เทคโนโลยีดาวเทียมระบุพิกัดจากแดนมังกร

บทนำ

ปัจจุบันการประยุกต์ใช้งานด้านเทคโนโลยีอวกาศมีการแข่งขันกันอย่างมากในกลุ่มประเทศมหาอำนาจที่มีระบบเศรษฐกิจที่แข็งแกร่ง นับตั้งแต่ในช่วงยุคสงครามเย็น ประเทศกลุ่มสหภาพโซเวียต (Soviets Union) ได้ออกแบบระบบดาวเทียมระบุพิกัดระบบแรกของโลกที่มีชื่อว่าชื่อ GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistemaหรือ GLONASS ขึ้นในปี 1976, เพื่อใช้ในกิจการทางการทหารโดยเฉพาะแต่สืบเนื่องจากการล่มสลายของสหภาพโซเวียตในปี 1991 ทำให้ GLONASS ไม่ได้รับการพัฒนาเท่าที่ควร ทำให้พื้นที่ในการรับสัญญาณไม่สามารถครอบคลุมทั่วโลก ต่อมาในปี 1978 สหรัฐอเมริกาได้ส่งระบบดาวเทียมระบุพิกัดขึ้นสู่อวกาศเช่นกัน เพื่อการถ่วงดุลอำนาจระหว่างสหภาพโซเวียตหรือประเทศรัสเซียในปัจจุบัน เนื่องด้วยระบบเศรษฐกิจที่แข็งแกร่งกว่าในขณะนั้น ทำให้การวิจัยและพัฒนาระบบดาวเทียมนำร่องเป็นไปอย่างต่อเนื่อง เป็นสาเหตุให้มีจำนวนดาวเทียมเพียงพอที่จะปล่อยสัญญาณครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลกเป็นระบบแรกภายใต้ชื่อ Global Satellite System หรือ GPS นั่นเอง ซึ่งปัจจุบันนับว่าระบบจีพีเอสมีความแม่นยำสูงที่สุดและครอบคลุมพื้นที่มากที่สุดเมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ ต่อมาในปี 2002ประเทศสมาชิกกลุ่มสหภาพยุโรป (European Union) หรือ EU ได้ลงนามความร่วมมือในการพัฒนาระบบดาวเทียมในลักษณะเดียวกันที่มีชื่อว่า “GALILEO” แต่ระบบนี้ถูกออกแบบขึ้นเพื่อรองรับการใช้งานในเขตพื้นที่สหภาพยุโรปเท่านั้น

ส่วนทางด้านประเทศยักษ์ใหญ่ในทวีปเอเชีย “สาธารณรัฐประชาชนจีน” กำลังเป็นที่จับตามองกันทั่วโลกทั้ง ด้านระบบเศรษฐกิจ เทคโนโลยีอวกาศ อาวุธยุทโธปกรณ์ที่พัฒนาอย่างรวดเร็ว “BeiDou(北斗) Navigation Satellite System” ซึ่งอ่านว่า “เป่ยโต่ว” ดาวเทียมระบุพิกัดสายเลือดมังกร ที่จะพร้อมให้บริการครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลกเช่นเดียวกับจีพีเอสเป็นระบบที่สองของโลก ภายในปี 2020 ซึ่งในฐานะที่ไทยเป็นประเทศหนึ่งในทวีปเอเชียและยังสามารถรับสัญญาณได้โดยรูปที่ 1. แสดงถึงตราสัญลักษณ์ของระบบดาวเทียมนำร่องหลักทั้งสี่ระบบ ในที่นี้เรามาลองศึกษาข้อมูลเบื้องต้นที่เกี่ยวกับการออกแบบของระบบดาวเทียมระบุพิกัดเป่ยโต่วในบทความนี้

 

 

รูปที่ 1. Official-logo ของที่ 4 ระบบดาวเทียมนำร่องหลักของโลก

 

