ในสมัยโบราณ.. การเดินทางจากที่นึงไปอีกที่นึงต้องอาศัยทิศทางและการจำสภาพภูมิศาสตร์ต่างๆ เช่น ภูเขา ต้นไม้ แม่น้ำ ทะเลสาบ เกาะ ฯลฯ สิ่งเหล่านี้เรามักใช้เป็นจุดสังเกตเพื่อให้แน่ใจว่าเราอยู่ในตำแหน่งที่ ถูกต้อง .. แต่แล้ว เราก็พบว่ามันไม่แน่เสมอไป เพราะสภาพภูมิศาสตร์มันเปลี่ยนแปลงได้ สิ่งก่อสร้างทั้งที่มนุษย์สร้างขึ้น ก็ไม่ได้คงอยู่ที่เดิมตลอดไป มันอาจผุพัง และย้ายตำแหน่งได้เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งทำให้เกิดปัญหาในการเดินทาง เพราะไม่รู้ว่าตำแหน่งจริงๆ ของเราอยู่ที่ไหนแน่.. ต่อมาในยุคที่การสำรวจ การเดินเรือกำลังฟูเฟื่อง เราก็เริ่มหาจุดอ้างอิงที่อยู่กับที่หรือเปลี่ยนแปลงน้อยมากๆ .. ในที่สุดเลือกใช้หมู่ดาวบนท้องฟ้าเป็นจุดอ้างอิง (Celestial navigation) ซึ่งจะต้องใช้คู่กับนาฬิกา วิธีนี้จะเที่ยงตรงหรือไม่ก็อยู่ที่นาฬิกากับการวัดมุมของดาวแต่ละดวงครับ.. ภายหลังก็มีระบบนำร่องด้วยคลื่นวิทยุซึ่งอาศัยการหาตำแหน่งโดยการวัดเวลาการ เดินทางของคลื่นในอากาศแล้วมาคำนวณหาระยะห่างจากสถานีที่เป็นจุดกำเนิดคลื่น อีกที โดยทั่วไปจะใช้คลื่นอย่างน้อย 2 ความถี่ที่ถ่ายทอดมาจากสองสถานี ตำแหน่งที่เราอยู่จะเป็นจุดตัดของคลื่นทั้งสอง .. ตัวอย่างระบบนำร่องด้วยคลื่นวิทยุที่มีใช้คือ ระบบ Omega ซึ่งถ่ายทอดคลื่นในย่าน VLF 4 ความถี่ (10.2, 11.05, 11-1/3 และ 13.6 KHz) แล้วอาศัยความต่างเฟสของคลื่นที่รับได้มาคำนวณหาตำแหน่ง ซึ่งมีความถูกต้องราวๆ 2-4 ไมล์ทะเล แต่ระบบนี้ก็มีปัญหาตรงที่ต้องมีสถานีที่ถ่ายทอดคลื่นอยู่บนพื้นโลกทำให้มี ข้อจำกัดเรื่องพื้นที่ให้บริการ อีกทั้งความถูกต้องยังไม่มากพอ โดยทั่วไปจึงต้องอาศัยระบบอื่นเข้าช่วย.. อืมม..ในปัจจุบันเราคงเริ่มได้ยินคำว่า “GPS” ว่ากำลังมีบทบาทในการหาตำแหน่งและการนำร่อง และเข้ามาแทนที่ระบบเดิมๆ ที่มีอยู่ …

ระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลก (Global Positioning System – GPS) เป็นโครงการของกระทรวงกลาโหมสหรัฐ มูลค่ากว่า $US 12 พันล้าน รัฐบาลสหรัฐลงทุนกับโครงการนี้เพื่อให้สามารถระบุตำแหน่งบนพื้นโลกได้อย่าง รวดเร็วและแม่นยำ ใช้ในการนำร่องสำหรับยิงขีปนาวุธข้ามทวีป และใช้เป็นระบบเสริมการรบในสงคราม อย่างที่ได้ใช้ใน Operation: Desert storm ในช่วงปี 1991 .. แต่ GPS ไม่ได้จำกัดการใช้งานเฉพาะการทหารเพียงอย่างเดียว ยังมีรูปแบบการใช้ GPS ที่เป็นประโยชน์ในทางอื่นอีกมาก เช่น การนำร่องในการเดินเรือหรือการบิน การสำรวจทรัพยากร ขุดหาแร่ ก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน การสำรวจรังวัด ฯลฯ .. GPS เป็นอย่างไร มันระบุตำแหน่งได้อย่างไร แม่นยำขนาดไหน ?? .. จะแม่นเหมือนในหนังรึเปล่า ??… มาดูกันครับ

