METODE KALIBRASI TIME DIFFERENT OF ARRIVAL TDOA UNTUK SISTEM PASSIVE RADAR TRAYEKTORI ROKET Wahyu Wldada, Sri Kliwati Peneltti BI dang Tele met ri dan Muatan Roket. LAPAN E-mail:
[email protected],
[email protected]
ABSTRACT Design passive ranging base on radio with Time Different of Arrival TDOA (passive RADAR) have been developed for the application of tracking rocket trajectory. Calibration of t h e passive RADAR can be done in launching site for obtaining optimal position, however it is also require to be done in laboratory for testing the system algorithm. This article describes the calibration method of time delay calculation in laboratory u s i n g a n t e n n a cable with various of lengths. We obtain an accurate correlation results between time delay from measurement of oscilloscope and calculation TDOA with cross-correlation method. This method is practical a n d effective for calibration system in t h e development of passive RADAR. Keywords : TDOA, Passive RADAR, Trajectory rocket, Calibration method, Cross-correlation ABSTRAK Disain passive ranging berbasis radio dengan metode Time Different of Arrival (TDOA) telah dikembangkan u n t u k aplikasi tracking trayektori roket. Untuk melakukan kalibrasi passive RADAR ini dapat dilakukan di tempat peluncuran u n t u k memperoleh posisi yang optimal, a k a n tetapi sebelumnya sangat perlu dilakukan di laboratorium u n t u k menguji algoritma sistem tersebut. Tulisan ini m e m b a h a s metode kalibrasi time delay tersebut di laboratorium menggunakan kabel a n t e n a dengan berbagai u k u r a n panjang. Diperoleh hasil korelasi a k u r a t a n t a r a panjang kabel d a n time delay baik dari pengukuran osiloskop d a n TDOA dengan cross-correlation. Metode ini terbukti efektif d a n praktis digunakan u n t u k sistem kalibrasi dalam pengembangan passive RADAR. Kata kunci: TDOA, Radio pasif, Lintasan terbang roket, Metode kalibrasi, Koreksi silang 1
PENDAHULUAN
LAPAN telah mengembangkan berbagai jenis roket u n t u k keperluan penelitian dan sistem pertahanan. Untuk keperluan deteksi performa, m a k a sangat diperlukan sistem tracking. Sistem RADAR telah digunakan dalam uji peluncuran, akan tetapi teknologi tersebut relatif m a h a l jika dibeli secara u t u h , sehingga perlu a d a n y a pengembangan sistem tracking sejak awal. Passive RADAR u n t u k keperluan tracking roket, telah mulai didisain dan disimulasikan [Wahyu W., Sri Kliwati, dkk, 2008]. Salah s a t u proses yang sangat penling adalah pengujian di laboratorium
u n t u k m e n d a p a t k a n algoritma yang optimal. Passive RADAR dapat dirancangb a n g u n dengan menggunakan array antenna dengan posisi yang berbeda dan hardware u n t u k pemrosesan signal tersebut (DSP). Beda waktu dari posisi antena yang berbeda ini digunakan u n t u k estimasi s u d u t azimuth dan elevasi. Mulai t a h u n 2008 dikembangkan sistem RADAR tipe passive u n t u k keperluan pengembangan roket-roket j a r a k j a u h . Dimulai dengan analisa dan simulasi sistem, selanjutnya akan dibuat prototype hardware baik transmitter m a u p u n receiver u n t u k uji performanya. Kelanjutan penelitian ini sangat penting, karena dimulai dari hal yang dasar dan 118
