การสื่อสารผ่านดาวเทียม

การสื่อสารผ่านดาวเทียม

หลักการของดาวเทียมมาจากหลักการของฟิสิกส์หรือกฎของเคปเลอร์ที่ว่า คาบของดาวที่โคจรอยู่รอบโลกจะแปรตามยกกำลัง 3/2 ของรัศมี ดาวที่ใกล้โลกมากจะมีคาบประมาณ 90 นาที แต่ไม่มีประโยชน์ที่ว่าจะนำมาทำดาวเทียมเพราะว่า เมื่อมองจากพื้นดินจะเห็นดาวเทียมเป็นระยะเวลาสั้น ๆ เท่านั้น แต่ที่ระยะประมาณ 36000 Km เหนือเส้นศูนย์สูตร คาบของดาวเทียมจะเป็น 24 ชั่วโมงทำให้เสมือนอยู่นิ่งเมื่อมองจากพื้นโลกตลอดเวลา

บนท้องฟ้าดาวเทียมจะอยู่ห่างกันประมาณ 4 องศาตามมุม 360 องศาของเส้นศูนย์สูตร ถ้าหากดาวเทียมอยู่ใกล้มากกว่านี้จะทำให้สัญญาณที่ขึ้นมาจากพื้นดินรบกวนดาวเทียมตัวข้าง ๆ ที่อยู่ถัดไปด้วย ฉะนั้นถ้าคิดง่าย ๆ จำนวนดาวเทียมที่มีอยู่ได้รอบโลกจะเท่ากับ 360/4 = 90 ดวงเท่านั้น และถ้าหากเป็นดาวเทียมสำหรับทีวีด้วยแล้วละก็จะต้องห่างกันถึง 8 องศา เนื่องจากกำลังส่งจะสูงกว่าดาวเทียมธรรมดา อย่างไรก็ตามดาวเทียมแต่ละดวงสามารถใช้ความถี่คนละย่านทำให้สามารถส่งข้อมูลหลาย ๆ ชุด พร้อม ๆ กันได้

เพื่อเป็นการป้องกันการแก่งแย่งความถี่และตำแหน่งบนท้องฟ้า จึงได้มีการกำหนดข้อตกลงระหว่างชาติขึ้นว่าใครบ้างที่จะได้ใช้ความถี่ใดและตำแหน่งใด ช่วงความถี่ 3.7-4.2 GHz และ 5.925-6.425 GHz ได้ถูกกำหนดสำหรับการสื่อสารดาวเทียม หรือมีการเรียกย่อ ๆ กันว่า 4/6 GHz หมายถึง ความถี่ขึ้นมีค่าอยู่ในช่วง 6 HGz และความถี่ลงอยู่ในช่วง 4 GHz อย่างไรก็ตามความถี่ช่วงนี้ก็หนาแน่นมากเพราะถูกใช้โดยไมโครเวฟของบริษัทสื่อสารอยู่แล้ว

ความถี่ช่วงที่สูงกว่านี้ก็คือ 12/14 GHz ทำให้ดาวเทียมสามารถวางอยู่ใกล้กันได้ถึง 1 องศา แต่มีปัญหาที่ตามมาก็คือ ความถี่ช่วงนี้ถูกลดทอนได้สูงด้วยฝนและพายุได้ง่าย ทางแก้ที่เป็นไปได้ก็คือตามหลักความจริงที่ว่าพายุหรือฝนมักจะเกิดเป็นหย่อม ๆ ถ้าหากตั้งจานรับเอาไว้กระจายไปทั่ว ( และต่อถึงกันด้วยสายเคเบิล) เมื่อมีฝนที่ใดที่หนึ่ง ก็ใช้สถานีพื้นดินที่บริเวณอื่นที่ไม่มีฝนตกรับแทนได้