ดาวเทียม GPS

GPS สามารถหาตำแหน่งได้โดยใช้สัญญาณจากดาวเทียม GPS ที่ส่งไปโคจรอยู่รอบโลกครับ … ดาวเทียม GPS ชุดแรกเป็นชุดสำหรับทดลองเรียกว่า “Block I” .. Block I มีทั้งหมด 10 ดวงครับ ดวงแรกถูกส่งขึ้นในปี 1978 และทยอยส่งจนหมดในปี 1988…

จาก นั้นในปี 1989-1994 ดาวเทียม GPS ที่จะใช้งานจริง (Block II) ก็ถูกส่งโคจรรอบโลกทั้งหมด 24 ดวง (ใช้งาน 21 ดวง สำรองในวงโคจร 3 ดวง).. นอกจากนี้ยังมีอีก 4 ดวงเป็นตัวสำรองซึ่งพร้อมที่จะส่งเข้าวงโคจรหากจำเป็น อายุการใช้งานของดาวเทียมประมาณ 7.5 ปี ครับ ..ดาวเทียมทั้งหมดโคจรรอบโลกที่ความสูง 10900 ไมล์ทะเล (20200 km) มีคาบโคจรรอบโลกประมาณ 11 ชั่วโมง 58 นาที โดยเคลื่อนที่ในแนวระนาบ 6 ระนาบๆ ละ 4 ดวง มีมุมเอียง (Inclination angle) 55 องศา การจัดวางวงโคจรแบบนี้ทำให้ทุกๆ ที่บนพื้นโลกสามารถรับสัญญาณจากดาวเทียมได้ 6 ดวงเกือบจะ 100% .. ดาวเทียมเหล่านี้จะเป็นจุดอ้างอิงที่ใช้ในการหาตำแหน่งล่ะครับ มันก็เลยต้องเคลื่อนที่อยู่ในวงโคจรที่คงที่เสมอ บนพื้นโลกก็เลยมีสถานีตรวจวัด ปรับวงโคจรของดาวเทียมให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง และปรับตั้งนาฬิกาในดาวเทียมให้เดินตรงเสมอ .. สถานีตรวจสอบสำหรับดาวเทียม GPS มีทั้งหมด 5 แห่งครับ คือที่ Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein, และ Falcon AFB ที่ Colorado Springs ..ที่สุดท้ายนี่เป็น master control ของ GPS ล่ะครับ..

กลับมาดูที่ดาวเทียมกัน ต่อ….ดาวเทียมแต่ละดวงจะติดตั้งนาฬิกาอะตอมซึ่งตั้งเวลาไว้ให้ตรงกันทุก ดวง ดาวเทียม GPS จะถ่ายทอดสัญญาณในรูปของคลื่นวิทยุตลอดเวลา คลื่นวิทยุที่ว่าจะส่งออกมาสองความถี่ครับ คือ L1 = 1.2276 GHz และ L2 = 1.57542 GHz (ที่เรียก L1/L2 เพราะเป็นความถี่ย่าน L-Band น่ะครับ) … ดาวเทียมทุกดวงจะมีวงจรสำหรับสร้าง pseudo random code ออกมาด้วย bit rate 1.023 Mbps แต่ code จะแตกต่างกันไปตาม algorithm ที่เลือกใช้ .. code นี้จะเอามา modulate กับ carrier L1/L2 แล้วก็ส่งมาพื้นโลก การ modulate pseudo random code กับ L1/L2 ทำให้สัญญาณวิทยุอื่นๆ ไม่สามารถ synchronize กับ L1/L2 ได้ ..ดาวเทียม GPS ทุกดวงจึงสามารถใช้ความถี่ในการส่งสัญญาณเพียงชุดเดียว เพราะ pseudo random code ที่ดาวเทียมแต่ละดวง generate ขึ้นมา จะเป็นตัวบ่งชี้ได้ว่าสัญญาณที่ receiver ได้รับมาจากดาวเทียมดวงไหน .. และสัญญาณที่ดาวเทียม GPS ส่งมานี่เองที่เราจะเอาไปคำนวณหาตำแหน่งบนพื้นโลกได้ ..

