ARTICLE

รู้จักการทำงานของ GPS ในนาฬิกาสำหรับออกกำลังกาย ตอนที่ 1

สำหรับหลายคนที่ใช้ Wearable Device ไม่ว่าจะเป็น Polar, Apple Watch หรืออีกหลายแบรนด์ นะครับ เกือบทุกยี่ห้อจะมีระบบในการติดตามตำแหน่งด้วยดาวเทียม

ซึ่งบางครั้งเราอาจจะเรียกว่า ระบบจีพีเอส นั่นเอง และหลายครั้ง ตามบล็อกต่างๆ มักชอบมีการรีวิว ถึงความแม่นยำของจีพีเอส หรือ ระบบบอกตำแหน่ง วันนี้ทางเวบไซต์ของวีณาสปอร์ต จึงขอนำความรู้เรื่อง การระบุตำแหน่งจากดาวเทียม มาย่อยให้คุณ ได้อ่านกันนะครับ

ในปัจจุบัน ระบบระบุตำแหน่งจากดาวเทียมนั้น มีหลายค่ายให้เราได้เลือกใช้กันนะครับ ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตนาฬิกาว่าจะเลือกใช้ระบบอะไร แต่โดยทั่วไปนั้นบนโลกนี้เราจะมีระบบใหญ่ๆ กันทั้งหมด 4 ระบบ

1)     GPS: Global Position Service :GPS เป็นระบบระบุตำแหน่งจากดาวเทียมที่มีความแม่นยำ และใช้กันอย่างแพร่หลายจากประเทศสหรัฐอเมริกา ประกอบด้วยดาวเทียมจำนวน 31 ดวง

2)     GLONASS เป็นระบระบุตำแหน่งจากดาวเทียม จากค่ายรัสเซีย มาทีหลังจาก GPS ใช้ดาวเทียมในการระบุตำแหน่งในระบบทั้งหมด 24 ดวง

3)     Galileo (EU) เป็นโปรเจคต์ในการระบุตำแหน่งจากดาวเทียม ที่ถูกพัฒนาขึ้นจากกลุ่มประเทศ EU ซึ่งตั้งเป้าจะต้องมีดาวเทียมในระบบทั้งสิ้น 24 ดวง ภายในปี 2020 แต่ปัจจุบันมีจำนวนดาวเทียมในระบบ ทั้งหมด 18 ดวง และกำลังพัฒนา

4)     BeiDou ระบบระบุตำแหน่งจากดาวเทียมจากค่ายประเทศจีน มีดาวเทียมทั้งหมดในระบบคือ 35 ดวง แต่ในปัจจุบันนี้มีดาวเทียมทั้งสิ้น 23 ดวง และกำลังอยู่ในช่วงการพัฒนา

สำหรับเทคนิคในการะระบุตำแหน่ง หรือ พิกัดจากดาวเทียมนั้น ส่วนใหญ่เราจะใช้การรับสัญญาณจากดาวเทียม ที่อยู่ในตำแหน่งต่างๆแล้วใช้เทคนิค Tri-angulation ในการคำนวณหาตำแหน่ง ยกตัวอย่างเช่น GPS จะใช้ตำแหน่งจากดาวเทียมทั้งสิ้น 4 ดวง มากหรือน้อย ก็จะมีผลต่อความแม่นยำ นั่นเองครับ โดยระบบการระบุตำแหน่งจากดาวเทียมเกือบทุกระบบมีระบบการทำงานที่สามารถเขียนคร่าวๆเป็นขั้นตอนได้ดังนี้

  1. รับตำแหน่งจากดาวเทียม ตำแหน่งต่างๆจากดาวเทียม นั้นจะประกอบด้วย ตำแหน่งของ ละติจูด ลองติจูด ที่เป็นระบบโคออดิเนต (นึกถึงตำแหน่งบนแกน X,Y,Z เวลาทำกราฟ)

