ส่องเทคโนโลยีทางเลือกของ GPS แล้วทำไมถึงต้องเปลี่ยน

ถ้าพูดถึงเทคโนโลยีนำร่อง คนส่วนใหญ่ก็คงจะนึกถึงเทคโนโลยี GPS ที่มนุษย์ใช้อยู่ในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะใช้ใน Google Maps เพื่อนำทางขณะขับรถไปไหนสักที่ หรือส่งโลเคชั่นใน Line ให้อีกฝ่ายรู้เพื่อให้นัดเจอกันได้ง่าย ไม่ต้องเสียเวลาตามหากันให้วุ่นวาย

คงจะเป็นการยากหากจะให้นึกว่าแล้วถ้าไม่ใช้ GPS นำทางหรือบอกพิกัดที่อยู่ แล้วจะใช้อะไรทดแทน นี่เองเป็นประเด็นที่หลายประเทศให้ความสำคัญอยู่ในขณะนี้ อย่าง คณะกรรมการการสื่อสารกลางสหรัฐอเมริกา (FCC) ที่กำลังหารือกันว่าจะมีเทคโนโลยีไหนบ้างที่จะนำมาทดแทนหรือเป็นตัวเลือกจาก GPS ได้บ้าง

ก่อนที่จะไปกันไกลกว่านี้ ต้องมาทำความรู้จักกับ GPS กันก่อน เริ่มจากการที่ต้องรู้ว่าจริง ๆ แล้ว GPS ไม่ใช่ประเภทเทคโนโลยี แต่เป็นชื่อของระบบนำทางด้วยดาวเทียม (Global Navigation Satellite System) หรือ GNSS ซึ่งก็คือกลุ่มดาวเทียมที่เป็นเทคโนโลยีการคำนวณพิกัด การนำร่องและเวลา (Positioning, Navigation, and Timing) หรือเรียกย่อว่า PNT โดยตัวย่อ GPS ย่อมาจากคำว่า Global Positioning System หรือแปลเป็นไทยคือ ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก ถือกำเนิดขึ้นในปี 1973 และปล่อยดาวเทียมดวงแรกในปี 1978 หรือ 47 ปีที่แล้ว

GPS เป็นระบบนำร่องด้วยคลื่นวิทยุที่ส่งมาจากอวกาศ พัฒนาขึ้นและครอบครองโดยกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา วิธีการทำงานของ GPS จะสามารถระบุตำแหน่งแบบสามมิติ (ละติจูด ลองจิจูด และระดับความสูง) โดยมีความแม่นยำถ้าในตำแหน่งก็ในระดับเมตร และถ้าเป็นเวลาก็ระดับ 10 นาโนวินาที (1,000 ล้านนาโนวินาที = 1 วินาที) สามารถทำงานได้ทั่วโลก ตลอด 24 ชั่วโมง

การทำงานของ GPS นั้นจะใช้ดาวเทียม 31 ดวงที่ลอยอยู่ในวงโคจรระดับปานกลาง (ระดับความสูงราว 20,200 กิโลเมตร) ส่งคลื่นวิทยุที่มีข้อมูลตำแหน่งวงโคจรและเวลามายังตัวรับสัญญาณในมือผู้ใช้ หรือสถานีรับสัญญาณ เพื่อระบุข้อมูลพิกัดแทบจะตลอดเวลา ดาวเทียมแต่ละดวงจะบินรอบโลก 2 ครั้งต่อวัน

กองทัพอวกาศสหรัฐฯ มีหน้าที่คอยดูและพัฒนาดาวเทียมเหล่านี้ให้ใช้งานได้อยู่ตลอดเวลาอย่างน้อย ๆ 24 ดวง แต่ละดวงถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้อย่างน้อย 10 ปี โดยมีการสร้างและปล่อยดาวเทียมดวงใหม่ ๆ ขึ้นไปอยู่ตลอด

ดาวเทียมในกลุ่ม GPS สามารถส่งสัญญาณในย่านความถี่ L1 L2 L3 L4 และ L5 ซึ่ง L1 L2 และ L5 จะเป็นย่านความถี่สำหรับการใช้งานทั่วไปในภาคพลเรือน ส่วน L3 และ L4 จะเป็นคลื่นสำหรับหน่วยงานรัฐบาล