GPS Receiver

Receiver มีหน้าที่หลักๆ ก็คือรับสัญญาณจากดาวเทียม แล้วมาแปลงเป็นพิกัดของตำแหน่งที่มันอยู่บนพื้นโลก สิ่งที่ receiver สามารถคำนวณและให้คำตอบเราได้จะมี 3 ค่าครับ คือ พิกัด ความเร็วในการเคลื่อนที่ และ เวลา ส่วนฟังก์ชันอื่นๆ เช่นตำแหน่งของเราบนแผนที่ ระยะทางระหว่างสองจุดบนพื้นโลก หรือหาเวลาที่จะไปถึงปลายทาง ฯลฯ จะเป็นตัวเสริมความสามารถของระบบซึ่งแล้วแต่ว่าบริษัทที่ผลิต receiver จะใส่มาให้ .. ภายใน receiver มีส่วนสำคัญๆ คือ

• วงจรรับสัญญาณ GPS ซึ่ง lock ความถี่ให้ตรงกับ L1/L2 ของ วงจรจะทำการ demodulate เพื่อให้ได้ pseudo random code ที่ดาวเทียมส่งมา
• ปูม (almanac) ของดาวเทียมซึ่งเก็บเป็นวงโคจรของดาวเทียมแต่ละดวง ทำให้รู้ได้ว่าขณะเวลานั้นๆ ดาวเทียมอยู่ที่ตำแหน่งไหนบนท้องฟ้า ..
• Pseudo random code generator อยู่ข้างในตัว receiver เป็นตัวสร้าง code ที่ตรงกับที่มีอยู่ในดาวเทียม GPS แต่ละดวง .. และสุดท้าย
• Microprocessor ทำหน้าที่ในการประมวลผลข้อมูล และคำนวณหาตำแหน่ง ความเร็ว และเวลา

การ หาตำแหน่งบนพื้นโลกเริ่มจากตัว GPS receiver จะตรวจจากปูมที่บันทึกอยู่ใน receiver เพื่อหาว่าดาวเทียม GPS อยู่ที่ตำแหน่งใดบนท้องฟ้าขณะนั้น ..หลังจากนั้นก็หาสัญญาณวิทยุที่ถ่ายทอดมาจากดาวเทียม โดยทั่วไป ไม่ว่าจุดใดบนโลกจะมองเห็นดาวเทียม GPS ได้ระหว่าง 6 – 9 ดวง แต่สัญญาณวิทยุนี้อ่อนมากครับ ถ้ามีอะไรมาบัง (เช่น ตึกสูงๆ หรือภูเขา) ตัว receiver ก็จะรับสัญญาณไม่ได้ ที่สำคัญคือ..เราจำเป็นต้องใช้ดาวเทียมอย่างน้อย 3 ดวงในการหาตำแหน่งบนพื้นโลก …เพราะอะไรถึงต้องเป็น 3 ดวง ??.. เอ..น่านน่ะสิ ..อ่านต่อครับอ่านต่อ..