/
a k a n terus dilanjutkan u n t u k memperoleh sistem yang h a n d a l d a n s e s u a i dengan k e b u t u h a n . Tulisan ini m e m b a h a s metode pengujian TDOA di laboratorium dengan m e n g g u n a k a n radio transmitter, digital osciloscope, d a n beberapa kabel coaxial d e n g a n panjang y a n g berbeda-beda. Panjang kabel y a n g d i g u n a k a n a d a l a h dari 1,5 s a m p a i 3,3 meter. Faktor propagasi kecepatan gelombang elektromagnetik di atmosfir d a n kabel coaxial sedikit berbeda, sehingga selain kalibrasi TDOA secara k e s e l u r u h a n , propagasi signal di kabel j u g a d a p a t diketahui dengan a k u r a t . 2
SISTEM PASSIVE RADAR
Sistem passive r a d a r y a n g telah didisain u n t u k trayektori roket a d a l a h seperti p a d a gambar di b a w a h yang terdiri dari transmitter d a n receiver
(2-2) Masing-masing delay w a k t u AT t e r s e b u t diestimasi dengan menggunakan algoritma cross-correlation [Robert et al., 2000]. Jika koordinat tempat p e n g u k u r a n y a n g s a t u adalah (0, 0) d a n p e n g u k u r a n y a n g lain adalah (0, D), m a k a koordinat roket dapat dihitung dengan persamaan berikut. (2-3) Dari p e r s a m a a n (2-1) sampai (2-3), m a k a koordinat trayektori roket dapat diestimasi dari p e r u b a h a n delay waktu p a d a masing-masing p a s a n g a n a n t e n n a . 3
METODE KALIBRASI PASSIVE RADAR
TDOA
Seperti p a d a G a m b a r 3 - 1 , sistem kalibrasi ini terdiri dari transmitter (RF generator), antena, kabel coaxial, digital osciloscope, d a n PC. Sinyal dari generator diterima dengan beberapa a n t e n a dengan panjang kabel yang berbedabeda. Seperti p a d a Gambar 2-1 jika m e n g g u n a k a n osiloskop, m a k a pengu k u r a n dapat dilakukan secara bers a m a a n . Skema Gambar 3-1 j u g a dapat digunakan u n t u k kalibrasi j a r a k propagasi u d a r a dengan menggunakan j a r a k a n t a r a n t e n a d a n panjang kabel yang sama. Akan tetapi mungkin a k a n dipengaruhi oleh p a n t u l a n signal dari sekeliling, sehingga dapat j u g a dilakukan secara langsung dengan menggunakan kabel, seperti p a d a skema Gambar 3-2.
Gambar 3-1: Sistem kalibrasi TDOA dengan panjang kabel (£,, 1$, L3) secara simultan dengan digital osciloscope d a n PC 119
G a m b a r 3-2: Sistem kalibrasi TDOA d e n g a n p a n j a n g kabel (L\, L2, L3) secara simultan dengan digital oscilloscope d a n PC Metode kalibrasi dengan panjang kabel lebih presisi, karena pantulan sinyal radio tidak ada. Panjang kabel ini a k a n disesuaikan dengan frekuensi sinyal y a n g d i p a n c a r k a n d a n sampling d a t a dari osiloskop. Alat-alat yang digunakan a d a l a h seperti p a d a Tabel 3 - 1 . Tabel3-1:ALAT UJI KALIBRASI YANG DIGUNAKAN Instrument RF Generator Osiloskop Coaxial
Disini A7i2 a d a l a h nilai estimasi b e d a waktu k e d u a sinyal tersebut di atas. Gambar 4-1 menunjukkan ilustrasi algoritma dari p e r s a m a a n (4-1) sampai d e n g a n p e r s a m a a n (4-4).