ซึ่งความแม่นยำก็จะมีช่วงระหว่าง 1 มิลลิเมตร ถึง 20 เมตร ตามข้อมูลที่เรารับตำแหน่งได้จากดาวเทียมในแต่ละดวง โดยนำข้อมูลมาคำนวณแบบ TriAngulation เพื่อหาความสัมพันธ์กัน

  1. เวลาจริง ดาวเทียมแต่ละดาวง จะมีเวลาที่แตกต่างกัน ตาม โคออดิเนต UTC โดยจะมีความแม่นยำอยู่ระหว่าง 5 – 60นาโนวินาที
  2. จากนั้นก็จะสามารถคำนวณตำแหน่งและความเร็วจาก ตำแหน่ง และระยะเวลาที่ได้รับจาก ระบบ นั่นเอง

ภาพตัวอย่างแสดงการทำงานของการระบุตแหน่งจากดาวเทียม

ถึงตรงนี้ สิ่งที่เป็นข้อผิดพลาดของการระบุตำแหน่งของดาวเทียม เองนั่นก็คือ พิกัด และระยะเวลา ที่จะมีช่วงของความผิดพลาดอยู่ แล้ว ในจุดหนึ่งนั่นเอง

ต่อมาเรามาดูเรื่องหลังการในการคำนวณตำแหน่งกันดีกว่า ตัวอย่างที่เห็นได้ชัด จะขอยกตัวอย่างในกรณีที่เกิดฟ้าผ่าขึ้นนะครับ เราก็จะเห็นฟ้าผ่าก่อนที่จะได้ยินเสียง เพราะเสียงจะเดินทางช้ากว่า แสงดังนั้น หลักการนี้เราจึงจะสามารถคำนวณ ระยะเวลาในการเดินทางของเสียงได้ จากระยะเวลาที่เห็นแสง จนถึงเวลาที่ได้ยินเสียง นั่นเอง

จากหลักการนี้เราก็นำมาประยุกต์ใช้ในการระบุตำแหน่งจากดาวเทียม ได้ เนื่องจากดาวเทียมทุกดวงนั้น จะทำงานบน เวลาเดียวกัน UTC ดังนั้น เมื่อสัญญาณดาวเทียมแต่ละดวงส่งมายังเครื่องรับ ก็จะมี Time Code เดียวกัน แต่ระยะเวลาที่สัญญาณเดินทางมาถึงเครื่องรับอาจจะแตกต่างกัน ความแรงของสัญญาณก็เช่นเดียวกัน ดังนั้น เมื่อเราเอาเวลาที่สัญญาณเดินทางของดาวเทียมทั้งสามดวงมาคำนวณ เราก็จะสามารถระบุตำแหน่งของเราได้ ตามตัวอย่างดังภาพ

จากภาพเราจะเห็นได้ว่า สัญญาณที่ส่งออกจากตำแหน่งที่ 1 และ 2 นั้นเป็นสัญญาณที่ส่งออกไปในเวลาเดียวกัน แต่การรับสัญญาณ เราจะรับสัญญาณในตำแหน่งที่ 2 ได้ก่อนตำแหน่งที่ 1 เราจึงสามารถคำนวณระยะห่างระหว่างตำแหน่งที่ 1 และตำแหน่งที่สอง ได้ นั่นเอง สำหรับ จีพีเอส นั้น เราจะใช้ดาวเทียมอย่างน้อย 4 ดวง เพื่อจะคำนวณตำแหน่งแบบ 3D นั่นก็คือ ละติจูด Latitude ลองติจูด Longtitude และ ความสูง Altitude