ดาวเทียมทั่วไปจะแบ่งแถบกว้างความถี่ขนาด 500 MHz ออกเป็นทรานส์ปอนด์เดอร์ แต่ละทรานส์ปอนด์เดอร์มีแถบกว้างความถี่ 36 MHz แต่ละทรานส์ปอนด์เดอร์อาจจะใช้ส่งข้อมูลขนาด 50 Mbps เพียงชุดเดียว หรือส่งขนาด 64 Kbps จำนวน 800 ชุดหรือจะรวมในลักษณะอื่นก็ได้ และแต่ละทรานส์หอนด์เดอร์สามารถใช้การส่งแบบคนละขั้วคลื่น ( polarize) ได้ทำให้ 2 ทรานส์ปอนด์เดอร์สามารถใช้ความถี่เดียวกันโดยไม่มีการรบกวนกันได้ ในดาวเทียมยุคแรก ๆ การแบ่งแถบกว้างความถี่ของทรานส์ปอนด์เดอร์ออกเป็นช่อง ๆ นั้นทำแบบตายตัว (static) ที่ความถี่เดียว แต่ในปัจจุบันช่องแต่ละช่องจะถูกแบ่งออกตามเวลา เช่นช่อแรกสำหรับสถานีแรก ช่องที่สองสำหรับสถานีที่สอง และต่อ ๆ ไป การทำแบบนี้ช่วยให้การจัดการอ่อนตัวต่อการเปลี่ยนแปลงได้ง่าย มีชื่อเรียกว่า time-division multiplex

ดาวเทียมดวงแรกนั้นมีลำคลื่นจากอวกาศลำเดียวครอบคลุมสถานีพื้นดินทั้งหมด และเมื่อเวลาผ่านไปราคาของอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ , ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ และขนาดได้ลดลง จนปัจจุบันสามารถที่จะใช้ทำให้ดาวเทียมมีความซับซ้อนมากขึ้น แต่ละดาวเทียมอาจจุมีสายอากาศหลาย ๆ จานและมีทรานส์ปอนด์เดอร์หลาย ๆ ตัว แต่ละลำคลื่นที่ส่งลงมาสามารถที่จะเจาะจงลงไปยังบริเวณใด ๆ ที่ต้องการและสามารถใช้ลำคลื่นหลาย ๆ ลำขณะส่งขึ้นหรือส่งลงพร้อม ๆ กันได้ บริเวณที่ลำคลื่นเล็งไปนั้นเรียกว่า ลำคลื่นเป็นจุด ( spot beam) ซึ่งบริเวณที่เล็งอาจจะมีเส้นผ่าศูนย์กลางไม่กี่ร้อยกิโลเมตรได้

การสื่อสารผ่านดาวเทียมมีคุณลักษณะหลายอย่างต่างจากการสื่อสารผ่านตัวกลางบนพื้นดิน เช่น การหน่วงของเวลา ( delay time) เนื่องจากระยะทาง โดยปกติสัญญาณจากดาวเทียมจะถูกหน่วงจากต้นทางถึงปลายทางประมาณ 250-300 มิลลิวินาที ( ถึงแม้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเดินทาง &"3652; ด้เร็วเท่ากับแสงหรือ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาทีก็ตาม) ถ้าเทียบกับไมโครเวฟแล้วจะมีค่าเพียง 3 ไมโครวินาที/กิโลเมตร หรือถ้าเป็นโคแอกเชียลก็จะมีค่า 5 ไมโครวินที/กิโลเมตรเท่านั้น ( คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางในอากาศได้เร็วกว่าเดินทางในสายทองแดง)

