ผลกระทบของชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์และไอโอโนสเฟียร์ทีมีต่อสัญญาณดาวเทียม Effects of Troposphere and Ionosphere on Satellite Signals Propagation
ณรงค์ เหมกรณ์
ข้าราชการบํานาญ เกษียณราชการจากสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง 203/26 หมู่ 2 ซอยศรีพรสวรรค์ 8 ต.สวนใหญ่ อ.เมือง จ. นนทบุรี 11000 E-mail: [email protected] บทคัดย่อ
ชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์เป็นชันบรรยากาศชัน ตําสุดมีความสูงประมาณ 10 กิโลเมตร ชันบรรยากาศไอโอ โนสเฟียร์อยู่ทีความสูงประมาณ 50 - 1,000 กิโลเมตรเหนือ พืนผิวโลก ขณะทีวงโคจรดาวเทียมมีระดับความสูงตังแต่
800 ถึง 35,800 กิโลเมตรแล้วแต่ชนิดวงโคจรของดาวเทียม ดังนันการส่งสัญญาณจากสถานีภาคพืนดินไปยังดาวเทียม หรือการส่งสัญญาณจากดาวเทียมมายังสถานีรับหรือเครืองรับ บนพืนโลกจะต้องผ่านทังชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์และชัน บรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ ผลกระทบของชันบรรยากาศโทร โพสเฟียร์และไอโอโนสเฟียร์ต่อสัญญาณดาวเทียมจะขึนอยู่กับ การแปรปรวนของชันบรรยากาศทีเปลียนแปลงตาม วัน เดือน ปี นอกจากนียังขึนอยู่กับความถีขาขึน และความถีขาลง จาก การศึกษาวิจัยพบว่าชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์จะมีผลต่อ สัญญาณดาวเทียมทีใช้ความถีสูงกว่า 10 กิกะเฮิรตซ์ ขึนไปใน เรืองของการลดทอนสัญญาณเนืองจากฝน ส่วนชันบรรยากาศ ไอโอโนสเฟียร์จะมีผลต่อสัญญาณดาวเทียมทีใช้ความถีตํากว่า 4 กิกะเฮิรตซ์ลงมาในเรืองของการเปลียนแปลงแอมพลิจูด อย่างกระทันหัน
คําสําคัญ: โทรโพสเฟียร์ ไอโอโนสเฟียร์ วงโคจรดาวเทียม การลดทอนสัญญาณดาวเทียมเนื¢องจากฝน การเปลี¢ยนแปลง แอมพลิจูดอย่างกระทันหัน
Abstract
Troposphere is the lowest atmosphere which its
satellite orbits is approximately 800 - 35,800 kilometers depending on orbit types of satellites. In order to transmit signal from earth stations to satellites or transmit signal from satellites to earth stations or receivers on the earth, satellite signals have to propagate through both troposphere and ionosphere. The effects of troposphere and ionosphere on satellite signals depend on irregularities of troposphere and ionosphere which vary daily, monthly and yearly. Moreover, the effects also depend on up link and down link frequency. From this research, it has been found that troposphere has an effect on satellite signal using frequency above 10 GHz due to rain attenuation while ionosphere has an effect on satellite signal using frequency lower than 4 GHz due to scintillation.
Keywords: troposphere, ionosphere, satellite orbit, rain attenuation, scintillation.
1. บทนํา
ปัจจุบันระบบดาวเทียมมีประโยชน์ต่อมวลมนุษยชาติ
เป็นอย่างมากทั¯งในด้านการถ่ายภาพพยากรณ์อากาศ สํารวจ ทรัพยากรธรรมชาติ กําหนดพิกัดบนพื¯นโลก การติดต่อสื¢อสาร ผ่านดาวเทียม สมัยก่อนที¢ไม่มีระบบดาวเทียมใช้เพราะไม่มี
จรวดที¢มีพลังขับดันมากพอที¢จะส่งดาวเทียมให้หลุดพ้นแรง
วารสารวิชาการปทุมวัน ปที่ 2 ฉบับที่ 4 พฤษภาคม - สิงหาคม 2555 บทความรับเชิญ
