การตรวจจับผ่านมือถือ: ตำแหน่ง GPS

ระบบกำหนดตำแหน่งบนโลก (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

การใช้ GPS ในภาคพลเรือน

ในภาคพลเรือน เนื่องจากเหตุผลด้านความปลอดภัย จึงอนุญาตให้ใช้เพียงชุดสัญญาณ GPS ที่ถูกลดคุณภาพ อย่างไรก็ตาม ชุมชนพลเรือนพบทางเลือกในการหาความแม่นยำของตำแหน่งที่ยอดเยี่ยมผ่านเทคนิคเชิงต่างกัน เทคนิคเหล่านี้นำไปสู่การเติบโตอย่างมากในแอปพลิเคชันพลเรือน และปัจจุบันมีผู้ผลิตเครื่องรับ GPS กว่า 70 ราย.

หลักการทำงาน

วัตถุประสงค์ของ ระบบ GPS คือการคำนวณตำแหน่งของจุดใดๆ ในพื้นที่ของพิกัด (x,y,z) โดยเริ่มจากการคำนวณระยะทางของจุดไปยังดาวเทียมอย่างน้อยสามดวงที่ทราบตำแหน่ง ระยะทางระหว่างผู้ใช้ (เครื่องรับ GPS) และดาวเทียมวัดโดยการคูณเวลาบินของสัญญาณที่ส่งจากดาวเทียมด้วยความเร็วในการแพร่กระจาย.

To figure out how long the radio signal took to travel, the satellites and receivers’ clocks must be set to the same time. This is because they both have to send out the same code at the same time. But while the clocks on the satellites are very accurate, the clocks on the receivers are cheap quartz oscillators that are not accurate. Distances with errors due to synchronism are called pseudoranges. The difference in the clocks of the receivers is another unknown that makes it necessary to use at least four satellites to figure out where the receivers are.

การคำนวณ Pseudoranges

ในการคำนวณ pseudoranges จะพิจารณาว่าสัญญาณ GPS อ่อนและแช่อยู่ในเสียงพื้นหลังที่มีอยู่ในแถบวิทยุของโลก เสียงธรรมชาตินี้ประกอบด้วยพัลส์สุ่ม ซึ่งนำไปสู่การสร้างรหัสเทียมสุ่มโดยเครื่องรับ GPS เป็นรูปแบบของความผันผวน ในแต่ละขณะ ดาวเทียมจะส่งสัญญาณที่มีรูปแบบเดียวกับซีรีส์สุ่มเทียมที่สร้างโดยเครื่องรับ โดยอิงจากการซิงโครไนซ์นี้ เครื่องรับจะคำนวณระยะทางโดยการเลื่อนรหัสเทียมสุ่มในเวลา จนกว่าจะตรงกับรหัสที่ได้รับ การเลื่อนนี้สอดคล้องกับเวลาบินของสัญญาณ กระบวนการนี้ดำเนินการโดยอัตโนมัติ ต่อเนื่อง และทันทีในแต่ละเครื่องรับ.

สถานีภาคพื้นดินและนาฬิกาอะตอม

แม้ความเร็วของดาวเทียมจะสูง (4 กม./วินาที) ตำแหน่งทันทีของพวกมันสามารถประมาณได้ด้วยความผิดพลาดน้อยกว่าสองสามเมตร โดยอิงจากการคาดการณ์ตำแหน่งก่อนหน้าในช่วงเวลา 24 ถึง 48 ชั่วโมง สถานีภาคพื้นดินจะตรวจสอบนาฬิกาอะตอมของดาวเทียมเป็นระยะๆ ซึ่งมีสองตัวเป็นซีเซียมและสองตัวเป็นรูบิเดียม ส่งข้อมูล ephemeris และการแก้ไขของนาฬิกา เนื่องจากความแม่นยำของนาฬิกาและความเสถียรของเส้นทางของดาวเทียมเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานของระบบ GPS.

แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดใน GPS

มีแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดหลายประการที่สามารถส่งผลต่อการวัด GPS แหล่งที่มาหลักบางประการคือ:

• การรบกวนทางไอโอโนสเฟียร์: ไอโอโนสเฟียร์ประกอบด้วยชั้นของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่สามารถส่งผลต่อความเร็วของสัญญาณวิทยุที่ผ่านมัน.

• ปรากฏการณ์ทางอุตุนิยมวิทยา: Water vapor in the troposphere, the layer closest to the Earth’s surface, can slow down electromagnetic signals and cause errors in GPS measurements that are difficult to correct.

• ความไม่แม่นยำในนาฬิกา: แม้จะมีการปรับและควบคุมอย่างระมัดระวัง แต่นาฬิกาอะตอมของดาวเทียม GPS และนาฬิกาของเครื่องรับอาจแสดงการเบี่ยงเบนเล็กน้อย.

• การรบกวนทางไฟฟ้าที่ไม่คาดคิด: การรบกวนทางไฟฟ้าสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการเชื่อมโยงรหัสสุ่มเทียมหรือในการคำนวณวงโคจร นำไปสู่การไม่ตรงกันถึงหนึ่งเมตร.