แต่โดยอีกนัยหนึ่งถ้าคำนึงถึงแถบกว้างความถี่และอัตราการเกิดผิดพลาด ( error rate) ของข้อมูลด้วยแล้วการหน่วงเวลาของสัญญาณอาจจะไม่ใช่จุดสำคัญก็ได้ เช่น เวลาที่ใช้ในการส่งข้อมูล x กิโลไบท์ผ่านสายขนาดความเร็ว 9600 bps คือ x/19.6 วินาที แต่ถ้าส่งผ่านดาวเทียมที่มีความเร็วการส่งข้อมูล 5 Mbps แล้วจะใช้เวลา x/5000+0.270 วินาที (รวม 0.27 วินาทีสำหรับเวลาที่หน่วงในอากาศ) สำหรับข้อมูลมากกว่า 2.6 Kbps แล้วดาวเทียมจะเร็วกว่า และถ้าหากว่านับเวลาที่เสียไปเนื่องจากการส่งใหม่ (เมื่อมีการส่งข้อมูลผิดพลาด จะมีการส่งข้อมูลชุดนั้นมาใหม่ ทำให้เวลาที่ใช้ส่งข้อมูลจนครบเท่าที่ต้องการเพิ่มขึ้นไปด้วย) ดาวเทียมก็จะได้เปรียบมากกว่าเพราะว่าดาวเทียมมีอัตราส่งข้อมูลผิดพลาดต่ำกว่ามากนั่นเอง

นอกจากนั้นค่าเวลาที่หน่วงที่เสียไปไม่ขึ้นกับระยะทาง เช่น การส่งข้อมูลระหว่างเครื่องรับและเครื่องส่งที่อยู่คนละฟากของมหาสมุทรก็จะใช้เวลาเท่ากับส่งระหว่างที่อยู่ตรงข้ามถนน ทำให้การคิดราคาค่าส่งข้อมูลไม่ขึ้นอยู่กับระยะทางไปด้วย

จุดอื่นที่ต่างกันอีกก็คือการสื่อสารผ่านสายเช่า สามารถส่งข้อมูลได้เร็วสุดเพียง 56 Kbps เท่านั้น (ถึงแม้ว่าจะมีสายขนาดความเร็ว 1.544 Mbps ให้ใช้ ถ้าหากว่าสามารถจ่ายค่าเช่าไหวให้ใช้ในบางพื้นที่ก็ตาม) แต่การส่งจากจานสายอากาศบนหลังคาไปยังอีกฝ่ายที่มีจานอากาศอยู่บนหลังคาผ่านดาวเทียมนั้น สามารถทำได้เร็วกว่าถึง 1000 เท่า และสำหรับการส่งข้อมูลของคอมพิวเตอร์แล้วละก็การส่งข้อมูลปริมาณมาก ในช่วงเวลาสั้น ๆ นั้นเป็นที่ต้องการมากกว่าใช้เวลานาน ๆ เช่น การส่งข้อมูลในม้วนเทปผ่านสายโทรศัพท์ที่มีความเร็ว 56 Kbps ใช้เวลา 7 ชั่วโมง แต่ถ้าผ่านดาวเทียมจะใช้เวลา 30 วินาที เท่านั้น

คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกอย่างของดาวเทียมก็คือว่าเป็นการส่งข้อมูลแบบกระจายไปทุกที่ (broadcast) ทุก ๆ สถานีพื้นดินที่อยู่ภายใต้รัศมีลำคลื่นสามารถที่จะรับสัญญาณได้หมด รวมทั้งสถานีเถื่อนด้วย และบริษัทสื่อสารเองก็ไม่มีทางรู้ด้วยดังนั้นจึงต้องมีการเข้ารหัสข้อมูลเพื่อความปลอดภัย

นอกจากใช้ดาวเทียมสำหรับส่งข้อมูลคอมพิวเตอร์แล้ว ยังสามารถใช้ส่งสัญญาณโทรทัศน์ตรงไปยังบ้านได้ด้วย