วารสารวิชาการปทุมวัน ปที่ 2 ฉบับที่ 4 พฤษภาคม - สิงหาคม 2555
เยอรมันได้พัฒนาจรวด V2 ขึ>นมาเพื4อจะยิงจรวดจากเยอรมัน ไปยังเกาะอังกฤษ แต่เ ยอรมัน แพ้สงคราม เสียก่อน ฝ่าย สัมพันธมิตรโดยสหรัฐอเมริกาและโซเวียตรัสเซียแย่งกันบุก ยึดเยอรมันและแยกเยอรมันออกเป็นเยอรมันตะวันตกและ เ ย อ ร มัน ต ะ วัน อ อ ก ทั> ง ส ห รั ฐ อ เ ม ริ ก า แ ล ะ รั ส เ ซี ย ไ ด้
นักวิทยาศาสตร์เยอรมันบางคนที4รู้เรื4องจรวด V2ไปเพื4อพัฒนา จรวดต่อไปโดยให้ค่าตอบแทนอย่างสูง จนกระทั4งรัสเซีย สามารถใช้จรวดส่งดาวเทียมดวงแรกขึ>นสู่วงโคจรได้ก่อน สหรัฐอเมริกา ยุคแรกๆของดาวเทียมยังบังคับควบคุมวงโคจร ของดาวเทียมไม่ได้ ดาวเทียมโคจรไปตามยถากรรม ต่อมา สามารถพัฒนาเทคโนโลยีด้านต่างๆจนสามารถบังคับควบคุม ดาวเทียมให้อยู่ในวงโคจรตามต้องการได้ ดาวเทียมที4โคจรอยู่
บนท้องฟ้าในปัจจุบันนี>มีหลายร้อยดวง แบ่งวงโคจรของ ดาวเทียมได้ 3 รูปแบบคือ ดาวเทียมวงโคจรตํ4า ดาวเทียมวง โคจรปลานกลาง และดาวเทียมวงโคจรอยู่กับที4
ดาวเทียมวงโคจรตํา เป็นดาวเทียมที4ถูกส่งขึ>นไปให้
โคจรอยู่ที4ระดับความสูงประมาณ 800 กิโลเมตร โคจรรอบ โลกหนึ4งรอบใช้เวลาประมาณ 2 ชั4วโมง ต้องโคจรเร็วเพื4อหนี
แรงดึงดูดของโลก มิฉะนั>นจะถูกแรงดึงดูดของโลกดึงดูดให้
ดาวเทียมตกลงมา วันหนึ4งๆจะโคจรรอบโลกหลายรอบ จึง เหมาะที4จะนําไปใช้เป็นดาวเทียมสํารวจทรัพยากร ถ่ายภาพ สํารวจภูมิอากาศ ใช้เป็นดาวเทียมจารกรรม
ดาวเทียมวงโคจรปานกลาง เป็นดาวเทียมที4ถูกส่งขึ>น ไปให้โคจรอยู่ที4ระดับความสูงประมาณ 10,000 - 20,000 กิโลเมตร จะโคจรช้ากว่าดาวเทียมแบบแรก ดาวเทียมวงโคจร ปานกลางที4เรารู้จักกันดีคือดาวเทียม GPS ที4ใช้สําหรับบอก พิกัดบนพื>นโลก มีการใช้ประโยชน์จากดาวเทียม GPS กัน อย่างแพร่หลาย ใช้ในจรวดนําวิถี ใช้เป็นระบบนําร่องบน เครื4องบิน ใช้ในรถยนตร์ รถแท็กซี4 เพื4อบอกตําแหน่ง
ดาวเทียมวงโคจรอยู่กับที เป็นดาวเทียมที4ถูกส่งขึ>น ไปให้โคจรอยู่ที4ระดับความสูงประมาณ 35,800 กิโลเมตร ให้
โคจรรอบโลกหนึ4งรอบใช้เวลา 24 ชั4วโมง ซึ4งเท่ากับเวลาที4โลก หมุนรอบตัวเองหนึ4งรอบใช้เวลา 24 ชั4วโมงเช่นกัน ดังนั>นที4จุด
สังเกตุบนพื>นโลกมองดูดาวเทียมจะเห็นเสมือนว่าดาวเทียมอยู่
กับที4เพราะโคจรไปพร้อมกับโลกที4หมุนรอบตัวเอง ทั>งที4 ดาวเทียมต้องโคจรด้วยความเร็วถึง 11,000 กิโลเมตรต่อชั4วโมง ดาวเทียมประเภทนี>ต้องให้โคจรเหนือพื>นโลกไปตามแนวเส้น ศูนย์สูตรเพราะมีแรงดึงดูดของโลกคงที4 การที4จะให้ดาวเทียม โคจรอยู่กับที4ในวงโคจรได้นั>น ต้องให้เวคเตอร์แรงดึงดูดของ โลกบวกกับเวคเตอร์แรงเหวี4ยงหนีศูนย์กลางของดาวเทียมได้
เวคเตอร์ผลลัพธ์เป็นแรงในแนวโคจรของดาวเทียม แต่ถ้า ดาวเทียมไม่ได้โคจรไปตามแนวเส้นศูนย์สูตรโดยโคจรทํามุม กับเส้นศูนย์สูตร ขณะโคจรอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรแรงดึงดูด ของโลกจะมาก พอโคจรผ่านเส้นศูนย์สูตรค่อนไปทางขั>วโลก เหนือหรือขั>วโลกใต้แรงดึงดูดของโลกจะน้อยลงเพราะรูปทรง ของโลกจะแบนเล็กน้อยคล้ายผลส้ม ดังนั>นเมื4อแรงดึงดูดของ โลกไม่คงที4 เวคเตอร์แรงผลลัพธ์ก็ไม่คงที4 ทําให้การควบคุมวง โคจรดาวเทียมทําได้ยาก ดังนั>นดาวเทียมวงโคจรอยู่กับที4ต้อง ส่งดาวเทียมขึ>นไปให้โคจรเหนือพื>นโลกตามแนวเส้นศูนย์สูตร ทุกประเทศที4ต้องการส่งดาวเทียมแบบวงโคจรอยู่กับที4ต้องแย่ง จอง ตําแห น่ ง เห นื อเ ส้นศู น ย์สูต ร กัน ประ เท ศ ไท ย เราได้
