การกำหนดตำแหน่งของ GPS จากดาวเทียม
เครื่องรับ GPS จะรับสัญญาณคลื่นวิทยุจากดาวเทียมและสร้างรหัส C/A ขึ้นมา เปรียบเทียบกับรหัสที่ถอดได้จากสัญญาณ
เมื่อเปรียบเทียบได้รหัสที่ตรงกันจะทำให้รู้เวลาที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดิน ทางจากดาวเทียมมายังเครื่องรับ
เมื่อนำความเร็วของคลื่นวิทยุคูณด้วยเวลาจะได้ระยะทางระหว่างดาวเทียมซึ่งใน เครื่องรับแบบนำหน เรียกว่า ซูโดเรนจ์ (Pseudorange) เครื่องรับแบบรังวัดรับข้อมูลแบบ Carrier Phase

วิธีการหาพิกัดตำแหน่งโดยใช้ระบบ GPS

1) เครื่องรับแบบนำหน
เครื่องรับแบบนำหน (Navigation Receiver) รับสัญญาณที่เป็นคลื่น วิทยุจากดาวเทียม ในขณะเดียวกันก็สร้างรหัส C/A ขึ้นมาเปรียบเทียบกับรหัสที่ถอดได้จากสัญญาณ เมื่อเปรียบเทียบได้รหัสที่ตรงกัน จะทำให้รู้เวลาที่คลื่นวิทยุใช้ในการเดินทางจากดาวเทียมมายังเครื่องรับ ซึ่งเมื่อเอาความเร็วของคลื่นวิทยุคูณเข้าไปก็จะได้ระยะทางระหว่างดาวเทียม กับเครื่องรับที่เรียกว่า ซูโดเรนจ์ (Pseudorange) ในการหาตำแหน่งแบบสามมิติจะต้องวัดระยะทางไปยังดาวเทียมพร้อมกัน 4 ดวง ในกรณีที่มีดาวเทียมอยู่ในท้องฟ้ามากกว่า 4 ดวง เครื่องรับจะเลือกดาวเทียม 4 ดวง ที่มีรูปลักษณ์เชิงเรขาคณิตที่ดีที่สุด หรือมีค่า PDOP ต่ำที่สุดมาใช้ในการคำนวณตำแหน่งของเครื่องรับ

