gps คืออะไร ทํางานอย่างไร

ในอดีตที่มนุษย์เรามีการเดินทางไปที่ต่างๆ เราก็มีความพยายามที่จะคิดหาวิธีสร้างเครื่องมือที่จะบอกได้ว่า เรากาลังอยู่ตำแหน่งใดของพื้นโลก เพื่อป้องกันการหลงทาง และให้สามารถกลับไปยังจุดเดิมได้อย่างถูกต้อง บางท่านอาจคิดว่าเป็นเรื่องธรรมชาติที่มนุษย์เราน่าจะมีเครื่องมือที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ที่กล่าวมาข้างต้นได้นานแล้ว แต่ในความเป็นจริงเราไม่เคยมีเครื่องมือที่ใช้บอกตำแหน่งและทิศทางที่สมบูรณ์เลย จนกระทั่งมีระบบ GPS ในการเดินเรือสมัยแรกๆ จะมีก็เพียงแต่การใช้ดวงดาวและเข็มทิศเท่านั้นที่สามารถบอกตำแหน่งและทิศทางได้ในระดับท้องถิ่นที่ไม่กว้างมากนัก วิวัฒนาการการบอกทางของมนุษย์เราในสมัยแรกเริ่มต้นด้วยวิธีสังเกตจากดวงดาว ซึ่งใช้การได้ดีเพราะดาวอยู่ห่างจากโลกของเรามาก เราจึงสามารถมองเห็นกลุ่มดาวจากที่ต่างๆ ในบริเวณกว้างได้ แต่การนาทางด้วยดวงดาวทาได้เฉพาะเวลากลางคืนเท่านั้น แถมยังต้องเป็นคืนที่ท้องฟ้าแจ่มใสอีกด้วย เมื่อเทคโนโลยีทันสมัยมากขึ้น ก็ได้มีการประดิษฐ์เข็มทิศ ขึ้นมาใช้งาน และเครื่องวัดระยะทางหาเส้นรุ้งและเส้นแวง (Sextant) ขึ้นมา หลักการมีอยู่ว่า เข็มทิศจะชี้ไปทางเหนือเสมอ ถึงแม้ว่าเราจะไม่รู้ตำแหน่งของตัวเราเอง แต่เราจะสามารถรู้ทิศทางที่กาลังเดินทางไปได้ ส่วนเครื่องวัดระยะทางหาเส้นรุ้งและเส้นแวงนั้น จะใช้หลักการวัดมุมระหว่างดวงดาวกับพื้นดิน ในยุคแรกๆ นั้นเครื่องมือนี้จะใช้ในการเดินเรือ สามารถบอกได้แต่เฉพาะเส้นรุ้ง (เส้นอ้างอิงตามแนวนอน) เท่านั้น ยังไม่สามารถบอกเส้นแวงได้