ตําแหน่งของดาวเทียมไทยคมอยู่ที4เส้นแวง 78.5 และ 119.5 องศาตะวันออก ถ้าดาวเทียมไทยคมหมดอายุและไม่ได้ส่ง ดาวเทียมดวงใหม่ขึ>นไปแทน ตําแหน่งนี>อาจถูกประเทศอื4นยึด เอาไป ซึ4งขณะนี>ทางคณะกรรมการกิจการกระจายเสียง กิจการ โทรทัศน์ และกิจการโทรคมนาคมแห่งชาติ (กสทช.) กําลัง ดําเนินการแก้ปัญหาอยู่
ดาวเทียมที4มีวงโคจรทั>ง 3 รูปแบบนี>ต่างก็โคจรอยู่สูง กว่าระดับชั>นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์และไอโอโนสเฟียร์
ดัง นั>น สั ญ ญ า ณ ที4 ส่ ง ล ง ม า จ า ก ด า ว เ ที ย ม จ ะ ต้อ ง ผ่า น ชั>น บรรยากาศทั>งสองนี> ผลกระทบที4เกิดจากชั>นบรรยากาศจะ ขึ>นอยู่กับความถี4ที4ใช้งานของดาวเทียม ถ้าความถี4ยิ4งสูงความ ยาวคลื4นจะยิ4งสั>นลง ผลกระทบของชั>นบรรยากาศโทรโพส เฟียร์จะอยู่ในรูปของการลดทอนที4เกิดจากฝน ส่วนผลกระทบ ข อ ง ชั>นบ รร ยา กา ศไ อโ อโ นสเฟียร์ จะอยู่ใน รูป ข อ งก า ร เปลี4ยน แปลง แอมพลิจูดอย่างกระทัน หัน ค วามถี4ที4ใช้ใ น ระบบสื4อสารดาวเทียมมีย่านความถี4ดังตารางที4 Q
Pathumwan Academic Journal Vol. 4, May - August 2012
ตารางที4 1 ย่านความถี4ในระบบสื4อสารดาวเทียม ย่านความถี4 ความถี4 (GHz) ความยาวคลื4น (cm)
L 1 - 2 15 - 30
S 2 - 4 7.5 - 15
C 4 - 8 3.8 - 7.5
X 8 - 12 2.4 - 3.8
Ku 12 - 18 1.7 - 2.4
K 18 - 27 1.1 - 1.7
Ka 27 - 40 0.75 - 1.1
2. ชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์
2.1 คุณสมบัติทัวไปของชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์
ชั>นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์เป็นชั>นบรรยากาศชั>น ล่างสุด นับจากพื>นโลกขึ>นไปถึงระดับความสูงประมาณ 10 กิโลเมตร ชั>นบรรยากาศชั>นนี>ประกอบด้วยฝุ่นละออง ก๊าซ ไอนํ>า หมอก เมฆ ฝน และส่วนประกอบอื4นๆ มีการเปลี4ยนแปลงตาม ภูมิภาคและฤดูกาล ที4เป็นข่าวเมื4อเดือนมิถุนายน พ.ศ. \]]] ที4 ผ่านมา ที4องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติหรือนาซ่า ของสหรัฐอเมริกา ขอใช้สนามบินอู่ตะเภาเพื4อใช้เป็นฐานขึ>น ลงของเครื4องบินสํารวจเมฆ และการเปลี4ยนแปลงภูมิอากาศ ซึ4ง เป็นการศึกษาในชั>นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์ชั>นนี>นั4นเอง
2.2 ผลกระทบของชันบรรยากาศโทรโพสเฟียร์ต่อสัญญาณ ดาวเทียม
ชั>นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์มีผลกระทบต่อสัญญาณ ดาวเทียมที4ย่านความถี4สูงกว่า 10 กิกะเฮิรตซ์ หรือตั>งแต่ย่าน ความถี4 Ku ขึ>นไป เกิดจากการลดทอนของสัญญาณดาวเทียม เนื4องจากฝน และการเปลี4ยน polarization ย่านความถี4ที4สูงกว่า ย่าน Ku จะมีความยาวคลื4นสั>นลง ใกล้เคียงกับขนาดของเม็ด ฝน คลื4นจึงมองเห็นเม็ดฝนมีขนาดใหญ่เทียบกับความยาวคลื4น เมื4อคลื4นเ ดินทางผ่านเม็ดฝ นจะเกิด การลดท อนสัญญาณ เนื4องจากเกิดการดูดซับพลังงาน (absorption) เกิดการหักเห (refraction) และเกิดการกระเจิง (scattering) ดังนั>นสัญญาณ
ระ ดับ สัญญาณที4รับได้ที4จ านสายอากาศ รับ (Pr) คํานวณได้จากสมการ
Pr = EIRP – Ls – La – Lr + GLNB + Gr – Lfr (dB) (1) เมื4อ
EIRP = Pt – Lft + Gt
