9 GROUND STATION (STASIUN BUMI) INASAT-1 Dwiyanto
,
Peneliti Bidang Teknologi Bus Satelit Lapan
Ringkasan Fungsi stasiun bumi adalah untuk downlink, tracking, dan telemetri. Sistem tracking satelit ini akan memprediksi posisi satelit dengan menggunakan model matematika orbit satelit tersebut. Data telemetri yang diterima oleh stasiun bumi adalah data tentang attitude satelit yang diambil dari rate gyro dan magnetometer serta data kesehatan satelit (house keeping data). Estimasi link budget dihitung dengan mengambil kondisi terburuk (worst case). Stasiun bumi Inasat-1 memiliki spesifikasi amatir, oleh karena itu antena yang digunakan adalah antena yagi. Antena yagi merupakan jenis antena yang sangat sering digunakan pada sistem radio amatir.
Kata kunci: satelit, frekuensi, antena, link budget, tracking.
1.
KEBUTUHAN STASIUN BUMI AMATIR
S
tasiun bumi yang dirancang adalah stasiun bumi dengan spesifikasi amatir dimana akan beroperasi pada band frekuensi amatir yaitu 70 cm (430 - 440 Mhz) hanya untuk melakukan downlink data telemetri dan dapat melakukan fungsi Tracking dan Telemetri. Tracking dibutuhkan karena pergerakan satelit pada orbit rendah (LEO) yang sangat cepat dengan kecepatan ground track sebesar 7491.063 m/detik yang diperkirakan berada pada ketinggian 725 km pada orbit LEO (500-1000 km) sehingga ketinggian maksimum (slant range) pada sudut elevasi minimum 5° adalah 2619.474 km dan waktu kontak maksimum 11,890 menit. Data telemetri yang diterima oleh stasiun bumi adalah data tentang attitude satelit yang diambil dari rate gyro dan magnetometer serta data kesehatan satelit (house keeping data) yang mencakup: ■ Temperatur (solar panel, battery, PDU, OBC, TMTX, Antena, Rate gyro dan magnetometer) ■ Arus dan Tegangan (solar panel, battery, output PDU dan TMTX) Untuk memenuhi kebutuhan tersebut maka stasiun bumi ini akan dilengkapi dengan beberapa hardware dan softM>are pendukung. Untuk melakukan fungsi Tracking dan penerimaan data Telemetry maka digunakan Perangkat hardware sebagai berikut: """ a.
RADIO transceiver vhf/uhf icom 9I0h dual ian(i dengan spesifikasi: - Range Frekuensi VHF 144 -148 MHz, UHF 430-440
121
MHz - Mode FuII Duplex and Half Duplex - Out Power VHF 5-100 Watt, UHF 5-75 Watt - Modulasi LSB, USB, FM - Power Requirement 13.8 Volt b. c.
MODEM Satelit Symek Speed 1200 bps Modulation FSK / GMSK Standard G3RUH Dual port DB-9/DB-15 Interface RS-232C
ANTENNA UHF I j Model Cross Yagi Li Polarisasi Circular G Frekuensi Operasi 430-440 Mhz □ Gain Down-link 12.5 dB . H Gain Up-link 14.5 dB ' □ Power Maximum 100 Watt □ - Impedance 50 Ohm
d. ROTATOR DAN CONTROLLER Yaesu G5500 Digunakan type Elevation-Azimuth dual controller dengan spesifikasi: - Azimut 0° - 360° - Elevation 0° - 180° - Interface DIN RS-232 e. CARD KCT/T - Interface RS-232 - Address Interruption 0000 - 03FC - Input data Analog 0-5 Volt. - Port Vertical/Horizontal Analog - Port data
122
Inclonpsid n
f.
LNA 430-450 MHz ICOM G-35 - Mode UHF - Sensitivity 0.3 p. V - Gain Down-Link 5 Db
g.