การหาตำแหน่งบนพื้นโลก

ก่อน จะไปถึงการหาตำแหน่งบนพื้นต้องทำความเข้าใจสักหน่อยเกี่ยวกับการอ้างอิง ตำแหน่งของ GPS .. GPS ใช้การอ้างอิงตาม World Geodetic System-84 (WGS-84) ซึ่งจำลองโลกว่าเป็นทรงรี (Ellipsoid) ครับ..เจ้าทรงรีที่ว่านี่มีรัศมีตามแนวเส้นศูนย์สูตร (Semi-major axis) = 6378137 เมตร และรัศมีตามแนวขั้วโลก (Semi-minor axis) = 6356752.3124 เมตร ระยะห่างของดาวเทียมที่จริงก็จะเป็นระยะห่างจากศูนย์กลางโลกตาม WGS-84 ล่ะครับ .. การจำลองแบบนี้ทำให้สามารถคำนวณตำแหน่งได้ตามหลักของเรขาคณิต อืมม..จะว่าไปตำแหน่งที่ receiver คำนวณได้ก็จะเป็นจุดที่ระบุอยู่ในระบบ coordinate สามมิติ (X, Y, Z) ล่ะครับ..พอเอามาเทียบกับ ellipsoid ของ WGS-84 ก็จะได้เป็นตำแหน่งและความสูงเทียบจาก ellipsoid ครับ .. ค่าเหล่านี้จะเอามาแปลงเป็นพิกัดและความสูงจริงๆ อีกที …อืมม… พูดถึงความสูงนี่เป็นเรื่องค่อนข้างยุ่งยากพอสมควรครับ เพราะว่าโลกเราไม่ได้ราบเรียบ เหมือนกับ ellipsoid ที่เป็น model ..พื้นโลกมีทั้งภูเขา ทะเล หลุมลึก ซึ่งมีช่วงความต่างกว่า 20 กิโลเมตรเลยล่ะครับ.. ดังนั้นเราจึงต้องหาจุดอ้างอิงสำหรับความสูงขึ้นมา.. จุดที่ว่านั้นก็คือ “ระดับน้ำทะเลกลาง” ไงล่ะครับ.. (จุดอ้างอิงของพิกัดก็คือ prime meridian ที่ผ่านเมือง Greenwich กับเส้นศูนย์สูตร).. อืมม.. จะว่าไปเราก็ได้ยินคำว่าระดับน้ำทะเลกลางนี่บ่อยๆ นะครับ .. แล้วรู้มั้ยครับว่าตรงไหนล่ะที่มันเป็นระดับน้ำทะเลกลาง ??? .. ผมก็ไม่รู้หรอก..แต่ก็ค้นๆ มาเจอว่าที่จริงระดับน้ำทะเลกลางเป็นตำแหน่งของพื้นผิวซึ่งคิดตามตามแรงโน้ม ถ่วงของโลกเรียกว่า “จีออยด์” (Geoid) ครับ.. ใน WGS-84 มีแผนที่จีออยด์ของตำแหน่งต่างๆ ทั่วโลกระบุไว้ด้วยว่าต่างจาก ellipsoid ของ WGS-84 มากน้อยแค่ไหน ดังนั้นเราจึงสามารถหาตำแหน่งความสูงของเราเทียบกับระดับน้ำทะเลกลางได้

เอา ล่ะครับ ..เรารู้แล้วว่าการอ้างอิงตำแหน่ง GPS จะเป็นยังไงบ้าง คราวนี้ก็มาถึงการหาล่ะครับว่าเราจะได้จุด (X, Y, Z) นี่ได้ยังไง ??…ใน GPS สิ่งที่เราต้องการในการหาตำแหน่งคือระยะทางระหว่างดาวเทียมกับ receiver ครับ..แต่การวัดระยะโดยตรงทำได้ยากมากและไม่ได้ค่าที่ละเอียดพอ ในบรรดาการวัดทั้งหมด “เวลา” เป็นสิ่งที่เราวัดได้แม่นยำที่สุดโดยใช้การสั่นของอะตอมธาตุซีเซียม ที่เราเรียกว่านาฬิกาอะตอมน่ะแหล่ะครับ ถ้า receiver สามารถวัดเวลาได้แม่นยำพอเราก็จะสามารถวัดระยะเวลาที่คลื่นเดินทางมาจาก ดาวเทียมมาถึง receiver ได้.. พอได้ระยะเวลาที่คลื่นเดินทางก็จะสามารถหาระยะทางระหว่างดาวเทียมกับ receiver ได้โดยคำนวณกับความเร็วของแสงยังไงล่ะครับ…

อืมมม..การวัด ระยะเวลาของ receiver มีจุดสำคัญที่ pseudo random code ครับ ..ทั้ง receiver และดาวเทียม GPS จะ generate pseudo random code ที่เหมือนกันในขณะเวลาเดียวกัน เมื่อ receiver ได้รับ pseudo random code จากดาวเทียม GPS มันก็จะทำการเปรียบเทียบว่า code ที่ได้รับมีความแตกต่างจาก code ที่ receiver generate ในแกนเวลามากน้อยแค่ไหน ค่าความแตกต่างที่ได้ก็จะเป็นเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ของสัญญาณจาก ดาวเทียมมาถึง receiver เมื่อรู้ระยะเวลาที่แน่นอนก็จะสามารถหาระยะห่างจาก receiver ถึงดาวเทียมได้ .. เหตุผลว่าทำไมต้องเป็น 3 ดวงก็จะอยู่ต่อจากนี้ล่ะครับ …

