Prosiding SEMINAR RADAR NASIONAL. Gedung Widya Graha LIPI Jakarta, April 2007 PENYELENGGARA :

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007

SEMINAR RADAR NASIONAL

Prosiding Gedung Widya Graha LIPI Jakarta, 18 – 19 April 2007

PENYELENGGARA : Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET-LIPI) dan Sekolah Teknik Elektro dan Informatika (STEI – ITB) bekerjasama dengan International Research Centre for Telecommunications and Radar (IRCTR) Delft University of Technology (TU Delft) The Netherlands

Jakarta, 18 – 19 April 2007

ii



ISBN : 9-793-68869-6

Hak cipta © 2007 oleh Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI Hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang menyalin, memproduksi dalam segala bentuk, termasuk mem-fotocopy, merekam, atau menyimpan informasi, sebagian atau seluruh isi dari buku ini tanpa ijin tertulis dari penerbit.

Prosiding Seminar Radar Nasional / [editor by] Goib Wiranto, Mashury Wahab, A.A. Lestari, A.B. Suksmono, Rustini S. Kayatmo, Purwoko Adhi. vi + pp.; 21,0 x 29,7 cm ISBN : 9-793-68869-6 Radio Detecting and Ranging (Radar)

Technical editing by Yusuf Nur Wijayanto, Dadin Mahmudin, and Yudi Yulius Maulana. Cover design by Yadi Radiansah.

Diterbitkan oleh : Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Kampus LIPI Jl. Sangkuriang, Bandung Telp. (022) 2504661 Fax. (022) 2504659 Website : www.ppet.lipi.go.id


iii


Pelindung Deputi Ilmu Pengetahuan Teknik LIPI

Ketua Umum Yuyu Wahyu

Panitia Pengarah Lilik Hendradjaja, Dephan Adang Suwandi, ITB Masbah RT Siregar, LIPI Tatang A. Taufik, BPPT Hiskia Sirait, LIPI Andriyan B Suksmono, ITB A Andaya Lestari,IRCTR-IB

Endon Bharata, IRCTR-IB Nana Rachmana, ITB Mashury Wahab, LIPI Syamsu Ismail, LIPI Rustini S Kayatmo, LIPI Purwoko Adhi, LIPI Eko Tjipto Rahardjo, UI

Panitia Pelaksana Iqbal Syamsu, LIPI Yusuf Nur Wijayanto, LIPI Folin Oktafiani, LIPI Sulistyaningsih, LIPI Dedi, LIPI Yadi Radiansah, LIPI Zaenul Arifin, LIPI Popi Sumarni, LIPI Lisdiani, LIPI Endang Ridwan, LIPI

Ridwan Effendi, ITB Andi Kirana, RCS Gunawan Handayani, ITB Pamungkas Daud, LIPI Fredrika H K, LIPI Iip Syarif Hidayat, LIPI Deni Permana K, LIPI Sri Hardiati, LIPI Yudi Yulius Maulana, LIPI Dadin Mahmudi, LIPI


iv


KATA PENGANTAR Ungkap syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunianya sehingga Seminar Radar Nasional pada tanggal 18 – 19 April 2007 ini dapat terselenggara. Selanjutnya kami mengucapkan selamat datang di kota Jakarta kepada para peserta seminar, pembicara kunci, pemakalah poster dan para undangan lainnya. Adapun maksud dan tujuan diadakannya seminar ini adalah menjadi sarana sosialisasi dan forum pertukaran informasi antara para pakar, peneliti dan pengguna Radar, sehingga di akhir seminar ini diharapkan akan dapat dibentuk suatu wadah Asosiasi Radar Indonesia (ASRI) atau Ikatan Ahli Radar Indonesia (IARI) yang akan membantu pemerintah dalam permasalahan Radar di Indonesia. Suatu hal yang tidak mustahil bila teknologi, kebijakan dan pemecahan masalah tentang Radar akan terungkap dalam seminar ini. Seminar ini menghadirkan pembicara tamu dari pengarah/pembuat kebijakan dalam bidang Radar. Akhirnya panitia mengucapkan terimakasih yang sebesar besarnya kepada Deputi IPT – LIPI, pembicara undangan, peserta dan semua pihak yang telah membantu hingga terselenggaranya acara ini. ”Selamat dan sampai jumpa di seminar – seminar berikutnya”

