ทำความรู้จัก GPS คืออะไร มีวิธีการทำงานแบบไหน

ทำความรู้จัก GPS คืออะไร มีวิธีการทำงานแบบไหน

ในโลกสมัยใหม่ที่หมุนไปอย่างรวดเร็วเทคโนโลยีมีบทบาทสำคัญในชีวิตประจำวันของเราเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะ
ระบบนำทาง GPS ที่ได้กลายเป็นเครื่องมือจำเป็นสำหรับการเดินทางไปยังสถานที่ต่าง ๆ ให้เราสามารถไปถึง
จุดหมายปลายทางได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และในบทความนี้จึงอยากพาทุกคนมาทำความรู้จักกับการทำงานของ
GPS ให้มากยิ่งขึ้น

GPS คืออะไร

Global Positioning System (GPS) คือ ระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลก โดยอาศัยการรับสัญญาณจากดาวเทียมที่
โคจรอยู่รอบโลกประมาณ 24 ดวงที่สามารถระบุระดับพิกัดตำแหน่ง (X, Y, Z) ความเร็ว และเวลาได้มายังจุดรับ
สัญญาณบริเวณต่าง ๆ ที่อยู่ในโลกของเรา เช่น มือถือ เรือ รถยนต์

องค์ประกอบของระบบ GPS

ระบบ GPS จะทำงานได้อย่างสมบูรณ์ต้องประกอบไปด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่ 1.) ระบบดาวเทียมในวงโคจรรอบ
โลก 2.) สถานีควบคุม 3.) ผู้ใช้งานสัญญาณจีพีเอส โดยแต่ละส่วนจะมีหน้าที่ดังต่อไปนี้

1. ระบบดาวเทียมในวงโคจรรอบโลก ภาษาอังกฤษเรียกว่า The Space Segment มีด้วยกันทั้งหมด 3
   ค่าย ได้แก่ อเมริกา รัสเซีย และยุโรป

• NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging GPS) ของสหรัฐอเมริกา มีดาวเทียม
  ทั้มหมด 24 ดวง ใช้งานได้จริง 21 ดวง ส่วนอีก 3 ดวงใช้เป็นดาวเทียมสำรอง แต่ละดวงมีรัศมีวงโคจร
  จากพื้นโลก 20,162.81 กม.หรือ 12,600
• GALILEO ของยุโรป มีดาวเทียมทั้งหมด 27 ดวง บริหารงานโดย ESA (European Satellite
  Agency)
• GLONASS (Global Navigation Satellite) ของรัสเซีย บริหารโดย Russia VKS (Russia Military
  Space Force)

2. สถานีควบคุม (The control segment) ทำหน้าที่ติดต่อสื่อสารกับดาวเทียมด้วยสัญญาณเรด้าร์ และ
   คำนวณค่าต่าง ๆ เพื่อให้ดาวเทียมยังคงอยู่ในวงโคจร ณ ระดับความสูง ความเร็ว และตำแหน่งที่ถูกต้อง
3. ผู้ใช้งานสัญญาณจีพีเอส (The User segment) ผู้ใช้งานต้องมีเครื่องรับสัญญาณที่สามารถรับคลื่นและแปร
   รหัสจากดาวเทียม เพื่อนำมาประมวลผลให้เหมาะสมกับการใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ ได้

GPS ทำงานอย่างไร?

การทำงานของ GPS จะใช้หลักการคำนวณระยะทางระหว่างดาวเทียมอย่างน้อย 3 ดวงขึ้นไปกับเครื่องรับสัญญาณ
GPS เช่น โทรศัพท์มือถือ นาฬิกา โดยใช้สูตรคำนวณทางฟิสิกส์คือ “ระยะทาง = ความเร็ว X เวลา” และให้
ผลลัพธ์ออกมาเป็นตำแหน่งที่ตั้งที่ชัดเจน
โดยดาวเทียมทั้ง 3 ดวง จะส่งสัญญาณคลื่นวิทยุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ด้วยอัตรา 186,000 ไมล์ต่อวินาที
มายังเครื่อง GPS แน่นอนว่าระยะเวลาในการรับสัญญาณดาวเทียมแต่ละดวงนั้นย่อมไม่เท่ากันอยู่แล้ว เนื่องจาก
ตำแหน่งที่ต่างกันนั่นเอง
อธิบายให้เข้าใจง่ายมากยิ่งขึ้นคือ GPS ทำงานโดยการรับสัญญาณจากดาวเทียมหลาย ๆ ดวง โดยสัญญาณ
ดาวเทียมเหล่านี้จะประกอบไปด้วย ข้อมูลที่ระบุตำแหน่ง และเวลาขณะส่งสัญญาณ หน้าที่ของเครื่องรับสัญญาณ
GPS คือจะต้องประมวลผลความแตกต่างของเวลาในการรับสัญญาณเทียบกับเวลาจริง ณ ปัจจุบัน เพื่อแปรเป็น
ระยะทางระหว่างเครื่องรับสัญญาณกับดาวเทียมแต่ละดวง ผลลัพธ์ก็จะได้ออกมาเป็นตำแหน่งของเรานั่นเอง

