ประเภทของดาวเทียม

ดาวเทียม (satellite) คืออุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่มนุษย์ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลกเพื่อใช้ประโยชน์ต่างๆ กัน ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงและข้อจำกัดทางกายภาพ ทำให้ดาวเทียมแต่ละประเภทจำเป็นต้องอยู่ในวงโคจรที่เหมาะสม เป็นต้นว่า ถ้าต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่เร็ว-ดาวเทียมต้องโคจรใกล้โลก ถ้าต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ช้า-ดาวเทียมต้องโคจรห่างจากโลก ถ้าต้องการให้ดาวเทียเคลื่อนที่เสมือนหยุดนิ่งอยู่เหนือจุดภูมิศาสตร์ที่กำหนด-ดาวเทียมต้องโคจรตามโลกในแนวศูนย์สูตรที่ระยะสูง 35,786 กิโลเมตร นอกจากนั้นแล้วมุมเอียงของ
วงโคจรยังเป็นตัวกำหนดพื้นที่ผิวโลกที่ดาวเทียมจะลอยผ่าน ในปัจจุบันมีการใช้ดาวเทียมทำภารกิจที่หลากหลายมาก ในบทนี้จะจำแนกดาวเทียมตามประโยชน์การใช้งานหลักๆ เป็น 8 ประเภท ได้แก่

ดาวเทียมถ่ายภาพรายละเอียดสูง (High Resolution Imaging Satellite)
ดาวเทียมถ่ายภาพด้วยเรดาร์ (Synthetic Aperture Radar Satellite)
ดาวเทียมสำรวจโลก (Earth Observation Satellite)
ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา (Meteorological Satellite)
ดาวเทียมนำทาง (Navigation Satellite)
ดาวเทียมโทรคมนาคม (Telecommunication Satellite)
ดาวเทียมวิทยาศาสตร์ (Scientific Satellites)
ดาวเทียมทหาร (Military Satellite)

ดาวเทียมถ่ายภาพรายละเอียดสูง (High Resolution Imaging Satellite)

หลักการของดาวเทียมถ่ายภาพคือ การถ่ายภาพพื้นโลกจากเบื้องสูง ถ้าดาวเทียมลอยต่ำจะได้ภาพรายละเอียดสูงแต่ครอบคลุมพื้นที่ไม่กว้าง ถ้าดาวเทียมลอยสูงก็จะได้ภาพรายละเอียดต่ำแต่ครอบคลุมพื้นที่กว้าง อย่างไรก็ตามดาวเทียมไม่สามารถลอยอยู่เฉยๆ มันต้องโคจรรอบโลก คาบการโคจรเหนือพื้นที่เดิม (Revisit time) ของวงโคจรต่ำใช้เวลานานกว่าวงโคจรที่สูงกว่า ถ้าดาวเทียมโคจรค้างฟ้า ดาวเทียมจะถ่ายภาพซ้ำพื้นที่เดิมได้ตลอดเวลา

ดาวเทียมถ่ายภาพส่วนมากใช้วงโคจรต่ำ (LEO) ที่ระยะสูงประมาณ 300 - 700 กิโลเมตร เพื่อให้ได้ภาพรายละเอียดสูง โดยมีวงโคจรพ้องมุมดวงอาทิตย์ (Sun-Synchronous Orbit) เพื่อให้สแกนถ่ายภาพพื้นผิวได้ครอบคลุมทุกพื้นที่ของโลก และมีมุมสะท้อนแสงอาทิตย์เท่าๆ กัน เพื่อนำมาใช้ในการวิเคราะห์เปรียบเทียบ โดยใช้เซนเซอร์ถ่ายภาพแบบ Multispectral ในย่านแสงที่ตามองเห็น (visible light) และรังสีอินฟราเรด ให้ภาพรายละเอียด 0.3 – 1 เมตร/พิกเซล นำไปประยุกต์ใช้ในการทำแผนที่ภูมิสารสนเทศ เช่น ดาวเทียม IKONOS, QuickBird, WorldView ซึ่งใช้ประยุกต์ทำแผนที่ Google Maps เป็นต้น ตัวอย่างภาพที่ 1 เป็นภาพถ่ายรายละเอียดสูงของพระบรมมหาราชวัง โดยดาวเทียม GeoEye-1 ที่ระยะสูง 680 กิโลเมตร