Jakarta, 19 April 2007

Panitia


v


Daftar Isi Susunan Panitia ................................................................................................................. iv Kata Pengantar ................................................................................................................... v Daftar Isi ............................................................................................................................ vi Daftar Makalah ................................................................................................................ vii


vi


Daftar Makalah 1. Pengunaan UAIS dan Radar Pengawas Pantai Untuk Monitoring Wilayah Perairan Indonesia ......................................................................................................................................... 1 Mashury Wahab 2. Pengaturan Footprint Pada GPR Dengan Modified Dipole Array ....................................... 8 A Adya Pramudita, A Kurniawan, A Bayu Suksmono, A Andaya Lestari 3. Pembuatan Voltage Controlled Oscilator untuk Perangkat Pemancar Jamming ............... 14 Elan Djaelani, Daday Ruhiat 4. Frequency Modulation Continuous Wave (FM-CW) Radar ................................................. 21 Rustini Soemaryato Kayatmo 5. Potensi Electromagnetic Interference (EMI) dari Pancaran Sinyal Radar Spurious........... 26 Sri Hardiati 6. Perancangan Antena Mikrostrip Linear Tapered Slot Bentuk V dengan Pencatu CPW untuk Aplikasi Radar .................................................................................................................... 31 Fitri Yuli Zulkifli, Bayu Aji, Eko Tjipto Rahardjo 7. Pendekatan Citra Radar menggunakan Parameter Time Return dan Power Return ........ 35 Yusuf Nur Wijayanto 8. Ganesha Avionics Air Traffic Control System, Pemanfaatan RADAR dalam Bidang Pemanduan Lalu Lintas Udara Penerbangan Sipil .................................................................... 40 Oon Arfiandwi Martyono, Riza Satria Perdana 9. A Novel Ultra Wide Band (UWB) Antenna for Monostatic Microwave Radar (MMR) ..... 46 Rudy Yuwono 10. Prinsip-Prinsip Dasar dan Pertimbangan Desain dari Radar Penembus Permukaan dengan Teknik Sintesa Frekuensi (SFCW-GPR) ........................................................................ 51 Andriyan B. Suksmono, Adya Pramudita, Endon Bharata, A. Andaya Lestari, Nana Rachmana 11. Pemrosesan Sinyal untuk Data A-Scan GPR ......................................................................... 58 Deni Yulian, A. Andaya Lestari 12. Pengukuran Late - Time - Ringing Antenna Menggunakan Sistem impulse GPR ......... 63 Liarto, A.A. Lestari, E. Bharata 13. Beberapa Fitur pilihan pada Search-Radar yang diperlukan untuk peningkatan Efektifitas Operasi Radar dalam Aplikasi Pesawat Patroli Maritim........................................ 67 Heri Eka Permana 14. State Feedback Robust Tracking Controller Based on Preview - Control Approach (Teori).............................................................................................................................................. 74 Estiko Rijanto 15. Design of Radar Antenna Tracking Servo Using State Feedback Robust Tracking Controller Based on Preview - Control Approach (Aplikasi) ................................................... 80 Estiko Rijanto Jakarta, 18 – 19 April 2007

vii


16. Perancangan dan Realisasi Antena Wire Dipole Pengukur Dielektrik Tanah Menggunakan Metode FDTD 3D .................................................................................................. 86 Yuyu Wahyu, Andik Setiawan, Folin Oktafiani, A.A Lestari 17. Shaking Mechanism Dynamics for Micro-strip Array Antenna Used in Surveillance Coastal Radars ............................................................................................................................... 93 Edwar Yazid, Estiko Rijanto 18. Perhitungan Faktor Reflektivitas Radar dan Intensitas Hujan dari Pengukuran Distribusi Ukuran Titik Hujan di Surabaya ............................................................................... 99 Lince Markis, Gamantyo Hendrantoro, Achmad Mauludiyanto 19. Pengukuran Variasi Temporal Curah Hujan di Surabaya dengan Disdrometer Optic 103 Muriani, Gamantyo Hendrantoro, Achmad Mauludiyanto 20. Analisa dan Simulasi Traffic Monitoring Kendaraan Bermotor menggunakan Bistatic Radar ............................................................................................................................... 107 Pamungkas Daud, R Nurmansyah Yarnaka, Heroe Wijanto 21. Fasilitas Pengujian Antena GPR di ITB .............................................................................. 116 E. Bharata1, A.A. Lestari1, A.B. Suksmono, T.P. Soetikno D. Yulian, Liarto, A.G. Yarovoy, dan L.P. Ligthart 22. Perancangan dan Implementasi Antena Monopole 1GHz untuk Aplikasi Borehole GPR ............................................................................................................................................... 121 Nana Rachmana, M.Nuramzan Iftari, Andriyan B Suksmono 23. Karakteristik Curah Hujan di Kotaagang menggunakan Radar Atmosfer Katulistiwa .................................................................................................................................... 126 Suaydhi 24. Model Antena Pita Lebar Perbahan Limbah dan Uji Hipotesa Antena ........................... 132 Soetamso 25. Peranan Radar Surveillance (PSR/SSR) dalam Pelayanan Lalu Lintas Udara di Indonesia dan ADS-B sebagai Sistem Alternatif ...................................................................... 139 Abdullah Agus Ma’rufi, Moch. Abdul Azis


