ปรากฏการณ์ Doppler กับการไขปริศนาเส้นทางช่วงสุดท้ายของเที่ยวบิน MH370

ระบบ INMARSAT เป็นระบบสื่อสารข้อมูลและเสียงผ่านดาวเทียมที่มีพื้นที่ให้บริการเกือบทั่วโลก (ภาพจาก BBC)

ช่วงนี้กำลังเป็นข่าวฮือฮาเรื่องการที่บริษัท INMARSAT ใช้เทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูลดาวเทียมอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน (“groundbreaking technique”) เพื่อช่วยในการสรุปว่าเครื่องบินโดยสารสายการบินมาเลเซียเที่ยวบิน MH370 ใช้เส้นทางในมหาสมุทรอินเดียตอนใต้ และตกในทะเลบริเวณทิศตะวันตกของประเทศออสเตรเลีย โดยระบุว่าใช้สัญญาณ “Ping” จากระบบสื่อสารของเครื่องบินดังกล่าว ร่วมกับการสังเกตปรากฏการณ์ Doppler ในการกำหนดเส้นทางและตำบลที่ของเครื่องบินเมื่อสัญญาณขาดหายไป

ถึงแม้ว่าในข่าวทั่วไปจะไม่ได้ระบุรายละเอียดการคำนวณหาเส้นทางและตำบลที่ของเครื่องบินจากสัญญาณของระบบสื่อสาร แต่จากประสบการณ์และการวิเคราะห์ของผู้เขียน ทำให้คาดการณ์ได้ว่าวิธีการที่ใช้ไม่ได้เป็นเทคนิคใหม่แต่อย่างใด แต่เป็นการประยุกต์เทคนิคการหาตำบลที่ด้วยดาวเทียมแบบโบราณกว่า 50 ปีมาแล้ว ก่อนจะมีระบบ GPS ทั้งนี้การวิเคราะห์ในบทความนี้เป็นเพียงการคาดการณ์จากความรู้ฟิสิกส์ระดับมัธยมปลายกับข้อมูลประกอบในแหล่งข่าวเปิดทั่วไปเท่านั้น

ระบบ INMARSAT คืออะไร
ก่อนอื่นขอเริ่มด้วยการทำความรู้จักกับระบบ INMARSAT กันก่อน เดิมทีระบบ INMARSAT เป็นระบบสื่อสารดาวเทียมทางทะเล (International Maritime Satellite) เพื่อช่วยเพิ่มความปลอดภัยสำหรับการเดินเรือในทะเล และต่อมาได้ขยายขอบเขตเป็นระบบสื่อสารดาวเทียมทั่วไปสำหรับเรือ อากาศยาน และสถานีภาคพื้นแบบเคลื่อนที่ได้ โดยแบ่งออกเป็นระบบย่อยๆ ตามขีดความสามารถในการสื่อสาร  ปัจจุบันระบบ INMARSAT ให้บริการการสื่อสารผ่านดาวเทียมทั้งในรูปของโทรศัพท์ โทรสาร โทรพิมพ์ และการสื่อสารข้อมูล (voice, fax, telex และ data) มีพื้นที่ครอบคลุมเกือบทั่วโลก ยกเว้นบริเวณขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ นอกจากนี้ระบบ INMARSAT ยังเป็นส่วนหนึ่งของระบบการสื่อสารเพื่อการแจ้งเตือนภัยทางทะเล (Global Maritime Distress and Safety System – GMDSS) อีกด้วย

พื้นที่ครอบคลุมของระบบ INMARSAT (ภาพจาก Navtec)

สัญญาณ Ping ใช้หาเส้นทางเครื่องบินได้อย่างไร
ในยุคที่ระบบแสดงตำบลที่ด้วยดาวเทียมอย่างระบบ GPS มีใช้กันอย่างแพร่หลาย อาจทำให้เราเข้าใจผิดได้ว่าอะไรก็ตามที่สามารถติดต่อกับดาวเทียมได้ จะต้องสามารถแสดงตำบลที่บนโลกได้ด้วย (ขนาดโทรศัพท์มือถือยังทำได้เลย) แต่ความเป็นจริงไม่ได้ง่ายขนาดนั้น

การหาตำบลที่ด้วยดาวเทียมในระบบ GPS ใช้ต้องอาศัยระบบดาวเทียมจำนวนหลายสิบดวง และข้อมูลวงโคจรที่แม่นยำของดาวเทียมทุกดวง นอกจากนี้ยังต้องใช้สัญญาณเวลาที่ตรงกันทั้งระบบ โดยระบบ GPS ใช้การเปรียบเทียบความต่างของระยะเวลาที่ดาวเทียมแต่ละดวงในวงโคจรใช้ในการส่งสัญญาณมายังเครื่องรับ และคำนวณจากวงโคจรของระบบดาวเทียมย้อนกลับไปเป็นพิกัดของเครื่องรับสัญญาณ

