วิวัฒนาการดาวเทียม

          ดาวเทียม (Satellite) คือ วัตถุใด ๆ ที่เคลื่อนที่รอบโลก แบ่งได้เป็น ๒ ประเภท ได้แก่ ดาวเทียมตามธรรมชาติ (Natural Satellite) และดาวเทียมที่ถูกมนุษย์สร้างขึ้น (Artificial Satellite) ซึ่งดาวเทียมตามธรรมชาติที่มนุษย์รู้จักดีคือ ดวงจันทร์ นั่นเอง

          การวิวัฒนาการเรื่องดาวเทียมได้มีการพัฒนาตั้งแต่ศตวรรษที่ ๑๖ เมื่อ เซอร์ไอแซ็ค นิวตัน ได้ตีพิมพ์บทความทางวิชาการ Principia ที่ได้กล่าวถึง กฎการเคลื่อนที่ของวัตถุ ๓ ข้อ และกฎของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นพื้นฐานความรู้ในการสร้าง จรวด, ดาวเทียม และวงโคจรของดาวเทียม ที่สำคัญในยุคต่อมา เมื่อ ค.ศ.๑๘๖๙ ได้เขียนนิยาย The Brick moon ประพันธ์โดย นายเอดเวิร์ด เอเวอร์เร็ต เฮล (Edward Everett Hale) มีเนื้อความกล่าวถึงการส่งดาวเทียมสู่วงโคจร ต่อมา ค.ศ. ๑๙๐๓ นายคอนแสตนติน ซอยคอฟสกี (Konstantin Tsiolkovsky) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้เสนอแนวทางในการใช้จรวดนำส่งวัตถุต่าง ๆ ขึ้นสู่อวกาศ และแนวคิดเกี่ยวกับจรวดหลายท่อน (Multi-stage Rocket) ที่ใช้เชื้อเพลิงเหลว (Liquid propellant) เป็นตัวขับเคลื่อน จนในที่สุดเมื่อ ๑ ตุลาคม ค.ศ.๑๙๕๗ สหภาพโซเวียตส่งดาวเทียมสปุตนิกขึ้นสู่อวกาศสำเร็จเป็นประเทศแรกของโลก ซึ่งมีขนาดเท่าลูกบาสเก็ตบอล แต่ส่งสัญญาณมาสู่สถานีรับสัญญาณบนพื้นโลกได้สำเร็จ และภายหลังเพียง ๑ ปี ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ส่งดาวเทียม Explorer 1 ขึ้นสู่อวกาศ เมื่อวันที่ ๓๑ มกราคม ค.ศ.๑๙๕๘ จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญของการพัฒนาดาวเทียมของโลกจนถึงปัจจุบัน

ภาพที่ ๑ ดาวเทียม Syncom I (ที่มา: NASA)

         ต่อมาในปี ค.ศ.๑๙๖๑ องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (National Aeronautics and Space Administrator: NASA) ของประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สร้างดาวเทียม Syncom I ซึ่งเป็นดาวเทียมสื่อสารในวงโคจรสถิตขึ้นสู่อวกาศสำเร็จเป็นดวงแรกของโลก แต่ทำงานได้เพียง ๑๗ เดือนก่อนที่ขาดการติดต่อ ๕ เดือนต่อมา NASA จึง ส่งดาวเทียม Syncom II ขึ้นไปทดแทน และทำการถ่ายทอดสดการแข่งขันโอลิมปิกที่กรุงโตเกียว ในทวีปอเมริกาและทวีปยุโรป และต่อมาในปี ค.ศ.๑๙๗๐ สาธารณประชาชนจีน ได้ประสบความสำเร็จในการส่งดาวเทียม Dongfanghong 1 ขึ้นสู่อวกาศ และได้ถือว่าเป็นประเทศที่ ๕ ที่ประสบความสำเร็จที่มีศักยภาพในการส่งดาวเทียม รองจาก สหภาพโซเวียต, ประเทศสหรัฐอเมริกา, ประเทศฝรั่งเศส และประเทศญี่ปุ่น  

