Hasan Mayditia, Gunawan S. Prabowo Mechatronics Division, Indonesian Space and Aeronautics Institute, LAPAN Email:
[email protected]
ABSTRACT Bias instability (drift or offset) is one of the m e a s u r e m e n t deviations (error) which must be found in the inertial sensors such as rate-gyro. This error value will be different from one to another, so the direct measurements to each sensor have to be done. The aim of this is to get some units with the best performance. These bias measurements have been done to all six units of the sensor using the earth rotation as reference. Furthermore, four unit sensors have been selected from six to be used in LAPAN-A2 satellite. Keywords: Bias drift, Earth rotation, Data resolution, Data Acquisition ABSTRAK Bias instability (drift a t a u offset) m e r u p a k a n salah satu jenis deviasi (error) pengukuran yang pasti ditemukan di dalam sensor-sensor inersial seperti halnya rategyro. Nilai error ini berbeda u n t u k setiap unit sensor, sehingga p e n g u k u r a n nilai bias untuk masing-masing unit h a r u s dilakukan. Ini dilakukan u n t u k memperoleh unitunit sensor dengan performa yang terbaik. Pengukuran nilai error bias (drift) telah dilakukan p a d a keenam u n i t sensor gyro (tipe uFORS-4) dengan memanfaatkan pergerakan rotasi bumi sebagai nilai referensi. Empat dari e n a m unit sensor gyro telah dipilih u n t u k selanjutnya digunakan d a n diterbangkan pada satelit LAPAN-A2. Kata Kunci : Bias drift, Rotasi bumi, Resolusi data, Akuisisi data
1
PBNDAHULUAN Bias instability merupakan fluktuasi nilai p e n g u k u r a n kecepatan sudut yang terjadi pada temperatur
k a r e n a data tersebut a k a n sangat dipengaruhi oleh error random walk. Random walk dapat didefinisikan sebagai mlai standar deviasi d a n output kenaikan
konstan ketika sensor gyro dalam keadaan tidak berotasi (a = 0) a t a u berotasi dengan kecepatan konstan (co = konstan) yang diketahui. Bias pada pengukuran ini sering juga disebut bias drift a t a u bias offset. Nilai error bias berbeda u n t u k setiap unit sensor. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, a n t a r a lain:
sudut
• error p a d a kalibrasi; . variasi bias terhadap temperatur; • switch-on to switch-on; • mechanical miss-alignment.
*<*>*&* f u n 8 s i d a r i P e r i o d e pengukuran. Sehingga, error bias m e r u p a k a n sifat terakumulasi dari data p e n g u k u r a n sensor, d a n tidak diketahui J i k a h a n y a dengan data tunggal. U n t u k da P a t m e n g u k u r nilai bias, a ^ 1 3 1 data d a l a m selanS w a k t u ^8 P^jang harus dilakukan, dan dibandingkan dengan data referensi yang telah diketahui. Ketika waktu akuisisi ditingkatkan, maka nilai p e n g u k u r a n bias yang lebih baik a k a n diperoleh.
