ความคลาดเคลื่อนในการรังวัดดาวเทียมระบบ GPS


          เป็นที่ทราบกันอยู่แล้วว่าการรังวัดด้วยดาวเทียมมีข้อจำกัดอยู่หลายประการที่จะส่งผลต่อความถูกต้องของตำแหน่งที่ทำการรังวัดบนพื้นผิวโลก การศึกษาให้เข้าใจถึงปัจจัยต่างๆที่ส่งผลต่อการรังวัดด้วยดาวเทียมจึงมีความสำคัญเป็นอย่างมากเพื่อที่จะนำไปประยุกต์ใช้งานให้เกิดความผิดพลาดให้น้อยที่สุด
          ความคลาดเคลื่อน (Error) ที่ส่งผลต่อความถูกต้องของเชิงตำแหน่งโดยการรังวัดด้วยดาวเทียม มีดังนี้

1.)     ความคลาดเคลื่อนของวงโคจรดาวเทียม (Ephemeris Error)
     วงโคจรดาวเทียมที่ผู้ใช้รับมานั้น เป็นวงโคจรที่ได้จากการคำนวณล่วงหน้า ดังนั้น ตำแหน่งดาวเทียม (อิฟิเมอริสดาวเทียม) จึงเป็นค่าจากการคำนวณล่วงหน้า โดยอาศัยรูปจำลองของแรงภายนอกต่างๆ ที่กระทำต่อดาวเทียม เช่น แรงดึงดูดจากดวงจันทร์ แรงดึงดูดจากดวงอาทิตย์ ลมสุริยะ ซึ่งส่งผลต่อตำแหน่งวงโคจรของดาวเทียม รูปจำลองที่ใช้อาจไม่สมบูรณ์ ฉะนั้น ตำแหน่งของดาวเทียมที่ได้จากอิฟิเมอริสดาวเทียม ที่ส่งกระจายลงมาพร้อมสัญญาณดาวเทียมนั้น จึงไม่ถูกต้อง ดังนั้นส่วนควบคุมจึงจำเป็นต้องปรับแก้ให้เที่ยงตรงอยู่เสมอ

2.)     ความคลาดเคลื่อนของนาฬิกาบนดาวเทียม (GPS Clock Error)
     เวลา GPS คือ เวลาที่ใช้เป็นมาตรฐานอ้างอิงในระบบ GPS โดยมีสถานีควบคุมหลักเป็นผู้ดูแลรักษาเวลา GPS ให้มีความถูกต้อง โดยปกติเวลา GPS และเวลามาตรฐานสากล (UTC) จะถูกรักษาให้ต่างกันไม่เกิน 100 ns (10-7 วินาที) แต่ถึงแม้ว่านาฬิกาอะตอมที่เป็นตัวกำหนดเวลาบนดาวเทียมจะมีความถูกต้องสูง แต่ก็ยังคงมีความผิดพลาดอยู่ (ประมาณ 3 nanosecond) ส่งผลให้คลื่นที่ส่งมาผิดพลาดด้วย นอกจากความคลาดเคลื่อนในส่วนของการเทียบเวลาแล้ว ยังมีความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากความไม่เสถียรของมาตรฐานความถี่ของนาฬิกาบนดาวเทียมที่เรียกว่า ดริฟท์(Drift)

3.)     ความคลาดเคลื่อนของการหักเหในชั้นบรรยากาศ (Atmospheric Errors)
บรรยากาศของโลกถูกแบ่งออกเป็นหลายชั้น แต่ละชั้นมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ชั้นบรรยากาศที่ติดกับพื้นโลก เรียกว่า โทรโพสเฟียร์ (Troposphere) เป็นชั้นที่มีปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น ฝน เมฆ พายุ ขอบเขตของโทรโพสเฟียร์ สูงถึง 16 - 17 กม. จากพื้นผิวโลก ส่วนชั้นบรรยากาศ ซึ่งครอบคลุมบริเวณตั้งแต่ระดับความสูงราว 50 กม. ถึง 1000 กม. เรียกว่า ไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) ชั้นบรรยากาศที่มีผลต่อการหักเหของคลื่นวิทยุหรือทำให้เส้นทางเคลื่อนที่เบี่ยงเบนไป คือ ชั้นไอโอโนสเฟียร์และชั้นโทรโพสเฟียร์