ต่อมาในศตวรรษที่ 17 ประเทศอังกฤษได้ตั้งกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่เรียกว่า Board of Longitude ขึ้นมา เพื่อทาการสร้างเครื่องมือที่จะหาเส้นแวง (เส้นอ้างอิงตามแนวตั้ง) ให้ได้ โดยประกาศให้รางวัล แก่ผู้ที่สามารถสร้างเครื่องมือที่คำนวณหาเส้นแวงได้ จนกระทั่งปี ค.ศ.1761 John Harrison ได้พัฒนาเครื่องมือที่ใช้หาเส้นแวงได้ มีชื่อเรียกว่า Chronometer จึงมีการใช้เครื่องมือ Sextant และ Chronometer ร่วมกันในการเดินทางอย่างแพร่หลายในเวลาต่อมา จนกระทั่งในสมัยต้นศตวรรษที่ 20 ระบบการส่งสัญญาณวิทยุได้ถูกพัฒนาเพื่อการใช้งานกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ในยุคนี้ เครื่องมือที่มนุษย์ได้สร้างขึ้นเพื่อการนาทางแบบใหม่ชื่อว่าระบบ LORAN ซึ่งใช้คลื่นวิทยุที่ได้ติดตั้งไว้ตามพื้นที่ส่วนต่างๆ ของโลก ทั้งเรือและเครื่องบินจะใช้ระบบการรับ-ส่งสัญญาณวิทยุจากสถานีภาคพื้นดินเป็นเครื่องช่วยนาทาง การส่งสัญญาณวิทยุนั้นจะสามารถส่งได้ทั้งในระบบความถี่สูงและความถี่ต่ำ แต่ข้อเสียก็คือ หากส่งสัญญาณในช่วงความถี่สูง จะสามารถรับ-ส่งข้อมูลได้อย่างถูกต้อง แต่จะครอบคลุมพื้นที่ได้จากัด ส่วนการรับ-ส่งสัญญาณในช่วงความถี่ต่ำ จะสามารถครอบคลุมพื้นที่ได้กว้างไกลกว่า แต่ความถูกต้องจะกลับต่ำลง ในศตวรรษที่ 20 ดาวเทียม   สปุตนิก (Sputnik) ของประเทศรัสเซียได้ถูกส่งออกสู่อวกาศ เมื่อวันที่ 4ตุลาคม ค.ศ.1957 ความสำเร็จของการส่งดาวเทียมขึ้นโคจรรอบโลกนี้ ทาให้เราเริ่มตระหนักว่าเราสามารถใช้ดาวเทียมในการนาทางได้เช่นเดียวกับดวงดาวบนท้องฟ้า นักวิจัยจากสถาบัน MIT ได้ติดตามวิถีการโคจรของดาวเทียมสปุตนิก และสังเกตพบว่าสัญญาณวิทยุจากดาวเทียมสปุตนิกจะสูงขึ้นเมื่อดาวเทียมโคจรเข้ามาใกล้ และต่ำลงเมื่อดาวเทียมโคจรห่างออกไป จากข้อสังเกตดังกล่าว ทาให้เราสามารถติดตามตำแหน่งของดาวเทียมในขณะโคจรรอบโลกได้จากภาคพื้นดิน ซึ่งหมายความว่า เราก็น่าจะสามารถติดตาม หรือระบุตำแหน่งของวัตถุใดๆ บนพื้นโลก โดยใช้สัญญาณวิทยุจากดาวเทียมได้ด้วยในทางกลับกัน ในเวลาต่อมา ประเทศสหรัฐอเมริกาก็ได้พัฒนาและส่งดาวเทียมนาร่องขึ้นสู่อวกาศด้วยเช่นกัน โดยในครั้งนี้ อเมริกาได้สร้างระบบบอกตำแหน่งขึ้นโดยเฉพาะ มีชื่อเรียกว่า “TRANSIT SYSTEM” หรือ “SATNAV” ระบบที่ว่านี้ ประกอบด้วยดาวเทียมจานวน 6 ดวง โคจรรอบโลกผ่านขั้วโลก ที่ความสูงประมาณ 1,100 กิโลเมตร รัฐบาลอเมริกาใช้ระบบ TRANSIT นี้ เพื่อหาตำแหน่งของเรือเดินสมุทรและเครื่องบิน และอนุญาตให้เอกชนบางรายใช้ในงานสำรวจเท่านั้น มิได้เปิดให้บุคคลทั่วไปใช้งาน ระบบนี้ถูกใช้งานกันได้ไม่นานนัก เนื่องจากการส่งสัญญาณช้าและมีความถูกต้องต่ำ

และด้วยข้อจากัดในการบอกตำแหน่งของทั้งสองระบบที่กล่าวมา คือ ระบบ LORAN สามารถบอกตำแหน่งได้จากัด คือในบริเวณที่มีการติดตั้งสถานีรับ-ส่งสัญญาณวิทยุเท่านั้น ไม่สามารถระบุตำแหน่งได้ครอบคลุมพื้นที่ทั้งโลก ส่วนระบบ TRANSIT นั้น สามารถบอกตำแหน่งครอบคลุมพื้นที่ได้กว้างกว่า แต่วงโคจรดาวเทียมของระบบอยู่ในระดับต่ำ และมีจานวนน้อยเกินไป และระบบนี้ใช้วิธีการวัดคลื่นแบบ Doppler หากมีการเคลื่อนไหวเครื่องรับสัญญาณเพียงเล็กน้อยก็จะเกิดความคลาดเคลื่อนในการบอกพิกัดตำแหน่งไปได้มาก ปัจจุบันได้ยกเลิกการใช้งานทั้งสองระบบที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว และได้เริ่มมีการพัฒนาระบบ GPS (Global Positioning System) เพื่อให้มีการบอกตำแหน่งได้อย่างแม่นยามากขึ้น ระบบ GPS ได้ถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งสามารถใช้งานได้เต็มรูปแบบด้วยดาวเทียม 24 ดวงในกลางปี 1990