Pt = กําลังส่งของเครื4องส่งบนดาวเทียม (dB) Lft = การสูญเสียของสายส่งสัญญาณบนดาวเทียม (dB) Gt = อัตราการเพิ4มกําลังจานสายอากาศส่งบนดาวเทียม (dB) Ls= การสูญเสียพลังงานตามระยะทางที4ผ่านอวกาศ (dB) La = การสูญเสียพลังงานเมื4อคลื4นผ่านชั>นบรรยากาศ (dB) Lr = การสูญเสียพลังงานเนื4องจากฝน (dB)
GLNB = อัตราการเพิ4มกําลังของ LNB (dB)
Gr = อัตราการเพิ4มกําลังของจานสายอากาศรับ (dB) Lfr = การสูญเสียของสายส่งสัญญาณของสถานีรับ (dB)
ใ น ป ร ะ เ ท ศ ไ ท ย ค ว า ม สู ง ข อ ง เ ม ฆ ฝ น จ ะ อ ยู่ สู ง ประมาณ 5 กิโลเมตรขณะฝนตก ระยะทางที4คลื4นต้องเดิน ท า ง ผ่ า น ฝ น จ ะ ขึ> น อ ยู่กับ มุ ม เ ง ย ข อ ง จ า น ส า ย อ า ก า ศ รั บ กรุงเทพฯ อยู่ที4ตําแหน่งเส้นแวง 100 องศาตะวันออก ถ้า ประเทศไทยสามารถจองตําแหน่งดาวเทียมได้ใกล้ตําแหน่ง เส้นแวง 100 องศาตะวันออก มุมเงยของจานสายอากาศจะสูง slant path จะสั>น แต่ถ้าตําแหน่งดาวเทียมของไทยอยู่ไกล ออกไปทางด้านมหาสมุทรแปซิฟิกหรือมหาสมุทรอินเดีย มุม เงยจะยิ4งตํ4าลง ระยะทางที4คลื4นต้องเดินทางผ่านฝนจะไกล การ ลดทอนที4เกิดจากฝนจะ มาก ดัง นั>นทุกประเทศอยากได้
ตําแหน่งดาวเทียมอยู่ใกล้ประเทศของตัวเอง มุมเงยจะสูง slant path จะได้สั>นลง
ดาวเทียมแบบวงโคจรอยู่กับที4ซึ4งจะต้องให้อยู่เหนือ เส้นศูนย์สูตร ถ้าดาวเทียมของแต่ละประเทศให้อยู่ห่างกัน 2 องศา ตําแหน่งดาวเทียมจะมีอยู่ 180 ตําแหน่ง แต่ปัจจุบันนี>
ดาวเทียมแบบวงโคจรอยู่กับที4มีอยู่มากกว่า 180 ดวง ดังนั>นใน บางตําแหน่งของบางประเทศจะมีดาวเทียมถูกส่งขึ>นไป 2 – 3
วารสารวิชาการปทุมวัน ปที่ 2 ฉบับที่ 4 พฤษภาคม - สิงหาคม 2555
รูปที4 1 ระยะทางที4คลื4นเดินทางผ่านฝน ขึ>นกับมุมเงย
การหาการลดทอนของสัญญาณดาวเทียมเนื4องจาก ฝน จะต้องวัดระดับสัญญาณดาวเทียมอย่างต่อเนื4อง มีเครื4องวัด อัตราการตกของฝนในแต่ละนาทีเพื4อนําไปเปรียบเทียบกับ ระดับสัญญาณดาวเทียมที4วัดได้ในขณะนาทีนั>นๆ ทําการวัด และบันทึกข้อมูลอย่างน้อย 2 ปีแล้วนําข้อมูลมาวิเคราะห์ การ ติดตั>งอุปกรณ์เพื4อหาการลดทอนของสัญญาณดาวเทียมในย่าน ความถี4 Ku ดังแสดงในรูปที4 Q โดยรับสัญญาณจากดาวเทียมไทย คม ซึ4งอยู่ที4ตําแหน่ง 78.5 องศาตะวันออกเหนือมหาสมุทร อินเดีย จานสายอากาศรับมีมุมเงย 59.8 องศา รูปที4 \ ถึง ] แสดงอุปกรณ์การลดทอนสัญญาณดาวเทียมเนื4องจากฝน อัตรา การตกของฝนและระดับสัญญาณดาวเทียมที4ลดตํ4าลงขณะเกิด ฝนตกแสดงในรูปที4 y ซึ4งพบว่าเมื4ออัตราการตกของฝนเพิ4มขึ>น ทําให้ระดับสัญญาณดาวเทียมลดตํ4าลง
รูปที4 2 อุปกรณ์วัดการลดทอนสัญญาณดาวเทียมเนื4องจากฝน
รูปที4 3 จานสายอากาศรับสัญญาณดาวเทียม มี LNB ติดตั>งอยู่
หน้าจาน
รูปที4 4 เครื4องรับสัญญาณดาวเทียม DANSAT รุ่น HR-727
รูปที4 5 Data logger สําหรับเก็บข้อมูลระดับสัญญาณดาวเทียม และอัตราการตกของฝน
จากกราฟในรูปที4 ~ จะเห็นว่าที4อัตราการตกของฝน 100 มิลลิเมตรต่อชั4วโมง ระดับสัญญาณดาวเทียมย่านความถี4 Ku จะลดลง 12 dB การแก้ปัญหาเมื4อระดับสัญญาณดาวเทียม ถูกลดทอนตํ4าลงมาขณะเกิดฝนตก ขึ>นอยู่กับการออกแบบ ระบบสื4อสารผ่านดาวเทียมในแต่ละระบบหรือในแต่ละ ประเทศ เช่น
LNB Satellite Receiver
Counter
DataLogger จานรับสัญญาณผ่านดาวเทียม
ฝน เมฆ
ดาวเทียม
Pathumwan Academic Journal Vol. 4, May - August 2012
0 25 50 75 100 125 150 175 200
2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 เวลา
อัตราการตกของฝน (มม./ชม.)