เมื่อเราได้ระยะห่างจากดาวเทียมดวง แรก เราจะได้ว่าตำแหน่งของ receiver จะอยู่บนพื้นผิวของทรงกลมเสมือนอันนึงที่มีรัศมีเท่ากับระยะห่างระหว่าง ดาวเทียมกับ receiver …ทีนี้เมื่อได้ระยะห่างจากดาวเทียมดวงที่สอง เราก็จะได้ว่าตำแหน่งของ receiver จะอยู่บนทรงกรมเสมือนอีกอันนึงด้วย ดังนั้นจะได้ว่าตำแหน่งของ receiver จะอยู่บนเส้นรอบวงกลมที่เกิดจากจุดตัดของทรงกลมเสมือนทั้งสองอัน .. เมื่อได้ระยะห่างจากดาวเทียมดวงที่สาม เราก็จะได้ทรงกลมเสมือนสามลูกตัดกันซึ่งจะเกิดจุดตัด 2 จุด receiver จะอยู่ที่จุดตัดจุดใดจุดนึงในสองจุดนี้ล่ะครับ โดยทั่วไปตำแหน่งของจุดตัดนี้จะมีอันนึงที่ไม่น่าจะเป็นคำตอบที่ถูก (เช่น คำนวณแล้วได้จุดที่อยู่นอกโลก ในผิวโลก ไม่ใช่บนผิวโลก) ซึ่งจะถูกตัดทิ้งไป และจุดที่เหลือก็คือผลลัพธ์ที่ถูกต้องว่าเราอยู่ที่ตำแหน่งใดบนพื้นโลก นั่นเอง..อา.. ได้คำตอบกันซะที… วิธีการที่ใช้หาตำแหน่งนี้เรียกว่า “Triangulating” ครับ

ความแม่นยำของระบบ

คงพอเดาได้ว่า ความถูกต้องของตำแหน่งจะอยู่ที่ความถูกต้องในการวัดเวลาล่ะครับ (ก็มันเป็นตัวแปรอย่างเดียวในระบบนิ) ..ดังนั้นการวัดตรงนี้ต้องทำละเอียดมาก ถ้าลองเทียบจาก pseudo random code ที่ถูก generate ด้วย bit rate 1.023 Mbps คาบของ cycle ก็จะประมาณ 1 usec (1/1000000 วินาที) ถึงเวลาจะน้อยนิดเดียว แต่ถ้าวัดผิดเพียง 1 cycle นี่ก็เพี้ยนไป 300 เมตรแล้วล่ะครับ เครื่อง receiver ดีๆ หน่อยจะสามารถเปรียบเทียบ code ได้ละเอียดระดับ 1-2% ของ cycle ทำให้ผิดพลาดไป 3-6 เมตร ..แต่ก็ยังไม่ดีพอสำหรับงานบางงาน ….แต่..อย่าลืมว่าสัญญาณจาก GPS ไม่ได้มีเพียง pseudo random code นะครับ ยังมีสัญญาณ carrier L1/L2 ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 20 cm. หากใช้ carrier เข้ามาช่วยในการวัดเวลาก็จะได้ผลที่แม่นยำขึ้นอีกมาก ตามทฤษฏีจะมี error เพียง 3-4 mm. เท่านั้น ..สุดยอดๆๆ..

อย่างไรก็ตาม การวัดเวลาที่ถูกต้องหมายความว่า receiver จะต้องมีนาฬิกาที่เดินตรงกับนาฬิกาบนดาวเทียม GPS เป๊ะๆ ..และนี่เองที่เป็นปัญหาใหญ่….. อืมม..ใน ideal case การใช้วิธี triangulating จะให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องเพียงจุดเดียว (จากสองจุดที่หามาได้) แล้วถ้าเวลาของ receiver เดินตรงกันกับนาฬิกาของดาวเทียมจริงๆ ผลของการหาจุดตัดจากดาวเทียม GPS มากกว่า 3 ดวงจะต้องได้เป็นจุดเดียวเสมอ ดังนั้นหากการวัดระยะจากดาวเทียมดวงที่สี่ส่งผลให้ไม่ตัดกับจุดตัดดังกล่าว ก็แสดงว่านาฬิกาของ receiver ไม่ตรงกับนาฬิกาของดาวเทียมซะแล้ว .. เราก็จะสามารถ synchronize เวลาของ receiver ซะใหม่ให้ตรงได้โดยการปรับนาฬิกาของ receiver จนกระทั่งได้จุดตัดเป็นจุดเดียว ..