สิ่งหนึ่งที่ต้องให้ความสำคัญสำหรับการรับสัญญาณในการระบุตำแหน่งจากดาวเทียม นั่นก็คือ ระดับความแรงของสัญญาณด้วยเช่นกัน โดยปกติแล้ว ช่วงความแรงของสัญญาณดาวเทียมนั้น GPS จะมีช่วงความแรงของสัญญาณระหว่าง -160 ถึง -120 dBm ในขณะเดียวกันคลื่นของโทรศัพท์เคลื่อนที่แบบ 4G LTE จะมีช่วงของสัญญาณอยู่ระหว่าง -70 ถึง -120 dBm ดังนั้นจะเห็นได้ว่า ระบบการระบุตำแหน่งด้วยดาวเทียมนั้น จะมีการถูกรบกวนสัญญาณได้ง่าย มาก ดังนั้น เมื่อสัญญาณถูกรบกวนจากสิ่งแวดล้อม และการบดบัง ได้ง่าย ก็จะส่งผลต่อ ความแม่นยำเช่นเดียวกัน

เรามาดูตัวแปรที่ทำให้เกิดความผิดพลาดในการคำนวณตำแหน่งกันนะครับ ว่าจะมีจากอะไรได้บ้าง

การสูญาหายระหว่างที่สัญญาณเดินทางมา

  1. การถูกสะท้อนกลับ สิ่งนี้เราจะเจอได้บ่อยมาก สำหรับ ถ้าใครใช้ GPS ในเมืองใหญ่ที่เต็มไปด้วยตึกสูง ต้นไม้ใหญ่ หรือสิ่งปลูกสร้างเหล่านี้ก็จะเปรียบเสมือน ตัวที่สะท้อน หรือ บล็อก ไม่ให้สัญญาณผ่านลงมาได้
  2. ชั้นบรรยากาศ ชั้นบรรยากาศก็มีผลต่อการเดินทางของสัญญาณดาวเทียมครับ ในระดับ ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ (60-1000กิโลเมตร) สัญญาณก็จะเกิดการเดินทางได้ช้าลง หรือ มีการเปลี่ยนแปลงได้ ส่วนชั้น โทรโปสเฟียร์ (0-15 กิโลเมตร) ก็จะมีเรื่องของความชื้น และอุณหภูมิ รวมทั้งเมฆ ที่จะมาบดบัง หรือกวนสัญญาณได้ นั่นเอง
  3. ดาวเทียม สำหรับดาวเทียมนั้น ก็สามารถเกิดความผิดพลาดได้ เช่น การเกิดความผิดพลาดของเวลา Time Error หรือ ตำแหน่งของดาวเทียม Position Error

เส้นสีเขียวคือตำแหน่งสัญญาณผ่านได้ ส่วนเส้นสีแดงคือสัญญาณถูกบล็อกหรือสะท้อน สำหรับคนที่วิ่งในเมืองหลวง ก็จะประสบกับปัญาหาดังกล่าว

  1. ความผิดพลาดอื่นๆ
  2. ความผิดพลาดจากเครือข่ายของดาวเทียม Sattlelite Constellation ซึ่งปกติแล้ว ดาวเทียมที่ใช้บอกตำแหน่งนั้นจะเป็นพวกวงโคจรต่ำ Low Earth Orbit: LEO ซึ่งดาวเทียม จะมีการเคลื่อนที่ตลอด ดังนั้น การที่จะรักษาตำแหน่งของดาวเทียม Geometric Position นั้นจะยุ่งยากกว่าดาวเทียมที่มีวงโคจรค้างฟ้า (ดาวเทียม ถ่ายทอดสัญญาณ TV)
  3. คุณภาพของการรับสัญญาณของสายอากาศ สายอากาศที่มีคุณภาพดี ย่อมรับสัญญาณได้ดีกว่าแน่นอน

ถ้าเราทราบสาเหตุแบบนี้ แล้ว คงจะทำให้เราเข้าใจแล้วว่า การระบุตำแหน่งด้วยดาวเทียม ตอนต่อไปเราจะมาลงลึกเกี่ยวกับข้อมูลต่างๆ ที่ได้จากจีพีเอส แล้วเราจะเลือกข้อมูลอย่างไรกับการออกกำลังกาย หรือเล่นกีฬาของเรา