนจากวัตถุต่าง ๆ เช่น ตึกสูงหรือเนินใหญ่ที่ปรากฏก่อนจะไปถึงตัวรับสัญญาณ ซึ่งจะเพิ่มเวลาในการเดินทางของสัญญาณ และก่อให้เกิดข้อผิดพลาดได้
ความผิดพลาดจากนาฬิกาตัวรับสัญญาณ: นาฬิกาในตัวรับสัญญาณอาจมีการระบุเวลาผิดพลาดเล็กน้อยเนื่องจากแม่นยำน้อยกว่านาฬิกาปรมาณูในดาวเทียม GPS
ความผิดพลาดของการโคจร: ตำแหน่งดาวเทียมที่รายงานไปอาจจะไม่แม่นยำ
จำนวนดาวเทียมที่อยู่ในทัศนวิสัย: ยิ่งมีดาวเทียมหลายดวงที่อยู่ในทัศนวิสัยของตัวรับ GPS ก็ยิ่งแม่นยำขึ้น เมื่อสัญญาณถูกกั้น คุณอาจได้รับตำแหน่งที่ผิดพลาดหรือไม่สามารถอ่านตำแหน่งได้เลย หน่วย GPS ส่วนใหญ่มักจะทำงานใต้น้ำหรือใต้ดินไม่ได้ แต่ตัวรับสัญญาณรุ่นใหม่ที่ไวต่อสัมผัสสูงนั้นสามารถติดตามสัญญาณบางชนิดเมื่ออยู่ในอาคารหรือใต้ร่มไม้ได้
เรขาคณิต/แสงเงาของดาวเทียม: สัญญาณดาวเทียมจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อดาวเทียมอยู่ในตำแหน่งมุมกว้างสัมพันธ์กับดวงอื่น ๆ มากกว่าเรียงเป็นเส้นตรงหรือเกาะกลุ่มกันแคบ ๆ
การเลือกให้บริการ: ครั้งหนึ่งกระทรวงกลาโหมของสหรัฐฯได้ใช้มาตรการการเลือกให้บริการ (Selective Availability) กับดาวเทียมต่าง ๆ ทำให้สัญญาณแม่นยำน้อยลงเพื่อป้องกันไม่ให้ “ศัตรู” ใช้สัญญาณ GPS ความแม่นยำสูงได้ รัฐบาลยกเลิกมาตรการการเลือกให้บริการดังกล่าวในเดือนพฤษภาคม ปี 2000 ส่งผลให้การรับสัญญาณ GPS ของพลเรือนแม่นยำขึ้น