• ข้อผิดพลาดจากการสะท้อนหลายทาง: GPS signals can be reflected off surfaces before reaching the receiver, leading to errors in the measured distance. It’s challenging to minimize this error as it depends on the GPS antenna’s environment.

• ความพร้อมใช้งานแบบเลือก (S/A): ทหารจงใจแนะนำแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดนี้ ทำให้มันเป็นข้อผิดพลาดที่ยิ่งใหญ่ที่สุด.

• โทโพโลยีเครื่องรับ-ดาวเทียม: การจัดเรียงเชิงพื้นที่ของดาวเทียมที่มองเห็นได้ซึ่งใช้ในการคำนวณระยะทางสามารถส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด GPS เครื่องรับขั้นสูงสามารถปรับเปลี่ยนข้อผิดพลาดในการวัดระยะทางได้.

These sources of error can be categorized into those that depend on the satellites’ geometry and those that don’t. Selective availability and clock errors are not affected by the shape of the satellite, but ionospheric and tropospheric delays and multipath errors are very affected by the shape of the satellite. Each GPS position measurement has a value called “ความไม่แน่นอน” that is based on all the different sources of error.

แอปพลิเคชันของ GPS

แอปพลิเคชันของ GPS มีหลายสาขาการใช้งาน รวมถึงระบบช่วยนำทาง การสร้างแบบจำลองอวกาศและบรรยากาศ และการวัดเวลาที่มีความแม่นยำสูง นี่คือตัวอย่างบางส่วนของระบบ GPS ที่ใช้ในภาคพลเรือน:

• การศึกษาปรากฏการณ์ทางบรรยากาศ: สัญญาณ GPS มีประโยชน์ในการพัฒนารูปแบบการพยากรณ์อากาศโดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความเร็วที่เกิดจากไอน้ำในโทรโพสเฟียร์.

• การระบุตำแหน่งและนำทางในพื้นที่ที่ไม่เอื้ออำนวย: GPS ใช้ในการสำรวจวิจัยในพื้นที่ที่เข้าถึงยากหรือพื้นที่ที่ไม่มีจุดสังเกต ซึ่งช่วยเพิ่มความรู้เกี่ยวกับภูมิภาคขั้วโลกหรือทะเลทราย.

• แบบจำลองทางธรณีวิทยาและภูมิประเทศ: GPS ใช้โดยนักธรณีวิทยาในการศึกษาการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกและการพยากรณ์แผ่นดินไหว นอกจากนี้ยังเป็นเครื่องมือพื้นฐานในภูมิประเทศสำหรับการสำรวจที่ดินและการสำรวจป่าและการเกษตร.

• วิศวกรรมโยธา: GPS ใช้ในการตรวจสอบการเปลี่ยนรูปของโครงสร้างขนาดใหญ่ที่รับน้ำหนัก เช่น โครงสร้างโลหะหรือคอนกรีตแบบเรียลไทม์.

• ระบบสัญญาณเตือนอัตโนมัติ: GPS ใช้ในระบบสัญญาณเตือนที่เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ที่ตรวจสอบการขนส่งสินค้าที่มีความเสี่ยงสูงและเน่าเสียได้ สัญญาณเตือนช่วยให้สามารถช่วยเหลือยานพาหนะได้อย่างรวดเร็ว.

• การซิงโครไนซ์สัญญาณ: อุตสาหกรรมไฟฟ้าใช้ GPS เพื่อซิงโครไนซ์นาฬิกาของสถานีตรวจสอบเพื่อระบุตำแหน่งความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นในบริการไฟฟ้า.

• คำแนะนำสำหรับผู้พิการทางร่างกาย: ระบบ GPS กำลังพัฒนาเพื่อช่วยให้คนตาบอดนำทางผ่านเมือง นอกจากนี้ยังมีการศึกษาสำหรับการใช้ในด้านการท่องเที่ยวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางระหว่างสถานที่ต่างๆ ในเส้นทาง.

• การนำทางและการควบคุมกองยานพาหนะ: GPS ใช้ในการวางแผนเส้นทางและการควบคุมกองยานพาหนะโดยองค์กรต่างๆ เช่น ตำรวจ บริการฉุกเฉิน สถานีแท็กซี่ บริการจัดส่ง และบริษัทจัดส่ง.

• ระบบการบินพลเรือน: GPS ใช้ในการบินพลเรือนเพื่อช่วยในการนำทางและการลงจอด ความสำคัญของมันนำไปสู่การพัฒนาระบบที่มุ่งเน้นการปรับปรุงความแม่นยำของ GPS.

• การนำทางยานพาหนะที่ไม่มีผู้ช่วย: GPS ถูกนำมาใช้ในระบบ DGPS สำหรับการเคลื่อนที่ที่แม่นยำในพื้นที่ที่มีการจราจรหนาแน่น ในยานพาหนะบนบกอัตโนมัติ การเฝ้าระวังในสภาพแวดล้อมที่เป็นอันตราย และการขนส่งสินค้า.

