ความเป็นมาของระบบ GPS

ระบบ Gtobal Positioning Satellite System หรือ GPS เป็นระบบที่ใช้ในการบอกทิศทางและบอกตำแหน่งของวัตถุที่ต้องการ ในปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขวางไม่ว่าจะเป็นการเดินเรือทะเล การบิน การสำรวจพื้นที่รวมไปถึงการบอกตำแหน่งบนพื้นผิวโลก โดยการอ้างอิงจากระบบดาวเทียมที่ทำหน้าที่ส่งสัญญาณ GPS โดยเฉพาะ ระบบนี้เป็นระบบที่มีการคิดค้นพัฒนาขึ้นโดยกระทรวงกลาโหมของประเทศสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Defense) โดยในเริ่มแรกโครงการนี้เป็นโครงการที่ใช้งานเฉพาะด้านการทหารเท่านั้น แต่ในปัจจุบันพลเรือนสามารถนำมาใช้งานได้อย่างกว้างขวาง


ก่อนหน้าจะมีการใช้ระบบ GPS อย่างเป็นทางการ ได้มีการสร้างระบบบอกทิศทางสำหรับการเดินเรือทะเลในระบบ LORAN ซึ่งใช้คลื่นวิทยุติดตั้งตามพื้นที่ส่วนต่างๆ อ่านค่าตำแหน่งออกมาได้ แต่คำที่ได้มีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือที่ค่อนข้างต่ำ บอกตำแหน่งได้เพียงบริเวณหนึ่งๆ เท่านั้นไม่สามารถที่จะทำการบอกตำแหน่งได้ครอบคลุมทั้งหมด ต่อจากระบบ LORAN ก็จะเป็นระบบ SATNAV หรือระบบ TRANSIT ระบบนี้ใช้ดาวเทียมคล้ายระบบ GPS ในปัจจุบัน สามารถที่จะบอกตำแหน่งครอบคลุมพื้นที่ได้มากกว่าระบบ LORAN แต่ก็มีข้อบกพร่องคือ วงโคจรดาวเทียมของระบบอยู่ในระบบต่ำและมีจำนวนน้อยเกินไป ใช้วิธีการวัดคลื่นแบบ Doppler การวัดคลื่นแบบนี้มีจุดอ่อนมาก การสั่นไหวหรือเคลื่อนไหวของเครื่องรับสัญญาณเพียงเล็กน้อยจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการบอกตำแหน่งได้มาก


ดาวเทียมที่ใช้ในระบบ GPS จะเป็นดาวเทียม LEO (Low Earth Orbit Satellite) และดาวเทียม MEO (Medium Earth Orbit Satellite) ซึ่งเป็นดาวเทียมประเภทที่มีวงโคจรไม่โคจรไปพร้อมโลก (Non-Geo-Stationary Satellite) โดยที่ดาวเทียม LEO ที่ใช้ในระบบ GPS มีวงโคจรที่ความสูงประมาณ 500 – 1,500 กิโลเมตร และดาวเทียม MEO ที่ใช้ในระบบ GPS มีวงโคจรอยู่ที่ความสูงประมาณ 1,500 – 3,000 กิโลเมตร โดยทั่วไปแล้ว ดาวเทียมที่ใช้ในระบบ GPS จะเป็นดาวเทียม MEO


กระทรวงกลาโหม ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ดำเนินการโครงการ Global Positioning System หรือ “GPS” โดยใช้ดาวเทียมจำนวน 24 ดวง โคจรอยู่ในระดับสูงที่พ้นจากคลื่นวิทยุรบกวนของโลก ในวงโคจรของดาวเทียม MEO ที่ความสูง 20,200 กิโลเมตร มีมุมเอียง 55 องศา ดาวเทียมทั้งหมดในระบบ GPS จะแบ่งเป็นกลุ่ม (cluster) กลุ่มหนึ่งมี 4 ดวงเรียกว่า Constellation แต่ละ Constellation จะมีมุมที่ต่างกันไป 60 องศา ตามแนวลองจิจูด การโคจรรอบหนึ่งจะใช้เวลาประมาณ 11 ชั่วโมง 58 นาที ดังนั้นใน 1 วัน ดาวเทียมดวงเดิมจะปรากฏอยู่ ณ ตำแหน่งเดิมบนท้องฟ้า 2 ครั้ง การใช้ดาวเทียมทั้งหมด 24 ดวงทำให้ทุกๆวินาทีไม่ว่าตำแหน่งใดของโลกจะมีสัญญาณ GPS จากดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวงเสมอ ในบางครั้ง ณ ตำแหน่งหนึ่งอาจมองเห็นดาวเทียมมากถึง 10 ดวง และเวลาเกือบทั้งหมดที่เห็นดาวเทียมจะเห็นดาวเทียมมากกว่า 4 ดวงเสมอ การทำงานของดาวเทียมมักจะต้องมีดาวเทียมสำรองไว้ เผื่อความผิดพลาดที่อาจจะเกิดขึ้นและเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ ดาวเทียมในระบบ GPS จึงมีจำนวนประมาณ 30 ดวงอยู่ในวงโคจรแต่ใช้งานจริง 24 ดวง ที่เหลือเป็นดาวเทียมสำรอง นอกจากนี้ยังมีดาวเทียมที่พร้อมที่จะส่งขึ้นสู่ห้วงอวกาศทันทีที่ต้องการอีกจำนวนหนึ่ง ด้วยเหตุผลที่ว่ากระทรวงกลาโหม ประเทศสหรัฐอเมริกา ให้ความสำคัญกับระบบ GPS มากเนื่องจากเป็นระบบที่เกี่ยวกับความมั่นคงและการป้องกันประเทศ


การทำงานของระบบ GPS เป็นแบบแพร่กระจาย (Broadcasting) ซึ่งหมายความว่า ผู้รับสามารถรับสัญญาณ GPS ได้แบบไม่จำกัดจำนวนในเวลาเดียวกัน เครื่องรับ GPS จะทำการหาตำแหน่งตนเองจากดาวเทียม GPS 4 ดวง และวิธีการนี้สามารถให้ความถูกต้องเพียงพอที่จะใช้ชี้บอกตำแหน่งได้ทุกแห่งบนโลก ตลอดเวลา 24 ชั่วโมง จากการนำมาใช้งานจริงจะให้ความถูกต้องสูง โดยมีความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของตำแหน่งทางราบต่ำกว่า 50 เมตร และถ้ารังวัดแบบวิธี “อนุพันธ์” (Differential) จะให้ความถูกต้องถึงระดับเซนติเมตร นอกจากนี้เครื่องรับ GPS ก็มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับการนำมาใช้งานช่วงแรก