หากจะเปรียบเทียบดาวเทียมกับเส้นใยแก้วแล้ว โดยหลักการณ์แล้วเส้นใยแก้วเพียงเส้นเดียวนั้นมีแถบกว้างความถี่มากกว่าดาวเทียมทั้งหลายที่ได้เคยส่งขึ้นไปทั้งหมด แต่แถบกว้างความถี่เหล่านี้ไม่สามารถไปถึงผู้ใช้งานรายย่อยได้โดยตรงปกติเส้นใยแก้วจะใช้สำหรับเป็นตัวเชื่อมระหว่างชุมสายโทรศัพท์ที่ทางไกลเข้าหากันผู้ใช้งานไม่สามารถใช้ประโยชน์ของแถบกว้างความถี่ที่มากมาย ๆ ของเส้นใยแก้วได้อย่างเต็มที่ เพราะถ้าหากส่งข้อมูลผ่านสายโทรศัพท์ ความเร็วสูงสุดก็จะได้เพียง 9600 bps เท่านั้นไม่ว่าสายที่ส่งระหว่างชุมสายจะมีความเร็วเท่าใดก็ตาม ต่างกับการผ่านดาวเทียมซึ่งสามารถใช้ความเร็วสูงสุดได้ แต่ถ้าเมื่อใดก็ตามที่มีการวางเครือข่ายเส้นใยแก้วเข้าไปตามบ้านได้อย่างทั่วถึงแล้วละก็ ตรงจุดนั้นเส้นใยแก้วจะได้เปรียบกว่าอย่างแน่นอน เว้นเสียแต่ว่าต้องการลักษณะพิเศษเช่นการกระจาย ( broadcast) เช่นทีวีซึ่งจะทำได้ยากถ้าหากเป็นเส้นใยแก้ว