– การหาตำแหน่งแบบสมบูรณ์ (Absolute Positioning Method)
การหาตำแหน่งของจุดเดี่ยวเป็นการหาตำแหน่งสัมบูรณ์ของจุดที่นำเครื่องไปวาง วิธีนี้ต้องการเครื่องรับแบบนำหนเพียงเครื่องเดียว นำเครื่องรับไปวางที่จุดต้องการหาตำแหน่ง เมื่อเครื่องรับสามารถรับสัญญาณได้ครบ 4 ดวง ก็แสดงค่าพิกัดตำแหน่งได้ในทันที
ความถูกต้องของการหาตำแหน่งจุดเดี่ยวโดยใช้รหัส C/A อยู่ในเกณฑ์ประมาณ +10 ถึง 25 เมตร ซึ่งมักคลาดเคลื่อนของตำแหน่งค่อนข้างมาก
– การหาตำแหน่งแบบ สัมพัทธ์ (Relative Positioning)
การหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์ (Relative Positioning) หรือ Differential Positioning เป็นวิธีการหาตำแหน่งเปรียบเทียบกันระหว่างจุดสองจุด วัตถุประสงค์ของการหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์ คือ ต้องการให้ความถูกต้องของตำแหน่งเครื่องรับดีขึ้นกว่าการหาตำแหน่งของจุด เดียว ในการทำงานโดยใช้วิธีการหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์นี้ ถ้าเริ่มต้นจากหมุดหลักฐานที่มีค่าพิกัดตำแหน่งสัมบูรณ์อยู่       จุดอื่นๆ ที่สร้างขึ้นมาใหม่โดยวิธีทำงานแบบสัมพัทธ์จะมีค่าพิกัดตำแหน่งสัมบูรณ์ได้ เช่นกัน
การหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์นี้ต้องใช้เครื่องรับแบบนำหนตั้งแต่สองเครื่องขึ้น ไป      เครื่องรับอันหนึ่งจะวางรับสัญญาณที่หมุดหลักฐานซึ่งรู้หรือถือว่ารู้ ตำแหน่งแล้ว หมุดหลักฐานนี้เรียกว่าสถานีฐาน (Base station) เครื่องรับอื่นที่เหลือนำไปวางตามจุดที่ต้องการหาตำแหน่งเปรียบเทียบกับ สถานีฐานจุดเหล่านี้เรียกว่า จุดรีโมท หลักการทำงานของการหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์ คือ เครื่องรับที่สถานีฐานและที่จุดรีโมทจะต้องรังวัดไปยังดาวเทียมกลุ่มเดียว กันและที่ขณะเวลาเดียวกัน ที่สถานีฐาน เครื่อง GPS จะทำหน้าที่เหมือนจุดอ้างอิง สามารถใช้ค่าปรับแก้ของเครื่องนี้กับเครื่องอื่นที่อยู่ในบริเวณเดียวกัน และสามารถนำไปใช้เป็นค่าแก้สำหรับคำนวณตำแหน่งอื่นได้    เช่นเดียวกัน
การหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์โดยใช้เครื่องรับแบบนำหนสามารถจะรู้ตำแหน่งที่ถูก ต้องของจุดรีโมทได้ในทันที ถ้าหากคลื่นวิทยุสื่อสารกันได้ระหว่างสถานีฐานกับจุดรีโมท โดยที่สถานีฐานจะส่งค่าตรวจแก้ทางตำแหน่ง หรือค่าตรวจแก้ของซูโดเรนจ์ ที่คำนวณได้ไปให้จุดรีโมท เพื่อใช้ปรับแก้ค่าที่วัดได้ให้ถูกต้อง
โดยเหตุที่ความคลาดเคลื่อนมีระบบ (Systematic Error) เช่น ความคลาดเคลื่อน      วงโคจร ความคลาดเคลื่อนในชั้นบรรยากาศ ความคลาดเคลื่อนนาฬิกาเครื่องรับ เป็นต้น มีผลต่อซูโดเรนจ์ และการคำนวณตำแหน่ง ในลักษณะที่คล้ายกันและมีขนาดเท่าๆ กัน เมื่อคำนวณค่าต่างของตำแหน่งทั้งสอง ความคลาดเคลื่อนมีระบบเหล่านี้จึงหักล้างกันไปจนเกือบหมด ความถูกต้องของการหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์นี้อยู่ในเกณฑ์ 2 ถึง 5 เมตร

2) เครื่องรับแบบรังวัด การทำงานของเครื่องรับแบบรังวัดมีหลักการสำคัญ 3 ประการ คือ ประการแรก การใช้คลื่นส่งวัดระยะแทนการใช้รหัส C/A วัดระยะ ทำให้การวัดระยะมีความถูกต้องมากขึ้นเป็นพันเท่า ประการที่สอง คือ การใช้วิธีการวัดแบบสัมพัทธ์เป็นวิธีการขจัดความคลาดเคลื่อนแบบมีระบบ (Systematic Errors) ที่อยู่ในข้อมูลหรือที่เกิดขึ้นในการวัดระยะทางให้หมดไปหรือลดน้อยลงได้ ด้วยเหตุนี้ ความคลาดเคลื่อนทางตำแหน่งจึงลดลง ประการที่สาม การวัดระยะด้วยคลื่นส่ง เครื่องรับสัญญาณวัดระยะระหว่างเครื่องรับกับดาวเทียมได้เพียงบางส่วนเท่า นั้น จำเป็นต้องอาศัยการประมวลผลช่วยหาระยะที่ขาดหายไป