แต่สัญญาณ Handshake Ping ของเครื่องมือสื่อสารดาวเทียม เป็นเพียงสัญญาณที่ใช้แสดงสถานะของเครื่องมือสื่อสารนั้นว่ายังมีตัวตนอยู่ และยังอยู่ในพื้นที่ครอบคลุมของดาวเทียมดวงใดดวงหนึ่งในระบบสื่อสารนั้น โดยจะมีเพียงข้อมูลแสดงตัวตน สถานะของเครื่อง และเวลา (time stamp) เท่านั้น ซึ่งสัญญาณดังกล่าวไม่มีแม้กระทั่งทิศทางของการส่งสัญญาณเนื่องจากเป็นการส่งสัญญาณในทุกทิศทาง (แบบเดียวกับที่เราใช้วิทยุฟังเพลงได้ แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าคลื่นวิทยุมาจากทิศทางไหน) ดังนั้นจึงไม่สามารถทำ triangulation จากสัญญาณ Ping ดังกล่าวได้

สิ่งเดียวที่จะบอกได้จากสัญญาณ Ping คือเวลาที่คลื่นวิทยุใช้เดินทางจากเครื่องส่งไปยังดาวเทียม (โดยดูจากเวลา time stamp) ซึ่งในกรณีของเที่ยวบิน MH370 จะให้ระยะทางจากเครื่องบินไปยังดาวเทียม Inmarsat-3 F1 ที่อยู่เหนือมหาสมุทรอินเดียบนเส้นลองจิจูด 64 องศาตะวันออก โดยไม่สามารถบอกทิศทางได้ ซึ่งจากข้อมูลระยะทางเพียงอย่างเดียวจะทำให้ได้วงระยะบนโลกที่ทุกจุดบนวงนั้นมีระยะถึงตัวดาวเทียมเท่ากัน (ลองนึกภาพเอากรวยครอบลงบนลูกบอลทรงกลม ซึ่งจะได้จุดตัดเป็นวงบนพื้นผิวทรงกลมที่มีระยะถึงยอดกรวยเท่ากัน) และเป็นที่มาของ flight corridor หรือเส้นทางการบินที่เป็นไปได้ 2 เส้นทาง คือเส้นทางโค้งขึ้นเหนือไปยังประเทศจีน และเส้นทางโค้งลงใต้ไปยังมหาสมุทรอินเดียตอนใต้

เส้นทางที่เป็นไปได้ 2 เส้นทาง จากระยะถึงดาวเทียม (ภาพจาก SBS)

ปรากฏการณ์ Doppler กับการหาตำบลที่
จากการที่ดาวเทียม INMARSAT ยังสามารถรับสัญญาณ Ping ของเที่ยวบิน MH370 ได้ทุกชั่วโมง เป็นเวลาถึง 7 ชม. หลังจากที่เครื่องบินหายไปจากเรดาร์ภาคพื้น ทำให้สามารถกำหนดวงระยะที่เปลี่ยนไปได้ 7 วง และจากการประมาณความเร็วเดินทางของเครื่องบินที่ประมาณ 450 – 500 นอต (ซึ่งเป็นความเร็วเดินทางปกติของเครื่อง Boeing 777) สามารถคำนวณระยะห่างที่เครื่องบินสามารถเดินทางได้ระหว่างจุดตัดระหว่างวงระยะในแต่ละ ชม. ซึ่งทำให้ได้เส้นทางการเคลื่อนที่ทั้งในวงระยะด้านเหนือและด้านใต้ แต่ก็ยังไม่สามารถแยกแยะได้ว่าเครื่องบินใช้เส้นทางไหนกันแน่

ตัวอย่างการคำนวณเส้นทางการบินจากระยะทางที่เครื่องบินเดินทางไปได้ 1 ชม. ระหว่างวงระยะแต่ละวง (ภาพจาก Business Insider)

อย่างไรก็ดี ข้อมูลอีกอย่างหนึ่งที่สามารถช่วยในการแยกแยะระหว่างเส้นทางตามวงระยะด้านเหนือกับเส้นทางตามวงระยะด้านใต้ คือการใช้ปรากฏการณ์ Doppler มาช่วย โดยปรากฏการณ์ Doppler คือการที่ความถี่ของคลื่นจะเปลี่ยนไปตามความเร็วสัมพันธ์ของผู้ส่งคลื่นกับผู้รับคลื่น ซึ่งหากเครื่องบินมีทิศทางเข้าหาตำแหน่งของดาวเทียม จะทำให้สัญญาณ Ping มีความถี่สูงขึ้น แต่ถ้าเครื่องบินมีทิศทางออกจากตำแหน่งของดาวเทียม จะทำให้ความถี่ของสัญญาณ Ping ลดลง และอัตราการเปลี่ยนแปลงความถี่จะขึ้นอยู่กับความเร็วเข้าหาหรือออกห่างของเครื่องบิน โดยบริษัท INMARSAT ได้จำลองการเคลื่อนที่ของเครื่องบินในเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้ง 2 เส้นทาง และเปรียบเทียบความถี่ของสัญญาณ Ping จากแบบจำลองการเคลื่อนที่ กับความถี่ของสัญญาณที่ได้รับจริง ซึ่งผลออกมาพบว่าความถี่ของสัญญาณที่คำนวณได้ในเส้นทางด้านใต้มีความใกล้เคียงกับความถี่ที่ได้รับจริงมากกว่า ในขณะที่ความถี่ที่คำนวณได้ในเส้นทางด้านเหนือมีความแตกต่างอย่างเห็นได้ชัด ทำให้สามารถสรุปได้ว่าเที่ยวบิน MH370 ใช้เส้นทางด้านใต้ ไปยังมหาสมุทรอินเดีย จนกระทั่งสัญญาณขาดหายไปกลางทะเล