ในทางปฏิบัติ สัญญาณจากดาวเทียม GPS มีข้อผิดพลาดไม่น้อยเลยครับ และเป็นตัวทำให้ผลลัพธ์ของตำแหน่งผิดไปด้วย ข้างล่างนี่เป็นตัวอย่างของ error ที่เกิดขึ้น

• สัญญาณจากดาวเทียมจะไม่ได้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงจริงๆ แต่จะช้ากว่าแสงเล็กน้อย เนื่องจากต้องเคลื่อนที่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก
• บรรยากาศชั้น ionosphere จะทำให้สัญญาณโดนรบกวนจาก ion ที่มีอยู่หนาแน่น
• บรรยากาศชั้น troposphere ก็ทำให้สัญญานโดนรบกวนจากความกดดันและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง
• สัญญาณ ที่ได้รับอาจจะสะท้อนกับสิ่งก่อสร้างทำให้เกิด mutipath error ซึ่งเกิดในลักษณะเดียวกับการเกิดภาพซ้อนเป็นเงาใน TV ทำให้ได้ค่าที่ไม่แน่นอน
• นาฬิกาอะตอมของดาวเทียม GPS เองก็มีโอกาสเดินไม่ตรงได้เหมือนกัน (nobody perfect อ้ะ) แม้ว่านาฬิกาอะตอมจะมีการปรับตั้งโดยสถานีควบคุมภาคพื้นดินแต่ บางครั้งอาจจะผิดไปเป็นนาทีได้เหมือนกัน เพราะสถานีควบคุมไม่สามารถตรวจสอบดาวเทียมได้ตลอดเวลา ..
• ตำแหน่ง ของดาวเทียมที่ receiver เลือกจะ lock สัญญาณก็มีความสำคัญด้วยครับ เพราะถ้าหากดาวเทียมอยู่ทำมุมที่ไม่เหมาะสม ก็จะทำให้การตัดกันของทรงกลมให้ผลที่ผิดพลาดมากกว่า

error เหล่านี้พอจะลดลงได้โดยใช้หลักของสถิติในการคำนวณครับ ปกติ GPS จะไม่ได้วัดค่าเพียงครั้งเดียวเพื่อหาคำตอบ แต่จะวัดค่าซ้ำหลายสิบ หรือหลายร้อยครั้ง แล้วก็หาค่าทางสถิติเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่ใกล้เคียงตำแหน่งจริงที่สุด.. น่าแปลกที่ GPS เป็นระบบที่เราพยายามให้มันมีความถูกต้องมากๆ.. แต่สิ่งที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนใน GPS มากที่สุดกลับเป็น error ที่เกิดโดยความตั้งใจครับ.. อืมม.. เหตุก็คือกระทรวงกลาโหมสหรัฐมีนโยบายที่บังคับให้ GPS มี error ล่ะครับ .เค้าเรียกว่า “Selective Availability” (SA) ..SA error นี้ทำขึ้นเพื่อลดความถูกต้องของการระบุตำแหน่งของ GPS เพื่อไม่ให้ฝ่ายตรงข้ามสามารถใช้ประโยชน์จาก GPS ในทางทหารได้ วิธีการก็คือดาวเทียม GPS ทุกดวงจะสร้างสัญญาณรบกวนเข้าไปทำให้ความถูกต้องของสัญญาณที่ส่งออกมาตาม ปกติลดลง ผลก็คือการคำนวณตำแหน่งจะมีความผิดพลาดไปประมาณ 30 เมตรต่อดาวเทียม 1 ดวง.. นอกจากนี้ดาวเทียมยังอาจจะถูกสั่งให้เคลื่อนที่ออกนอกวงโคจรเพื่อเพิ่มข้อ ผิดพลาดให้เกิดมากขึ้นด้วย