-90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50
2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 เวลา (hours)
ระดับส
ัญญา
ณ[dB]
รูปที4 6 อัตราการตกของฝนและ ระดับสัญญาณดาวเทียมที4 ลดตํ4าลงขณะเกิดฝนตก
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
อัตราการตกของฝน(มม/ชม)
ระดับการลดทอนของสัญญาณ(เดซิเบล)
รูปที4 7 การลดทอนของสัญญาณดาวเทียมย่านความถี4 Ku ตาม อัตราการตกของฝนที4ค่าต่างๆ [1]
(1) เพิ4มกําลังส่งของเครื4องส่งทางด้านต้นทางหรือทางด้าน up link ถ้าสามารถทําได้ แต่จะถูกจํากัดด้วยค่า EIRP ที4ออก จากจานสายอากาศส่ง มิเช่นนั>นบางประเทศจะส่งด้วยกําลังส่ง ที4สูง มีค่า EIRP มาก จะไปรบกวนดาวเทียมของประเทศอื4นที4
ควบคุ มด าวเที ยมปรับค่ า EIRP ข องดาวเ ทียมได้ตาม สถานะการณ์ที4เกิดขึ>น เช่นดาวเทียมไทยคม สถานีบังคับและ ควบคุมดาวเทียมอยู่ที4ลาดหลุมแก้ว ปทุมธานี และที4แคราย ถนนรัตนาธิเบศร์
(2) เปลี4ยนอัตราการเข้ารหัสสัญญาณเพื4อป้องกันการรับส่ง สัญญาณผิดพลาด หรือ FEC (Forward Error Correction) สัญญาณดิจิตัลที4จะส่งขึ>นดาวเทียมหลายล้านบิทต่อวินาทีจะ ถูกแบ่งเป็นบล๊อคๆหรือเป็นส่วนๆ แต่ละส่วนจะถูกใส่หรือ เพิ4มรหัสเพื4อป้องกันการผิดพลาดเข้าไป อัตราการเข้ารหัส ขึ>นอยู่กับความสําคัญของข้อมูลที4จะส่งผ่านดาวเทียม เช่นอัตรา การเข้ารหัสมีค่า 3/4 หรือ 7/8
(3) ลดอัตราความเร็วในการส่งข้อมูล (transmission rate) ผ่านดาวเทียม
(4) ใช้ระบบ site diversity เข้าช่วย คือตั>งสถานีรับ 2 สถานี
อยู่ห่างกันมากกว่า 50 กิโลเมตร ถ้าสถานีหนึ4งมีฝนตก อีก สถานีฝนอาจไม่ตก ก็ใช้รับสัญญาณจากสถานีที4ฝนไม่ตก แต่
ระบบนี>ค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง ใช้กับกรณีที4ใช้ย่านความถี4 Ka ที4 การลดทอนสัญญาณที4เกิดจากฝนตกมีค่อนข้างสูง
3. ชันบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
3.1 คุณสมบัติทัวไปของชันบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
ชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์เป็นชั>นบรรยากาศที4อยู่
สูงจากพื>นโลกขึ>นไปประมาณ 50 – 1,000 กิโลเมตร แบ่งเป็น ชั>นย่อยๆได้ 3 ชั>น คือชั>น D ชั>น E และชั>น F ชั>นบรรยากาศ ไอโอโนสเฟียร์นี>เมื4อได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสี
คอสมิคจากดวงอาทิตย์ โมเลกุลของออกซิเจนเกิดการแตก ตัว เ ป็ น อิ อ อ น บ ว ก แ ล ะ อิ เ ล็ ค ต ร อ น อิ ส ร ะ จํา น ว น ม า ก อิเล็คตรอนอิสระเหล่านี>เคลื4อนที4และเปลี4ยนแปลงปริมาณและ ความหนาแน่นอยู่ตลอดเวลา กลางวัน กลางคืน แต่ละวัน แต่
ละเดือน แต่ละปี มีการเปลี4ยนแปลงไม่เท่ากัน ขึ>นอยู่กับการ ระเบิดปะทุที4ผิวดวงอาทิตย์ดังแสดงในรูปที4 จุดดับบนดวง อาทิตย์ก็คือตําแหน่งที4มีการระเบิดปะทุเกิดขึ>น เปลวสุริยะที4 ส่งผลมากระทบชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ที4ห่อหุ้มโลกอยู่
วารสารวิชาการปทุมวัน ปที่ 2 ฉบับที่ 4 พฤษภาคม - สิงหาคม 2555
คือการระเบิดปะทุมากที4สุด หลังจากปีนี>การระเบิดปะทุก็จะ เริ4มลดน้อยลง จนน้อยสุดในอีก 5 ปี และค่อยๆเพิ4มขึ>น จนมาก สุดอีกครั>งในปีพ.ศ. 2566 โดยวัฏจักรสุริยะ 1 รอบมีระยะเวลา 11 ปี
รูปที4 8 การระเบิดปะทุที4ผิวของดวงอาทิตย์และเปลวสุริยะที4 กระจายออกมา รูปขวามือมีแผ่นวงแหวนบังไว้ให้เห็นเปลว[2]