4.)     ความคลาดเคลื่อนเนื่องจากเกิดคลื่นสะท้อน (Multipath Errors)
     คลื่นสะท้อน เกิดจากคลื่นสัญญาณ GPS เดินทางไปกระทบวัตถุเกิดการสะท้อนของคลื่นก่อนเข้าสู่เครื่องรับสัญญาณ วัตถุสะท้อนคลื่น เช่น ผิวน้ำ ผนังคอนกรีต ส่งผลกับรหัสและคลื่นส่ง ผลของการเกิดคลื่นสะท้อนมีขนาดเป็น 100 เท่าของคลื่นส่ง การสะท้อนคลื่นมีผลโดยตรงต่อข้อมูลระยะทางระหว่างดาวเทียมและเครื่องรับสัญญาณผิดไปจากเดิม จึงส่งผลให้ค่าพิกัดตำแหน่งผิดพลาดไปด้วย และยังเป็นสาเหตุทำให้คลื่นหลุดได้ง่าย แต่มีการแก้ไขหลายวิธีดังนี้
-          เลือกจุดตั้งรับที่ไม่มีพื้นผิวสะท้อนอยู่ใกล้เคียง
-          เลือกเสาอากาศที่ออกแบบเฉพาะ เช่น เสาอากาศที่มีแผ่นกราวด์
-          ใช้เวลาการรังวัดให้มากยิ่งขึ้น

5.)     ความคลาดเคลื่อนเนื่องจากนาฬิกาของเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม (Receiver Clock Errors)
     เครื่องรับสัญญาณไม่จำเป็นต้องมีนาฬิกาที่มีความถูกต้องสูงมาก ทั้งนี้เพราะเวลาที่ถูกต้องสามารถหาได้จากสัญญาณดาวเทียมที่เป็นข้อมูลเวลา ซึ่งเครื่องรับสามารถถอดรหัสได้ก็จะรู้เวลา GPS
6.)     การเกิดคลื่นหลุด (Cycle Slip)
     คลื่นหลุด คือ การขาดหายไปเป็นช่วงๆ ของคลื่น ทำให้เครื่องรับไม่สามารถบันทึกข้อมูลได้อย่างต่อเนื่อง โดยมีสาเหตุหลายประการ คือ
-          มีสิ่งกีดขวางการเดินทางของสัญญาณดาวเทียม เช่น ต้นไม้ อาคาร
-          Noise ของสัญญาณขนาดใหญ่ เช่น สัญญาณถูกรบกวนจากคลื่นวิทยุ
-          การเกิดคลื่นสะท้อน
-          ความแรงของสัญญาณ (SNR) อ่อนโดยเฉพาะคลื่น L2
     ผลจากการเกิดคลื่นหลุด คือ หลังจากที่เครื่องรับสามารถรับสัญญาณและล็อคสัญญาณได้อีกครั้งส่วนของเฟสคลื่นส่งยังคงเหมือนเดิม แต่จำนวนเต็มรอบของลูกคลื่นจะเริ่มนับใหม่ ทำให้ในการประมวลผลต้องทำการหาค่าเลขจำนวนเต็มของลูกคลื่นใหม่ การแก้ไขการเกิดคลื่นหลุดทำได้โดยการใช้ซอฟต์แวร์ในการประมวลผลช่วยทำการแก้ไข
     การหลุดของสัญญาณ เป็นการหายไปของสัญญาณขณะรังวัด ไม่สามารถกลับมารับสัญญาณของดาวเทียมที่รังวัดไปแล้วได้อีก ซึ่งเกิดจากการที่กลุ่มดาวเทียมขณะรังวัดมีน้อยกว่า 4 ดวง และสิ่งกีดขวางในการเดินทางของสัญญาณ เช่น อาคาร ต้นไม้ เป็นต้น
7.)     ความคลาดเคลื่อนของเครื่องรับ (Receiver Error)
     ความคลาดเคลื่อนของเครื่องรับ (Noise) มีสาเหตุการเกิดหลายออย่างเช่น ความไม่เสถียรของออสซิลเลเตอร์ จุดศูนย์กลางเฟสของเสาอากาศ การ BIAS ระหว่างช่องรับสัญญาณ Noise ในการรังวัดขึ้นอยู่กับความเร็วของสัญญาณที่ได้รับ โดยคำนวณได้จากกฎหัวแม่มือ นำมาใช้ในการหาขนาดของ Noise กล่าวคือ 1% ของค่าความยาวคลื่นของสัญญาณที่กำลังรังวัด
สัญญาณดาวเทียม
ความยาวคลื่น
Noise
รหัส C/A
300 cm.
3 m.
รหัส P
30 cm.
30 cm.
คลื่นส่ง L1
19 cm.
1.9 m.
คลื่นส่ง L2
24 cm.
2.4 m.