viii


Penggunaan UAIS dan Radar Pengawas Pantai untuk Monitoring Wilayah Perairan Indonesia Mashury Wahab Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi (PPET) – LIPI Jl. Cisitu 21/154D Bandung, 40135, Indonesia Phone: 022- 2504661, Fax: 022- 2504659, Email: [email protected] Abstract Application of a UAIS and coastal surveillance Radar system to monitor Indonesian waters and also to improve the safety on sea is described in this paper. Integration of the UAIS systems with Radar systems in a network will increase the number of Indonesian waters that can be covered and safety guidance can be received by a larger number of ships. Accidents at the harbor can be minimized due to the traffic of incoming and outgoing vessels. Securing Indonesian waters against foreign infiltration can be improved by using this UAIS and Radar system. The ongoing research and development of the coastal surveillance Radar at the research centre for electronics and telecommunications (PPET-LIPI) including its milestones is also presented in this paper. Keywords: UAIS, coastal surveillance Radar, network, ships, safety and milestones. Abstrak Dalam tulisan ini dipaparkan tentang aplikasi UAIS dan Radar pengawas pantai yang dapat digunakan untuk memonitor wilayah perairan Indonesia dan juga untuk meningkatkan keselamatan pelayaran. Integrasi sistem UAIS bersama Radar dalam suatu jaringan memungkinkan banyak wilayah perairan yang dapat dicakup serta panduan keselamatan pelayaran akan dapat diterima oleh banyak kapal. Kecelakaan dipelabuhan akibat kapal keluar masuk dapat dihindari. Pengamanan wilayah perairan Indonesia terhadap penyusupan asing dapat dikurangi dengan menggunakan system UAIS dan Radar ini. Penelitian dan pengembangan Radar pengawas pantai yang sedang berlangsung di pusat penelitian elektronika dan telekomunikasi (PPET-LIPI) juga dipresentasikan dalam tulisan ini termasuk langkah-langkah pencapaiannya (milestone). Kata Kunci: UAIS, Radar pengawas pantai, jaringan, kapal-kapal, keselamatan, dan pencapaian.

kapal-kapal tersebut bertemu dan juga kompatibilitas komunikasi antar kapal-stasiun dipantai-kapal. Pada saat komunikasi antar kapal, informasi navigasi tambahan akan memungkinkan petugas kapal untuk mengidentifikasi dan melacak kapal serta memberikan informasi kunci dalam rangka menghindari tabrakan. Kapal-kapal yang dilengkapi UAIS akan lebih mudah dideteksi pada saat cuaca buruk dan ombak tinggi dilautan. Pada saat berhubungan dengan stasiun dipantai, kapal-kapal tidak perlu lagi untuk berkomunikasi lisan dengan stasiun karena peralatan AIS akan melakukannya secara otomatis. Lalulintas komunikasi radio menjadi berkurang dan Petugas distasiun tidak perlu setiap waktu memanggil kapal-kapal untuk melapor. Tetapi, Petugas tetap selalu dapat memonitor keberadaan kapal. Aplikasi lain dari UAIS adalah: • Transmisi pesan pendek ke kapal tertentu berkenaan dengan bahaya

I. Pendahuluan A. Universal Automatic Identification System (UAIS) UAIS (Universal Automatic Identification System) adalah sistem transponder pemancar diatas kapal yang beroperasi dalam pita VHF untuk maritim [4]. Sistem ini mampu untuk secara otomatis mengirimkan informasi kapal seperti identifikasi, posisi, tujuan, panjang dan jenis kapal serta informasi keselamatan lainnya. Informasi ini disampaikan ke kapal-kapal lainnya dan juga ke stasiun pengamatan ditepi pantai. Transponder AIS juga memungkinkan pesan pendek keselamatan navigasi untuk dikirimkan ke kapal tertentu atau ke semua kapal disekitar kapal yang mengirimkan pesan. Jangkauan transmisi efektif dari transponder UAIS akan tergantung daya transmisi dan tinggi antena. Secara umum, jangkauan ini sekurang-kurangnya 20 mil laut (36 Km). Istilah Universal digunakan karena sistem UAIS mempunyai standar internasional untuk menjamin kompatibilitas antar kapal apabila Jakarta, 18 – 19 April 2007