เปลวสุริยะจะส่งผลมากระทบกับสนามแม่เหล็กโลก และจะทําให้โมเลกุลออกซิเจนในชั>นบรรยากาศบริเวณเหนือ เส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กมีการไอโอไนซ์และความหนาแน่น อิเ ล็ค ตร อ น แป ร ป รวน ม าก ก ว่าบริเ วณอื4น จึง เ ป็ นเ รื4องที4 น่าสนใจที4จะศึกษาการเปลี4ยนแปลงของชั>นบรรยากาศไอโอ โนสเฟียร์บริเวณเหนือเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก เส้นศูนย์สูตร แม่เหล็กจะเลี>ยวเบนไม่เป็นเส้นตรงเหมือนกับเส้นศูนย์สูตร ทางภูมิศาสตร์
รูปที4 9 แนวเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กผ่านบริเวณจังหวัดชุมพร[3]
ตามรูปที4 จะเห็นว่าเส้นศูนย์สูตรภูมิศาสตร์พาด ผ่านประเทศสิงคโปร์ ขณะที4เส้นศูนย์สูตรแม่เหล็กพาดผ่าน
บริเวณจังหวัดชุมพรและไม่เป็นเส้นตรง เนื4องจากแกน แม่เหล็กโลกเลื4อนไปจากแกนหมุนของโลกเป็นมุมประมาณ 12 องศา ได้มีการศึกษาคุณสมบัติและการเป ลี4ยนแปลงของ ชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์เหนือเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก บริเวณจังหวัดชุมพร โดยชั>นบรรยากาศเหนือเส้นศูนย์สูตร แม่เหล็กเมื4อรับรังสีจากดวงอาทิตย์จะเกิดการไอโอไนซ์มี
อิเล็คตรอนอิสระเกิดขึ>นจํานวนมาก กลุ่มอิเล็คตรอนเหล่านี>จะ ค่อยๆลอยตัวสูงขึ>นแล้วเคลื4อนตัวไปทางทิศเหนือและทิศใต้
โดยอุปกรณ์ได้ติดตั>งที4วิทยาเขตชุมพรของสถาบันเทคโนโลยี
พระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ดังรูปที4 Q สายอากาศ ส่งและรับถูกติดตั>งบนเสาที4มีความสูง 27 เมตร ส่งคลื4นขึ>นไป กระทบชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ คลื4นที4สะท้อนกลับลงมา จะถูกตรวจวัดและบันทึกในคอมพิวเตอร์เพื4อการวิเคราะห์หา ค ว า ม สู ง ค ว า ม ถี4 วิ ก ฤ ต แ ล ะ คุ ณ ส ม บัติ ทั4ว ๆ ไ ป ข อ ง ชั>น บรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ อุปกรณ์ตรวจวัดแบบนี>ยังได้ติดตั>ง ที4มหาวิทยาลัยเชียงใหม่และที4 Koto Tabang ประเทศ อินโดนีเซีย เพื4อศึกษาเปรียบเทียบคุณสมบัติการเปลี4ยนแปลง ของชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
รูปที4 10 อุปกรณ์ตรวจวัดชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ที4ชุมพร
เครื4องส่งจะส่งความถี4แบบต่อเนื4องตั>งแต่ 2 MHz ถึง 30 MHz โดยเริ4มตั>งแต่ 2 MHz และเพิ4มในอัตรา 100 kHz ต่อ วินาที ไปจนถึง 30 MHz ในหนึ4งรอบใช้เวลา 5 นาที แล้วเริ4ม ใหม่ แต่ละความถี4มีความยาวคลื4นและดัชนีหักเหแตกต่างกัน ความถี4ย่านตํ4าๆ จะสะท้อนชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์กลับ ลงมายังสายอากาศรับ แต่ความถี4ที4เลยความถี4วิกฤตจะทะลุชั>น
Pathumwan Academic Journal Vol. 4, May - August 2012
บรรยากาศขึ>นไป เครื4องคอมพิวเตอร์ในเครื4องรับจะเก็บข้อมูล และวิเคราะห์ข้อมูลเพื4อให้รู้ค่าความสูงและความถี4วิกฤตของ ชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ โดยเก็บข้อมูลทุก 15 นาที
รูปที4 11 ไอโอโนแกรมที4แสดงความสูงและความถี4วิกฤตของ
ชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
จากรูปที4 11ไอโอโนแกรมที4ได้สามารถหาความสูง และความถี4วิกฤตโดยดูจากเส้นโค้งที4อยู่ด้านซ้ายล่าง ถ้าเลื4อน ไม้บรรทัดที4วางแนวนอนขึ>นไปแตะด้านล่างของเส้นโค้งก็จะรู้
ความสูงของชั>นไอโอโนสเฟียร์ ถ้าเลื4อนไม้บรรทัดแนวตั>ง เลื4อนจากขวามาซ้ายมือจนแตะเส้นโค้งก็จะรู้ความถี4วิกฤต ส่วนที4เห็นเป็นแถบเส้นตรงในแนวตั>งหลายๆเส้นคือสัญญาณ รบกวนที4มาจากคลื4นวิทยุที4ใช้อยู่บริเวณใกล้เคียง
จากการเก็บและวิเคราะห์ข้อมูลตั>งแต่เดือนมกราคม 2547 ถึงธันวาคม 2549 พบว่าชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์จะ เลื4อนตํ4าลงตั>งแต่เวลา 6.00 น. โดยตํ4าสุดในช่วงเวลา 10.00 - 14.00 น. ความสูงเปลี4ยนแปลงอยู่ระหว่าง 170 - 210 กม.
