PENGEMBANGAN SISTEM GPS REALTIME UNTUK PENGAMATAN TROPOSFER DAN IONOSFER
TUGAS AKHIR Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana
Oleh Ari Yanuar Nugraha 151 04 020
Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika
Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Lembar Pengesahan
Tugas Akhir Sarjana
PENGEMBANGAN SISTEM GPS REALTIME UNTUK PENGAMATAN TROPOSFER DAN IONOSFER Adalah benar dibuat oleh saya sendiri dan belum pernah dibuat dan diserahkan sebelumnya baik sebagian ataupun seluruhnya, baik oleh saya maupun orang lain, baik di ITB maupun institusi pendidikan lainnya.
Bandung, 27 Juni 2008 Penulis,
Ari Yanuar Nugraha NIM 151 04 020
Diperiksa dan disetujui oleh : Pembimbing I,
Pembimbing II,
Bambang Setyadji, Dr., Ir., M.T. NIP 131 944 836
Wedyanto Kuntjoro, Dr., Ir., M.Sc. NIP 131 690 328
Mengetahui: Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika Ketua,
Wedyanto Kuntjoro, Dr., Ir., M.Sc. NIP 131 690 328
prakata
PRAKATA
Segala puji kehadirat Allah SWT, atas segala kekuatan, kelapangan, dan kesabaran yang diberikan sehingga akhirnya Tugas Akhir ini dapat diselesaikan oleh penulis dengan baik dan pada waktu sebagaimana mestinya. Tugas Akhir yang berjudul Pengembangan Sistem GPS Realtime untuk Pengamatan Troposfer dan Ionosfer ini dikerjakan dan dilaporkan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program pendidikan Sarjana Program Studi Teknik Geodesi dan Geomatika di Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian Institut Teknologi Bandung. Berawal dari keingintahuan penulis terhadap fenomena atmosfer serta rasa penasaran terhadap seluk beluk dari sistem GPS dan berdasarkan diskusi dengan beberapa dosen dari KK. GD akhirnya didapatlah satu topik penelitian yang sangat cocok dengan hal ini yaitu skripsi “Pengembangan Sistem GPS Realtime untuk Pengamatan Troposfer dan Ionosfer”, dimana pada penelitian ini memadukan teknologi IT dan pengetahuan GD. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini tidak akan selesai tanpa bantuan dari pihak lain sehingga dalam kesempatan yang membanggakan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih banyak kepada: 1. Dr. Bambang Setyadji, Ir., M.T. sebagai pembimbing I, atas topik penelitian yang diberikannya kepada penulis sehingga dengan waktu bimbingan sekitar 5 bulan penulis bisa menguasai GPS, pengolahan data GPS dengan software Bernese, berbagai bahasa pemrograman, networking, dan banyak sekali yang lainnya baik itu berupa software, hardware, pengetahuan, dsb. 2. Dr. Wedyanto Kuntjoro, Ir., M.Sc. sebagai pembimbing II sekaligus ketua prodi, atas segala masukan, bimbingan baik itu berhubungan dengan tugas akhir ini maupun tentang attitude dari penulis sendiri selama menjalani pendidikan di program studi Teknik Geodesi dan Geomatika ini. 3. Prof. Dr. Hasanuddin Z. Abidin, dan Ir. Dwi Wisayantono, M.T. selaku dosen penguji, atas segala pertanyaan, koreksi, dan masukan bagi penulisan Tugas Akhir ini.
i
ii
prakata 4. Dina A. Sarsito, Ir., M.T. selaku wali dari penulis, atas segala bimbingan dan konsultasinya selama penulis menjalani pendidikan di program studi Teknik Geodesi dan Geomatika ini. 5. Kosasih Prijatna, Ir., M.Sc., Irwan Meilano, Dr., ST, M.Sc., Heri Andreas., ST., M.T., Irwan Gumilar., Ir., S.Si, atas segala diskusi, masukan dan pengetahuan yang diberikannya kepada penulis. 6. LEICA GeoSystem yang telah menyumbangkan stasiun GPS CORS kepada laboratorium Geodesi. Kesempurnaan hanyalah milik Allah SWT, dengan demikian penulis sangat mengharapkan segala masukan, kritik, serta sarannya yang bersifat membangun untuk saling memperbaiki dan menuju kelanjutan yang lebih baik. Terakhir kata penulis mengucapkan banyak-banyak terima kasih dan semoga hasil dari penelitian ini dapat digunakan baik itu secara langsung maupun dijadikan sebagai acuan untuk penelitian selanjutnya.