1


•

• •

memungkinkan wilayah perairan Indonesia dapat dimonitor sepanjang waktu sehingga tindakan illegal seperti pencurian ikan, perompakan, penyelundupan dapat segera dilakukan antisipasi. Pengamanan wilayah Indonesia termasuk pulau-pulau terluar/terdepan akan sangat terbantu dengan adanya Radar pantai. Hal ini didukung oleh fakta-fakta berikut [1, 2]: Wilayah Indonesia terdiri dari lebih 17 ribu pulau dan 2/3 diantaranya berupa lautan. Jarak dari Sabang di NAD ke Jayapura di Papua +/- 3 ribu mil laut (5.556 km). Jumlah Kapal TNI-AL 117 buah dan 77 kapal diantaranya berusia 21-60 tahun. Perbandingan jumlah kapal terhadap luas wilayah perairan: 1:72 ribu km persegi. Dibutuhkan sekitar 350 kapal patroli untuk seluruh wilayah perairan.

navigasi, manajemen lalulintas dan pelabuhan. AIS dengan bantuan alat lain juga dapat mengirimkan data lingkungan real-time tentang ombak, arus dan jarak pandang. Transmisi data Radar. Membantu dalam pencarian kapal yaitu untuk kepentingan SAR (search and rescue).

International Maritime Organization (IMO) sesuai dengan mottonya ‘perjalanan laut yang aman dan laut yang bersih’ telah menyetujui standar unjuk kerja AIS pada tahun 1997 yang diajukan oleh negara-negara skandinavia dan Eropa barat [4]. IMO menentukan semua kapal baru harus dilengkapi UAIS sejak 1 Juli 2002 dan pada Juli 2008 semua kapal harus sudah memiliki perangkat UAIS [4]. B. Radar Pengawas Pantai Pengamanan dan pengawasan wilayah NKRI yang terdiri dari lebih 17.000 pulau dengan 2/3 wilayah terdiri dari lautan memerlukan aparat dan peralatan yang berjumlah sangat besar. Pada kenyataannya, kemampuan TNI-AL dan Polri untuk mengawasi wilayah RI sangat terbatas sehingga wilayah perairan Indonesia rawan akan pencurian ikan, pelanggaran wilayah oleh kapal-kapal asing, pembajakan kapal laut dan penyelundupan. Salah satu cara untuk meningkatkan kemampuan aparat pemerintah dalam mengawasi dan mengamankan wilayah adalah dengan menggunakan Radar pengawas pantai untuk mengawasi pergerakan kapal laut sehingga dapat dicegah tindakan-tindakan yang dapat merugikan NKRI dan juga tabrakan kapal apabila hendak merapat ke pelabuhan. Pemasangan Radar pengawas pantai dengan daya besar (high power) di kapal atau dipinggir daratan (sekitar pantai) dapat digunakan untuk mengawasi wilayah laut yang luas sampai beberapa puluh mil laut atau sampai wilayah zona ekonomi eksklusif (ZEE). Selain untuk mengawasi wilayah perairan Indonesia, Radar juga berperan sangat penting dalam mengatur lalulintas transportasi laut. Kapal-kapal yang masuk dan keluar pelabuhan dapat diatur sehingga terhindar dari tabrakan terutama pada saat cuaca buruk. Penggunaan Radar pantai (dengan alat UAIS)


Merupakan suatu tugas berat bagi pemerintah dalam hal pengadaan Radar dari luar negeri untuk memenuhi kebutuhan Radar pengawas pantai untuk wilayah Indonesia yang panjang garis pantainya 5000 km dimana jumlah Radar yang dibutuhkan sangat besar. Hal ini diperburuk oleh kondisi perekonomian bangsa yang sedang terpuruk ini sehingga tidak memungkinkan pemerintah untuk membeli banyak peralatan Radar dari luar negeri yang umumnya bernilai sangat mahal (dari U$10.000 sampai dengan jutaan U$ dollar). Hal ditambah oleh sulitnya mekanisme pembelian Radar yang bernilai strategis dibidang keamanan.

Gambar 1. Contoh Radar Pengawas Pantai.