ข้อเท็จจริงคือเมื่อแรกรับสัญญาณดาวเทียมได้ การวัดระยะด้วยคลื่นส่ง เป็นการสร้างคลื่นที่มีความถี่ใกล้เคียงกับของคลื่นส่งดาวเทียมมาเปรียบ เทียบ ดังนั้น สิ่งที่ได้จากการวัด คือ ค่าต่างเฟสของคลื่นทั้งสอง หรืออีกนัยหนึ่งจะรู้เพียงส่วนย่อยของคลื่นส่งเท่านั้น จำนวนเต็มรอบของคลื่นส่งที่อยู่ระหว่างเครื่องรับกับดาวเทียมไม่สามารถวัด ได้ ดังนั้นหลักการที่สำคัญของการหาตำแหน่งด้วยเครื่องรับแบบรังวัดคือ ต้องมีข้อมูลเพียงพอที่จะประมวลผลหาว่าจำนวนคลื่นเต็มรอบนี้เป็นเท่าไร จึงจะได้ระยะทางระหว่างเครื่องรับกับดาวเทียมที่ถูกต้อง และเมื่อนำไปคำนวณตำแหน่งเครื่องรับจึงจะได้ตำแหน่งที่มีความถูกต้อง
วิธีการทำงานคือ นำเครื่องรับแบบรังวัดไปวางที่หมุดที่ต้องการหาตำแหน่งเปรียบเทียบกันเป็น เวลาตั้งแต่ 30 นาทีขึ้นไป จากนั้นนำข้อมูลที่ได้จากการรับสัญญาณมาประมวลผลได้เป็น เส้นฐาน และนำข้อมูลดังกล่าว มาประมวลผลร่วมกับข้อมูลที่ได้จากการรังวัดตำแหน่งอื่นๆ ที่ต้องการทราบค่าเพื่อหาค่าพิกัดที่ถูกต้องของตำแหน่งนั้น การทำงานรังวัด แบ่งออกเป็น 5 วิธี คือ

2.1 การรังวัดแบบสถิต (Static Survey)
การรังวัดแบบสถิต เป็นวิธีพื้นฐานของการวัดระยะโดยใช้คลื่นส่ง เป็นการทำงานโดยใช้เครื่องรับตั้งแต่ 2 เครื่องขึ้นไป โดยที่มีเครื่องรับหนึ่งเครื่องไปวางอยู่ที่จุดที่รู้ตำแหน่งแล้ว ส่วนเครื่อง ที่เหลือวางไว้ที่จุดที่ต้องการหาตำแหน่งเพิ่มเติม โดยปกติเครื่องรับจะถูกวางไว้ไม่น้อยกว่าหนึ่งชั่วโมง ทั้งนี้ เพื่อให้มีข้อมูลของการวัดระยะที่เพียงพอจะประมวลผลหาจำนวนคลื่นเต็มรอบที่ ไม่สามารถวัดได้ โดยหลักการแล้ววิธีการนี้ใช้หาตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างจุดสองจุดที่อยู่ห่าง กันเป็นระยะพันๆ กิโลเมตรได้ แต่การใช้ซอฟต์แวร์เชิงพาณิชย์หรือ ซอฟต์แวร์ของโรงงานผลิตเครื่องรับนั้น ระยะห่างสูงสุดที่ให้ความถูกต้องได้ตามข้อกำหนดของเครื่องรับจะอยู่ประมาณ 20-30 กิโลเมตร เท่านั้น

2.2 การรังวัดแบบจลน์ (Kinematic Survey) การรังวัดแบบจลน์ พัฒนาขึ้นมาเพื่อให้สามารถหาตำแหน่งของจุดที่ต้องการได้เร็วขึ้น คือจะใช้เวลาในการรับข้อมูล ณ จุดที่ต้องการในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาที แต่วิธีการนี้ก็มีจุดด้อยคือ มีวิธีการเริ่มงาน (Initialization) ซึ่งเป็นวิธีการทำงานเพื่อให้สามารถประมวลผลหาจำนวนคลื่นเต็มรอบได้ หลังจากนี้ เครื่องรับจะต้องรับสัญญาณต่อเนื่องจากดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวงตลอดเวลา แม้กระทั่ง ในขณะที่กำลังเคลื่อนย้ายจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ถ้าหากรับสัญญาณดาวเทียมได้น้อยกว่า 4 ดวงเมื่อไร จะต้องทำขั้นตอนของวิธีการเริ่มงานใหม่อีกครั้งหนึ่ง แล้วจึงไปรังวัดที่จุดอื่นๆ ต่อไปได้อีก ในการรังวัดแบบจลน์นี้เครื่องรับเครื่องหนึ่งจะถูกวางไว้ที่จุดอ้างอิงที่ รู้ตำแหน่งแล้วตลอดเวลา เครื่องอื่นๆ เมื่อทำขั้นตอนวิธีการเริ่มงานแล้ว จึงนำไปวางตามจุดที่ต้องการหาตำแหน่ง