2 DASAR TEORI DAN uFORS-4 Penentuan error bias tidak dapat dilakukan dengan d a t a yang diambil dalam w a k t u singkat (< 1 menit) oleh
Gyro uFORS-4 m e r u p a k a n sensor gyro satu s u m b u (Gambar 2-1) dengan 101
kontruksi lilitan serat optik sebagai medium pendeteksi kecepatan sudut. Sensor ini bekerja dengan prinsip efek Sagnac, dimana cahaya koheren (laser) dibagi menjadi d u a dengan m e n g g u n a k a n beam splitter sehingga m e r a m b a t berlawanan a r a h pada lilitan serat optik. Ketika sensor mengalami gerak rotasi p a d a s u m b u sensitifnya, setengah bagian dari cahaya yang terbagi tersebut a k a n m e r a m b a t lebih j a u h dari setengah bagian lainnya relatif t e r h a d a p pengamat di luar lilitan serat optik. Kedua cahaya tersebut a k a n ditangkap oleh s e b u a h foto-detektor, kemudian dilakukan pengukuran t e r h a d a p perbedaan fasa di a n t a r a k e d u a cahaya koheren tersebut. Beda fasa yang t e r u k u r a k a n sebanding dengan kecepatan rotasi yang dialami oleh sistem lilitan itu. "tight hand thumb rule'
Input Axis
G a m b a r 2 - 1 : Nilai output kecepatan s u d u t positif p a d a s u m b u rotasi u-FORS-4 Konfigurasi format data d a n resolusi p e n g u k u r a n dari gyro u.FORS-4 dapat disesuaikan dengan k e b u t u h a n pengguna. Adapun konfigurasi nFORS-4 yang digunakan dalam LAPAN-A2 adalah s a m a seperti p a d a LAPAN-TUBSAT, a n t a r a lain: • Mode Angle Increment: HFORS-4 akan memberikan data p e r u b a h a n s u d u t u n t u k setiap data yang diminta 102
• Interface komunikasi: Asynchkronous RS422, baud-rate 76800 bps, Odd parity, 1 bit-stop, d a n Hardware Trigger u n t u k request data - Resolusi data: 16 bit (2 Byte) - Rentang pengukuran: ± 8° - Resolusi pengukuran (dari poin 2 d a n 3): 16° / 65536 = 0.000244°/bit Dari keterangan di a t a s , diperoleh bahwa nFORS-4 ini memiliki interface asynchronous yang beroperasi dalam mode Hardware Trigger. Dalam hal ini, pengguna (host system), h a r u s memberikan d u a sinyal diskrit, TRIG A d a n TRIG B, u n t u k inisialisasi transfer data pada interface asynchronous, seperti ditunjukan dalam Gambar 2-2. Transfer dari blok data a k a n dimulai setelah 30 s.d 70 us setelah b a t a s tepi t u r u n (falling edge) dari sinyal trigger (TRIG A) p a d a s a a t ^FORS-4 beroperasi, system host h a r u s menjaga line data receive dari interface asynkronous (ASYNC RxA, ASYNC RxB) p a d a kondisi logika " 1 " a t a u kondisi impedansi tinggi. Line transmit h a r u s tetap dalam logika " 1 " (ASYNC TxA = high terhadap ASYNC TxB) setelah transmisi d a t a request diberikan. Interface koneksi dari nFORS-4 diberikan dalam Tabel 2 - 1 .
sekitar 23 j a m : 56 Menit : 4.1 detik a t a u 86164.1s, sehingga nilai kecepatan s u d u t n y a adalah COB = 360°/86164.1 = 0.0042°/s = 15.041°/jam
(3-2)
Gambar 2-3: Lokasi pin-pin dari |iFORS-4 S t r u k t u r data d a n perhitungan nilai s u d u t hasil p e n g u k u r a n bergantung p a d a resolusi bit data yang dipilih. Dalam hal ini resolusi data yang dipilih a d a l a h 16 bit (2 byte), m a k a data yang a k a n dikirim oleh jiFORS sebanyak 4 byte, a n t a r a lain, d u a byte data sudut, satu byte status, dan satu byte checksum seperti ditunjukkan dalam Gambar 2-4.