2


instalasi, informasi statis yang berhubungan dengan kapal harus dimasukkan ke memori alat UAIS antara lain identitas, panjang, jenis kapal, dan lokasi antena. Unit akan dilengkapi minimal dengan keyboard dan display yang berfungsi untuk mengetahui status informasi alat dan target. Pada saat dalam perjalanan, peralatan UAIS akan memancarkan secara kontinyu dan automatis posisi dari kapal serta semua informasi statis dan dinamis sesuai dengan standar IMO. Operator harus memasukkan data yang berhubungan dengan perjalanan, antara lain: • Ketinggian kapal dibawah air • Jenis kargo berbahaya yang dibawa • Tujuan dan perkiraan sampai • Rute yang digunakan • Status navigasi sesungguhnya

Gambar 3 memperlihatkan daerah jangkauan Radar pantai apabila dilakukan instalasi Radar pantai diseluruh Indonesia. Daerah jangkauan ini ditentukan oleh daya pancar, penguatan antena, polarisasi antena dan lebar berkas (beamwidth). Setiap Radar pantai dilengkapi alat UAIS untuk kemudahan identifikasi kapal-kapal yang dimonitor. Kemudian, semua Radar pantai dihubungkan oleh suatu network (jaringan) sehingga bisa terintegrasi. Dikarenakan kondisi Indonesia yang terdiri dari kepulauan, maka komunikasi antara Radar pantai satu dengan lainnya dan juga dengan stasiun pusat dilaksanakan melalui satelit sehingga bisa lebih andal.

II. Sistem UAIS Dalam gambar 4, diperlihatkan suatu skenario lalu lintas laut dimana ada tiga kapal yang saling berhubungan satu sama lain melalui peralatan UAIS mereka. Kapal-kapal tersebut juga berhubungan dengan stasiunstasiun (yang memiliki Radar pantai didalamnya) yang ada dipulau-pulau yang dilewati serta dengan sebuah anjungan minyak lepas pantai. Melalui komunikasi ini, kapalkapal dapat terhindar dari tabrakan dan dapat mengenali satu sama lain. Informasi navigasi termasuk cuaca juga diterima kapal-kapal untuk membantu kelancaran perjalanan. Stasiunstasiun dipulau-pulau yang dilewati turut memandu dan memonitor kapal-kapal termasuk kapal-kapal yang akan berlabuh. International Telecommunication Union (ITU) telah menentukan dua alokasi kanal VHF untuk UAIS yaitu pada frekuensi 161.975MHz dan 162.025MHz. Standar teknis untuk UAIS disetujui oleh ITU pada November 1998. Kriteria teknis yang ditentukan antara lain: z Karakteristik Transceiver z Modulasi z Format data, pesan dan kemasan z TDMA (time division multiple access) z Manajemen Kanal

Tampilan pada suatu peralatan UAIS yang berada dipusat pengendali (master station) diperlihatkan dalam gambar 6 [3]. Simbol bintang menandakan keberadaan kapal-kapal internasional yang tertangkap oleh sistem UAIS, sementara simbol bulat adalah kapal-kapal yang tidak memakai UAIS. Kapal-kapal dengan simbol bulat bisa merupakan kapal lokal ataupun kapal internasional (asing).

Contoh spesifikasi minimum untuk UAIS diperlihatkan pada Tabel 1 [5]. Dalam gambar 5 [6], diperlihatkan sebuah blok diagram sistem UAIS yang terhubung dengan sumber daya, antena, dan bermacam-macam peralatan/sensor dikapal termasuk sistem navigasi terintegrasi. Pada saat


Gambar 2. Contoh Alat Sistem UAIS

3


Gambar 3. Illustrasi jangkauan deteksi Radar di seluruh wilayah Indonesia.

Pulau Pulau Kapal 3 Anjungan Minyak Lepas Pantai Stasiun 2

Kapal 2

Pulau Stasiun 1

Kapal 1

Pulau

Gambar 4. Contoh konfigurasi sistem UAIS.

Tabel 1. Spesifikasi Sistem UAIS.


4


Gambar 5. Contoh Blok Diagram dari Sebuah Perangkat UAIS.

Gambar 6. Contoh tampilan pada peralatan UAIS.


5


digunakan di Indonesia maka akan mempermudah integrasi dalam satu jaringan/network karena tidak memerlukan interface/adapter antar perangkat lunak dan keras yang berbeda seperti apabila digunakan jenis Radar yang berbeda-beda.