Bandung, 24 Juni 2008 Penulis,
Ari Yanuar Nugraha
lembar penghargaan
LEMBAR PENGHARGAAN
Dalam kesempatan yang membanggakan ini saya mengucapkan banyak-banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu saya baik selama menjalani pendidikan di kampus geodesi tercinta ini dan khususnya dalam penelitian tugas akhir ini, ucapan rasa terima kasih yang paling dalam saya sampaikan kepada: Orangtuaku tercinta; Mamah, Bapa, kupersembahkan kebanggaan dan kelulusan ini buat kalian semua, tiada daya dan upaya tanpa do’a dan dukungan kalian semua. Do’kan anakmu ini menjalani kehidupan selanjutnya menuju kesuksesan yang lebih baik agar bisa membuat kalian bangga dan bahagia…Amien. Keluargaku tercinta; a dadan, teh elly, lina, wulan, terimakasih banyak atas segala do’a, bantuan materi maupun moril kepada adikmu ini. Ponakanku Zulfa, Zanira, Fikri, Jihad, Ghany, Zafira, yang selalu menghibur disaat sedih dan susah. Keluarga besar O. Sunarya, yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu namanya di sini, terima kasih banyak atas do’a dan dukungan kalian semua. Endah, terima kasih banyak atas semua yang diberikan, kasihsayang, pengertian, kesabaran, kedewasaan dan segala do’a serta dukungannya. the vacum cleaner (dhota, arief, fanani, wulan, mei) wah kita lulus bareng juga, gimana neh nasib dapur gratis kita, gada yang ngabisin. mr. setyadi’s room mate, win mude (penemu satelit garce), dede (matlab freak) yang bikin ruangan kita selalu gila. terima kasih banyak de buat tutorialnya. pak yayas, mr.blake, pak gamal, makasih banyak buat diskusi bernesenya, gila tuh software nginstal di linuxnya aja ampe nangis darah. nawaksara, dhota, nazih, makasih banyak buat diskusi bernesenya, baca manualbook nya doank bisa abis 2 semester tuh. kusman, propaganda software halal rief, sanes hoyong rief kapaksa diajar linux teh. meiriska, makasih banyak mei buat gmt nya, kok ngeplot titik doank harus pake script ya mei, nyusahin banget. fahri, ginziro, makasih banyak buat bantuan dan pengetahuannya tentang network. buat ibu2 img 2004 (ika, ayu, mila, indri, wulan, mei, via, saka, mitha, diah, friska, gaby, tia, nurul) salut buat kalian, bangga bisa kenal kalian semua. oh iya special buat mila makasih banyak buat proyek-proyeknya. Temen-temen 2004 wisudawan juli 2008 (fahri, hamsah, gien, juma, denny, diah, friska, wulan, dhota, fanani, mei, arief, akbar, indri, ayu, via), akhirnya perjuangan kita ada hasilnya juga. ketua-ketua angkatan dan IMG kita, gien, ancha, hendry, dan ozi. Terima kasih banyak atas semua pembelajarannya. Semua anggota IMG_04 yang tidak bisa saya sebutkan satupersatu. Bangga urang bisa kenal kalian. Sukses buat kalian semua. Semua anggota IMG….IMG 3x
iii
abstrak
ABSTRAK
Pada perambatannya, sinyal GPS melewati lapisan ionosfer dan troposfer yang mempengaruhi kecepatan dan arah dari sinyal tersebut. Perubahan kecepatan dan arah sinyal GPS mempengaruhi jarak ukuran yang dihasilkan dan menyebabkan kesalahan pada koordinat yang dihasilkan. Dengan teknik inverse problem dari penentuan posisi dengan GPS maka bisa didapat besarnya bias pada kedua lapisan atmosfer di atas dan secara stokastik karakter kedua lapisan tersebut dapat diestimasi dengan diwakili oleh nilai PWV (Precipitable Water Vapour) pada troposfer dan TEC (Total Electron Content) pada ionosfer. Dengan memanfaatkan data pengamatan GPS realtime stasiun CORS (Continuously Operating Reference Station) maka bisa dibuat sebuah sistem otomatisasi dengan algoritma pemrograman yang berbasiskan waktu sehingga bisa mendapatkan hasil berupa karakter dari troposfer dan ionosfer secara realtime mengingat bahwa nilai PWV dan TEC bervariasi secara temporal. Pembahasan akan diarahkan pada masalah pembangunan sistem realtime GPS tersebut beserta mekanisme dan algoritmanya yang diawali dengan proses akuisisi data, persiapan pengolahan, pemprosesan data, dan visualisasi data hasil berupa nilai dari PWV dan TEC pada kondisi realtime dengan segala kelebihan dan kelemahan dari hasil yang diperoleh. Kata kunci : sistem GPS realtime, otomatisasi, troposfer, PWV (Precipitable Water Vapour), ionosfer, TEC (Total Electron Content).