Tipe Rhode 8& Schwarz Textronik TDS2024 RG58
Generator sinyal mempunyai k e m a m p u a n hingga 3,3 MHz, sedangkan osiloskop h a n y a s a m p a i 200 MHz dengan sampling data 2 G / s . Kabel coaxial yang d i g u n a k a n m e m p u n y a i faktor r a m b a t a n kira-kira 0.6-0.8 (tergantung tipenya) dibandingkan dengan rambatan di udara. 4
Algoritma correlation ini lebih lama, waktu prosesnya, sehingga d a p a t p u l a dilakukan p a d a domain frekuensi mengg u n a k a n FFT (Fast Fourier Transform). Langkah berikutnya adalah menghitung peak p a d a p e r s a m a a n (4-3), yang dapat ditulis d e n g a n p e r s a m a a n berikut:
TIME DELAY ESTIMATION
Metode time delay ini telah sukses d i g u n a k a n dalam aplikasi RADAR, sistem sonar d a n Iain-lain. J i k a sinyal yang diterima p a d a a n t e n a ke 1 a d a l a h x\(t) d a n X2(tj a d a l a h p a d a a n t e n a ke 2, m a k a d a p a t ditulis dengan p e r s a m a a n berikut: x 1 ( 0 = a , 5 ( 0 + n,(0
(4-1)
x 2 ( 0 = a 2 5 ( 0 + « 2 (r)
(4-2)
Disini a a d a l a h a t e n u a s i sinyal di atmosfir, s(t) adalah sinyal dari transmitter, n(t) a d a l a h sinyal noise p a d a masingmasing antena, d a n T a d a l a h delay masing-masing sinyal. Cross-correlation a n t a r a k e d u a sinyal di a t a s a d a l a h
G a m b a r 4 - 1 : Ilustrasi algoritma persam a a n (4-1) s a m p a i (4-4) Pemrosesan TDOA ini s e p e n u h nya dilakukan p a d a PC, selain MATLAB yang m u d a h digunakan dapat pula d e n g a n program aplikasi Visual Basic. Komunikasi data antara osiloskop d a n PC dilakukan dengan kabel serial RS232. Kontrol perintah d a n akusisi dilakukan secara m u d a h dan cepat, serta l a n g s u n g d a p a t memproses d a t a - d a t a tersebut secara realtime.
Gambar 4-2: Setup kalibrasi TDOA dengan RF sinyal generator d a n digital osiloskop 2 G s / s 120
5
KALIBRASI TDOA DENGAN KABEL COAXIAL
Setup kalibrasi a d a l a h seperti p a d a Gambar 3-2, s e d a n g k a n foto setup sinyal generator d a n digital osiloskop terlihat seperti Gambar 4-2. Panjang kabel Li dan L2 dipotong s a m a panjang 0,5 meter u n t u k referensi sinyal. Sedangkan panjang kabel L3 diganti-ganti dengan panjang y a n g berbeda-beda (1,5 meter s a m p a i 3,3 meter). J i k a panjang kabel adalah L, m a k a delay waktu adalah sebagai berikut:
m a k a hasilnya a k a n lebih a k u r a t . Peningkatan a k u r a s i j u g a dapat d i b a n t u dengan m e n g g u n a k a n teknik sinyal processing, seperti menggunakan algoritma interpolasi data, digital filtering. Tabel 6-1: PANJANG KABEL DAN AT
(5-1) Misalnya p a n j a n g L adalah 10 Meter, m a k a AT adalah 10/3x108 = 33 nanosecond. Data dari osiloskop setelah ditransfer ke PC via kabel RS232 dengan kecepatan transfer 19200 bps, kemudian d a t a tersebut diproses u n t u k menghitung time delay secara realtime dengan p e r s a m a a n (4-3) d a n (4-4) di a t a s . Dib a n d i n g k a n dengan propagasi di atmosfer, m a k a propagasi gelombang radio di kabel tipe RG58 yang d i g u n a k a n a d a l a h 0.66 kali lebih lambat. 6
PERCOBAAN DAN DISKUSI
S e t u p p e r c o b a a n a d a l a h seperti Gambar 3-1 dan 4-2. Digital osccilloscope yang a d a a d a l a h 2 Giga sampling/detik, sehingga resolusi time delay yang dapat dideteksi a d a l a h 0,5x10-9 a t a u 5 x l 0 1 0 detik. Minimum j a r a k agar delay waktu d a p a t dideteksi a d a l a h 5x10-9x3x10 8 = 0.15 meter. Tabel 6-1 a d a l a h tabel hasil kalibrasi a n t a r a panjang kabel, delay waktu dari osiloskop d a n dari algoritma TDOA. Frekuensi radio dari sinyal generator adalah 60 MHz dengan panjang w a k t u p e n g u k u r a n 25 nsec di osiloskop. G a m b a r 4-2 s a m p a i 6-3 a d a l a h delay w a k t u kira-kira 5 , 8 , d a n 1 1 n s e c . Hasil p e r h i t u n g a n a n t a r a osiloskop d a n algoritma TDOA a d a p e r b e d a a n sekitar 0.1 nsec. Hal ini disebabkan oleh sampling osiloskop yang t e r b a t a s h a n y a 2 G s / s , jika lebih b a n y a k lagi (misal 20 G s / s ) , 121
Gambar 6-2: Sinyal kalibrasi TDOA m e n g g u n a k a n sinyal generator d a n digital osiloskop d e n g a n panjang kabel Li = 2,4 Sinyal RADAR yang paling cocok adalah tidak menggunakan sinyal sinusoidal, a k a n tetapi sinyal yang m e m p u n y a i modulasi frekuensi, a t a u
g a b u n g a n d e n g a n modulasi amplitudo. Sinyal tersebut misalnya chirp pulse, a k a n tetapi sinyal generator yang dig u n a k a n tidak d a p a t m e m b u a t sinyal RADAR tersebut, sehingga perlu membuat disain d a n implementasi rangkaian elektronik tersendiri. Dalam k e s e m p a t a n lain a k a n kami disain d a n dibuat prototipe sebagai bagian dari RADAR transmitter d a n a k a n kami b a h a s lebih detil dalam tulisan tersendiri.