การปล่อยดาวเทียมจะทำเป็นชุดในแต่ละชุดจะเรียกว่าบล็อก (Block) โดยใน Block ล่าสุดเรียกว่า GPS Block III (หรือ GPS III) ที่เริ่มปล่อยดาวเทียมดวงแรกในปี 2018 และดวงสุดท้ายในปี 2024 ดาวเทียมใน GPS III ได้เพิ่มประสิทธิภาพด้านความแม่นยำ ความพึ่งพาได้ และความเสถียร มีอายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้นเป็น 15 ปี รวมถึงมีเทคโนโลยีอื่น ๆ ที่เพิ่มเข้ามาเช่นตัวสะท้อนเลเซอร์ และระบบช่วยค้นหาและกู้ภัย

สำหรับการติดตามดาวเทียมจากบนพื้นโลก มีสถานีทั่วโลกกว่า 26 แห่ง ที่คอยติดตามตำแหน่งของดาวเทียม GPS และเฝ้าสังเกตการณ์การส่งสัญญาณ วิเคราะห์ รวมถึงส่งคำสั่งและข้อมูลกลับไปยังดาวเทียม ซึ่งเมื่อ GPS เก็บข้อมูลพิกัดตำแหน่งได้แล้ว ก็จะสามารถคำนวณได้ทั้งความเร็ว เส้นทาง น้ำหนัก ระยะทาง เวลาดวงอาทิตย์ขึ้น ดวงอาทิตย์ตก และอีกมากมาย

ในการใช้งานทั่วไป GPS เปิดให้ทุกคนทุกชาติไม่ว่าจะอยู่ตำแหน่งใดของโลกสามารถใช้ได้ โดยไม่มีค่าใช้จ่าย แต่สำหรับในทางการทหาร ดาวเทียม GPS จะส่งสัญญาณวิทยุที่เรียกว่า M-Code ที่มีระบบป้องกันการรบกวน ซึ่งรัฐบาลสหรัฐฯ จะอนุญาตเฉพาะประเทศพันธมิตร และชาติที่ได้รับการอนุมัติให้ใช้ได้เท่านั้น โดย M-Code จะส่งอยู่ใน L1 และ L2 แต่จะไม่รบกวนซึ่งกันและกัน

นอกจากการใช้ระบุตำแหน่งแล้ว GPS ยังถูกใช้ในการซิงก์เวลาในระบบติดต่อสื่อสาร เครือข่ายธนาคาร และตลาดหลักทรัพย์ สามารถใช้ในการทำเกษตรที่แม่นยำ นำทางการบินด้วยระบบชี้ตำแหน่งแบบเรียลไทม์ ช่วยทุ่นแรงการสำรวจ อีกทั้งยังมีประโยชน์ในด้านวิทยาศาสตร์อย่างการพยากรณ์อากาศ ระบบเฝ้าระวังภัยธรรมชาติ และการบรรเทาภัยต่าง ๆ

การที่ GPS อยู่ในทุกอณูของการใช้ชีวิตในประจำวัน ก็คงจะไม่ผิดนักหากจะบอกว่า GPS เป็นสิ่งที่เราขาดไม่ได้เช่นเดียวกับอินเทอร์เน็ต

ปัจจุบัน GNSS ไม่ได้มีแค่ GPS เพียงอย่างเดียว เพราะแน่นอนว่าประเทศที่เป็นศัตรูของสหรัฐฯ โดยเฉพาะจีนและรัสเซีย ก็ย่อมต้องหา GNSS และ PNT ทางเลือกมาใช้เพื่อระบุพิกัดในทางการทหารแน่นอน และคงไม่ยอมให้เทคโนโลยี GPS มาสอดส่องประชาชนของตัวเองเป็นแน่ อีกทั้งการจะพึ่งพาเทคโนโลยีระบุพิกัดของประเทศอื่นก็คงไม่มั่นคงเท่าไหร่

Beidou

ทางฝั่งจีนมีระบบ Beidou หรือชื่อเต็มคือ BeiDou Navigation Satellite System (เรียกย่อ ๆ ว่า BDS) เป็นโครงการที่ริเริ่มมาตั้งแต่ในช่วงทศวรรษที่ 1980 แต่มาเริ่มส่งดาวเทียมชุดแรกในปี 2000 และชุดล่าสุดในปี 2023

BDS มีดาวเทียมในกลุ่มมากถึง 56 ดวง มากกว่า 2 เท่าเมื่อเทียบกับกลุ่มดาวเทียมของ GPS อีกทั้งยังเป็นดาวเทียมที่ลอยอยู่ในหลายระดับไม่ใช่เฉพาะวงโคจรปานกลางเท่านั้น และยังมีสถานีดาวเทียมนอกประเทศมากกว่า 120 แห่งทั่วโลก มากกว่าสหรัฐฯ ที่มีสถานีนอกประเทศเพียง 11 แห่งถึง 10 เท่า