KOMPUTER f! PC Pentium-3 (pengolah data Telemetri) P PC Pentium-3 (tracking program) L RAM 256 Kb with HD 20 G
i. SOFTWARE yang dibutuhkan: L i W1SP I Nova L Software pengolah data telemetri.
2.
KONSEP DAN ANALISIS
Stasiun bumi yang dirancang untuk menerima data telemetri, melalaikan tracking dan telecommand serta membangun system komunikasi store and forward dengan satelit. Sehingga dibutuhkan perangkat pendukung baik - Hardware maupun Software untuk merealisasikan fungsi tersebut. Gambar 2-1 menunjukkan tipikal stasiun bumi' amatir telemetri, tracking dan command.
123
Gambar 2-1 : Tipikal Rancangan Stasiun Bumi Amatir
2.1. Frekuensi Untuk membangun komunikasi dengan satelit maka" dibutuhkan sinyal/frekuensi sebagai media dan dengan memodulasikannya maka sinyal tersebut dapat membawa informasi yang diinginkan. Dengan mengatur power transmisinya maka rugi-rugi (foss) yang terjadi akibat adanya jarak, lintasan, noise serta gejala lainnya yang menyebabkan menurunnya probabilitas kebenaran informasi yang diterima dapat diatasi. Frekuensi amatir yang digunakan berada pada range frekuensi UHF 430-440 MHz untuk downlink-r\ya. Sistem modulasi yang digunakan adalah Frequency Shift Keying (FSK) dan untuk menerima data telemetri dari satelit digunakan kecepatan pengiriman data (bit rate) sebesar 1200 bps. Bit rate ini dipilih karena kompleksitas dan jumlah data yang ditransmisikan satelit tidak terlalu besar.
124
2. 2. Otoritas Penggunaan Frekuensi Karena kita'nidak sendiri dalam penggunaan frekuensi ini dan untuk menghindari terjadinya interferensi antar pengguna maka dalam penggunaan frekuensi dilakukan kerja sama dengan Kementrian Telekomunikasi dan Informasi untuk memilih frekuensi. Secara global untuk radio amatir sudah disediakan frekuensi Standard yang digunakan diseluruh dunia yang disebut OSCAR (Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio). Amatir atau Ham Radio adalah band frekuensi yang penggunaannya diatur oleh International Telecommunication Union (ITU) yang diperuntukkan untuk para operator radio amatir di seluruh dunia dan pengontrolan penggunaan frekuensi ini dilakukan oleh ITU secara internasional, dan Kementrian Telekomunikasi dan Informasi yang mengatur penggunaan frekuensi di dalam negeri. Ada beberapa aturan dalam radio amatir yang perlu diketahui: a. Untuk mendapatkan izin penggunaan frekuensi ini, maka harus mendapat persetujuan dari ITU dan Kementrian Telekomunikasi dan Informasi. b. Operator radio amatir harus tetap menggunakan frekuensi yang diizinkan. c. Identifikasi terhadap stasiun bumi secara periodik dibutuhkan selama proses transmisi. d. Operator harus mematuhidgngan baik etika penyiaran radio ini seperti'yang telah digariskan oleh ITU dan Badan lokal disetiap negara.