ภาพที่ ๒ ดาวเทียม LANDSAT 8 (ที่มา: NASA)

               ในปี ค.ศ.๑๙๗๒ ประเทศสหรัฐอเมริกา มีแนวคิดในการใช้ดาวเทียมเพื่อสำรวจทรัพยากรโลก จึงเริ่มโครงการดาวเทียม LANDSAT ซึ่งเป็นดาวเทียมที่มีเซ็นเซอร์ประเภทกล้องถ่ายภาพรับแสงในช่วงคลื่น Visible light และ คลื่นแสงในช่วงคลื่นอินฟราเรด ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ โดยเฉพาะด้านการเกษตร โครงการดาวเทียม LANDSAT ได้ถูกดำเนินการมาจนถึงปัจจุบัน และเป็น LANDSAT 8 แล้วในขณะนี้ กลุ่มดาวเทียมนี้ไม่ได้ให้บริการข้อมูลพื้นที่ให้แก่ประเทศสหรัฐอเมริกาเท่านั้น ยังให้บริการแก่ประเทศใด ๆ ในโลกที่มีการติดตั้งอุปกรณ์รับสัญญาณ LANDSAT อีกด้วย

ภาพที่ ๓ แบบจำลองระบบดาวเทียมนำร่อง GPS (ที่มา: NOAA)

           ในปี ค.ศ.๑๙๗๘ มีแนวคิดริเริ่มพัฒนาดาวเทียมนำร่อง (Navigation Satellite) ในประเทศสหรัฐอเมริกา เพื่อข้ามข้อจำกัดของระบบนำร่องทางอากาศที่มีอยู่ให้ครอบคลุมพื้นที่มากขึ้น และมีความแม่นยำสูง จึงมีแนวคิดในการสร้างดาวเทียมนำร่อง GPS (Global Positioning System) เพื่อใช้ประโยชน์ทางการทหาร โดยวางแผนใช้ดาวเทียมทั้งหมด ๒๔ ดวง โคจรในโคจรปานกลาง (Medium Earth Orbit: MEO) ที่ความสูงประมาณ ๒๐,๐๐๐ กิโลเมตร ซึ่งถือเป็นการสร้างระบบดาวเทียมนำร่องระบบแรกของโลก มีการใช้ประโยชน์ระบบนำร่อง GPS เป็นอย่างมากในการพัฒนาขีปนาวุธข้ามทวีป และระบุพิกัดของเรือดำน้ำเป็นอย่างมาก ต่อมามีการแบ่งปันในพลเรือน และชาวโลก สามารถใช้ประโยชน์จากดาวเทียมนำร่องได้ นอกจากประเทศสหรัฐอเมิกาแล้ว ยังมีหลายประเทศที่ต้องมีดาวเทียมนำร่องเป็นของตนเอง เพื่อแสดงศักยภาพทางเทคโนโลยีดาวเทียม ได้แก่ ระบบดาวเทียมนำร่อง GLONASS ของสหภาพโซเวียต, ระบบดาวเทียมนำร่อง IRNSS ของประเทศอินเดีย, ระบบดาวเทียมนำร่อง BEIDOU ของสาธารณรัฐประชาชนจีน และระบบดาวเทียมนำร่อง GALILEO ของสหภาพยุโรป เป็นต้น

ภาพที่ ๔ ดาวเทียม CubeSat ขนาด ๓ ยูนิต (ที่มา: Planet Labs)