เพราะมี SA นี่เอง กระทรวงกลาโหมสหรัฐจึงกำหนดให้มีบริการสองแบบครับ คือ Standard Positioning Service (SPS) ซึ่งเป็นบริการฟรีที่ใครๆ ก็ใช้งานได้ สัญญาณที่ส่งมาจากดาวเทียมจะถูกรบกวนโดย SA error.. receiver ที่มีขายตามท้องตลาดก็จะใช้บริการจาก SPS นี่ล่ะครับ .. ตาม requirement ของกระทรวงกลาโหมสหรัฐกำหนดให้ SPS มีความถูกต้องของพิกัดในแนวตั้ง แนวนอน และเวลา เป็น 100 m/156 m/340 ns (Confidential factor = 95%) ตามลำดับครับ…อีกบริการนึงคือ Precise Positioning Service (PPS) จะใช้ในทางทหารโดยเฉพาะ อาจจะอนุญาตให้คนทั่วไปมีสิทธิใช้ แต่ก็จะถูกควบคุมเป็นพิเศษ …receiver สำหรับ PPS จะมีกุญแจถอดรหัสเพื่อตัด SA errors ออกได้ ทำให้มีความถูกต้อง 22 m/27.7 m/200 ns ที่ confidential factor = 95% .. ส่วนการหาความสูงจะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อรับสัญญาณดาวเทียมได้อย่างน้อย 4 ดวงครับ ..

Differential GPS

Receiver ทั่วไปสามารถนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวางโดยเฉพาะการนำร่องสำหรับเรือหรือ เครื่องบิน แต่ยังไม่ดีพอสำหรับการใช้เพื่อวัดระยะในการสำรวจหรืองานทางวิศวกรรม ..เพื่อให้ SPS สามารถให้คำตอบถูกต้องแม่นยำขึ้น เราต้องพยายามตัด error ต่างๆ ออกให้ได้ และนั่นก็เป็นที่มาของ differential GPS หรือ DGPS ล่ะครับ .. หลักการของ DGPS จะใช้ receiver สองตัวในการทำงานครับ ตัวนึงติดตั้งอยู่กับที่บนพื้นผิวโลกซึ่งใช้เป็น reference receiver.. อีกตัวเป็น receiver ที่ถือไปไหนมาไหนได้สำหรับวัดตำแหน่ง .. เนื่องจากดาวเทียม GPS อยู่ไกลมากจากผิวโลกมาก ดังนั้นตำแหน่งที่ต่างกันเพียงเล็กน้อยบนผิวโลกจึงไม่มีความสำคัญมากนัก เมื่อเทียบกับระยะห่างของดาวเทียม.. หาก receiver สองตัวอยู่ห่างกันไม่มาก (ราวๆ 2-300 กิโลเมตร) สัญญาณที่ receiver สองตัวได้รับในเวลาเดียวกันจะผ่านบรรยากาศโลกที่มีลักษณะเหมือนๆ กัน มันก็ควรจะมี error ที่เท่ากันด้วย การที่เรามี reference receiver อยู่กับที่บนผิวโลกที่ตำแหน่งที่แน่นอนทำให้เราสามารถหาได้ว่าค่าที่คำนวณ จากสัญญาณดาวเทียมมี error มากน้อยขนาดไหน .. เมื่อรู้ error ก็จะสามารถส่งสัญญาณไปยัง receiver ตัวอื่นๆ ที่เคลื่อนที่อยู่ในรัศมี ให้ทำการปรับแก้ค่าให้ถูกต้องได้.. การใช้ DGPS สามารถให้ความแม่นยำกว่าเดิมมาก จากเดิมที่ผิดพลาดราวๆ 100 เมตร จะถูกลดลงเหลือไม่ถึง 3 เมตร.. ปัจจุบันหน่วยยามฝั่งของสหรัฐและตัวแทนจากนานาชาติได้ติดตั้ง reference receivers เป็นจำนวนมาก.. ตัว reference receiver จะส่ง error ที่คำนวณออกมาได้ กระจายไปให้ receiver อื่นในรัศมีของคลื่นวิทยุ โดยใช้ความถี่ในย่าน 300 MHz