ประเทศไทยเริ่มใช้ดาวเทียมสื่อสารครั้งแรกตั้งแต่ปี พ.ศ. 2510 การสื่อสารแห่งประเทศไทยตั้งสถานีภาคพื้นดินที่อำเภอศรีราชา ชลบุรี โดยเช่าช่องสัญญาณจำนวน 13 ช่องสัญญาณ เพื่อติดต่อสื่อสารระหว่างประเทศดาวเทียมที่ใช้ในยุคแรกเป็นของบริษัท ยูอาร์ซีเอ ซึ่งเป็นดาวเทียมทางทหารของสหรัฐอเมริกา
                จานรับสัญญาณดาวเทียมที่สถานีภาคพื้นดินมีขนาดใหญ่มาก เช่น จานรับสัญญาณดาวเทียมอิเทลแซด ที่ศรีราชามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 97 ฟุต สามารถสื่อสารข้ามมหาสมุทรแปซิฟิก และมหาสมุทรอินเดีย
                  ใน พ.ศ. 2522 สถานีโทรทัศน์ในประเทศไทยมีการขยายเครือข่ายทั่วประเทศ ในการนี้มีการเช่าช่องสัญญาณจากดาวเทียมปาลาปาของอินโดนีเซีย ทำให้ระบบการถ่ายสัญญาณโทรทัศน์ของประเทศไทยกระจายไปยังเมืองใหญ่ ๆ ได้ทั่วประเทศ จานรับสัญญาณดาวเทียมปาลาปามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-3 เมตร ซึ่งนับว่าเป็นจานขนาดใหญ่พอสมควร การถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมทำได้ง่ายเพราะไม่ต้องเสียเวลาเดินสายหรือเชื่อมโยงด้วยไมโครเวฟ
                  ดาวเทียมสื่อสารที่ใช้งานต้องมีลักษณะพิเศษคือ เป็นดาวเทียมค้างฟ้า ซึ่งผิดจากดาวเทียมจารกรรมทางทหาร ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรที่ประเทศมหาอำนาจส่งขึ้นไป ดาวเทียมเหล่านั้นจะเคลื่อนที่โคจรรอบโลกผ่านทุกส่วนของพื้นผิวโลก โดยจะกลับมาที่เดิมในระยะเวลาประมาณ 9-11 วัน
                  ดาวเทียมค้างฟ้า เป็นดาวเทียมที่ต้องอยู่บริเวณเหนือเส้นศูนย์สูตรและโคจรรอบโลก 1 รอบ ใน 1 วัน พอดีกับเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเอง ระดับความสูงและความเร็วการโคจรต้องเหมาะสม ดาวเทียมค้างฟ้าที่ใช้ในการสื่อสารอยู่ที่ระดับความสูง 42,184.2 กิโลเมตร
                บริษัทชั้นนำในด้านการข่าว เช่น ซีเอ็นเอ็น จะมีดาวเทียมของตนเองทำให้สามารถส่งข่าวสารหรือรับข่าวสารได้ตลอดเวลาจากทั่วโลก ผู้รับสัญญาณโทรทัศน์ ซีเอ็นเอ็น ต้องมีจานรับสัญญาณจึงจะรับได้ และต้องปรับทิศให้ตรงกับตำแหน่งดาวเทียม เพื่อให้ดาวเทียมแพร่สัญญาณได้ทุกพื้นที่ในโลกจะต้องมีดาวเทียมหลายดวงรอบโลก สัญญาณจะครอบคลุมทั่วโลกได้ต้องใช้ดาวเทียมอย่างน้อยสามดวง
                  ในช่วงปลาย พ.ศ. 2536 บริษัทชินวัตรได้รับอนุมัติจากรัฐบาลไทยให้ส่งดาวเทียมสื่อสารของไทยขึ้นเป็นดาวดวงแรกมีชื่อว่า ไทยคม การสื่อสารของไทยจึงก้าวหน้าและสามารถตอบสนองความต้องการของผู้ใช้มากขึ้น
                  ดาวเทียมไทยคมอยู่ในตำแหน่งเส้นแวงที่ 101 องศาตะวันออก เหนือเส้นศูนย์สูตรบริเวณอ่าวไทยค่อนไปทางใต้ ใช้สัญญาณพาหะในย่านความถี่ 4 , 10 และ 12 จิกะเฮิรทซ์ บริษัทผู้ผลิตดาวเทียมคือ บริษัทฮิวส์แอโรคราปของประเทศสหรัฐอเมริกา และส่งขึ้นวงโคจรด้วยจรวดของบริษัทเอเรียนสเปสของประเทศฝรั่งเศส
                  ข้อได้เปรียบของดาวเทียมไทยคมคือ อยู่ตรงประเทศไทยทำให้จานรับสัญญาณมีขนาดเล็กลงเหลือเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 50 เซนติเมตร ดาวเทียมไทยคมครอบคลุมพื้นที่ประเทศไทย และเพื่อนบ้านไว้ ดาวเทียมตัวนี้มีอายุประมาณ 15 ปี
                  การสื่อสารผ่านดาวเทียมในประเทศไทยจึงเป็นอีกก้าวหนึ่งที่ทำให้ประเทศไทยมีทางเลือกของการสื่อสารมากขึ้น การรับรู้ข้อมูลข่าวสารจะทำได้เร็วขึ้น การส่งสัญญาณผ่านดาวเทียมเป็นหนทางหนึ่งที่จะส่งไปยังพื้นที่ใด ๆ ก็ได้ในประเทศ แม้จะอยู่ในป่าเขาหรือมีสิ่งกีดขวางทางภาคพื้นดิน
                  ดังนั้น การกระจายข่าวสารในอนาคตจะมีบทบาทเพิ่มขึ้น การใช้ข้อมูลข่าวสารจะเจริญเติบโตไปพร้อมกับความต้องการหรือการกระจายตัวของระบบสื่อสาร

ปัจจุบันประเทศไทยมีดาวเทียมไทยคมลอยอยู่เหนือประเทศ ดาวเทียมไทยคมนี้ใช้ประโยชน์ทางด้านการสื่อสารของประเทศได้มาก
เพราะเป็นการให้บริการสื่อสารของประเทศในรูปแบบต่างๆ ตั้งแต่การรับส่งสัญญาณโทรทัศน์ สัญญาณจากวิทยุ สัญญาณข้อมูลข่าวสารต่างๆ