          ต่อมามีการพัฒนาทางเทคโนโลยีอย่างก้าวกระโดด ขนาดของอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง จึงส่งผลให้ขนาดดาวเทียมมีขนาดเล็กที่สามารถใช้ประโยชน์ต่าง ๆ ได้เทียบเท่ากับดาวเทียมขนาดใหญ่ ในปี ค.ศ.๑๙๙๙ เกิดกระแส CubeSats หรือดาวเทียมทรงลูกบาสก์ ซึ่งเป็นมาตรฐานดาวเทียมขนาด ๑๐ ซม. x ๑๐ ซม. x ๑๑ ซม. เกิดขึ้นที่มหาวิทยาลัย Standford และมหาวิทยาลัย California Polytechnic State ประเทศสหรัฐอเมริกา เพื่อพัฒนาการสร้างดาวเทียมโดยนักศึกษาเป็นหลัก ซึ่งเน้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ราคาไม่สูงแต่สามารถใช้งานในอวกาศได้ และเป็นอุปกรณ์ที่สามารถหาซื้อได้ทั่วไป (Commercial-On-The-Shelf: COTS) ทำให้เกิดกระแสการสร้างดาวเทียมขนาดเล็กไปทั่วโลก เนื่องจากราคาไม่สูงเมื่อเทียบกับดาวเทียมดวงใหญ่ที่ต้องใช้ทุนมหาศาล และเวลาในการสร้างนาน อีกทั้งราคาในการส่งไม่สูง เนื่องจากสามารถแบ่งส่วนค่าใช้จ่ายในการขนส่งสู่อวกาศด้วยจรวดกับดาวเทียมขนาดเล็กดวงอื่น ทำเกิดการสร้างดาวเทียมประเภทนี้ในภาคการศึกษา และภาคเอกชน มีบริษัทผลิตชิ้นส่วนดาวเทียมและบริษัทพัฒนาดาวเทียมขนาดเล็กเกิดขึ้นใหม่มากมาย  จนถึงปัจจุบันมีดาวเทียมจำพวก CubeSat ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศประมาณ ๓๕๐ ดวง ทั่วโลก นอกจากการเกิดกระแสดาวเทียมขนาดเล็กขึ้นแล้ว ยังมีอีกหนึ่งแนวคิดที่เป็นที่นิยมอย่างมากในขณะนี้ คือ การทำงานแบบเป็นกลุ่มดาวเทียม (Constellation Satellites) ที่ใช้ดาวเทียมแบบเดียวกันจำนวนมากในหนึ่งวงโคจร ทำให้เพิ่มขีดความสามารถในการทำงานเป็นเครือข่าย หรือการถ่ายภาพพื้นโลกที่ครอบคลุมพื้นที่ และได้ข้อมูลที่ทันสมัยเสมอ ยกตัวอย่างเช่น กลุ่มดาวเทียมถ่ายภาพพื้นโลกของบริษัท Planet Labs ที่สร้างดาวเทียม CubeSat ขนาด ๓ ยูนิต นับร้อยดวง ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เพื่อให้บริการภาพถ่ายพื้นโลกครอบคลุมถึง ๒๐๐ ล้านตารางกิโลเมตรต่อวัน ความละเอียด ๓.๗ เมตร, กลุ่มดาวเทียมสื่อสาร Starlink ของบริษัท SpaceX ที่มีแผนให้บริการอินเตอร์เน็ตความเร็วสูงทั่วโลก  

การแบ่งวงโคจรตามความสูงและลักษณะทางกายภาพของดาวเทียม

          ๑. วงโคจรต่ำ (Low Earth Orbit : LEO) มีความสูงจากพื้นโลกไม่เกิน ๑,๐๐๐ กิโลเมตร เหมาะสำหรับการถ่ายภาพรายละเอียดสูง และการสังเกตการณ์จากห้วงอวกาศ แต่เนื่องจากวงโคจรประเภทนี้อยู่ใกล้พื้นผิวโลกมาก ภาพถ่ายที่ได้จึงครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณแคบ และไม่สามารถเฝ้าตรวจครอบคลุมบริเวณใดบริเวณหนึ่งได้นาน เนื่องจากดาวเทียมต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก จึงนิยมใช้ วงโคจรขั้วโลก (Polar Orbit) หรือใกล้ขั้วโลก (Near Polar Orbit) โดยดาวเทียมจะโคจรในแนวเหนือถึงใต้ ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง ดาวเทียมจึงเคลื่อนที่ผ่านเกือบทุกส่วนของพื้นผิวโลก