ภาพที่ 1 ภาพถ่ายรายละเอียดสูงของดาวเทียมวงโคจรต่ำ
(ที่มา: GeoEye)

ดาวเทียมถ่ายภาพด้วยเรดาร์ (Synthetic Aperture Radar Satellite)

ดาวเทียมถ่ายภาพด้วยแสงที่ตาเห็น (visible light) และด้วยรังสีอินฟาเรด ไม่สามารถมองผ่านก้อนเมฆและฝุ่นละอองได้ ดาวเทียมบางดวงจึงติดตั้งเรดาร์ (Synthetic Aperture Radar “SAR”) ส่งคลื่นวิทยุ (radio waves) ซึ่งมีช่วงความยาวคลื่นมากกว่าโมเลกุลของน้ำและอากาศ ผ่านทะลุก้อนเมฆ ไปสะท้อนพื้นผิวกลับมาสังเคราะห์เป็นรูปภาพ และเนื่องจากพื้นผิวแต่ละชนิดมีคุณสมบัติในการสะท้อนคลื่นวิทยุแตกต่างกัน ภาพถ่ายที่สังเคราะห์ขึ้นจากคลื่นเรดาร์จึงสามารถวิเคราะห์คุณลักษณะของพื้นผิวได้ ภาพที่ 2 แสดงภาพสนามบินสุวรรณภูมิที่สังเคราะห์จากเรดาร์บนดาวเทียม Capella

ภาพที่ 2 ภาพสนามบินสุวรรณภูมิจากระบบเรดาร์บนดาวเทียม (ที่มา:UP42)

ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร (Earth Observation Satellite)

ดาวเทียมสำรวจโลกมีลักษณะวงโคจรแบบเดียวกับดาวเทียมถ่ายภาพ เพียงแต่ใช้วงโคจรที่อยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 700 - 1,000 กิโลเมตร เพื่อให้สามารถถ่ายภาพปกคลุมพื้นผิวโลกเป็นบริเวณกว้าง โดยใช้เซนเซอร์แบบ Hyperspectral ให้ภาพรายละเอียด 2 – 40 กิโลเมตร/พิกเซล ทำการถ่ายภาพแบบหลายช่วงคลื่น ช่วยในการวิเคราะห์สิ่งแวดล้อมโลกได้หลายตัวแปรพร้อมๆ กัน เช่น อุณหภูมิพื้นผิว, จุดร้อน (hot spot), ความหนาของฝุ่นละออง, องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ, คุณภาพของพืชพรรณ ดาวเทียมสำรวจโลกที่มีชื่อเสียง ได้แก่ Landsat, Terra, Aqua ซึ่งตรวจจับจุดร้อน (Hotspots) ซึ่งอาจเกิดจากการเผาป่า ดังแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 จุดร้อน Hotspots (ที่มา: NASA FIRMS)

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา (Meteorological Satellite)

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาใช้วงโคจรสองประเภท คือ วงโคจรสถิต (GEO) และ วงโคจรต่ำ (LEO) ดาวเทียมวงโคจรสถิต เช่น GEOS, MTSAT, Himawari ลอยอยู่เหนือจุดภูมิศาสตร์คงที่บนเส้นศูนย์สูตรโลก ถ่ายภาพมุมกว้างครอบคลุมพื้นทวีปและมหาสมุทร เพื่อศึกษาสภาพอากาศในภาพรวม และติดตามการเคลื่อนที่ของพายุขนาดใหญ่ เช่น ไต้ฝุ่น เฮอร์เคน ดังแสดงในภาพที่ 4 ส่วนดาวเทียมวงโคจรต่ำ เช่น NOAA ติดตามการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศในระดับภูมิภาค โดยการถ่ายภาพเซลล์ก้อนเมฆซึ่งเคลื่อนที่อยู่เหนือท้องถิ่น ดังแสดงในภาพที่ 5