ในอนาคต DGPS อาจจะพัฒนาจนสามารถให้ความถูกต้องได้ในระดับเซนติเมตร และถ้าทำได้จริง SA error อาจจะถูกยกเลิกไป (ในปีนี้รัฐบาลสหรัฐจะทบทวนเรื่อง SA อีกครั้งว่าจำเป็นหรือไม่ที่ต้องคงไว้ในดาวเทียม GPS ) หากเราสามารถใช้ GPS เพื่อวัดได้ละเอียดขนาดนั้น ในอนาคตจะเกิดอะไรที่น่าสนใจขึ้นอีกมาก การก่อสร้างอาจจะทำได้โดยใช้เครื่องมืออัตโนมัติที่ติดตั้ง receiver แทนที่จะใช้แรงงานคน หรือทำการวัดแบบเดิมๆ .. แบบที่ร่างของถนนที่วาดโดย CAD สามารถ download ลงในเครื่องจักรให้มันทำงานสร้างถนนเองอัตโนมัติ ..ระบบนำร่องสำหรับรถยนต์แบบไร้คนขับจะมีความเป็นไปได้มากขึ้น ..การนำร่องของเครื่องบินจะมีอิสระมากขึ้น (การบินในปัจจุบันยังจำเป็นต้องเลือกเส้นทางการบินที่แน่นอนก่อนจะขึ้นบิน และต้องบินตามเส้นทางนั้นตลอดจนถึงปลายทาง) GPS จะช่วยให้เครื่องบินทราบตำแหน่งที่แน่นอน และได้ทิศทางที่ถูกต้องของจุดหมายปลายทาง ตำแหน่งของเครื่องบินจะส่งไปยังสถานีภาคพื้นดินเพื่อติดตามและหาเส้นทางที่ เหมาะสมได้ตลอดระยะเวลาการบินโดยใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ช่วยคำนวณหาเส้นทาง การบินจะมีความปลอดภัยมากขึ้นเพราะศูนย์ควบคุมจะรู้ตำแหน่งของเครื่องบินและ สามารถเตือนได้ล่วงหน้าหากมีเครื่องบินอื่นบินเข้าไปอยู่ในระยะปลอดภัยในการ บิน.. ประโยชน์อีกอย่างของ GPS ก็คือมันให้เวลาที่เที่ยงตรงมาก มีธนาคารแห่งนึงนำเวลาจากดาวเทียม GPS มาใช้เพื่อให้มั่นใจได้ว่าสำนักงานสาขาต่างๆ ทั่วโลกได้บันทึก transaction ในเวลาเดียวกัน .. Pacific Northwest Utility บ.ผลิตกระแสไฟฟ้าก็ใช้เวลาจาก GPS เพื่อให้มั่นใจได้ว่าสามารถจ่ายกระแสไฟได้ตามเวลาและปริมาณที่ต้องการ .. ทุกวันนี้ GPS receiver มีราคาลดลงมาเยอะ พอจะซื้อหามาใช้ได้ไม่ยากนัก ขนาดของ receiver ก็ลดลงมากจนพกไปไหนมาไหนได้สะดวก (นาฬิกาข้อมือ GPS ก็มีขายแล้ว)..ในขณะที่ฟังก์ชันการใช้งานมีเพิ่มมากขึ้นกว่าแต่ก่อนเยอะ เช่นผนวกกับแผนที่เพื่อบอกเส้นทางการเดินทาง หรือผนวกกับ database ของสถานที่ต่างๆ เพื่อให้หาเส้นทางได้เร็ว อนาคตเราอาจจะใช้ GPS หาว่าโรงพยาบาลที่ใกล้จุดเกิดอุบัติเหตุมากที่สุดคือที่ไหน จะไปถึงที่นั่นได้อย่างไร ? (ถ้าเป็นผม หรือเด็กๆ แถวนี้ก็อาจจะเอาไว้หาร้านส้มตำที่ใกล้ที่สุดอยู่ที่ไหน ? ..จะว่าไปก็สำคัญนะ..ไปร้านอื่นไกลๆ ไม่ทัน เดี๋ยวจะลงแดงซะก่อน.. เหอะๆๆ) บริษัท taxi ก็อาจจะเอาไว้หาว่ารถคันไหนอยู่ใกล้ลูกค้ามากที่สุด ฯลฯ .. สำหรับเราๆ ท่านๆ อ่านจบแล้วก็ลองนึกดูว่าจะเอา GPS ไปประยุกต์ใช้กับงานอะไรได้อีก เกิด idea ดีๆ ทำออกมาเป็น product ขายได้ล่ะก็ ..อาจจะทำเงินเป็นกอบเป็นกำเลยล่ะครับ… แต่ทำขายเมื่อไหร่ก็..ระวังโดนก๊อปด้วยล่ะครับ..หึๆๆ .. ฉบับนี้ต้องลาแล้ว พบกันใหม่ฉบับหน้านะครับ…^^