2.3 การรังวัดแบบกึ่งสถิต (Pseudostatic Survey) การ รังวัดแบบกึ่งสถิตเป็นทางเลือกที่อยู่ระหว่างการรังวัดแบบสถิตและการรังวัด แบบจลน์ การรังวัดแบบสถิตต้องใช้เวลาในการรังวัดแต่ละจุดนานเป็นชั่วโมง ส่วนการรังวัดจลน์มีข้อจำกัดที่ต้องล็อกสัญญาณดาวเทียมให้ได้อย่างน้อย 4 ดวง ตลอดเวลารวมทั้งในขณะที่กำลังเคลื่อนย้ายระหว่างจุดด้วย รวมทั้งมีวิธีการเริ่มงานที่ต้องกระทำเมื่อเริ่มต้นทำการรังวัดในแต่ละคาบทำ งาน

2.4 การรังวัดแบบสถิตอย่างเร็ว (Rapid Static Survey) การรังวัดแบบสถิตอย่างเร็ว มีวิธีการทำงานเหมือนกับการรังวัดแบบสถิตธรรมดา แต่ต้องการข้อมูลน้อยกว่า เพื่อนำมาประมวลผลหาจำนวนคลื่นเต็มรอบ ในการหาตำแหน่งของจุดที่อยู่ห่างจากจุดอ้างอิงไม่เกิน 5 กิโลเมตร จะใช้เวลาในการเก็บข้อมูลราว 10 นาที อัลกอริทึมที่ใช้ในการประมวลผลวิธีรังวัดสถิตอย่างเร็วจะแตกต่างจากวิธี รังวัดแบบสถิตธรรมดา ตามปกติจะใช้ได้สำหรับจุดที่อยู่ห่างจากจุดอ้างอิงไม่เกิน 15 กิโลเมตร

2.5 การรังวัดแบบจลน์ในทันที (Real Time Kinematic Survey) การรังวัดแบบจลน์ในทันที รู้จักกันในชื่อย่อว่า RTK เป็นวิธีการทำงานรังวัดแบบจลน์นั่นเอง แต่แสดงผลลัพธ์คือ ค่าพิกัดตำแหน่งได้ทันทีในสนาม โดยเหตุที่การทำงานยังเป็นการหาตำแหน่งแบบสัมพัทธ์ หมายความว่าข้อมูลจากทั้งสองจุดต้องนำมาประมวลผลร่วมกัน ดังนั้น จึงต้องใช้คลื่นวิทยุในการรับส่งข้อมูลระหว่างกัน เนื่องจากจุดอ้างอิงเป็นจุดรู้ตำแหน่งอยู่แล้ว ในการทำงานแบบ RTK นี้ จึงเป็นการส่งข้อมูลที่รับสัญญาณดาวเทียมได้ไปยังจุดที่ต้องการหาตำแหน่ง เครื่องรับ ที่จุดต้องการหาตำแหน่งจะรับข้อมูลแล้วนำไปประมวลผล แล้วแสดงค่าพิกัดได้อย่างรวดเร็วในทันที ระยะห่างระหว่างจุดที่ใช้ทำงานได้ไม่เกิน 15 กิโลเมตร นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับกำลังของคลื่นวิทยุที่ใช้ ในการรับส่งข้อมูลระหว่างกัน

Published on Jun 1, 2012
Contents of North Scania GNSS RTK receiver set, millimetric, with 220 channels, GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS, SBAS systems with L1, L2, L5, etc. frequencies, with internal UHF
northsurveying.com

อ้างอิง

เฉลิมชนม์  สถิระพจน์. แนวโน้มและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีทางด้าน GNSS ในปัจจุบัน (Recent Trends and Applications in GNSS Technology) ภาควิชาวิศวกรรมสำรวจ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 2546.
ชูเกียรติ  วิเชียรเจริญ. ความรู้เบื้องต้นการรังวัดเพื่อกำหนดตำแหน่งจากดาวเทียม GPS. เอกสารประกอบการบรรยายโครงการฝึกอบรมการสำรวจรังวัดดาวเทียม GPS. ภาควิชาวิศวกรรมสำรวจ  คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. 2546.
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H. & Collins, J. GPS Theory and Practice. 4th ed. Vienna New York: Springer-Verlag, 1998.