ภาพที่ 4 ภาพจากดาวเทียม Himawari

ภาพที่ 5 ภาพจากดาวเทียม NOAA

ดาวเทียมนำทาง (์Navigation Satellite)

หลักการของดาวเทียมนำทางคือ การส่งดาวเทียมหลายดวงขึ้นไปทำหน้าที่เป็นประภาคารลอยฟ้า ส่งสัญญาณวิทยุออกมาเป็นจังหวะพร้อมๆ กัน แต่เนื่องจากสัญญาณวิทยุต้องใช้เวลาในการเดินทางมาบนพื้นผิวโลก เครื่องรับบนพื้นโลกแต่ละแห่ง จึงได้รับสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวงไม่พร้อมกัน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในเครื่องรับจะแปลค่าสัญญาณเวลาที่แตกต่าง เป็นระยะทางจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณตำแหน่งพิกัดภูมิศาสตร์ของเครื่องรับ ดังแสดงในภาพที่ 6

ระบบนำร่องด้วยดาวเทียม หรือ Global Navigation Satellite System (GNSS) ที่มีใช้งานอย่างแพร่หลายมี 4 ระบบ ได้แก่ ระบบดาวเทียม Global Positioning System (GPS) ของสหรัฐอเมริกา, GLONASS ของรัสเซีย, Galileo ของสหภาพยุโรป และ Beidou ของจีน ยกตัวอย่าง ระบบดาวเทียม GPS ของสหรัฐฯ ใช้ดาวเทียม 24 - 35 ดวง โคจรรอบโลกเป็น 6 ระนาบๆ ละประมาณ 4 ดวง ที่ระยะสูง 20,200 กิโลเมตร โดยแต่ละดวงใช้เวลารอบละ 12 ชั่วโมง จะทำให้ทุกตำแหน่งบนพื้นโลกสามารถรับสัญญาณจากดาวเทียม GPS พร้อมๆ กันไม่น้อยกว่า 4 ดวง ดังแสดงในภาพที่ 7

ภาพที่ 6 การหาตำแหน่งจากดาวเทียม (ที่มา: eeLinkTracker)

ภาพที่ 7 ระบบ GPS (ที่มา: NOAA)

ดาวเทียมโทรคมนาคม (Telecommunication Satellite)

หลักการของดาวเทียมโทรคมนาคม คือ การใช้ดาวเทียมเป็นเสมือนเสาอากาศลอยฟ้า เพื่อส่งทอดสัญญาณไปรอบโลก ภาพที่ 6 แสดงการใช้ดาวเทียมโคจรในวงโคจรสถิต (GEO) ที่ระยะสูง 35,786 กิโลเมตร เพื่อถ่ายทอดสัญญาณข้ามส่วนโค้งของโลก จากทวีปหนึ่งไปยังอีกทวีปหนึ่ง ดาวเทียมวงโคจรสถิต 1 ดวง สามารถส่งสัญญาณครอบคลุมพื้นที่การติดต่อประมาณ 1/3 ของผิวโลก และถ้าจะให้ครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลก จะต้องใช้ดาวเทียมวงโคจรสถิตอย่างน้อย 3 ดวง ดังแสดงในภาพที่ 8

ภาพที่ 6 การถ่ายทอดสัญญาณรอบโลก

เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรสถิตจะลอยอยู่เหนือแนวเส้นศูนย์สูตรโลกเท่านั้น จึงมีความต้องการใช้วงโคจรนี้อย่างหนาแน่นดังแสดงในภาพที่ 9 พื้นที่ใช้งานในวงโคจรสถิตถูกแบ่งเป็นช่องๆ เรียกว่า “GEO slot” แต่ละช่องมีระยะห่างเชิงมุมประมาณครึ่งองศา เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ดาวเทียมอยู่ใกล้กันจนเกินไป หรือสัญญาณรบกวนกัน ผู้ประสงค์ใช้งาน GEO slot จะต้องต่อคิวขออนุญาตจากสหภาพโทรคมนาคมสากล (International Telecommunication Union “ITU”) ในลักษณะ first come, first serve ดาวเทียมบางระบบจึงเลี่ยงมาใช้วงโคจร GSO หรือ HEO แทน สำหรับดาวเทียมไทยจะมี GEO Slot ดังนี้