2. 3. Sistem Tracking Satelit Program sistem tracking satelit ini akan memprediksi posisi satelit dengan menggunakan model matematika 't)
innsnu 125
Indorupsio flono SofG>lif
orbit satelit tersebut. Dengan kata lain program ini akan memberitahu kemana arah antena harus diarahkan ke satelit yang diekpresikan dalam bentuk sudut azimuth dan elevasi. Program tracking satelit ini memerlukan tiga jenis masukan yaitu: 1) . Elemen Keplerian yang menjelaskan mengenai orbit satelit. 2) . Tanggal dan waktu saat itu (dalam UTC). 3) . Posisi stasiun bumi tracking pada permukaan bumi (latitude dan longitude). Aturan Kepler menegaskan bahwa orbit satelit selalu berbentuk elips dengan pusat bumi sebagai titik fokusnya dan kecepatan orbit satelit bervariasi saat bergerak mengelilingi bumi. Jadi elemen keplerian ini secara bersama akan menetapkan ukuran dan bentuk orbit satelit (elips), orientasi elips dalam ruang tiga dimensi yang mengacu pada bumi dan posisi satelit dalam lintasan elipsnya pada waktu tertentu. Sistem tracking ini mengikuti blok diagram untuk memudahkan pembuatan program tracking-nya. Blok diagram
2.4. Pengaruh Doppler Saat satelit bergerak dalam orbitnya mengitari bumi
126 innsfTM
Indonosie Ddno Sai*
maka jarak (R) antara satelit dengan stasiun bumi akan berfariasi. Kecepatan relatif satelit karena perubahan jarak terhadap stasiun bumi (dR/dt = Vr) ini dapat ditentukan disesuaikan dengan stasiun bumi yang menjadi acuannya, sehingga persamaannya akan menjadi: Vr - V cos tp Dimana 9 adalah sudut antara arah stasiun bumi dengan kecepatan satelit (V). Pengaruh doppler ini akan sangat terasa pada satelit orbit rendah LEO (Low Earth Orbit) yaitu terjadinya pergeseran frekuensi (frequency shift). Pergeseran frekuensi ini dapat dijelaskan sbb: A Fd= Vr.f/c — Vcos q> (f/c) [ Hz] dengan c merupakan kecepatan cahaya yang besarnya 3x108 m/s dan/adalah frekuensi transmisi dengan satuan Hz. Gejala ini terjadi pada uplink (A Fit) dan downlink (A F d), sehingga: A FU - Vr.fU /c - V cos 9 ffU/c) [ Hz] A FD = Vr.JD/c = V cos (p (fD/c) [ Hz] Sehingga maksimum pergeseran frekuensi (total frequency shift) adalah: A FTmax = (fU+JD) . Vr/c [ Hz] Gambar 2-3 memperlihatkan geometri satelit pada Orbit Sirkular dimana kecepatan satelit yang dihitung dengan menggunakan rumus: V2 = GMJr = 3.986 x 1014 (1/r) Dan kecepatan relatif satelit dilihat dari stasiun bumi akan menjadi: . Vr= Vcos cp = Vcos (180-fi)--Vcos p ~VR/r Harga Vr akan berharga positip bila satelit bergerak mendekati stasiun bumi sehingga frekuensi yang terukur akan menjadi lebih besar dari frekuensi sumbernya. Saat satelit menjauhi stasiun bumi maka Vr akan bernilai negatif,
IflRSRT-l 127
w
sehingga frekuensi terukur akan berkurang dan lebih kecil dari frekuensi sumber. Dengan mengasumsikan bahwa orbit satelit adalah sirkular dan dengan menggunakan persamaan-persamaan diatas maka kita dapat menghitung frekuensi shift Doppler Inasat-1 yaitu Frekuensi Downlink = 436 MHz Frekuensi Uplink = 145 MHz Latitude Satelit (h) _ = 725 km Radius Bumi (R) _ = 6378.14 km Ketinggian satelit dari pusat bumi (r =R+h)= 7103.14 km Maka kecepatan satelit pada orbit sirkular (V) adalah V2 = 3.986 X 10'4 (1/7 1 03.14 X 103) = 3.986 X 10*4 (1.4078 X i0‘7) = 56.1 IX106 (m/s)2 V =7491.06 m/s Kecepatan relatif Satelit terhadap Stasiun Bumi (Vr): Vr = -V (R/r) = - 7491.06 (6378.14/7103.14) = - 6726.469 m/s . Sehingga Frekuensi shift downlink (Aid ) maksimum yang terjadi adalah: Aid = - (Vr f) 1/c = - (-6726.469 X 436 X 106)/ 3 X 10K = 9.776 KHz Dengan menggunakan formula yang sama maka frekuensi shift untuk uplink (Afw ) dapat dihitung sebesar Afw = 3.268 KHz. Sehingga total pergeseran frekuensi yang terjadi adalah sebesar A f/ = A fw + A id = 9.776 + 3.251 = 13.027 KHz.