ความแม่นยำของ GPS ขึ้นอยู่กับอะไรบ้าง

• ปริมาณของดาวเทียม โดยจะต้องมีดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวง เพื่อบอกตำแหน่งบนผิวโลก ซึ่งระยะห่าง
  จากดาวเทียมทั้ง 3 กับเครื่อง GPS จะสามารถระบุตำแหน่งบนผิวโลกได้ หากพื้นโลกอยู่ในแนวระนาบ แต่
  ในความเป็นจริงพื้นโลกมีความโค้ง เนื่องจากสัณฐานของโลกมีลักษณะกลม ดังนั้นดาวเทียมดวงที่ 4 จะทำ
  ให้สามารถคำนวณเรื่องความสูงเพื่อทำให้ได้ตำแหน่งที่ถูกต้องมากขึ้น
• ตำแหน่งของดาวเทียมแต่ละดวง กล่าวคือหากดาวระยะห่างระหว่างดาวเทียมไกลมากเท่าไหร่ค่าที่ได้
  จากการใช้งาน GPS ก็จะมีความแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น เนื่องจากมีจำนวนดาวเทียมที่รับสัญญาณได้มาก
  ขึ้นด้วย แต่ในการใช้งาน GPS ต้องพิจารณาความแปรปรวนของชั้นบรรยากาศด้วย
  เนื่องจากชั้นบรรยากาศประกอบด้วยประจุไฟฟ้า ความชื้น อุณหภูมิ และความหนาแน่นที่แปรปรวน
  ตลอดเวลา จะทำให้ค่าความถูกต้องของ GPS เพี้ยนไป และสิ่งแวดล้อมในบริเวณรับสัญญาณ เช่น การบด
  บังจากกระจก ละอองน้ำ ใบไม้ ก็สามารถทำให้สัญญาณ GPS ตกต่ำลงได้
  ทำให้ค่าที่ได้จากเครื่องรับสัญญาณ GPS เพี้ยนไป และสุดท้ายความไวในการรับสัญญาณและความเร็วใน
  การประมวณผลของเครื่องรับสัญญาณ GPS

ประเภทของการใช้งาน GPS ในปัจจุบัน

ระบบ GPS ที่ใช้กันในปัจจุบันมีด้วยกันทั้งหมด 2 ประเภท ดังนี้

1. GPS Navigator ระบบนำทาง
   นิยมใช้งานร่วมกับรถยนต์ทั่วไป เพื่อช่วยในการแสดงแผนที่และเส้นทางที่เราต้องการเดินทาง โดยอุปกรณ์นี้จะต้อง
   มีการระบุพิกัดตำแหน่งปลายทางที่เราต้องการไปเสียก่อน หลังจากนั้น GPS จะทำการคำนวณเส้นทางที่เหมาะสม
   พร้อมระยะทางจากตำแหน่งปัจจุบันของเราและบอกเวลาที่ใช้ในการเดินทางถึงจุดหมายปลายทาง

2. GPS Tracking System ระบบติดตามรถ ยานพาหนะ และสัตว์เลี้ยง
   GPS Tracking System สามารถติดตามการเคลื่อนไหวของวัตถุต่างๆ พร้อมบอกพิกัดตำแหน่งของตัวเครื่อง GPS
   ได้ นอกจากนี้ยังแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ

• อุปกรณ์ติดตามรถแบบ Offline สามารถตรวจสอบประวัติการเดินทางได้เท่านั้น แต่ไม่สามารถ
  ตรวจสอบตำแหน่งที่ตั้งของเครื่อง GPS ได้
• อุปกรณ์ติดตามรถกึ่ง Offline ทำงานร่วมกับมือถือ ซึ่งสามารถดูประวัติการเดินทาง และตำแหน่ง
  ปัจจุบันของเครื่อง GPS ได้

อุปกรณ์ที่ใช้ร่วมกับ GPS ประกอบด้วยอะไรบ้าง?

สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ร่วมกับการนำทางด้วย GPS ประกอบด้วย

• ตัวรับสัญญาณดาวเทียม (GPS Receiver Module)
• หน่วยประมวลผล (CPU)
• โปรแกรมการนำทาง (Application Software)
• และข้อมูลแผนที่นำทาง (Map Data)
  ปัจจุบันนี้มีเครื่อง GPS ที่ที่มีความสมบูรณ์แบบครบครันอยู่ในตัวเดียว ซึ่งจะเพิ่มความสะดวกในการใช้งานและ
  ความเสถียรมากยิ่งขึ้น ได้แก่ PND (Personal / Portable Navigation Device) หรือแบบที่ใช้ GPS receiver
  ร่วมกับ PDA (Personal Digital Assistant) / Pocket PC / โน้ตบุ๊ก / Smart phone เป็นต้น
  นอกจากนี้ในสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ ๆ ก็มักจะมี GPS ในตัวมาให้พร้อมใช้งานเลือกใช้ ซึ่งทำให้สามารถใช้งาน GPS ได้
  โดยง่าย ทุกขณะที่เราต้องการใช้งาน เพื่อหาทิศทางหรือตำแหน่งที่ต้องการ
  อีกทั้งยังมีอุปกรณ์เสริม เช่น เสารับสัญญาณภายนอกแบบติดเฉพาะเครื่องต่อเครื่อง หรือ ตัวกระจายคลื่น (GPS
  radiator) เพื่อให้สามารถใช้ GPS ได้ในที่อับสัญญาณ เช่นในรถที่ติดฟิล์มที่มีสารโลหะอยู่ (หรือที่เรียกกันว่า”ฉาบ
  ปรอท”) หรือในอาคาร

ประโยชน์ของ GPS มีอะไรบ้าง

ระบบ GPS มีประโยชน์มากมายหลากหลายประการในหลากหลายด้าน ดังนี้

1. การนำทางที่แม่นยำ : ช่วยให้เราสามารถไปยังจุดหมายปลายทางที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าคุณจะ
   ขับรถ เดินป่า หรือเดินทางด้วยวิธีใดก็ตาม GPS จะช่วยให้ไปถึงจุดหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. การจัดการยานพาหนะและโลจิสติกส์: GPS ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการจัดการยานพาหนะ
   และการดำเนินงานด้านโลจิสติกส์ ช่วยให้บริษัทต่าง ๆ สามารถติดตามและตรวจสอบยานพาหนะได้แบบ
   เรียลไทม์ ปรับเส้นทางให้เหมาะสม จัดการการใช้เชื้อเพลิง และรับประกันการส่งมอบสินค้าต่าง ๆ ได้
   ทันเวลา

3. กิจกรรมกลางแจ้งและฟิตเนส : อุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน GPS เช่น สมาร์ทวอทช์หรือตัวติดตามฟิตเนส มี
   คุณสมบัติสำหรับผู้ที่ชื่นชอบกิจกรรมกลางแจ้งและผู้ชื่นชอบการออกกำลังกาย สามารถติดตามเส้นทาง
   การวิ่งหรือปั่นจักรยาน วัดระยะทาง ติดตามความคืบหน้าและให้ข้อมูลการวิเคราะห์ประสิทธิภาพได้อีก
   ด้วย
4. การสำรวจและการทำแผนที่ : GPS ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในแอพพลิเคชั่นการสำรวจและการทำ
   แผนที่ ช่วยให้นักสำรวจสามารถคำนวณและทำเครื่องหมายจุดต่าง ๆ บนพื้นผิวโลกได้อย่างแม่นยำ ช่วย
   ให้ทำแผนที่ การสำรวจที่ดิน และการรวบรวมข้อมูลเชิงพื้นที่ได้อย่างแม่นยำสำหรับอุตสาหกรรมต่าง ๆ
   รวมถึงการก่อสร้าง การวางผังเมือง และการจัดการสิ่งแวดล้อม
5. การนำทางการบินและการเดินเรือ : GPS มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบินและการนำทางทางทะเล
   เพื่อให้มั่นใจถึงความปลอดภัยและประสิทธิภาพของการเดินทางทางอากาศและทางทะเล นักบินและ
   กัปตันเรือใช้ GPS ในการระบุตำแหน่ง วางแผนการบินหรือเส้นทางการเดินทาง และหลีกเลี่ยงการชนกัน
   โดยจะให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับระบบนำทาง

สรุป

ปฏิเสธไม่ได้เลยว่า GPS ได้ทำลายข้อจำกัดหลาย ๆ อย่างด้านเดินทางให้ง่ายมากยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นการให้ตำแหน่ง
ที่แม่นยำ ทิศทางที่เชื่อถือได้ อีกทั้งยังมอบประสบการณ์การเดินทางที่ดียิ่งขึ้น ตั้งแต่การช่วยเราค้นหาเส้นทางใหม่
ก้าวผ่านเส้นทางที่ไม่คุ้นเคย ไปจนถึงการปรับเส้นทางให้เหมาะสมและหลีกเลี่ยงการจราจรติดขัด การพัฒนาของ
GPS ได้กลายเป็นเพื่อนร่วมทางที่เชื่อถือและแพร่หลายไปทั่วโลก