III. Sistem Radar Pengawas Pantai Pada saat ini dilakukan pembuatan satu Radar pantai di PPET-LIPI. Komponen Radar pantai yang dibuat terdiri dari perangkat pengolah citra Radar, antena, pemancar dan penerima. Terdapat dua jenis Radar yang paling utama yaitu Radar pulse dan Continuous Wave (CW). Kombinasi Radar jenis ini dengan teknik-teknik modulasi lain melahirkan banyak jenis-jenis Radar lain, seperti Radar Frequency-modulated Continuous Wave (FM-CW). Secara prinsip, teknologi perangkat keras Radar tidak banyak mengalami perubahan. Dibandingkan perangkat kerasnya, perkembangan teknologi perangkat lunak untuk Radar berkembang pesat sehingga banyak informasi yang dapat diperoleh melalui penggunaan Radar seperti: jarak obyek, kecepatan obyek, bentuk obyek dan kontour dari obyek (3 dimensi). Dikarenakan hal ini, peranan perangkat lunak di Radar semakin vital. Pada penelitian ini, kami melakukan disain dan implementasi antena mikrostrip yang bersifat modular yang memiliki nilai inovasi dibandingkan antena-antena Radar yang sudah ada. Disain dan implementasi sistem transmitter dan receiver Radar dilakukan dengan bekerjasama dengan IRCTR. Disain dan implementasi perangkat lunak pengolahan citra Radar khusus juga kami lakukan dalam penelitian ini. Jadi, melalui penelitian ini kami dapat memberikan unsur keterbaruan (novelty) karena baik perangkat keras maupun perangkat lunak bukan merupakan suatu copy atau plagiat dari sistem Radar yang sudah ada. Dipilih tipe Radar FM-CW dalam penelitian ini sehingga tidak diperlukan komponen magnetron yang umumnya dipakai di Radar tipe Pulse dan berharga sangat mahal. Radar ini memiliki daya pancar yang kecil tetapi dapat menjangkau daerah yang luas. Antena yang digunakan tipe modular sehingga penguatan antena dapat ditambah untuk menjangkau wilayah yang lebih luas. Pengalaman dalam penelitian Radar telah dilakukan oleh beberapa Institusi di Indonesia sejak beberapa tahun yang lalu seperti ITB dan LIPI tetapi belum intensif dan kontinyu sehingga belum memberikan hasil yang memadai. Kemampuan dalam pembuatan Radar harus dibangun untuk menghindari ketergantungan dari luar negeri serta prosedur pembelian Radar yang rumit. Hal ini ditambah oleh kenyataan bahwa apabila hanya satu tipe Radar pantai yang Jakarta, 18 – 19 April 2007

Synchronizer

Transmitter

Antenna

Power Supply

Video Display Unit

Receiver Antenna Control

Gambar 7. Blok diagram Radar FM-CW. Blok diagram Radar secara umum dapat direpresentasikan pada Gambar 7 [7]. Sistem Radar terbagi atas dua bagian utama yaitu transmitter (pemancar) dan receiver (penerima). Hasil deteksi Radar akan ditampilkan oleh display unit yang mengolah sinyal yang diterima dari bagian Receiver menjadi suatu gambar yang dapat diinterpretasikan dengan mudah oleh pengguna. Terdapat dua antena yang masingmasing digunakan untuk memancarkan sinyal Radar ke obyek yang ingin diamati dan untuk menerima sinyal Radar yang dipantulkan oleh obyek. Antenna control yang berfungsi untuk mengatur agar gerakan antenna sesuai dengan tampilan dilayar dari display unit. Synchronizer berfungsi untuk menyesuaikan sinyal-sinyal yang dikirimkan oleh transmitter dengan tampilan yang diinginkan di display unit.

IV. Langkah-langkah Untuk Merealisasikan Radar Pengawas Pantai Yang Dilengkapi UAIS Untuk mencapai sasaran penelitian yaitu suatu sistem Radar pengawas pantai yang dilengkapi dengan UAIS, maka tim peneliti dari PPET-LIPI telah menetapkan milestones (langkah-langkah pencapaian) sebagai berikut: • Tahun 2006: Disain Antena, Disain Perangkat Lunak (software) dan Disain Perangkat Keras (hardware).

6


• • •

tindakan illegal termasuk penyusupan kapal asing di perairan Indonesia. Pembuatan jaringan Radar akan sangat membantu pengawasan wilayah Indonesia secara menyeluruh. Kemandirian bangsa dalam pembuatan Radar harus dibangun untuk menghindari ketergantungan terus menerus dari pihak luar negeri.

Tahun 2007: Implementasi Antena, Perangkat Lunak dan Keras. Tahun 2008: Integrasi seluruh bagian sistem dan juga dengan peralatan UAIS, Testing dan Kalibrasi. Setelah tahun 2008, akan dilakukan pengembangan Radar pengawas pantai kedalam satu jaringan/network.