จากนั>นจะเลื4อนสูงขึ>นจนมีระดับสูงสุดในช่วงเวลา 20.00 น.
ความสูงเปลี4ยนแปลงอยู่ระหว่าง 220 - 310 กม. ดังตัวอย่างใน รูปที4 Q\ ในเดือนเมษายนและเดือนกันยายนจะสูงกว่าเดือน อื4นๆ เนื4องจากเป็นเดือน equinox ที4มีช่วงเวลากลางวันเท่ากับ เวลากลางคืน ดวงอาทิตย์อยู่เหนือศีรษะและมีอิทธิพลต่อชั>น บรรยากาศมากกว่าเดือนอื4น
รูปที4 13 ตัวอย่างค่าความถี4วิกฤตเฉลี4ยเดือนมกราคม-มิถุนายน พ.ศ. 2547 ของชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ [4]
ส่วนการเปลี4ยนแปลงค่าความถี4วิกฤต จะสัมพันธ์กับ การเปลี4ยนแปลงค่าปริมาณอิเลคตรอนในชั>นบรรยากาศไอโอ โนสเฟียร์ ความถี4วิกฤตจะมีค่าเพิ4มสูงขึ>นในช่วงเวลา 6.00 - 9.00 น. จากนั>นจะมีค่าลดลงในช่วงเวลา 10.00 - 13.00 น และ
วารสารวิชาการปทุมวัน ปที่ 2 ฉบับที่ 4 พฤษภาคม - สิงหาคม 2555
การรู้ความสูงและความถี4วิกฤตของชั>นบรรยากาศ ไอโอโนสเฟียร์ ทําให้เราสามารถใช้ความถี4ให้เหมาะสมกับ ช่วงเวลานั>นๆได้
3.2 ชันบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ทีมีผลต่อสัญญาณดาวเทียม สัญญาณจากดาวเทียมเวลาผ่านชั>นบรรยากาศไอโอ โนสเฟียร์ ซึ4งปริมาณและความหนาแน่นของอิเลคตรอนในชั>น บรรยากาศชั>นนี>มีการเปลี4ยนแปลง ทําให้คลื4นเกิดการหักเห
เครื4องรับที4ภาคพื>นดินจะรับทั>งคลื4นตรงและคลื4นที4ถูกหักเห สัญญาณดาวเทียม ที4 รับได้บ าง ข ณะ เ วลา จ ะ มีแอมพลิจู ด
เปลี4ยนแปลงขึ>นลงอย่างกระทันหัน เรียกปรากฏการณ์นี>ว่า scintillation ดังรูปที4 Q เนื4องจากเกิดการเสริมหรือหักล้างของ คลื4นตรงและคลื4นที4ถูกหักเห ปรากฏการณ์นี>จะเกิดมากในย่าน ความถี4 L และย่าน VHF มีผลทําให้สัญญาณที4รับได้เกิดปัญหา ในช่วงเวลาที4เกิด scintillation เช่นภาพถ่ายภูมิอากาศที4ส่งลงมา จากดาวเทียมไม่ชัดเจน การระบุตําแหน่งของระบบ GPS เกิด คลาดเคลื4อนผิดจากตําแหน่งที4ควรจะเป็น ความรุนแรงของการ เปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดอย่างกระทันหันแสดงได้โดยใช้ ดัชนี
S4 เป็นตัวกําหนด ถ้าดัชนี S4 มีค่ามาก แสดงถึงเกิดการ เปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดอย่างกระทันหันมาก
(2)
โดยที4 A = ระดับสัญญาณที4ถูกสุ่มด้วยความถี4 50 เฮิรตซ์
= ค่าเฉลี4ยของพารามิเตอร์ในช่วงเวลา 1 นาที
เ พื4 อ ศึ ก ษ า ดู ก า ร เ ป ลี4 ย น แ ป ล ง แ อ ม พ ลิ จู ด อ ย่ า ง กระทันหันของสัญญาณดาวเทียม ได้ทําการติดตั>งอุปกรณ์ดัง ในรูปที4 Q] เพื4อรับสัญญาณจากดาวเทียม GPS ความถี4 1575.42 MHz เพื4อวัดระดับความรุนแรงและคุณลักษณะทางสถิติของ ปรากฏการณ์การเปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดอย่างกระทันหันของ สัญญาณดาวเทียมในย่านความถี4 L ที4ผ่านชั>นบรรยากาศลงมา แล้วประมวลผลหาค่า S4 index พบว่าการเกิด scintillation จะ
เกิดมากในช่วงเวลากลางคืน เกิดรุนแรงที4สุดในช่วงเวลา 21.00 – 23.00 น. ดังรูปที4 Qy