iv
abstract
ABSTRACT
According to the propagation, GPS signal passes ionosphere and troposphere layer that influence its speed and direction. The changing of speed and direction of GPS signal influence the distance from satellite to receiver and cause mistake to coordinate produced by. With inverse problem GPS positioning technique then can be got level of bias on the two atmosphere layer and the both layer can be estimated its character with stochastic method that representatived with value of PWV (Precipitable Water Vapour) at troposphere and TEC (Total Electron Content) at ionosphere. By using realtime observation data of GPS at CORS station (Continuously Operating Reference Station) then can be made an automatization system with time based programming algorithm so it can estimate the character of troposphere and ionosphere layer in realtime in view of variety value PWV and TEC in temporal. Discussion will be aimed at realtime problem of GPS system development referred as and its mechanism and algorithm that starting by process of data acquisition, processing preparation, data processing, and visualisation result of data that have the value of PWV and TEC at realtime condition with all excess and weakness from result obtained. Keyword : realtime GPS system, automatization, troposphere, PWV (Precipitable Water Vapour), ionosphere, TEC (Total Electron Content).
v
daftar isi
DAFTAR ISI
PRAKATA ............................................................................................................................. i LEMBAR PENGHARGAAN ............................................................................................ iii ABSTRAK ........................................................................................................................... iv ABSTRACT .......................................................................................................................... v DAFTAR ISI........................................................................................................................ vi DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ................................................................................................................ x
BAB I
BAB II
PENDAHULUAN ............................................................................................ 1 1.1
Latar Belakang ....................................................................................... 1
1.2
Tujuan Penelitian .................................................................................... 2
1.3
Rumusan Masalah ................................................................................... 2
1.4
Ruang Lingkup ........................................................................................ 2
1.5
Kemanfaatan ........................................................................................... 3
1.6
Metodologi Penelitian ............................................................................. 3
1.7
Sistematika Pembahasan ......................................................................... 5
ATMOSFER DAN GPS .................................................................................. 6 2.1
2.2
Lapisan Atmosfer .................................................................................... 6 2.1.1
Lapisan Troposfer ...................................................................... 7
2.1.2
Uap Air pada Troposfer ............................................................. 7
2.1.3
Lapisan Ionosfer......................................................................... 8
2.1.4
Elektron pada Ionosfer ............................................................... 8
GPS (Global Positioning System) ........................................................... 9 2.2.1
Karakteristik Sinyal GPS ......................................................... 10
2.2.2
Perambatan Sinyal GPS ........................................................... 11
2.2.3
Orbit Satelit GPS...................................................................... 12
2.2.4
vi
2.2.3.1
Broadcast Ephemerides.......................................... 14
2.2.3.2
Precise Ephemerides .............................................. 15
Konsep Penentuan Posisi dengan GPS .................................... 15
vii
daftar isi
2.2.5
2.2.6
2.2.4.1
Pengamatan Pseudorange...................................... 16
2.2.4.2
Pengamatan Carrier Phase .................................... 17
Bias Atmosfer ........................................................................... 18 2.2.5.1
Bias Troposfer ........................................................ 19
2.2.5.2
Bias Ionosfer .......................................................... 21
Teori Pengamatan Troposfer dan Ionosfer dengan GPS .............................................................................. 23 2.2.6.1
Pengamatan PWV (Precipitable Water Vapour) .................................. 23
2.2.6.2
Pengamatan TEC (Total Electron Content) ........................................ 26
BAB III
GPS REALTIME UNTUK PENGAMATAN TROPOSFER DAN IONOSFER ................................................................. 28 3.1
Pengembangan Sistem GPS Realtime ................................................... 28 3.1.1
Data CORS (Continuously Operating Reference Station) ........................... 29
3.2
3.1.2
Informasi Orbit Precise Ephemerides Prediksi........................ 30
3.1.3
Otomatisasi Pemprosesan Data ............................................... 30
Tahapan Pemprosesan Data .................................................................. 31 3.2.1
Persiapan Pengolahan Data Observasi GPS dan Informasi Orbit......................................................................... 31
