องค์ประกอบของ GPS / GNSS
GPS คือ ระบบย่อยหนึ่งใน GNSS ซึ่ง GNSS มีขอบเขตกว้างกว่า ครอบคลุมหลายระบบดาวเทียมทั่วโลก โดยการใช้อุปกรณ์รับสัญญาณแบบ GNSS จะส่งผลให้ได้ ข้อมูลตำแหน่งที่แม่นยำกว่า ครอบคลุมมากกว่า และ เหมาะสมต่อการใช้งานในงานวิจัยเชิงพื้นที่และงานสำรวจภาคสนามระดับสูง
องค์ประกอบของระบบกำหนดตำแหน่งบนโลก (Global Positioning System: GPS)
ระบบกำหนดตำแหน่งบนโลก หรือที่รู้จักกันในชื่อ GPS (Global Positioning System) เป็นระบบนำทางด้วยดาวเทียมที่ทำงานโดยอาศัย คลื่นวิทยุ และ รหัสที่ส่งมาจากดาวเทียม NAVSTAR ซึ่งมีจำนวนทั้งหมด 24 ดวง โคจรรอบโลกวันละ 2 รอบ โดยมีตำแหน่งอยู่เหนือพื้นโลกที่ระดับความสูงประมาณ 20,200 กิโลเมตร จุดเด่นของระบบนี้คือสามารถให้ข้อมูลตำแหน่งได้ตลอด 24 ชั่วโมง ในทุกตำแหน่งบนผิวโลก ไม่ว่าจะใช้สำหรับการนำทาง การติดตามวัตถุ การทำแผนที่ การรังวัดทางภูมิศาสตร์ หรือการอ้างอิงเวลาที่มีความแม่นยำสูง
องค์ประกอบหลักของระบบ GPS แบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่
1. ส่วนอวกาศ (Space Segment)
ส่วนนี้ประกอบด้วย ดาวเทียมจำนวน 24 ดวง ที่แบ่งเป็นดาวเทียมปฏิบัติการหลัก 21 ดวง และดาวเทียมสำรอง 3 ดวง ซึ่งแต่ละดวงใช้เวลาโคจรรอบโลกประมาณ 12 ชั่วโมง โดยมีการจัดวางใน 6 วงโคจร วงโคจรแต่ละวงเอียงทำมุม 55 องศากับระนาบศูนย์สูตรโลก และห่างกันประมาณ 60 องศา ทำให้ในทุกตำแหน่งบนโลกจะสามารถมองเห็นดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวงในเวลาใดเวลาหนึ่ง
ดาวเทียมแต่ละดวงติดตั้ง นาฬิกาอะตอม ที่มีความแม่นยำสูง ได้แก่ นาฬิการูบิเดียม 2 เรือน และ นาฬิกาซีเซียม 2 เรือน ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญที่ใช้ในการคำนวณระยะทางและพิกัดตำแหน่ง โดยเปรียบเทียบเวลารับสัญญาณจากดาวเทียมกับเวลาของเครื่องรับภาคพื้น
2. ส่วนสถานีควบคุม (Control Segment)
ส่วนควบคุมภาคพื้น หรือ Operational Control Segment (OCS) มีหน้าที่ควบคุม บำรุงรักษา และปรับเทียบตำแหน่งวงโคจรของดาวเทียมเพื่อให้สัญญาณมีความถูกต้องตลอดเวลา ประกอบด้วย:
- สถานีควบคุมหลัก (Master Control Station) ตั้งอยู่ที่ ฐานทัพอากาศโคโลราโดสปริงส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา
- สถานีติดตาม (Monitor Stations) จำนวน 5 แห่ง ได้แก่ ที่หมู่เกาะฮาวาย แอสเซนซัน ดิเอโกการ์เซีย ควาจาเลียน และโคโลราโด
- สถานีอัปโหลดข้อมูล (Ground Antennas) ทำหน้าที่ส่งข้อมูลการควบคุมกลับขึ้นไปยังดาวเทียม ได้แก่ ที่ควาจาเลียน ดิเอโกการ์เซีย และแอสเซนซัน
3. ส่วนผู้ใช้ (User Segment)
ส่วนนี้หมายถึงผู้ใช้งานทั่วไปซึ่งใช้ เครื่องรับสัญญาณ GPS ที่ออกแบบให้มีขนาดกะทัดรัด พกพาสะดวก และสามารถติดตั้งได้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น รถยนต์ เรือ เครื่องบิน หรืออุปกรณ์สำรวจภาคสนาม เครื่องรับ GPS จะประมวลผลข้อมูลที่ได้จากดาวเทียม และคำนวณค่าตำแหน่ง (Position), ความเร็ว (Velocity) และเวลา (Time) โดยอาศัยข้อมูลจากดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวง เพื่อให้ได้ค่าพิกัด XYZ ที่ถูกต้อง
ความแม่นยำของระบบ GPS สามารถอยู่ในระดับต่ำกว่า 3 ฟุต (ประมาณ 1 เมตร) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของนาฬิกาและสภาวะแวดล้อม เช่น สัญญาณรบกวน และสภาพอากาศ โดย ระบบเวลาของ GPS อ้างอิงจาก GPS Time ซึ่งมีความเที่ยงตรงสูงมาก ด้วยระดับความละเอียดของเวลาในหน่วย 10⁻⁹ วินาที