128 mRSRT-l
Gambar 2-3. Geometri Penghitungan Kontribusi Pengaruh Doppler Karena Pergerakan Satelit pada Orbit Sirkular
2.5 LinkBudget Link budget merupakan hasil penjumlahan seluruh rugi-rugi {losses) yang terjadi antara system pemancar Ctransmitter) dan satelit serta kembali lagi kepada system penerima (receiver). Rugi-rugi ini akan mengecil dengan adanya penguatan (gain) yang ada pada system satelit, pemancar dan penerima. Sehingga untuk melihat apakah sinyal yang diterima masih cukup besar untuk digunakan setelah dikirim ke system penerima melalui satelit maka penguatan 129
Indonesia Dono Sotolit
Cgain) dan rugi-rugi (losses) ini secara efektif dijumlahkan dan hasilnya merupakan kuat sinyal yang diharapkan ataukah rugi-rugi yang tidak diharapkan. Berdasarkan spesifikasi perangkat yang digunakan, maka estimasi link budget dengan mengambil kondisi terburuk (worst case) dapat dilihat pada tabel 2.1 a dan tabel 2.1b. Performa dari sistem down link yang digunakan dapat diketahui dengan menghitung level sinyal yang diterima pada stasiun bumi. Beberapa parameter yang menentukan prediksi level sinyal tersebut adalah power output satelit, gain antena transmit satelit, gain antena penerima pada stasiun bumi, slant range, frekuensi operasi dan path loss. Untuk satelit Inasat-1 ini prediksi keandalan stasiun bumi yang di rancang ini adalah sebagai berikut: Sensitifitas system penerima (V) = 0.11 pV Input Impedansi (R) = 50 Q Power Received Minimum = V2/R = (0.11 X 10-*)2/50 W = 2,42X 10'-16 W = 10 Log (2,42e-16) = -156,16 dB atau -126,16 dBm Hal ini berarti bahwa, Stasiun Bumi INASAT-1 memiliki sensitifitas sebesar -156,16 dB. Stasiun Bumi akan mampu menerima sinyal (locking) dengan minimum power sebesar harga tersebut diatas. Sehingga kuat sinyal dibawah -156,16 dB tidak akan mampu diterima dengan baik oleh system penerima stasiun bumi INASAT-1. Ini hanya merupakan nilai referensi minimum. Tabel 2. 1 a. Link Budget Performa Stasiun Bumi INASAT-1
130
Indonc?si
Tabel 2. lb. Link Budget PerformaStasiun Bumi INASAT-1
131
C7No Calculated bb/No bb/No untuk BbR lb-05 Link Margin
dB 33.32 dBHz 13.40 dBHz 1 dB
2.6. Protokol Komunikasi Standar protocol komunikasi yang digunakan pada radio satelit amatir adalah AX.25 yang merupakan link layer protocol sesuai keputusan CCITT/ISO. Beberapa keuntungan bila menggunakan protocol AX.25: 1) . Dapat bekerja baik pada mode half duplex dan full duplex. 2) . Dapat bekerja baik untuk sistem yang terkoneksi langsung maupun antara individual stasiun dengan mult\port controller. 3) . Mampu membentuk lebih dari satu koneksi link layer pada sebuah perangkat, jika perangkat tersebut benarbenar handal. 4) . Mendukung symmetric hierarchal level untuk semua pengguna, artinya bahwa master dan slave tidak perlu ada.