การพัฒนาระบบดาวเทียมระบุพิกัดเป่ยโต่ว

จีนได้วางแผนการพัฒนาระบบดาวเทียมระบุพิกัดเป่ยโต่วไว้ 3 ช่วงหลักด้วยกันนับตั้งแต่ ปี 1994, โดยในช่วงแรกจีนวิจัยและพัฒนาตัวโครงสร้างดาวเทียมเป่ยโต่วเป็นหลัก และวางแผนส่งดาวเทียมทั้งหมดใน 3 ระบบวงโคจรคือ 1.Geostationary Earth’s Orbit (GEO) 2.Inclined Geosynchronous Earth’s Orbit (IGSO)และ3. Medium Earth’s Orbit (MEO)ภายหลังจากการทดสอบประสิทธิภาพและสัญญาณ 6 ปี เป็นที่เรียบร้อยจีนจึงส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2000 ซึ่งขณะนั้นมีเพียงดาวเทียมเป่ยโต่วในระบบวงโคจรแบบ GEO เพียง 4ดวงเท่านั้น ในระยะแรกนี้ดาวเทียมเป่ยโต่วสา-มารถให้บริการครอบคลุมพื้นที่เพียงประเทศของตนเท่านั้นซึ่งวิวัฒนาการและแผนการของระบบนี้จะแสดงในรูปที่ 2. แต่ทว่าฟังก์ชั่นที่แตกต่างไปจากระบบดาวเทียมจีพีเอส คือ เป่ยโต่วสามารถให้บริการส่งข้อความสั้นได้ถึง 200 ตัวอักษรนอกเหนือจากการระบุพิกัดเพื่อใช้ประโยชน์ในการเดินเรือส่วนในระยะที่สอง ตั้งแต่ปี 2012-2020 จีนวางแผนส่งดาวเทียมเป่ยโต่วในหลายระบบวงโคจรประกอบด้วยระบบ GEO เพิ่มเติมอีก 5 ดวง, IGSO 5 ดวง และ MEO อีก 4 ดวง แต่ตามแผนการแล้วขณะนี้ดาวเทียมเป่ยโต่วยังติดตั้งบนวงโคจรไม่ครบทั้งหมด แต่สามารถให้บริการครอบคลุมพื้นที่ประเทศแถบเอเชียแปรซิฟิกรวมถึงประเทศไทย ซึ่งในอนาคตหลังจากปี 2020 จีนจะมีจำนวนดาวเทียมเป่ยโต่วในระบบรวมทั้งสิ้น 35 ดวง สลับผลัดเปลี่ยนตามอายุการใช้งานและภารกิจ โดยระบบนี้จะประกอบไปด้วย MEO 27 ดวง, GEO 5 ดวง และ IGSO 3 ดวง ทั้งหมดจะสามารถให้บริการสัญญาณได้ครอบคลุมทั่วโลกเป็นนับว่าเป็นระบบดาวเทียมระบุพิกัดระบบที่สองต่อจากระบบดาวเทียมจีพีเอส

(a)BeiDou Navigation satellites System

(b) Launch vehicle state for BeiDou

(c)Chinese-Aerospace Engineering

รูปที่ 2.  ระบบโดยรวมของดาวเทียมนำร่องเป่ยโต่ว[1]

 

ข้อมูลทางด้านเทคนิคสนับสนุน

                ระบบพื้นฐานที่สำคัญในการสนับสนุนการทำงานของระบบดาวเทียมระบุพิกัดทุกระบบคือ 1.ระบบฐานเวลาอ้างอิง(Time reference System) และ 2.ระบบพิกัดอ้างอิง(Coordinate reference System)โดยแต่ละระบบดาวเทียมระบุพิกัดจะมีระบบอ้างอิงที่แตกต่างกัน เนื่องจากเหตุผลทางความมั่นคงของแต่ละประเทศ