กราฟเปรียบเทียบความถี่จากปรากฏการณ์ Doppler ระหว่างเส้นทางด้านเหนือ เส้นทางด้านใต้ และความถี่สัญญาณที่รับได้จริง (ภาพจาก The Guardian)

ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องแปลกใหม่ถึงขนาด groundbreaking จริงหรือ?
การใช้ปรากฏการณ์ Doppler ในการยืนยันเส้นทางของเครื่องบินที่สูญหายไป อาจเป็นเรื่องใหม่ แต่การใช้สัญญาณ Doppler จากดาวเทียมในการหาตำบลที่บนพื้นโลกนั้นมีมานานแล้ว ก่อนที่เราจะมีระบบ GPS ใช้กันอยู่ทุกวันนี้

ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าระบบ GPS ใช้การเปรียบเทียบสัญญาณเวลาของดาวเทียมในกลุ่มวงโคจร โดยไม่ได้อาศัยปรากฏการณ์ Doppler แต่ระบบดาวเทียม Transit NAVSAT ซึ่งเป็นระบบดาวเทียมหาตำบลที่รุ่นแรกของโลกเมื่อ 50 ปีก่อน ใช้หลักการ Doppler เดียวกันนี้ในการหาตำบลที่ของเครื่องรับสัญญาณบนโลก ต่างกันก็เพียงระบบ Transit NAVSAT ใช้ดาวเทียมวงโคจนต่ำที่เคลื่อนที่ไปรอบโลกและปล่อยสัญญาณ Ping ที่ความถี่คงที่ออกมา และเครื่องรับสัญญาณบนโลกที่ (เกือบ) อยู่กับที่จะคำนวณความถี่ Doppler เทียบกับวงโคจรของดาวเทียมเพื่อหาตำบลที่ของตนเอง

แนวคิดของการใช้ปรากฏการณ์ Doppler เพื่อหาตำบลที่บนโลก เกิดขึ้นจากนักวิทยาศาสตร์ของ Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) เมื่อครั้งที่โซเวียตส่งดาวเทียม Sputnik ขึ้นโคจรรอบโลกในปี ค.ศ.1957 โดยมีข้อสังเกตว่าดาวเทียม Sputnik ของโซเวียต ส่งสัญญาณวิทยุออกมา และนักวิทยาศาสตร์ของ APL สามารถใช้ตำบลที่ของสายอากาศรับสัญญาณบนโลกซึ่งอยู่กับที่ ร่วมกับความถี่ Doppler ของดาวเทียม ในการคำนวณหาวงโคจรของดาวเทียม Sputnik ได้

ตัวอย่างกราฟความถี่ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อดาวเทียมเคลื่อนที่เข้าหาและผ่านออกไป โดยเส้นโค้งแต่ละเส้นแสดงระยะที่ดาวเทียมโคจรผ่าน (ภาพจาก Artificial Satellites of the Earth)

หลักการดังกล่าวถูกนำมาคิดย้อนกลับเป็นระบบ Transit NAVSAT สำหรับใช้กับเรือรบของ ทร.สหรัฐฯ โดยระบบ Transit NAVSAT ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปี ค.ศ.1958 – 1964 ด้วยการใช้ดาวเทียมที่มีข้อมูลวงโคจรแน่นอน และส่งสัญญาณวิทยุออกมาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เรือในทะเลสามารถคำนวณหาตำบลที่ของตนเองจากสัญญาณ Doppler จากการเคลื่อนที่ของดาวเทียมได้ และระบบนี้ถูกใช้สำหรับหาตำบลที่ในทะเลเรื่อยมาจนถูกแทนที่ด้วยระบบ GPS ในปี ค.ศ.1995 และหลักการ Doppler ของดาวเทียม Transit NAVSAT เกือบถูกลืมไปแล้วในปัจจุบัน ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าภูมิปัญญาเก่าแก่หลายสิบปี ได้ถูกนำมาใช้อีกครั้งเพื่อช่วยคำนวณหาเส้นทางและตำบลที่สุดท้ายของเที่ยวบิน MH370

ลิงค์ที่เกี่ยวข้อง

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s