8.)     ความผิดพลาดในการวัดความสูงของเสาอากาศ (Measurement Error)
     เป็นความผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดที่เกิดจากผู้ปฏิบัติ การรังวัดความสูงเสาอากาศในสนามมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากสัญญาณดาวเทียมที่รังวัดได้จะถูกบันทึกและคำนวณบนเสาอากาศ ดังนั้น ค่าความสูงของเสาอากาศที่วัดได้จะใช้เป็นค่าในการทอนค่าความสูงของเสาอากาศลงสู่หัวหมุดหลักฐาน การวัดค่าความสูงของเสาอากาศจะมีผลกระทบโดยตรงต่อความสูงของหมุดหลักฐาน ดังนั้นผู้ปฏิบัติควรระลึกถึงและระมัดระวังให้มากที่สุด

9.)     ความคลาดเคลื่อนเนื่องจากการวางตัวของดาวเทียม (Dilution of Precision : DOP)
     การหาค่าพิกัดของตำแหน่งของวัตถุ นอกจากต้องรับสัญญาณดาวเทียมให้ได้อย่างน้อย 4 ดวงแล้ว การวางตำแหน่งของดาวเทียมบนท้องฟ้าก็เป็นส่วนสำคัญ ค่า DOP เป็นค่าที่ได้จากกระบวนการทางคณิตศาสตร์ ซึ่งบ่งบอกความไม่แน่นอนด้านตำแหน่ง ค่า DOP ที่สูงให้ค่าความไม่แน่นอนของตำแหน่งมากกว่า ค่า DOP ที่ต่ำ โดยแบ่งค่า DOP ได้ดังนี้
-          HDOP หรือ Horizontal Dilution of Precision คือ ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบด้านตำแหน่งทางราบ
-          VDOP หรือ Vertical Dilution of Precision คือ ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบด้านความสูง
-          PDOP หรือ Position Dilution of Precision คือ ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบด้านตำแหน่งในสามมิติ โดย PDOP = HDOP + VDOP
-          TDOP หรือ Time Dilution of Precision คือ ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบด้านเวลา
-          GDOP หรือ Geometry Dilution of Precision คือ ความไม่แน่นอนในองค์ประกอบด้านเรขาคณิต โดย GDOP = PDOP + TDOP
     โดยถ้าแบ่งท้องฟ้าออกเป็นสี่จตุรางคดล (Quadrant) ดาวเทียมจะต้องอยู่เหนือเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมกระจายอยู่ทั้งสี่จตุรางคดล จึงจะให้ค่า DOP ที่ดี

สุดท้ายการที่จะทำการรังวัดเพื่อให้ได้ค่าพิกัดตำแหน่งที่ถูกต้องที่สุด นอกจากปัจจัยต่างๆที่ได้กล่าวมาแล้วในข้างต้น ความพร้อมของผู้ใช้งาน และการวางแผนที่เป็นระบบ จะช่วยให้การรังวัดมีประสิทธิภาพและได้ความถูกต้องมากยิ่งขึ้น

อ้างอิงข้อมูลจาก : เอกสารประกอบวิชาการ การสำรวจด้วยดาวเทียม (Satellite Surveying) รวบรวมโดย ร.ท.วัลลพ ตาเขียว กรมแผนที่ทหาร, gisgeography.com

ความคิดเห็น

โพสต์ยอดนิยมจากบล็อกนี้

เส้นโครงแผนที่คืออะไร (What is Map Projection?)

เทคนิคการรังวัดหาค่าพิกัดดาวเทียมด้วยระบบ GNSS