3 PENGUKURAN NILAI BIAS MENGGUNAKAN ROTASI BUMI |iFORS-4 memiliki sensitivitas pengukuran kecepatan s u d u t yang sangat tinggi. Dalam hal ini, dengan resolusi 16 bit d a n rentang p e n g u k u r a n ± 8° diperoleh nilai p e r u b a h a n s u d u t minimum yang m a m p u diukur adalah 0.000244°. Kuantisasi dari pembacaan data s u d u t u n t u k tiap detiknya adalah (2.44xl0- 4 )°, sehingga kuantisasi pengukuran kecepatan s u d u t yang dapat diukur adalah %_mm=(9.76xl0-4)0/s ((3.5136)°/jam) (3-1) pada sampling rate 4 Hz (250 ms). Sehingga sensor ini dapat digunakan pula u n t u k m e n g u k u r kecepatan rotasi dari b u m i p a d a posisi tertentu. Pada Gambar 3-1 diberikan ilustrasi dari rotasi b u m i p a d a s u m b u putarnya (COB). Periode waktu yang dibutuhkan u n t u k s a t u rotasi p e n u h didefinisikan sebagai s a t u hari a t a u
Gambar 3-1: Ilustrasi dari rotasi bumi d a n beberapa projeksi di beberapa lokasi di permukaan bumi Untuk kecepatan rotasi di beberapa lokasi d a n orientasi di p e r m u k a a n bumi, dapat diperoleh dengan mencari komponen vektor (tangensial) dari kecepatan s u d u t yang bersesuaian dengan a r a h vektor rotasi bumi. Besar vektor tersebut bergantung dari posisi di p e r m u k a a n bumi a t a u bergantung langsung p a d a posisi latitudenya. Sebagai contoh, u n t u k proyeksi vektor COB p a d a posisi normal terhadap Universitas Teknik Berlin (TUBerlin/fi>Ein/B), dapat dituliskan COEITVB = COB • s i n a
(3-3)
= (15.041o/hr) . Sin 52.3° = 11.9 ° / h r dengan a adalah posisi latitude dari TUBerlin. Nilai COBITUB ini dapat dijadikan nilai referensi d a n a k a n t e r u k u r oleh (iFORS-4 sebagai nilai kecepatan s u d u t dengan menempatkan sensor di permukaan normal terhadap bumi sehingga s u m b u rotasi sensor berhimpit dengan s u m b u normal b u m i seperti ditunjukkan dalam Gambar 3 - 1 . Nilai ini dapat dikatakan sesuai u n t u k pengukuran p.FORS-4, oleh k a r e n a nilai COBITUB m a s i h j a u h lebih besar dibanding dengan nilai 103
yang digunakan adalah 250 ms selama selang waktu tidak kurang dari s a t u j a m p a d a temperatur r u a n g k o n s t a n . Selain itu pengamatan juga dilakukan t e r h a d a p konsumsi daya dari masing-masing u n i t |xFORS-4. Hasil-hasil pengukuran diberikan dalam bentuk data tabel, grafik, d a n perhitungan nilai bias drift.
kuantisasi minimum kecepatan s u d u t yang dapat diukur oleh nFORS-4. Dengan cara yang sama, nilai referensi Ini p u n dapat diperoleh di LAB Mekatronika, Rancabungur normal terhadap p e r m u k a a n b u m i (OEIRB = G>E . Sin /?
(3-4)
= (15.041°/hr) . Sin (-6.32°) = -1.65574 ° / h r dengan /? adalah posisi posisi latitude dari LAB Mekatronika, Rancabungur. Besar nilai \COEIRB\ < |<Wg_mm| sehingga tidak dapat digunakan sebagai referensi dalam p e n g u k u r a n nilai bias gyro. Oleh sebab itu, h a r u s dipertimbangkan metode lainnya untuk mencari nilai referensi. Dengan menempatkan sumbu gyro normal terhadap p e r m u k a a n bumi, yang m e r u p a k a n cara paling m u d a h , dengan asumsi bahwa permukaan normal yang digunakan u n t u k m e n e m p a t k a n gyro telah diukur dengan baik sehingga vektor normalnya berhimpit dengan vektor normal p e r m u k a a n bumi. Selain itu, metode lainnya adalah dengan memposisikan s u m b u rotasi gyro parallel terhadap s u m b u rotasi bumi. Namun COE//RB dapat didefinisikan sebagai besar oleh k a r e n a posisi Rancabungur, Bogor vektor kecepatan rotasi b u m i tegak lurus tidak tepat tegak lurus dengan s u m b u vektor normal b u m i p a d a a r a h u t a r a . rotasi bumi, m a k a perlu diperhitungkan Nilai ini digunakan sebagai nilai komponen proyeksi COE (COE//RB) referensi p a d a p e n g u k u r a n nilai bias dari uFORS-4.
