วันนี้แอดมินจะพาเพื่อนๆไปรู้จักและทำความเข้าใจกับเรื่องราวของดาวเทียมกันอีกครั้ง
จะว่าไปแล้วมันเป็นเรื่องที่ใกล้ตัวกับเพื่อนๆเป็นอย่างยิ่ง หลายคนต้องรู้จักและใช้งาน GPS ในชีวิตประจำวัน เพื่อบอกตำแหน่งของตัวเองและนำทางไปยังจุดหมายบนพื้นโลก สำหรับบนดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT ก็เช่นกัน สัญญาณ GPS จะถูกใช้เพื่อระบุตำแหน่งของดาวเทียมขณะปฏิบัติภารกิจในอวกาศ ซึ่งดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT ที่วิศวกรไทยได้ร่วมพัฒนานั้นสามารถรู้ตำแหน่งได้แม่นยำมาก มีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 5 เมตร นอกจากบอกตำแหน่งแล้ว ข้อมูลสำคัญที่เราใช้จาก GPS คือเวลา ตำแหน่ง ความเร็ว และทิศทางในการเคลื่อนที่ของดาวเทียม ซึ่งนำไปใช้ในการประมวลผลต่อไปในระบบควบคุมดาวเทียม

แล้ว GPS ล่ะ มันคืออะไร?
GPS มีชื่อเต็มว่า Global Positioning System เป็นหนึ่งในระบบดาวเทียมระบุตำแหน่งทั่วโลก ด้วยคลื่นสัญญาณวิทยุ Radio-navigation system ซึ่งระบบการนำทางด้วยดาวเทียมนั้นเรียกโดยรวมว่า GNSS (Global Navigation Satellite System) เป็นกลุ่มดาวเทียมที่โคจรอยู่ในช่วงประมาณความสูง 20,000 กม.ขึ้นไปจากโลก ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่มวงโคจรระดับกลาง (Medium Earth Orbit)  หากเราจินตนาการว่า มีดาวเทียมยี่สิบกว่าดวงโคจรล้อมรอบโลกของเราไว้ มีวงโคจรคล้ายลักษณะการสานตระกร้อด้วยเส้นห่างๆ แต่ครอบคลุมทั้งโลกไว้ อุปกรณ์รับสัญญาณ GPS (GPS receiver) ที่เรามีจะรับสัญญาณจากดาวเทียมเหล่านั้น แล้วนำมาคำนวณหาตำแหน่งเราได้ในที่สุด ทำให้เราสามารถหาตำแหน่งได้ตลอดเวลา ในส่วนวงโคจรของดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT ที่จะโคจรที่ความสูงประมาณ 680 กม.ขึ้นไปจากโลก จัดอยู่ในกลุ่มวงโคจรระดับต่ำ (Lower Earth Orbit) ทำให้ดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT สามารถรับสัญญาณ GPS เพื่อใช้ระบุตำแหน่งได้นั่นเองครับ

GPS มีระบบเดียวรึเปล่า?
ระบบนำทาง GPS ก่อตั้งโดยประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นระบบแรกที่เปิดให้ใช้งานแบบสาธารณะ และได้รับความนิยมในประเทศไทย เราจึงคุ้นเคยกับชื่อนี้มากกว่าชื่อ GNSS ระบบอื่น (แอดมินจึงเลือกใช้ GPS แทนคำว่า GNSS) นอกจาก GPS แล้ว ยังมีระบบดาวเทียมนำทางที่หลายคนอาจคุ้นชื่อ เช่น GLONASS ของประเทศรัสเซีย หรือระบบนำทางที่เพิ่งเปิดให้ใช้งานแบบสาธารณะเช่น BeiDou ของประเทศจีน และ GALILEO ของฝั่งยุโรป นอกจากนี้ทางฝั่งเอเชียยังมีระบบนำทางเฉพาะพื้นที่ (Regional Navigation Satellite System) ได้แก่ QZSS ของประเทศญี่ปุ่น และ NavIC ของประเทศอินเดีย ซึ่งสัญญาณของทั้ง QZSS และ NavIC  ก็ต่างครอบคลุมพื้นที่ประเทศไทยเช่นกัน

