ความเที่ยงตรงแม่นยำของค่าเวลาที่รับได้จากดาวเทียม GPS

ความเที่ยงตรงแม่นยำของค่าเวลาที่รับได้จากดาวเทียม GPS
ธรรมนงค์ ทวีชื่น , ๒๓ เมษายน ๒๕๕๕

GPS ย่อมาจาก Global Position System เป็นระบบบอกตำแหน่งพิกัดบนพื้นโลก ระบบ GPS นี้ได้รับการพัฒนาโดยรัฐบาลสหรัฐอเมริกา สำหรับใช้งานในทางทหาร เพื่อการคำนวณค่าตำแหน่งพิกัด และใช้ในการนำร่อง ได้ทุกจุดบนพื้นโลก แต่ระบบ GPS ยังสามารถนำมาใช้งานในทางพาณิชย์ เพื่อการนำทาง หรือเพื่อการสำรวจการทำเหมืองแร่ และป่าไม้ การใช้งานระบบนี้ประกอบด้วย องค์ประกอบหลัก 3 ส่วน คือ ภาคอวกาศ (Space Segment) ภาคพื้นโลก (Ground Segment) และภาคผู้ใช้ (Users Segment)

ภาพจาก www.aircardshop.com

Chip-scale atomic clock unveiled by NIST

ดาวเทียม GPS
ประกอบด้วยดาวเทียมทั้งหมด 24 ดวง โคจรในอวกาศ ครอบคลุมทั่วโลกทั้งหมด 6 ระนาบ แต่ละระนาบทำมุม 60 องศา กับเส้นศูนย์สูตร ดาวเทียมแต่ละดวง โคจรอยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 20,200 กิโลเมตร และเคลื่อนที่ผ่านรอบโลก 2 รอบในแต่ละวัน ดังนั้น ณ จุดหนึ่งๆ บนพื้นโลกจะมีสัญญาณดาวเทียมคลอบคลุมได้สูงสุดถึง 12 ดวง

ในดาวเทียมแต่ละดวง จะมีส่วนประกอบหลัก คล้ายคลึงกับ ดาวเทียมสื่อสาร โดยทั่วไป คือ ภาครับสัญญาณ ภาคส่งสัญญาณ ภาคควบคุม และระบบสายอากาศวิทยุ ส่วนพิเศษ ที่มีเฉพาะในดาวเทียม GPS คือ ภาคกำเนิดสัญญาณเวลาความแม่นยำสูง เป็น นาฬิกาอะตอมมิคแบบซีเซียม (Very High Precision Cesium Atomic Clock) ซึ่งได้รับการออกแบบ และผลิต โดยบริษัท Datum Incorporation USA

ภาคกำเนิดสัญญาณเวลาความแม่นยำสูง เป็นหัวใจสำคัญ ที่เป็นตัวกำหนด ความแม่นยำ ถูกต้อง ในการคำนวณตำแหน่งพิกัด ของ GPS Receiver ที่รับสัญญาณบนโลก หากภาคกำเนิดสัญญาณเวลา บนดาวเทียมดวงใด เสื่อมสภาพ หรือไม่มีความแม่นยำเพียงพอ ดาวเทียมดวงนั้น จะถูกปลดออกจากการใช้งาน ตามแผนงาน จะมีดาวเทียม โคจรทั้งหมด 24 ดวง และสำรอง 2 ดวง โดยมีการส่ง ดาวเทียมใหม่ เข้าสู่วงโคจร ตามระยะเวลาที่เหมาะสม เพื่อชดเชย ดาวเทียมที่เสื่อมสภาพ แต่เนื่องจากเทคโนโลยี่ ของดาวเทียม และ ภาคกำเนิดสัญญาณเวลาความแม่นยำสูง มีการพัฒนาตลอดเวลา ทำให้อายุการใช้งาน ของดาวเทียม ยาวกว่าที่คำนวณไว้ ดาวเทียมจำนวนมาก ยังอยู่ในภาวะใช้งานได้ปกติ ถึงแม้จะอยู่ในวงโคจร มานานกว่า 8 ปี (อายุขัยเฉลี่ย ของดาวเทียม) ทำให้ปัจจุบัน มีดาวเทียม อยู่ในวงโคจร ที่ใช้งานได้ จำนวนมากกว่า 30 ดวง ซึ่งเป็นประโยชน์ ต่อผู้ใช้งาน

ระดับชั้นของเครื่องเทียบเวลา (Stratum)
- เครื่องที่เทียบเวลาจาก GPS จะเรียกว่า stratum 1 ถือว่ามีเที่ยงตรงสูงมาก
- เครื่องที่เทียบเวลาจาก stratum 1 ถัดมาจะเรียกว่า stratum 2, stratum 3, stratum 4,5,6… ไปเรื่อย ๆ
- แต่เวลาที่ใช้งานได้จริงจะต้องเทียบกับเครื่องที่เป็น stratum 1,2,3 และ 4 เท่านั้นจึงจะได้รับการยอมรับจาก ANSI

เนื้อหาข้างบนได้คัดลอกบางส่วนมาจาก
www.com5dow.com และ www.gpsdeedee.com และ www.aircardshop.com และ en.wikipedia.org