Thaicom 4 ที่ลองจิจูด 119.5°E
Thaicom 6, Thaicom 8 ที่ลองจิจูด 78.5°E
Thaicom 7 (Asiasat 6) ที่ลองจิจูด 120°E

ภาพที่ 9 ตำแหน่งดาวเทียมในวงโคจรสถิต (ที่มา: AGI)

นอกจากปัญหาเรื่องความหนาแน่นในวงโคจรสถิตแล้ว ดาวเทียมวงโคจรสถิต (GEO) ยังมีปัญหาเรื่องความหน่วงของสัญญาณ (high latency) เนื่องจากระยะเวลาที่คลื่นต้องเดินทางระหว่างสถานีภาคพื้นกับดาวเทียม และระหว่างดาวเทียมกับดาวเทียม จึงไม่สามารถตอบสนองเทคโนโลยีการสื่อสารบนอินเทอร์เน็ต ซึ่งมีการรับส่งสัญญาณอย่างรวดเร็วสลับกันตลอดเวลา บริษัท SpaceX ซึ่งเป็นผู้นำด้านการส่งจรวด กำลังส่งดาวเทียม Starlink จำนวนมากกว่า 12,000 ดวง ขึ้นไปใช้งานในวงโคจรต่ำ (LEO) เพื่อลดเวลาการเดินทางของสัญญาณ ดังแสดงในภาพที่ 10

ภาพที่ 10 กลุ่มดาวเทียม Starlink (ที่มา: SpaceX)

ดาวเทียมวิทยาศาสตร์ (Scientific Satellite)

ดาวเทียมที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อการวิจัยทดลองทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งมีวงโคจรเฉพาะตัวซึ่งออกแบบให้สอดคล้องกับภารกิจของดาวเทียมแต่ละดวง ยกตัวอย่าง

ดาวเทียมสำรวจสนามแรงโน้มถ่วงโลก โคจรในวงโคจรต่ำ (LEO)
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล โคจรเหนือชั้นบรรยากาศ ใช้วงโคจรต่ำ (LEO) โดยมีมุมเอียง 28.5 องศา เพื่อให้สามารถติดต่อกับสถานีภาคพื้นได้สะดวก
ดาวเทียมสำรวจสนามแม่เหล็กโลก ใช้วงโคจรรีมาก (HEO) เพื่อให้สามารถเก็บข้อมูลอนุภาคที่ระยะห่างจากโลกต่างๆ กัน
ยานสำรวจดวงอาทิตย์ โคจรที่จุดลากรังก์ L1 เพื่อให้สังเกตการณ์ดวงอาทิตย์ได้ตลอดเวลา โดยไม่ถูกโลกบัง
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ ทำงานในย่านรังสีอินฟราเรด โคจรที่จุดลากรังก์ L2 เพื่อให้อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ และติดต่อกับโลกได้ตลอดเวลา ดังภาพที่ 11

ภาพที่ 11 จุดลากรังก์ (ที่มา: NASA)

ดาวเทียมทหาร (Military Satellite)

ดาวเทียมด้านความมั่นคงและดาวเทียมทหารส่วนมาก มีคุณสมบัติเหมือนดาวเทียมทั่วไป ตามที่กล่าวมาแล้ว เช่น ดาวเทียมถ่ายภาพ ดาวเทียมโทรคมนาคม ดาวเทียมพยากรณ์อากาศ เป็นต้น อย่างไรก็ตามดาวเทียมทหารบางประเภทมีขีดความสามารถพิเศษ ได้แก่ มีความคล่องตัวในการปรับวงโคจร มีเชื้อเพลิงสำหรับการเดินทางไกล มีระบบแจมสัญญาณ มีระบบป้องกันการแจมสัญญาณ มีระบบอาวุธ

