เทคโนโลยี นวัตกรรม สิ่งประดิษฐ์ วิศวกรรม เกษตรศาสตร์ >>
ประวัติและพัฒนาการของดาวเทียม GPS
องค์ประกอบของระบบดาวเทียม GPS
ส่วนประกอบของเครื่องรับสัญญาญาณดาวเทียม GPS
ข้อดี-ข้อเสียของระบบ GPS
ส่วนประกอบของเครื่องรับสัญญาญาณดาวเทียม GPS
โดยทั่วไปเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม (Receiver) ประกอบด้วย 3 ส่วนคือ
1. ตัวเครื่อง (Body)
2. ส่วนให้พลังงาน (Power Supply)
3.
ส่วนเสาอากาศ (Antenna)
ประเภทเครื่องรับสัญญาณ GPS
เครื่องรับสัญญาณ GPS แบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่ม
1. เครื่องรับแบบเรียงลำดับสัญญาณดาวเทียม ได้แก่
- Starved-Power Single Receivers เครื่องแบบนี้ออกแบบให้พกพาได้และสามารถ
ทำงานได้ด้วยถ่านไฟฉายขนาดเล็ก
การจำกัดการใช้กระแสไฟโดยให้ปิดการทำงานตัวเองโดยอัตโนมัติ
เมื่อแสดงตำแหน่งครั้งสองครั้งใน 1 นาที เหมาะสำหรับใช้งานบอกตำแหน่งส่วนตัว
ข้อเสีย คือ ความถูกต้องของ GPS ไม่ดี และต่อเชื่อมกับอุปกรณ์อื่นไม่ได้
และไม่สามารถใช้วัดหาความเร็วได้
- Single Channel Receivers
เป็นเครื่องรับสัญญาณห้องเดียวใช้ทำงานหาระยะจากดาวเทียมทุกดวง
แต่ที่ไม่เหมือนคือเครื่องรับช่องเดียวแบบมาตรฐานไม่จำกัดที่กำลังไฟ ดังนั้น
จึงทำการรับต่อเนื่องได้ มีผลทำให้ความถูกต้องสูงกว่า และใช้วัดหาความเร็วได้
- Fast-Multiplexing Single Receivers
เครื่องรับนี้สามารถเปลี่ยนดาวเทียมได้เร็วกว่ามาก ข้อดีคือ
สามารถทำการวัดได้ในขณะที่กำลังรับข้อมูลจากดาวเทียม
ดังนั้นเครื่องทำงานได้อย่างต่อเนื่อง
และการที่มีนาฬิกาไม่เที่ยงจึงมีผลต่อเครื่องประเภทนี้น้อย
- Two-Channel Sequenc
ing Receivers การเพิ่มช่องรับสัญญาณขึ้นอีกหนึ่งช่องช่วยให้เครื่องเพิ่มขีดความสามารถขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
2. Continuous Receiversได้แก่ เครื่องรับที่สามารถรับสัญญาณดาวเทียมพร้อมกันได้ตั้งแต่ 4 ดวงขึ้นไป และสามารถแสดงผลค่าตำแหน่งและความเร็วได้ทันทีหรือต้องการ ความถูกต้องสูงนอกจากข้อดีที่ใช้วัดตำแหน่งอย่างต่อเนื่อง
หลักการทำงานของ GPS
หลักการพื้นฐานของ GPS เป็นเรื่องง่ายๆ
แต่อุปกรณ์ของเครื่องมือถูกสร้างขึ้นด้วยวิทยาการขั้นสูง การทำงาน GPS คือ
1. จะอาศัยหลักพื้นฐานของ GPS : Satellites Triangulation
หลักการ :
อาศัยตำแหน่งของดาวเทียมในอวกาศเป็นจุดอ้างอิง แล้ววัดระยะจากดาวเทียม 4 ดวง
และใช้หลักการทางเรขาคณิตในการคำนวณหาตำแหน่งบนพื้นโลก
2. วัดระยะทางระหว่างเครื่องรับ GPS กับดาวเทียม GPS โดยการวัดระยะเวลา
ที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางจาก ดาวเทียมสู่เครื่องรับใช้เวลาเดินทางของคลื่นวิทยุ