ดาวเทียมของ BDS ใช้เทคโนโลยีที่ใหม่กว่าของ GPS และยังมีความสามารถในการรับสัญญาณได้ด้วย ไม่ได้ส่งอย่างเดียวเหมือน GPS นี่ทำให้ผู้เชี่ยวชาญหลายฝ่ายแม้แต่ของสหรัฐฯ เองระบุว่า BDS มีสัญญาณดีกว่าและครอบคลุมกว่าของสหรัฐฯ

โดยรายงานของสำนักข่าว Nikkei Asia ของญี่ปุ่นเมื่อปี 2020 ชี้ว่าสัญญาณ BDS ดีกว่า GPS ใน 165 ประเทศ โดยเฉพาะในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ และแอฟริกา

ประธานาธิบดี สี จิ้นผิง (Xi Jinping) เคยถึงกับบอกว่า BDS เป็นความสำเร็จที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในตลอด 40 ปี “แห่งการปฏิรูปและเปิดประเทศ” ขณะที่ผู้เชี่ยวชาญรายหนึ่งระบุว่า BDS ถือเป็นการ “ประกาศเอกราชทางเทคนิคจากตะวันตก”

GLONASS

GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema ในภาษารัสเซีย ซึ่งก็แปลว่าระบบนำทางด้วยดาวเทียมเหมือนกัน) เป็นระบบ GNSS ของรัสเซีย ที่มีจุดกำเนิดมาจากกลุ่มดาวเทียม Cicada ของสหภาพโซเวียตในปี 1967

โดย GLONASS มีดาวเทียมดวงแรกที่ปล่อยในปี 1982 ปัจจุบันมีดาวเทียมในกลุ่ม 24 ดวง ที่ลอยอยู่ในวงโคจรโลกที่ความสูง 19,100 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก แต่ละตัวปล่อยสัญญาณ L1 และ L2 เท่านั้น

หากท้าชนกับ GPS แล้ว GLONASS ยังเป็นรองอยู่มาก ทั้งในย่านความถี่ที่ส่งได้ จำนวนของดาวเทียม และความแม่นยำในการใช้งาน ซึ่งทางรัสเซียเองก็ยอมรับในเรื่องนี้

เจ้าอื่นเป็นไงบ้าง

นอกจาก BDS และ GLONASS แล้ว ประเทศอื่น ๆ ในโลกก็มีการพัฒนา GNSS ของตัวเองขึ้นมาใช้เช่นกัน อย่างระบบ Galileo ของสหภาพยุโรป ที่เพิ่งจะเริ่มปล่อยในปี 2011 และเริ่มให้บริการในปี 2016 ปัจจุบันมีดาวเทียมทั้งหมด 28 ดวง ในขณะที่อินเดียก็มีระบบที่ชื่อว่า Navigation with Indian Constellation (ระบบนำทางด้วยกลุ่มดาวเทียมอินเดีย) หรือ NavIC ซึ่งเป็นระบบนำทางในระดับภูมิภาคด้วย

GNSS โดยเฉพาะ GPS มีความสำคัญมากในทุกแง่มุมของมนุษย์หลายพันล้านคนทั่วโลก แน่นอนว่ามันมีจุดอ่อนจำนวนมากที่อาจจะกระทบชีวิตเรา หรืออาจจะกระทบอยู่แล้วก็เป็นได้

จุดอ่อนประการแรกก็คือสัญญาณที่ดาวเทียม GNSS ส่งมายังโลกนั้นกว่าจะกระทบถึงเสารับสัญญาณบนพื้นโลกก็อ่อนมากแล้ว เอกสารที่นำเสนอโดยญี่ปุ่นในการประชุมองค์กรการบินพลเรือนระหว่างประเทศ (ICAO) ครั้งที่ 41 เมื่อปี 2022 ชี้ว่าสัญญาณที่อ่อนมากนี้ทำให้ง่ายต่อการถูกรบกวนอย่างมาก มีความเสี่ยงที่จะกระทบต่อเครื่องบินในเขตที่สัญญาณอ่อนเป็นพิเศษ การรบกวนอาจเกิดขึ้นโดยตั้งใจและไม่ตั้งใจ อาจจะมาจากอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่รบกวนสัญญาณวิทยุที่ส่งมาจากดาวเทียมก็ได้เช่นกัน