รูปที4 14 สัญญาณดาวเทียมผ่านชั>นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
แล้วเกิดการเปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดขึ>นลงอย่างกระทันหัน [5]
รูปที4 15 อุปกรณ์วัดสัญญาณเพื4อดูการเปลี4ยนแปลงแอมพลิจูด อย่างกระทันหันในย่านความถี4 L จากดาวเทียม GPS
รูปที416 ค่าดัชนี S4 จะมีค่ามากในปีที4เกิดระเบิดประทุที4ผิวของ ดวงอาทิตย์มากตามวัฏจักรสุริยะ
2 2
4 2
A A
S
A
Pathumwan Academic Journal Vol. 4, May - August 2012
รูปที4 17 ขณะเกิด scintillation ทําให้การระบุตําแหน่งในระบบ ดาวเทียม GPS ผิดพลาด (หน่วยเป็นเมตร)
รูปที4 18 ขณะเกิดการเปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดอย่างกระทันหัน ทําให้ภาพถ่ายที4ส่งมาจากดาวเทียม เป็นแถบเส้นตามลูกศรชี> [5]
4. สรุป
ชั>นบร รยา กาศ โทร โพสเ ฟียร์ มีผ ล ต่อสัญญาณ ดาวเทียมที4ใช้ความถี4สูงกว่า 10 กิกะเฮิรตซ์ขึ>นไป เวลาฝนตก สัญญาณจะถูกลดทอน ยิ4งความถี4สูงมากการลดทอนก็จะมาก นอกจากนี>ถ้ามุมเงยของจานสายอากาศตํ4า ช่วงที4คลื4นเดิน ทางผ่านฝนจะยาวไกล การลดทอนจะมากขึ>นด้วย ส่วนชั>น บรรยากาศไอโอโนสเฟียร์จะมีผลต่อสัญญาณดาวเทียมที4มี
ความถี4ที4ตํ4ากว่า 4 กิกะเฮิรตซ์ลงมา โดยมีผลในรูปของการเกิด การเปลี4ยนแปลงแอมพลิจูดของสัญญาณอย่างกระทันหัน ทํา ให้สัญญาณที4รับได้เกิดการผิดพลาด
5. กิตติกรรมประกาศ
ขอขอบคุณ National Institute of Information and
เอกสารอ้างอิง
[1] อรรถสิทธิ เดชสงค์ “การศึกษาการลดทอนสัญญาณ ดาวเทียมไทยคม 3 เนื4องจากฝนในย่านความถี4เคยู”
วิท ย านิ พนธ์วิศวกร รมศ าสตรมหาบัณฑิต สถาบัน เทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง, 2549.
[2] NASA/Goddard Space Flight Center. “SOHO”
sohowww.nascom.nasa.gov.
[3] Tadanori Ondoh and Katsuhide Marubashi eds. Science of Space Environment. Ohm sha, 2001, pp. 92.
[4] R. Attaviriyasuwon, N. Leelaruji, N. Hemmakorn and T. Boonchuck “Observation of Ionospheric Height Changes at Chumphon near the Magnetic Equator”
Information, Communication and Signal Processing (ICICS), December 6-9, 2005, Bangkok, Thailand, pp.
1169-1172.
[5] Takashi Maruyama, et al, “Equatorial Ionosphere/
Thermosphere Dynamics as Deduced from SEALION”
International South-East Asia Low Latitude Ionospheric Observation Network Symposium, January 27-28, 2011, Bangkok, Thailand.
ประวัติผู้เขียนบทความ
รองศาสตราจารย์ ณรงค์ เหมกรณ์ สําเร็จ การศึกษาระดับปริญญาตรีและปริญญา โท จาก Tokai University ประเทศญี4ปุ่น ในปี 2511 และ 2516 ตามลําดับ เกษียณ ร า ช ก า ร จ า ก ค ณ ะ วิ ศ ว ก ร ร ม ศ า ส ต ร์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง งานวิจัยทีสนใจ การสื4อสารผ่านดาวเทียม ชั>นบรรยากาศ ไอโอโนสเฟียร์และโทรโพสเฟียร์ที4มีผลต่อสัญญาณดาวเทียม