V. Hasil dan Pembahasan

VII. Daftar Pustaka

Dalam tulisan ini telah dipresentasikan tentang sistem UAIS dan Radar serta integrasi antara kedua sistem ini. Sistem Radar yang dilengkapi oleh UAIS sangat membantu untuk mengatur lalu lintas laut diwilayah Indonesia serta meningkatkan keselamatan pelayaran terlebih lagi pada saat cuaca buruk. Pengawasan wilayah Indonesia juga dapat dilakukan sepanjang waktu tanpa mengeluarkan ongkos besar untuk patroli kapal. Apabila ada tindakan illegal diwilayah perairan Indonesia, aparat yang berwenang dapat segera bertindak. Spesifikasi dan blok diagram sistem UAIS serta blok diagram sistem Radar juga telah dipresentasikan. Langkah-langkah pencapaian sasaran dalam penelitian berkelanjutan ini juga telah disampaikan.

[1] [2] [3] [4]

[5] [6]

VI. Kesimpulan [7]

Sistem UAIS dan Radar yang terintegrasi untuk meningkatkan keselamatan pelayaran dilaut dan pengawasan perairan Indonesia telah dipresentasikan dalam tulisan ini. Penggunaan Radar pengawas pantai akan sangat membantu aparat yang berwenang untuk mencegah


7

Harian Kompas, ’ Indonesia Butuh Ratusan Kapal Patroli Laut’, 11 September 2003. Poedjo Purnomo,’ Menjaga Laut Sungguh Tidak Mudah’, Harian Kompas, 4 Nopember 2004. Haemiwan Fathony, ’ Pemanfaatan ICT Untuk Mengamankan Selat Malaka’, Detikinet, 13 September 2005. IALA/AISM, ’ IALA Guidelines on the Universal Automatic Identification System (AIS),’ Volume 1, Part 1Operational Issues, Edition 1.1, December 2002. OFCOM, ‘ UK Interface Requirement 2025’, Version 2.0, July 2005. SAILOR, ’SAILOR UAIS 1900’, Product brochure dan diakses dari www.sailor.dk. Leo P. Ligthart, ’Short Course on Radar Technologies’, International Research Centre for Telecommunicationstransmission and Radar, TU Delft, September 2005.


Pengaturan Footprint pada GPR dengan Modified Dipole Array 1,2)

A. Adya Pramudita, 1)A. Kurniawan, 1)A. Bayu Suksmono, 1)A.Andaya Lestari 1) International Research Centre for Telecommunications and Radar – Indonesian Branch (IRCTR-IB) STEI - ITB, Jl. Ganesha 10 Bandung 40132, Indonesia ,Phone: +62-22-2501661, +62-22-2534134 2)Unika Atmajaya Jakarta Indonesia , [email protected] Abstrak Footprint antena merupakan parameter penting untuk mendapatkan hasil deteksi yang bagus dalam survey GPR. Kondisi tanah yang berbeda-beda, yang menutupi objek akan mempengaruhi ukuran footprint antenna sehingga diperlukan antenna yang memiliki kemampuan adaptasi terhadap kondisi tanah yang berbeda-beda. Antena tersebut harus mampu menjaga agar footprint relatif konstan pada kondisi tanah yang berbeda-beda. Footprint antena berhubungan dengan dimensi dari antena. Pada paper ini, Modified dipole array diusulkan sebagai antenna adaptif terhadap footprint untuk aplikasi GPR. Dengan menggunakan RF switch circuit, maka elemen pada array yang akan dicatu dapat dipilih bersesuaian dengan footprint yang akan dihasilkan. Jika coupling antar elemen pada array begitu signifikan maka skenario adaptasi tersebut akan gagal. Pembebanan resistif digunakan untuk menekan level coupling antar elemen array. Kata kunci : Footprint, Antena Adaptif, Modified Dipole, Coupling, Pembebanan Resistif.

namun memiliki karakteristik yang relatif sama. Footprint antenna akan besar jika dimensi antena besar dan sebaliknya. Kemudian dengan menggunakan RF Switch sirkit maka akan dipilih elemen array yang akan dicatu bersesuaian dengan footprint yang akan dihasilkan. RF Switch sirkit berfungsi untuk memilih elemen yang akan dicatu. Coupling antar elemen pada array menjadi penting untuk dipertimbangkan berhubungan dengan skenario pengaturan footprint pada paragraf sebelumnya. Jika level coupling antar elemen besar maka skenario pengaturan footprint dengan antenna array seperti yang dijelaskan sebelunya akan gagal. Terdapat beberapa metode yang yang telah diteliti untuk menekan level coupling. Level coupling pada dipole array dapat ditekan dengan melapisi radiator dengan substrat dielektrik[6]. Level coupling pada dipole array dapat ditekan hingga dibawah -30 dB dengan memberikan slit, dan memasang metal penghalang [7]. Metode tersebut tidak mendukung untuk mendapatkan desain yang kompak. Pada penelitian yang kami lakukan sebelunya menunjukan bahwa pembebanan resistif dapat menekan level coupling anatar elemen pada array [8]. Tapi di sisi lain pembebanan resistif dapat mengurangi efisiensi radiasi. Namum pada system GPR masalah ini dapat dipebaiki dengan lebih sederhana pada postprocessing. Sistem antena array ditunjukan pada gambar 2.. Methode Momonet (MoM) dipilih sebagai metode numeric untuk analisa pada penelitian