2.7. Sistem Antena Karena melihat adanya batasan dalam radio satelit amatir yang sulit untuk dihindari misalnya output power yang terbatas maka antena transmitter yang digunakan untuk sistem komunikasi harus memiliki pancaran beam yang terarah pada satu arah (directional) untuk menghindari stasiun lain yang beroperasi pada frekuensi yang sama. Ini artinya seluruh output power antena harus terkonsentrasi kedalam satu beam dengan arah yang tertentu. Sehingga antena hanya akan membutuhkan
132 mnsRT-i
Indonesia Pleno SeToliT
power yang kecil untuk meghasilkan sinyal yang cukup untuk, dapat diterima oleh sistem penerima satelit. Kebutuhan akan power ini akan berbeda bila dibandingkan dengan antena jenis omnidirectional dimana pancaran beamnya menyebar kesegala arah sehingga membutuhkan power transmit yang besar. Sedang untuk antenna penerimanya harus memiliki gain yang cukup besar serta sensitifitas penerima yang cukup baik agar dapat menerima sinyal dari satelit yang sangt kecil.
2. 8. Tipe Antena Antena yagi merupakan jenis antena yang sangat sering'digunakan pada sistem radio amatir. Dari bentuk dasarnya antena yagi ini mempunyai polarisasi linier. Sedang untuk mendapatkan antena Yagi dengan polarisasi circular (CP) dengan cara mengkombinasikan antena yagi dengan polarisasi linier dengan cara yang tepat. Ada beberapa cara yang dapat digunakan yaitu: 1) . Kombinasi sepasang antenna serupa dengan sudut fasa berbeda 90°. 2) . Kombinasi sepasang antenna serupa dengan sudut fasa sama. 3) Dual-mode hom 4) . Kombinasi electric dan magnetic antenna 5) . Transmission -type polarized 6) . Reflection-type polarizeji Metoda yang telah digunakan secara luas adalah metoda pertama yaitu mengkombinasikan sepasang antenna serupa dengan membuat sudut fasa berbeda 90°. Dalam metoda ini kedua antenna dipasang secara saling silang (crossed) sehingga membentuk sudut 90°. Dalam susunan 133
.
antenna seperti ini pengaturan feed adalah hal yang harus diperhatikan. Pengaturan fasa yang tepat akan menghasil pembagian power yang tepat yaitu harus sama. Antena akan menghasilkan polarisasi circular hanya jika kedua antenna memiliki fasa berbeda 90° dan memiliki power yang sama. Untuk menghasilkan antenna dengan spesifikasi seperti diatas, maka sebelum digabungkan maka setiap antenna harus diatur sehingga unbalanced, impedansi 50 ohm, input impedansinya benar-benar resistif. Bila terjadi sedikit kesalahan saja, maka akan menyebabkan pengaruh yang besar terhadap pembagian power dan fasanya. Hal ini akan menghasilkan antena dengan polarisasi elips dengan komponen linier yang besar. Gambar 2-4 menunjukkan rancangan antena yang mengkombinasikan sepasang antenna serupa dengan membuat sudut fasa berbeda 90°. Sedangkan gambar 2-5 menunjukkan antena dengan polarisasi elips dengan komponen linier yang besar. Yagi dengan polarisasi circular baik RHCP (right hand circular polarisation) atau LHCP (left hand circular polarisation) dilakukan dengan cara mengkombinasikan dua antena dalam bentuk saling memotong (cross) atau disebut crossed yagi. Sehingga untuk keperluan penerimaan data telemetri dari satelit digunakan satu buah antena UHF (70cm) dengan frekuensi operasi 436 MHz serta ukuran 2 m boom 2 x 10 elemen. Dalam realisasi stasiun bumi amatir ini digunakan antena yagi dengan dimensi yang kecil dan ringan sehingga lebih portable dan mudah digunakan. Hal ini menjadi tujuan utama karena nantinya antena tersebut akan dipasangkan pada boom yang terpasang pada rotator.
134
Reflektor \
Driven Element A
B'
Arah Max Gain
A’
Gambar 2-4 Rancangan antena yang mengkombinasikan sepasang antenna serupa dengan membuat sudut fasa berbeda 90°.
Gambar 2-5 Antena dengan polarisasi elips dengan & komponen linier yang besar.
2.9. Konsep Dasar Program Telemetri Untuk menerima data house keeping dari satelit diperlukan tiga jenis Software standar radio amatir yaitu: 1) . Software untuk mengetahui posisi satelit secara visual. 2) . Software untuk menggerakan antena.