SN: 2519 (Rotasi Positif) Temperature: 26 °C Power Consumption: 1.435 Watt Time
Actual 11:22:00
0
0
11:32:00
600
2.296943
11:54:00
1920
7.467376
12:05:00
2580
10.065020
12:17:00
3300
12.934010
12:22:00
3600
14.125080
Measured Angular R a t e : 1 4 . 0 9 8 ° / h r Bias error: - 0.852°/hr SN: 2519 (Rotasi Negatif) Temperature: 26 °C Power Consumption: 1.435 Watt Time Actual
4
HASIL DAN ANALISIS
Pengukuran nilai bias drift dengan menggunakan referensi rotasi bumi telah dilakukan terhadap keenam unit gyro nFORS-4. Pengetesan dilakukan pada masing-masing u n i t u n t u k s u m b u rotasi positif d a n negatif. Sampling rate 104
Angle
Second
12:23:00
Second
Angle 0
12:33:00
0 600
-2.602900
12:43:00
1200
-5.136340
12:58:00
-9.024920
13:09:00
2100 2760
-11.793900
13:23:00
3600
-15.335900
105
Time (Second) Measured Angular Rate: - 1 8 . 5 3 8 ° / h r Bias error: -3.588°/hr Dari d a t a hasil p e n g u k u r a n tersebut, diperoleh grafik linier d a n fungsi hasil interpolasi yang bersesuaian. Dari grafik d a n fungsi tersebut diperoleh nilai kecepatan s u d u t hasil p e n g u k u r a n yang selanjutnya dibandingkan dengan nilai referensi dari perhitungan rotasi bumi. Dari hasil fungsi interpolasi, diperoleh nilai-nilai ketidakstabilan bias seperti diberikan p a d a Tabel 4 - 1 . T a b e l 4 - 1 : DATA HASIL PENGUKURAN NILAI BIAS DRIFT MASINGMASING UNIT SENSOR P.FORS-
4-SN: 2519 2572 2571 2568 2513 2582
Power Consumption (Watt) 1.435 1.410 1.410 1.460 1.435 1.410
Bias Error (°/hr) Positive Negative - 0.852 - 0.088 - 1.262 - 0.364 - 0.939 -2.162
-0.418 - 0.034 - 0.556 3.665 2.310 - 3.588
Metode ini s e d e r h a n a d a n praktis, n a m u n tetap memperhatikan keakuratan dalam p e n g u k u r a n u n t u k m e n e n t u k a n nilai error bias sensor jiFORS-4. Rotasi b u m i yang diambil sebagai referensi, memberikan k e u n t u n g a n dalam hal stabilitas kecepatan rotasi setiap saat, dimana perhitungan t e r h a d a p nilai eksaknya menjadi faktor p e n e n t u u t a m a terhadap kesesuaian nilai yang diperoleh. Dari Tabel 4-1 di atas dapat dilihat bahwa ke e n a m u n i t nFORS-4 telah m e m e n u h i persyaratan yang diberikan oleh vendor, yaitu d e n g a n toleransi konsumsi daya (1.1 - 2.36 ) Watt d a n toleransi p a d a nilai bias drift (-6.0 -
6.0)°/Jam. 107
5
KESIMPULAN
Dari hasil pengukuran dan analisis di atas m a k a rekomendasi t e r h a d a p pemilihan gyro nFORS-4 yang a k a n digunakan p a d a satelit LAPAN-A2 d a p a t diberikan. Dari ke enam u n i t sensor (iFORS-4 yang sebaiknya dipilih a n t a r a lain u n i t bernomor seri 2572, 2519, 2571, 2513 dengan nilai ketidakstabilan bias terkecil.
108
DAFTAR RUJUKAN Draft
of LAPAN - TUBSAT Technical Documentation, Microsatellite for Surveillance. J u n i , 2 0 0 5 . LITEF GmbH: jxFORS User Manual, Doc No. 140650-2000-311 Rev d. 2 0 0 7 . Mayditia, Hasan, 2008. Technical Documentation: Functional and Acceptance Test for nFORS-4 Fiber Optic Gyro, Doc No. LFORS-04-TDD01.