มีแค่ GPS พอไหม?
คำตอบคือ ไม่พอสำหรับภารกิจของ THEOS-2 SmallSAT เนื่องจากว่า GPS บอกได้ว่าดาวเทียมอยู่ตรงไหนของอวกาศ แต่ไม่สามารถระบุว่า ดาวเทียมเอียงตัวหรือหันหน้าไปทางไหน ภาระกิจหลักของดาวเทียม THEOS-2 SmallSAT คือการถ่ายภาพ ซึ่งจะต้องหันกล้องถ่ายภาพไปยังพื้นโลก และมีการเอียงตัวเพื่อถ่ายภาพเหนือประเทศไทย การถ่ายภาพบนพื้นที่เล็กๆที่ต้องการความแม่นยำสูง จำเป็นต้องเพิ่มอุปกรณ์สำหรับบอกทิศทางการวางตัวของดาวเทียม ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบการระบุตำแหน่ง และควบคุมทรงตัวของดาวเทียม หรือที่เรียกว่า Attitude determination and Control System: ADCS

ADCS ประกอบด้วยอะไรบ้าง?
สำหรับ ADCS จะประกอบไปด้วยกลุ่มอุปกรณ์เซ็นเซอร์รับค่า (Input) , ส่วนวิเคราะห์ข้อมูลตำแหน่งและประมวลผล (Processing) , และส่วนอุปกรณ์ปรับแก้การทรงตัวของดาวเทียม (Actuator) ซึ่งอุปกรณ์ AOCS อย่างกลุ่มเซนเซอร์รับค่าก็สามารถแบ่งย่อยได้หลายชนิด เช่น
  การระบุตำแหน่งดาวเทียม สามารถใช้สัญญาณ GPS ที่ให้ความแม่นยำสูง หรือใช้เซนเซอร์วัดสนามแม่เหล็ก (magnetometer) ซึ่งจะสามารถระบุตำแหน่งดาวเทียมได้จากการวัดสนามแม่เหล็กทั้งสามแกนของเซนเซอร์(แกน X Y และZ) มาเทียบกับสนามแม่เหล็กโลก

  การหามุมการเอียงตัวของดาวเทียม สามารถเลือกใช้กล้องติดตามดวงดาว (Star Tracker) ที่ให้ความแม่นยำสูงมาก ใช้หลักการติดตามดวงดาวที่สว่างมาก นำมาเทียบตามคลังแผนที่ดวงดาว หรือจะเลือกใช้ เซนเซอร์ดวงอาทิตย์ (sun sensor) ที่ให้ความแม่นยำรองลงมา ใช้หลักการคำนวณมุมตกกระทบของแสงจากดวงอาทิตย์

  นอกจากนี้ยังมี Inertial Sensor อย่างไจโรสโคป (Gyroscope) ที่ช่วยวัดอัตราในการหมุนตัวของดาวเทียมให้แม่นยำมากยิ่งขึ้น

จะเห็นได้ว่าการที่จะทราบตำแหน่งของดาวเทียมนั้นต้องใช้อุปกรณ์หลายประเภท ข้อสำคัญคือต้องอาศัยการทำงานร่วมกันระหว่างอุปกรณ์ ทั้งนี้วิศวกรผู้ออกแบบต้องพิจารณาว่าดาวเทียมนั้นต้องการความแม่นยำแค่ไหนและอุปกรณ์ชนิดไหนที่เหมาะสมกับภารกิจมากที่สุด เพื่อนๆเห็นมั้ยครับว่าการควบคุมดาวเทียมนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลยแต่ก็ไม่ใช่เรื่องยากเกินฝีมือคนไทย และดาวเทียมเล็กขนาด 120 กิโลกรัมนี้เองจะเป็นความภาคภูมิใจของคนไทยที่เราจะกลับมาประกอบทดสอบกันที่ประเทศไทย ณ อุทยานรังสรรค์นวัตกรรมอวกาศ อำเภอศรีราชา จังหวัดชลบุรี ร่วมส่งกำลังใจให้ทีมวิศวกรจากแดนไกลกันด้วยนะครับ ส่วนรอบหน้าจะเป็นอะไรนั้น อย่าลืมติดตามเกร็ดความรู้จากพวกเขาเหล่านั้นกันนะครับ....  

ขอบคุณข้อมูลจาก
ปริพรรษ ไพรัตน์
ADCS Hardware & GPS Apprentice Engineer โครงการ THEOS-2 SmallSAT