จะเห็นได้ว่าสิ่งสำคัญในการระบุตำแหน่งบนพื้นโลกด้วยสัญญาณดาวเทียม GPS นั้นจะต้องอาศัยฐานเวลาที่มีความแม่นยำและเที่ยงตรงสูง ที่ถูกส่งลงมาจากดาวเทียม GPS ที่โคจรอยู่รอบโลกที่ความสูงประมาณ 20,200 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก (วัดในแนวตั้งฉากกับพื้นโลก) โดยในดาวเทียม GPS แต่ละดวงจะมีตัวกำเนิดค่าเวลาจากนาฬิกาอะตอมมิคแบบซีเซียม ซึ่งถือได้ว่าให้ค่าเวลาเที่ยงตรงที่สุดอยู่ในปัจจุบันนี้

สัญญาณไฟฟ้าที่ถูกส่งลงมาจากดาวเทียม GPS จะต้องเดินทางไกลกว่าสองหมื่นกว่ากิโลเมตร นั่นเท่ากับว่าเกิดความล่าช้าของสัญญาณนาฬิกาที่ถูกส่งลงมาด้วย (ค่าความเร็วของสัญญาณไฟฟ้าเดินทางในอากาศมีความเร็ว 299.8 ล้านเมตรต่อวินาที หรือ 299,800 กิโลเมตรต่อวินาที)

และจากการที่ดาวเทียมโคจรไปรอบ ๆ โลกด้วยนั้นทำให้เกิดระยะทางจากตัวดาวเทียมถึงอุปกรณ์รับสัญญาณต่างกันออกไป เราจะมาดูเฉพาะดวงที่อยู่ใกล้สุด กับดวงที่อยู่ไกลสุดก็พอ

จากภาพด้านบน จะเห็นว่าดาวเทียมดวงที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดคือดวงที่โคจรมาอยู่ตรงหัวเราพอดี ซึ่งจะมีระยะห่างจากพื้นดินถึงตัวดาวเทียม 20,200 กิโลเมตร เมื่อเราใช้เครื่องรับ รับสัญญาณจากดาวเทียมดวงนี้ เราสามารถคำนวณค่าผิดพลาดของเวลาได้ดังนี้
สัญญาณไฟฟ้าในเดินทางในอากาศ 299,800 กิโลเมตร ใช้เวลาในการเดินทาง = 1 วินาที
ถ้าสัญญาณไฟฟ้าเดินทางในอากาศ 20,200 กิโลเมตร จะใช้เวลาในการเดินทาง = 0.0674 วินาที (หรือ 67.4 มิลลิวินาที)

และดาวเทียมดวงที่ไกลสุดที่เรายังรับสัญญาณได้คือดวงทีโคจรไปอยู่ในตำแหน่งขนานกับแนวพื้นโลก (อันที่จริงแล้วเป็นการยากมากที่จะรับดาวเทียมในแนวนี้ได้ เพราะว่าบนพื้นโลกเรามีสิ่งกีดขวางอยู่มากมาย เช่นต้นไม้ , สิ่งปลูกสร้างต่างๆ แต่ก็ขอกล่าวไว้ตรงนี้ให้ได้รู้ว่าเป็นดาวเทียม GPS ที่อยู่ไกลสุด) เราคำนวณระยะทางจากดาวเทียมดวงที่อยู่ไกลสุดถึงจุดรับสัญญาณดาวเทียมได้ 25,783 กิโลเมตร และเมื่อเราใช้เครื่องรับ รับสัญญาณจากดาวเทียมดวงนี้ เราสามารถคำนวณค่าผิดพลาดของเวลาได้ดังนี้
สัญญาณไฟฟ้าในเดินทางในอากาศ 299,800 กิโลเมตร ใช้เวลาในการเดินทาง = 1 วินาที
ถ้าสัญญาณไฟฟ้าเดินทางในอากาศ 25,783 กิโลเมตร จะใช้เวลาในการเดินทาง = 0.0860 วินาที (หรือ 86 มิลลิวินาที)

จากผลการคำนวณจะเห็นได้ว่า ถ้าเรารับสัญญาณค่าเวลาจากดาวเทียมดวงที่อยู่ใกล้สุด ค่าเวลาที่เรารับได้จะช้ากว่าค่าจริงอยู่ 0.0674 วินาที (หรือ 67.4 มิลลิวินาที) และถ้าเรารับสัญญาณค่าเวลาจากดาวเทียม GPS ดวงที่อยู่ไกลสุด ค่าเวลาที่เรารับได้จะช้ากว่าค่าจริงอยู่ 0.0860 วินาที (หรือ 86 มิลลิวินาที) จากตัวเลขที่ออกมาจะเห็นได้ว่าค่าความคลาดเคลื่อนของเวลานั้นน้อยมาก ฉะนั้นเราถือได้ว่าค่าเวลาที่รับได้ด้วยเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมนั้นยังมีความเทียงตรงกว่าการเทียบเวลาผ่านอินเตอร์เน็ตเสียอีก เพราะข้อมูลอินเตอร์เน็ตที่วิ่งผ่านอุปกรณ์เครื่องข่ายต่างๆ ย่อมมีคามล่าช้าในหน่วยเป็นวินาที

สรุป ค่าเวลาที่แสดงด้วยเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมจะช้ากว่าค่าจริงอยู่ในช่วง 0.0674 ถึง 0.0860 วินาที (หรือ 67.4 ถึง 86 มิลลิวินาที) ขึ้นอยู่กับว่าขณะนั้นเรากำลังรับสัญญาณจากดาวเทียมดวงไหน