สูตร : ระยะทาง = ความเร็ว * เวลาที่ใช้เดินทาง
คลื่นวิทยุ : ความเร็ว = 186,000 ไมล์ต่อนาที
การวัดระยะเวลาในการเดินทาง คือ
โดยการเทียบกันของคลื่นสัญญาณที่ดาวเทียมส่งมากับคลื่นสัญญาณที่เครื่องรับ GPS
ส่งมา ส่วนคลื่นที่ใช้ในการส่งจะเป็น Pseudo Random Noise Code
3. การวัดระยะเวลาที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางของ GPS จะต้องใช้นาฬิกาที่
แม่นยำมาก ถ้า PRN CODE
จากดาวเทียมมีข้อมูลเวลาที่คลื่นเริ่มออกเดินทางจากดาวเทียมเมื่อคลื่นสัญญาณจากดาวเทียมและคลื่นสัญญาณจากเครื่องรับ
GPS สมวารกัน (Synchronize) และจะต้องใช้ Atomic Clock ในการวัดเวลา
ส่วนเวลาที่ใช้ในการเดินทางจะสั้นมากประมาณ 0.06 วินาที คือเวลาของเครื่องรับ GPS *
เวลาของดาวเทียม ส่วนการบอกตำแหน่ง GPS ยังเป็นเวลาที่มีความแน่นอนถึง 10
นาโนวินาทีหรือดีกว่า
4. ต้องรู้ตำแหน่งของดาวเทียม GPS ที่แน่นอนในอวกาศ
-
วงโคจรสูงมากประมาณ 11,000 ไมล์
- วงโคจรอาจคลาดเคลื่อน (Ephemeris Errors) เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของ
ดวงจันทร์และดวงอาทิตย์
- สถานีควบคุมจะใช้เรดาร์ตรวจสอบการโคจรของดาวเทียม GPS
ตลอดเวลาแล้วส่ง ข้อมูลไปปรับแก้ข้อมูลวงโคจรและเวลาของดาวเทียม
เมื่อข้อมูลได้รับการปรับแก้แล้วจะถูกส่งมายังเครื่องรับ GPS
5. ต้องแก้ไขความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการเดินทางของคลื่นวิทยุมาสู่โลก
สาเหตุที่ของความคลาดเคลื่อน (GPS Errors) ของค่าพิกัดที่คำนวณได้
-
เกิดจากการเดินทางสู่ชั้นบรรยากาศ Ionosphere จะมีประจุไฟฟ้า และชั้น Troposphere
จะมีทั้งความชื้น อุณหภูมิ ความหนาแน่นที่แปรเปลี่ยนได้ตลอดเวลาใน
-
การสะท้อนของคลื่นสัญญาณไปในหลายทิศทาง (Multipath Error)
ซึ่งที่ผิวโลกคลื่นสัญญาณต้องกระทบกับวัตถุ ก่อนถึงเครื่องรับ GPS
จะทำให้มีการหักเหและสัญญาณจะอ่อน
- ปัญหาที่เกิดจากดาวเทียม (Check error, Ephemeris error)
อาจเกิดจากวงโคจรคลาดเคลื่อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์หรืออาจจะเกิดจากความคลาดเคลื่อนของนาฬิกาเพียงเล็กน้อยจะทำให้การคำนวณระยะทางผิดพลาดได้มากเนื่องจากดาวเทียมอยู่สูงมาก
- ความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างตำแหน่งของดาวเทียมและตำแหน่งของเครื่องรับ
GPS ซึ่งจะคำนวณเป็นค่า GDOP = Geometic Dlution of recision
ซึ่งเนื่องจากลักษณะการวางตัวของดาวเทียม และ GDOP มีส่วนประกอบคือ
- อาจจะเกิดจากความผิดพลาดอื่นๆเช่น ความผิดพลาดของคอมพิวเตอร์
หรือมนุษย์ที่ควบคุมสถานี 1 เมตร ถึง 100 เมตร ซึ่งผิดพลาดได้มาก
หรือความผิดพลาดของเครื่องรับ GPS, Software, Hardware, ผู้ใช้
ซึ่งความผิดพลาดนี้ไม่แน่นอน