นอกจากการรบกวนแล้ว สัญญาณ GNSS ยังสามารถปลอมแปลงขึ้นได้ด้วย เมื่อปี 2024 ทางองค์กร OPSGROUP เคยออกมาเผยถึงปรากฏการโจมตีแบบ GPS Spoofing ต่อเครื่องบินบินพาณิชย์ ที่ทำให้สัญญาณระบุตำแหน่งของเครื่องบินถูกส่งออกไปยังน่านฟ้าโดยรอบอย่างผิดพลาด สร้างความสับสนให้กับโดรนหรืออาวุธต่าง ๆ

ภัยทางไซเบอร์ก็เป็นอีกหนึ่งความน่ากังวลที่มีต่อ GNSS โดยรายงานของ Belfer Center ที่ตีพิมพ์ในปี 2023 ชี้ว่าระบบ BDS ที่อนุญาติให้มีการส่งสัญญาณกลับไปยังดาวเทียมเป็นช่องทางให้การโจมตีทางไซเบอร์สามารถเล็ดลอดผ่านไปได้ แน่นอนก็ไม่ได้หมายความว่า GNSS ของเจ้าอื่นจะรอดปลอดภัย

ขณะที่ตัวดาวเทียมเองก็เป็นจุดเสี่ยงในทางกายภาพ เพราะการที่ระบบ GNSS พึ่งดาวเทียมแทบจะทั้งหมด ทำให้หากมีความเสียหายต่อดาวเทียมโดยตรง ไม่ว่าจะปรากฎการณ์ธรรมชาติในวงโคจร เศษขยะอวกาศ หรือการโจมตีจากประเทศอื่นขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของคลื่นวิทยุในชั้นบรรยากาศ ก็สร้างความเสียหายให้กับ GNSS ได้

จากที่เปิดตั้งคำถามไว้ตั้งแต่ตอนต้นว่าอะไรจะเป็นทางเลือกให้กับเทคโนโลยี GPS ได้บ้าง ซึ่งหากถามในกรอบนี้ก็คงจะพูดได้ว่าปัจจุบันก็มี GNSS หลายเจ้า ไม่ว่าจะเป็น GLONASS, BDS หรือ Galileo ให้เลือกใช้ แต่ละระบบก็สามารถใช้งานร่วมกันได้ อีกทั้งตัวรับสัญญาณ หรืออุปกรณ์ของหลายผู้ผลิตก็ออกแบบมาให้สลับสัญญาณระหว่างระบบได้อยู่แล้ว

แต่คำถามที่ควรจะถามเพื่อขบคิดต่อก็คือ แล้วนอกจาก GNSS ล่ะ เราจะมีทางเลือกอะไรบ้างในตอนนี้ที่จะสามารถมาช่วยเป็นเทคโนโลยี PNT ทางเลือกหรือแม้แต่ทดแทน GNSS ได้บ้าง เพราะการพึ่งพา GNSS มากเกินไปจะให้ผลร้ายหากใช้การไม่ได้ขึ้นมา

ซึ่งรัฐบาลหลายประเทศก็พยายามจะหาเทคโนโลยี PNT ใหม่ที่สามารถใช้ได้ทั้งในพลเรือนและการทหาร ไม่พึ่งพา GNSS ที่มีอยู่เดิมแต่เพี่ยงอย่างเดียว และแม่นยำพอในระดับต่ำกว่า 5 เมตร

ตัวเลือกระดับแรก ๆ ที่มักพูดถึงกันก็คือระบบ PNT แบบภาคพื้น หนึ่งในตัวอย่างสำคัญก็คือ eLoran ที่หลายประเทศหมายมั่นปั้นมือมาให้สามารถใช้สำรองหรือแม้แต่ทดแทน GNSS ที่มีอยู่ได้เลย

eLoran คืออะไร

eLoran ชื่อเต็มก็คือ enhanced Long range navigation (ระบบนำร่องระยะไกล) เป็นระบบที่พัฒนาขึ้นโดยสหรัฐฯ สหราชอาณาจักร และสถาบันวิชาการหลายแห่ง ตัว eLoran เป็นตัวอัปเกรดของ Loran-C ที่สิ้นสุดการใช้งานในสหรัฐฯ เมื่อช่วงปี 2010 โดยตัว Loran-C เองก็เป็นตัวอัปเกรดของ Loran ที่พัฒนาขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 หรือกว่า 50 ปีก่อนการถือกำเนิดของ GPS