ด้วยความแม่นยำสูงของการวัด GPS มีความก้าวหน้าที่สำคัญในอวกาศในวงโคจรต่ำ หุ่นยนต์สามารถทำงานที่อันตรายได้ด้วยตัวเอง เช่น การตรวจสอบ การซ่อมแซม และการประกอบดาวเทียมเทียม.

อนาคตของ GPS

ในปี 1996 กฎระเบียบที่ควบคุมระบบ GPS กำหนดว่าความพร้อมใช้งานแบบเลือกจะถูกยกเลิกในปี 2006 และจะมีการรวมความถี่เพิ่มเติมสำหรับการใช้พลเรือน ซึ่งหมายความว่าภายในไม่กี่ปี, ดาวเทียม GPS จะส่งรหัสพลเรือนบนทั้งความถี่ L2 และ L1. ซึ่งจะสร้างความซ้ำซ้อนที่ทำให้สามารถประมาณข้อผิดพลาดของไอโอโนสเฟียร์และให้ความแม่นยำในโหมดสัมบูรณ์ที่คล้ายกับที่สามารถทำได้ด้วยเทคนิคเชิงต่างกัน สัญญาณบนความถี่ L1 จะยังคงเหมือนเดิม ดังนั้นเครื่องรับปัจจุบันจะยังคงใช้งานได้.

ส่วนควบคุมจะได้รับการปรับปรุงด้วยการเริ่มต้นระบบควบคุมใหม่ ซึ่งปัจจุบันอยู่ในขั้นตอนการออกแบบ สำหรับสถานีผู้เชี่ยวชาญ ซึ่งจะรวมถึงสถานีตรวจสอบทั้งหมด 20 แห่ง ส่งผลให้มีการควบคุม ephemeris และนาฬิกาดาวเทียมที่แม่นยำยิ่งขึ้น.

อย่างไรก็ตาม ระบบนำทาง GPS, GLONASS และ GPS/GLONASS ในปัจจุบันไม่สามารถตอบสนองมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวดที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันพลเรือนบางอย่าง เช่น การนำทางทางอากาศ การแจ้งเตือนข้อผิดพลาดแก่ผู้ใช้เกี่ยวกับการทำงานของระบบอาจใช้เวลาตั้งแต่หนึ่งวินาที เมื่อข้อผิดพลาดเกิดขึ้นในดาวเทียม จนถึงหลายชั่วโมง ในกรณีที่ส่วนควบคุมตรวจพบความล้มเหลว.

เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องเหล่านี้ ยุโรปกำลังพัฒนา อีจีเอ็นโอเอส (บริการเสริมการนำทางแบบค้างฟ้าของยุโรป) ซึ่งจะเริ่มใช้งานในปี 2003 ระบบนี้จะตอบสนองมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับการนำทางทางอากาศโดยการติดตั้งเครือข่ายเสาอากาศรับสัญญาณคงที่ 34 ตัว (RIMS) บนพื้นดินเพื่อรับสัญญาณ GPS และลดข้อผิดพลาดในการระบุตำแหน่ง สัญญาณเหล่านี้จะถูกส่งไปยังศูนย์ควบคุมที่ข้อมูลดาวเทียมจะถูกปรับเทียบ วัดข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นเพื่อแก้ไข และส่งกลับไปยังสถานีภาคพื้นดิน 10 แห่ง นอกจากนี้ สัญญาณเหล่านี้จะถูกส่งไปยังดาวเทียม INMARSAT ใหม่สองดวงที่อยู่ในวงโคจรค้างฟ้าที่ระดับความสูง 35,000 กม. ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นเครื่องทวนสัญญาณและส่งสัญญาณไปยังผู้ใช้ ทั้งสหรัฐอเมริกา (WAAS: ระบบเสริมพื้นที่กว้าง) และญี่ปุ่น (เอ็มทีเอสเอเอส: ระบบเสริมสัญญาณดาวเทียม MTSAT) กำลังทำงานในบริการที่คล้ายกัน.

ยุโรปจะเปิดตัว GNSS-1, which stands for “Global Navigation Satellite System 1.” This system will combine the services of GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS, and MTSAS. This will be the first step toward a European positioning system (GNSS-2 or Galileo) that will use a constellation of European satellites.

สุดท้ายนี้ ควรสังเกตว่าในอีกห้าปีข้างหน้า GPS และ GPS/GLONASS จะเป็นระบบระบุตำแหน่งเดียวที่อิงจากดาวเทียมที่จะใช้งานได้.

สรุปแล้ว

การบรรลุความแม่นยำในระดับสูงต้องการการตระหนักถึงแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดในการวัด GPS NOAA GPS Toolbox เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับนักวิจัยและวิศวกรที่ทำงานกับเทคโนโลยี GPS เนื่องจากมีซอฟต์แวร์และทรัพยากรที่มีประโยชน์เพื่อช่วยลดความไม่ถูกต้องเหล่านี้.