1. ระบบฐานเวลาอ้างอิง : ดาวเทียมเป่ยโต่วใช้ระบบเวลาที่อ้างอิงขึ้นเองชื่อว่า “BeiDou Time (BDT)” มีจุดเริ่ม ณ 00:00 ของ วันที่ 1 มกราคม ค.ศ. 2006 ซึ่งประสานเวลากับระบบมาตรฐานเวลาแบบ UTC ที่ 100 นาโนวินาที
2. ระบบพิกัดอ้างอิง : จีนก็ได้พัฒนาระบบพิกัดอ้างอิงของตนเองเช่นกันที่มีชื่อว่า “China Geodetic Coordinate System 2000” หรือ CGCS2000 โดยกำหนดลักษณะเฉพาะไว้ดังนี้

• จุดกำเนิดของแกน ให้อยู่ที่จุดศูนย์กลางน้ำหนักของโลก
• แกน Z ชี้ไปที่ International Earth’s Rotation Service (IERS)หรือ ณ ตำแหน่ง North-Reference-Pole
• แกน X ทำมุม 90 องศากับ แกน Z และชี้ไป ยัง IERS-reference ณ ตำแหน่ง Prime-meridian
• แกน Y ทำมุมตั้งฉาก (Orthogonal) กับแกน X และ Z ตามกฎมือขวา

เนื่องจาก CGCS2000 กำหนดให้สัณฐานโลกมีลักษณะแบบ ellipsoid โดยจะหมุนรอบแกน Z อ้างอิงซึ่งจำเป็นต้องมีการกำหนดพารามิเตอร์ ดังนี้

• Semi-major axis: a = 6378137.0 meter
• Geocentric gravitational constant(GM) : = 398600.4418×10⁹m³/s² (โดยรวมผลของ Earth’ Atmosphere ไว้แล้ว)
• Flattening:f = 1/2987222101
• Rate of earth rotation : = 7.2921150×10^-5rad/s

คุณลักษณะของสัญญาณวิทยุจากดาวเทียมเป่ยโต่ว

สัญญาณวิทยุที่แพร่มาจากดาวเทียมเป่ยโต่วในต่างละดวงจะถูกเข้ารหัสจากสองช่องสัญญาณคือ I และ Q ก่อนแพร่สู่อุปกรณ์รับสัญญาณบนพื้นโลกโดยมีข้อมูลที่สำคัญประกอบไปด้วยranging-code, navigation massage และ carrier frequency มีชื่อว่าสัญญาณเข้ารหัสแบบ“B1” ซึ่งเป็นช่องสัญญาณระบบพลเรือนมีลักษณะดังนี้

ความหมายของตัวแปร

j = satellite number

A_c= Amplitude ranging code in channel I of carrier B1

A_p= Amplitude ranging code in channel Q of carrier B1

C = ranging code of channel I

P = ranging code of channel Q

D_c= data modulation of channel I

D_p= data modulation of channel Q

f = carrier frequency of B1

= initial phase of channel I of carrier B1

= initial phase of channel Q of carrier B1

ซึ่งคุณลักษณะของสัญญาณวิทยุจากดาวเทียวนำร่องเป่ยโต่วสามารถสรุปได้จากตารางที่ 1.

Carrier frequency	1561.098 MHz
Modulation technique	Quadrature Phase Shift Keying(QPSK)
Ranging code rate	Channel I: 2.046 Mcps
Ranging code length	Channel I: 2046 chips
Data rate	Channel I of GEO satellites: 500 bps,Channel I of MEO/IGSO satellites: 50 bps Secondary code rate: 1 Kbps
Access mode	Code Division Multiple Access(CDMA)
Polarization	Right-Handed Circular Polarization(RHCP)

References

[1]. http://news.sina.com.cn/o/2016-03-18/doc-ifxqnnkr9504765.shtml
[2].http://www.beidouht.com/home.asp
[3].http://www.navchina.com/
[4] “BeiDou Navigation Satellite SystemSignal In Space” technical report, China Navigation Satellite office, December 2011