รูปแบบการทำงานของ eLoran คือจะใช้ตัวส่งสัญญาณภาคพื้นดินที่มีลักษณะเป็นเหมือนตู้เซิร์ฟเวอร์ในการส่งคลื่นวิทยุย่านความถี่ต่ำผ่านเสาสัญญาณ แทนการใช้ดาวเทียมในการส่งสัญญาณเหมือน GNSS ส่วนตัวรับสัญญาณจะมีหน้าตาคล้าย ๆ กับเครื่องเล่นมีเดียขนาดใกล้เคียงกับเคสคอมพิวเตอร์ โดยมีระยะการส่งที่ไกลเกือบ 2,000 กิโลเมตร

ข้อดีของ eLoran คือสามารถระบุพิกัดได้แม่นยำในระดับ 10 – 20 เมตร ถูกใช้ในการนำร่องการเดินเรือ เครื่องบิน และเป็นเครื่องช่วยบอกเวลา จุดเด่นของ eLoran ที่เหนือกว่า GNSS คือการที่จุดกำเนิดสัญญาณอยู่ใกล้เป้าหมายมากกว่าทำให้สัญญาณที่ส่งออกมาเข้มข้นกว่า GNSS หลักล้านเท่า จนสามารถทะลุสิ่งกีดขวางอย่างอาคาร รวมถึงทะลวงใต้น้ำและใต้ดินได้ด้วย อีกทั้งยังต้านทานการรบกวน และการดัดแปลงสัญญาณ (Spoofing) ได้มากกว่ามาก

ระบบ eLoran และ Loran-C มีใช้อย่างแพร่หลายทั่วโลก ทั้งในจีน ซาอุดีอาระเบีย เกาหลีใต้ และรัสเซีย แต่ละรัฐบาลมีระดับการพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าวแตกต่างกันไป บ้างก็ยังใช้ Loran-C อยู่ บ้างก็กำลังเปลี่ยนไปใช้ eLoran บ้างก็ใช้อยู่แล้ว บางประเทศอย่างเกาหลีใต้ก็พยายามพัฒนา eLoran ให้สามารถใช้ได้เป็นเอกเทศ ไม่ต้องพึ่งของคนอื่น

อย่างไรก็ดี ปัญหาของ eLoran คือความแม่นยำที่น้อยกว่า GNSS พื้นที่ครอบคลุมต่ำกว่า มีให้ใช้ในบางประเทศเท่านั้น และค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษาเสาสัญญาณก็ค่อนข้างสูง โดยเฉพาะในพื้นที่ห่างไกล

ทางเลือก PNT เจ้าอื่น

ระบบ PNT ยังมีอีกหลายระบบที่พูดถึงกันในฐานะที่เป็นทางเลือกจาก GNSS ซึ่งพัฒนาขึ้นโดยภาคเอกชน อาทิ LocataLite ระบบส่งสัญญาณด้วยสถานีภาคพื้นที่เชื่อมโยงกันเป็นโครงข่าย จากออสเตรเลีย มีความแม่นยำอยู่ในระดับมิลลิเมตร หรือระบบ TerraPoiNT ของ NextNav ที่ส่งสัญญาณด้วยตัวส่งสัญญาณภาคพื้น สามารถส่งสัญญาณระบุพิกัดเคลื่อนที่ภายในอาคารได้ แต่อยู่ในขั้นทดลองเท่านั้น

ขณะที่ STL ของ Satelles จากรัฐเวอร์จิเนีย ในสหรัฐฯ ที่ใช้ดาวเทียมสื่อสารวงโคตรต่ำที่มีอยู่แล้วคู่กับเสารับสัญญาณแบบดั้งเดิมในการส่งข้อมูลพิกัดและเวลา โดยมีความแม่นยำในการระบุพิกัดน้อยลงมา

ปัจจัยสำคัญของการพัฒนา PNT และ GNSS ในหลากหลายระบบก็เพื่อให้มีระบบสำรองไว้ใช้ในยามที่มีความผิดพลาดเกิดขึ้น บางระบบยังถูกออกแบบมาให้เสริมการทำงานของอีกระบบในขณะที่ก็ทำงานไปพร้อม ๆ กันด้วย นอกจากนี้ การแข่งขันกันพัฒนาส่วนหนึ่งก็เพื่อไม่อยากให้อธิปไตยในการระบุพิกัด นำร่อง และเวลาไปยึดโยงอยู่กับประเทศใดประเทศหนึ่ง จนเสียแต้มต่อด้านความมั่นคง

ครั้งหน้าเมื่อกด Google Maps เข้าไปใช้ก็ลองนึกถึงความเป็นไปได้ที่ไม่มีที่สิ้นสุดของเทคโนโลยีที่จะนำมาทดแทน GPS ดู