m e n g g u n a k a n panjang kabel a n t e n a yang berbeda. Perbedaan delay waktu dari osiloskop dan algoritma sinyal prosesing a d a l a h sekitar 0.1 nsec. Hasil ini c u k u p baik d a n dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan sampling data yang lebih banyak atau dengan algoritma interpolasi d a n filtering. Penelitian berikutnya adalah mengembangkan algoritma d a n sinyal RADAR yang sesuai dengan k e m a m p u a n hardware agar memperoleh hasil yang optimal. DAFTAR RUJUKAN
5
10 15 Time (nsec)
25
G a m b a r 6-3: Sinyal kalibrasi TDOA m e n g g u n a k a n sinyal generator d a n digital osiloskop d e n g a n p a n j a n g kabel L\ = 3,3 Selain algoritma TDOA berbasis waktu (time domain), m a k a a d a p u l a algoritma berbasis frekuensi (frequency domain) menggunakan Fourier Transform Kehandalan masing-masing algoritma t e r s e b u t a k a n k a m i uji u n t u k d a p a t m e n e n t u k a n sinyal RADAR d a n sistem receiver yang paling optimal. 7
KESIMPULAN
Telah dirancang metode kalibrasi TDOA u n t u k pengembangan sistem passive RADAR yang a k a n diaplikasikan u n t u k tracking trayektori roket. J a r a k posisi a n t e n a dapat diwakili dengan panjang kabel, sehingga sangat praktis d a n m u d a h dilakukan di laboratorium. Hasil kalibrasi kabel j u g a d a p a t digunak a n u n t u k parameter sistem RADAR yang
Wahyu Widada; d a n Sri Kliwati, 2 0 0 8 . Disain Sistem Passive RADAR Radio UHF Untuk Aplikasi Uji Terbang Roket, Posiding SITIA ITS-Surabaya. Robert J. Purdy et al, 2000.Radar Signal Processing, Lincoln Laboratory J o u r n a l Volume 12, Number 2. Wahyu Widada; Sri Kliwati, dkk, 2007. Metode Tracking 3 Dimensi Trayektori Roket dengan Kombinasi Altimeter dan Circular Array-Antenna Crossed-Yagi, JANAS September. Satria G u n a w a n Zain; Adi Susanto; T. Sri Widodo; Sri Kliwati; Wahyu Widada, 2008. Prediksi Sudut Terima Antena Radio Tracking Dari Pemancar di Payload Roket, Seminar Nasional SITIA ITS Surabaya. Wahyu Widada, 1994. Rancangbangun Robot Pencari Asal Arah Suara Berbasis Jaringan Saraf Tiruan, Thesis Sarjana Engineering Waseda University, Tokyo JAPAN. Donald F. Breslin, Adaptive Antenna Arrays Applied To Position Location, Master Thesis Virginia Polytechnic Institute and State University. Maria Kelly, 2006. Compact, Low-Cost Direction-Finding Using Time to Digital Converters", 3rd EMRS DTC Technical Conference - Edinburgh.
122