3) . Software untuk menerima dan mengolah data telemetri. Sedangkan data masukan (input) yang diperlukan dibagi 135
dalam 3 kategori yaitu: 1) . Data keplerian, sinyal online maupun offline 2) . File inisialisasi untuk mengemudikan Software sesuai dengan keinginan pemakai. 3) . Visualisasi konsep dasar ditunjukkan gambar 2-6. Masing-masing kategori tersebut dapat dirincikan sebagai berikut: a. Data keplerian Untuk tracking satelit dan tracking antena diperlukan input keplerian dengan format data standar NORAD dan dibantu peta sebagai data dasar pendukung. Keberadaan posisi obyek dapat diketahui dengan lebih mudah digambarkan di atas peta. b. Sinyal Data diterima komputer berdasarkan protokol AX.25. Data-data tersebut merupakan data yang dikirim oleh satelit.
c. File inisialisasi File inisialisasi berisikan parameter-parameter awal yang dipakai untuk mendefinisikan tampilan, opsi, konstanta kalibrasi-kalibrasi dan lain-lain yang diperlukan oleh program. Berdasar input yang ada, Software memprosesnya untuk disajikan ke dalam output yaitu di layar komputer dan file/cetak. Untuk dokumentasi lebih lanjut, pengguna dapat menyimpan data dalam file ASCII.
OUtDUt
Gambar 2-6 (a). Konsep dasar Software Tracking Satelit
136
Gambar 2-6 (c). Konsep dasar Software Telemetri
2.10. Stasiun Bumi Inasat-1 Fungsi stasiun bumi Inasat-1 digunakan untuk melakukan fungsi penerimaan data telemetri serta tracking satelit. Maka sistem stasiun bumi yang dibangun harus mampu menjalankan fungsi tersebut. Oleh karena itu hanya dibutuhkan perangkat penerima baik radio, antena, modem dan komputer untuk menerima data telemetri. Sedangkan untuk proses tracking satelit dibutuhkan perangkat rotator antena, kabel kontrol (6 kabel) untuk selalu menjaga koneksitas dengan satelit yang bergerak cukup cepat sekitar 7493.701 1 37
IncJor»G>sio ftano So+olif
m/s dan dengan kecepatan relatif terhadap stasiun bumi sekira 6733.577 m/s bila orbit satelit LEO berbentuk sirkular. Berdasarkan batasan-batasan tersebut maka dirancang stasiun bumi amatir dengan konfigurasi seperti diyunjukkan oleh
gambar 2-7.
Gambar 2-7. Desain Stasiun Bumi Penerima Satelit Inasat-l.
3. KESIMPULAN Telah dirancang stasiun bumi satelit Inasat-l dengan spesifikasi amatir yang akan beroperasi pada band frekuensi amatir yaitu 70 cm (430 - 440 Mhz). Stasiun bumi ini berfungsi untuk downlink, tracking, dan telemetri. Kjarena stasiun bumi Inasat-l memiliki spesifikasi amatir, maka antena yang digunakan adalah antena yagi, sejenis antena yang sangat sering digunakan pada sistem radio amatir.
138
Indontpsie flono SatteliT
DAFTAR RUJUKAN 1.
2. 3.
4.
5.
Griffin, Michael D. French, James R., 2004, Space Vehicle Defcign, American institute of Aeronotics and Astronotics, Inc. Roddy, Dennis, 2001, Satellite Comunication, Mc Graw-HUl Pritchard, Wilbur L., Suydergoud, Henri G., Nelson, R. A., 2003, Satellite Communication System Engineering, Prentice-Hall Intematinal Edition Larson, Wiley J., Wertz, James R., 1993, Space Mission and Analysis Design, KluwerAcademic, second edition, Publishers, Boston Kolawole, Michael, O., 2004, Satellite Communi-cation Engineering, Marcel Cekker, Inc, New York
innsHTH 139
v\