3.3
3.4
3.2.2
Pengolahan Data Informasi Orbit ........................................... 34
3.2.3
Pengolahan Data Observasi GPS ............................................ 35 3.2.3.1
Pre-processing Data .............................................. 36
3.2.3.2
Estimasi Parameter ................................................ 40
Penentuan Nilai PWV dan TEC ............................................................ 40 3.3.1
Penentuan Nilai PWV (Precipitable Water Vapour)................ 41
3.3.2
Penentuan Nilai TEC (Total Electron Content) ....................... 42
Plotting PWV dan TEC......................................................................... 42 3.4.1
Plotting PWV (Precipitable Water Vapour) ............................. 43
3.4.2
Plotting TEC (Total Electron Content) .................................... 43
viii
daftar isi BAB IV
HASIL DAN ANALISIS ............................................................................... 44 4.1
4.2
BAB V
Output Sistem ........................................................................................ 44 4.1.1
Informasi PWV (Precipitable Water Vapour) .......................... 44
4.1.2
Informasi TEC (Total Electron Content).................................. 45
Analisis.................................................................................................. 45 4.2.1
Analisis Data Input ................................................................... 45
4.2.2
Analisis Metodologi Pemrosesan Data..................................... 47
4.2.3
Analisis Sistem ......................................................................... 48
4.2.4
Analisis Data Hasil ................................................................... 50
PENUTUPAN ................................................................................................ 58 5.1
Kesimpulan ........................................................................................... 58
5.2
Saran...................................................................................................... 58
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................... 61
daftar gambar
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1
Metodologi penelitian .................................................................................. 4
Gambar 2.1
Struktur sinyal GPS [Abidin, 2007] ........................................................... 10
Gambar 2.2
Propagasi sinyal GPS ................................................................................. 12
Gambar 2.3
Elemen Keplerian ...................................................................................... 13
Gambar 2.4
Refraksi ionosfer ........................................................................................ 23
Gambar 3.1
Diagram alir mekanisme sistem ................................................................. 28
Gambar 3.2
GPS CORS KK. Geodesi FITB ITB .......................................................... 29
Gambar 3.3
Pemrosesan data......................................................................................... 31
Gambar 3.4
Download RINEX...................................................................................... 32
Gambar 3.5
Download IGS ........................................................................................... 33
Gambar 3.6
Pengolahan data informasi orbit ................................................................ 35
Gambar 3.7
Diagram alir pre-processing data............................................................... 39
Gambar 3.8
Proses screening data hasil ........................................................................ 42
Gambar 4.1
Contoh nilai PWV hasil pengolahan sistem............................................... 44
Gambar 4.2
Contoh nilai TEC hasil pengolahan sistem ................................................ 45
Gambar 4.3
Perbedaan data yang terambil antara pemakaian data 30s dan data 1s ........................................................................................... 46
Gambar 4.4
Ilustrasi waktu pemrosesan ........................................................................ 49
Gambar 4.5
Grafik ZTD dengan standar deviasinya pada dayofyear 34 dan 35 tahun 2008 ...................................................................................... 51
Gambar 4.6
Grafik perbandingan ZTD.......................................................................... 52
Gambar 4.7
Peta TEC hasil perolehan sistem pada dayofyear 159 2008....................... 55
Gambar 4.8
Grafik rata-rata nilai TEC setiap jam pada dayofyear 159 ......................... 56
ix
daftar tabel
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Pembagian atmosfer bumi sesuai dengan karakteristiknya [Seeber, 1993] ................................................................................................... 6
Tabel 2.2
Elemen Keplerian [Hofmann-Wellenhof, 1992] .............................................. 12
Tabel 2.3
Estimasi kualitas informasi orbit [Dach, Rolf et al., 2007] ............................. 14
Tabel 3.1
Nilai ZHD (Zenith Hydrostatic Delay)............................................................ 41
Tabel 4.1
Jenis dan waktu pemrosesan ............................................................................ 48
Tabel 4.2
Nilai ZTD pada hari ke 34 dan 35 tahun 2008 ................................................ 50
Tabel 4.3
Selisih nilai ZTD hasil sistem dan post-processing......................................... 52
Tabel 4.4
Analisis perbedaan metode .............................................................................. 53
Tabel 4.5
Tabel RMS Error TEC pada dayofyear 159 .................................................... 54
x