ดาวเทียมถ่ายภาพ (Imaginary Intelligence Satellite “IMINT”) เช่น ดาวเทียม KH-11, KH-12 ของสหรัฐฯ มีรูปร่างคล้ายกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล อยู่ในวงโคจรรีมาก (HEO) ติดตั้งเซนเซอร์ถ่ายภาพรายละเอียดสูง เพื่อให้สามารถโฉบเข้าใกล้เป้าหมายได้มากที่สุดและเคลื่อนที่ด้วยความสูงสุดที่จุดเพอริจี เพื่อให้ปลอดภัยจากการถูกยิงทำลายด้วยขีปนาวุธต่อต้านดาวเทียม (Anti-Satellite “ASAT”); ดาวเทียม GF-4 ของจีน อยู่ในวงโคจรสถิต (GEO) ติดตั้งกล้องโทรทรรศน์กำลังขยายสูง สามารถตรวจจับเรือขนาดใหญ่ที่สัญจรไปมา ระหว่างมหาสมุทรอินเดียกับทะเลจีนใต้
ดาวเทียมข่าวกรองสัญญาณวิทยุ (Signals Intelligence Satellite “SIGINT”) เช่น กลุ่มดาวเทียม Mentor ของสหรัฐฯ วางตัวอยู่ในวงโคจรสถิต (GEO) เพื่อดักฟังสัญญาณจากดาวเทียมดวงอื่น; กลุ่มดาวเทียม Tselina ของรัสเซียอยู่ในวงโคจรต่ำ (LEO) คอยดักฟังสัญญาณจากสถานีภาคพื้น
ดาวเทียมข่าวกรองอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Intelligence Satellite “ELINT”) เช่น กลุ่มดาวเทียม Advanced Extremely High Frequency (AEHF) ของสหรัฐฯ ประกอบด้วยดาวเทียม 6 ดวง เป็นดาวเทียมโทรคมนาคมทางทหารที่มีระบบการป้องกันการรบกวน (jamming) และมีขีดความสามารถในการเคลื่อนย้ายตัวเอง ลาดตระเวนอยู่ในวงโคจรสถิต (GEO)
ดาวเทียมนำทาง (Navigation Satellite) ได้แก่ GPS ของสหรัฐฯ, GLONASS ของรัสเซีย, Beidou ของจีน ล้วนเป็นดาวเทียมทางทหารที่อนุญาตให้พลเรือนใช้งานในยามปกติ โดยใช้คลื่นความถี่ที่ต่างกัน แต่ถ้าหากเกิดภาวะสงครามก็สามารถควบคุมไม่ให้พลเรือนใช้
ดาวเทียมเฝ้าระวังทางอวกาศ (Space Situational Awareness Satellite) เช่น ระบบ Geosynchronous Space Situational Awareness Program (GSSAP) ของสหรัฐฯ ประกอบด้วยดาวเทียมในวงโคจรพ้องคาบโลก (GSO) จำนวน 6 ดวง ทำหน้าที่เฝ้าตรวจและติดตามวัตถุอวกาศในวงโคจรโลก เพื่อรวบรวมข้อมูลมาประมวลผลร่วมกับข้อมูลจากเรดาร์และกล้องโทรทรรศน์บนพื้นโลก จัดทำฐานข้อมูลองค์ประกอบวงโคจร (Two-Line Element “TLE”)
ดาวเทียมแจ้งเตือน (Early Warning Satellite) เช่น ระบบ Space-Based Infrared System (SBIRS) ของสหรัฐฯ ประกอบด้วยดาวเทียม 12 ดวง ในวงโคจรพ้องคาบโลก (GSO) 6 ดวง, วงโคจรรีมาก (HEO) 3 ดวง และวงโคจรต่ำ (LEO) 3 ดวง ทำงานร่วมกัน ในการลาดตระเวนตรวจจับความร้อน ซึ่งเกิดจากการปล่อยขีปนาวุธ และการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ ดังที่แสดงในภาพที่ 12

ภาพที่ 12 ระบบตรวจจับรังสีอินฟราเรด SBIRS
(ที่มา: Wiki)