          ๒. วงโคจรปานกลาง (Medium Earth Orbit : MEO) มีความสูงจากพื้นโลกระหว่าง ๑,๐๐๐ ถึง ๓๕,๐๐๐ กิโลเมตร ซึ่งสามารถถ่ายภาพและส่งสัญญาณวิทยุได้ครอบคลุมพื้นที่ได้เป็นบริเวณกว้างกว่า วงโคจรต่ำ อย่างไรก็ตาม หากต้องการให้สัญญาณวิทยุครอบคลุมทั้งโลกจะต้องใช้ดาวเทียมหลายดวงทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายและมีทิศทางของวงโคจรรอบโลกทำมุมเฉียงหลายทิศทาง ดาวเทียมวงโคจรปานกลางส่วนมากเป็นดาวเทียมนำร่อง เช่น เครือข่ายดาวเทียม GPS ที่ประกอบด้วยดาวเทียมจำนวน ๒๔ ดวง โคจรรอบโลกและทำงานร่วมกัน โดยส่งสัญญาณวิทยุออกมาพร้อม ๆ กัน ให้เครื่องรับที่อยู่บนพื้นผิวโลกเปรียบเทียบสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณหาตำแหน่งพิกัดที่ตั้งของเครื่องรับ

          ๓. วงโคจรสถิตย์ (Geostationary Earth Orbit : GEO) และวงโคจรพ้องคาบโลก (Geosynchronous Orbit : GSO) มีความสูงจากพื้นโลก ๓๕,๗๘๖ กิโลเมตร โดยมีเส้นทางโคจรอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตร (Equatorial Orbit) ดาวเทียมจะหมุนรอบโลกด้วยความเร็วเชิงมุมเท่ากับโลกหมุนรอบตัวเองเสมือนลอยนิ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกตำแหน่งเดิมอยู่ตลอดเวลาจึงถูกเรียกว่า "ดาวเทียมวงโคจรสถิต หรือวงโคจรค้างฟ้า" เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรชนิดนี้อยู่ห่างไกลจากโลกและสามารถลอยอยู่เหนือพื้นโลกตลอดเวลา จึงนิยมใช้สำหรับการถ่ายภาพโลกทั้งดวง การเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศโลก และใช้ในกิจการโทรคมนาคมข้ามทวีป อย่างไรก็ตามดาวเทียมวงโคจรสถิตจะต้องโคจรที่ระดับสูง ๓๕,๗๘๖ กิโลเมตร เท่านั้น ดังนั้นวงโคจรประเภทนี้จึงมีจำนวนดาวเทียมอยู่อย่างหนาแน่น และมีปัญหาในการแย่งพื้นที่ในอวกาศ

          ๔. วงโคจรวงรีมาก (Highly Elliptical Orbit : HEO) เป็นวงโคจรที่ออกแบบสำหรับดาวเทียมที่ปฏิบัติภารกิจพิเศษเฉพาะกิจ เนื่องจากดาวเทียมมีความเร็วในวงโคจรไม่คงที่ เมื่ออยู่ใกล้โลกดาวเทียมจะเคลื่อนที่เร็วมาก และจะเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อออกห่างจากโลก ดาวเทียมวงโคจรวงรีมากส่วนมากเป็นดาวเทียมที่ปฏิบัติงานด้านวิทยาศาสตร์ เช่น ศึกษาสนามแม่เหล็กโลก เนื่องจากสามารถมีระยะห่างจากโลกได้หลายระยะ หรือเป็นดาวเทียมจารกรรมซึ่งสามารถโคจรเข้ามาถ่ายภาพพื้นผิวโลก ด้วยระยะต่ำมากและปรับวงโคจรหนีไปที่ระยะสูงได้

เรียบเรียงโดย น.อ.เอกกมล  ชวลิกุล  ผอ.กปอ.ศปอว.ทอ.