Pendahuluan Pada setiap survey GPR terdapat kemungkinan bahwa objek yang akan dideteksi terkubur pada kondisi tanah yang berbeda-beda. Kondisi tanah yang berbeda-beda akn menyebabkan hasil pendeteksian yang berbedabeda. Sehingga menjadi suatu hal penting bahwa antenna yang digunakan memiliki kemampuan adaptasi terhadap kondisi tanah yang berbedabeda tersebut.. Untuk mendapatkan hasil pendeteksian yang optimum maka pengaturan footprint menjadi hal yang penting. Footprint yang optimum sebanding dengan dimensi luasan dari objek yang akan dideteksi. Jika footprint antenna terlalu besar maka akan menghasilakn clutter yang besar. Jika footprint terlalu kecil maka akan sulit dalam mengenali objek. Pengaturan footprint menjadi suatu tantangan dalam riset-riset pada bidang GPR. Pada paper ini dikembangkan sebuah antenna yang memiliki kemampuan adaptasi terhadap kondisi tanah yang berbeda-beda sedemikin hingga footprint dapat terjaga relatif konstan. Pada paper ini dikaji array Modified dipole untuk antena adaptif terhadap footprint. Telah dijelaskan sebelumnya bahwa footprint antenna berhubungan dengan dimensi antena. Penelitian sebelumnya menunjukan bahwa pengaturan footprint dilakukan dengan mengatur flare angle dari antenna wire bow-tie [1],[3]. Mengatur flare angle dari antena wire-bowtie berarti mengubahubah aperture antena. Sistem antenna array yang diuslukan terdiri dari beberapa elemen antenna yang memiliki dimensi yang berbeda-beda, Jakarta, 18 – 19 April 2007

8


aplikasi SFCW maka kriteria yang harus dipenuh tidak terlalu ketat dibanding impulse radar. Terutama masalah liniearitas fasa. Pada SFCW linearitas fasa tidak menjadi pertimbangan yang terlalu penting seperti pada impulse radar [2]. Untuk mendapatkan kemampuan adaptasi mengatur footprint pada kondisi tanah yang berbeda-beda maka diusulkan suatu antena array dengan elemen penyusun yang memiliki dimensi berbeda-beda. Kemudian secara elektronik akan dilakukan pengaturan elemen yang akan dicatu dengan rangkaian RF Switch. Untuk mendapatkan footprint yang besar maka elemen yang dicatu diplih yang besar, begitu pula sebaliknya. Sedang elemen yang lain yang tidak dicatu, menjadi elemen yang diharapkan tidak menghasilkan radiasi yang signifikan yang diakibatkan adanya efek coupling. Efek coupling harus ditekan seminimal mungkin sehingga skenario untuk mengatur footprint antena dengan memilih elemen antena yang akan dicatu, tidak gagal. Percobaan sebelumnya menunjukan bahwa pembebanan resistif pada ujung-ujung antenna microstrip dipole dapat mereduksi coupling antar elemen secara signifikan[8]. Walaupun pembebanan secara resistif akan menurunkan efisiensi radiasi, tapi pada aplikasi GPR dapat dilakukan kompensasi pada postprocessing. Teknik ini lebih sederhana dan lebih efektif dalam menekan coupling dibanding beberapa teknik yang telah diteliti sebelumnya. Berdasarkan hal diatas maka antenna adaptif untuk SFCW GPR dirancang menggunakan struktur array dengan pembebanan resistif dan pengaturan pencatuan secara eletronik menggunakan RF switch. Modified dipole array dikaji sebagai antenna adaptif terhadap footprint untuk GPR.

ini. Dipilihnya metode momen mengacu pada sistem GPR yang dimana antenna adaptif akan diimplementasikan. Antena adaptif yang akan dikembangkan dimplementasikan Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) GPR. SFCW-GPR adalah radar domain frekuensi. Suatu N-lement array dapat dimodelkan sebagai suatu N-port network. Matrik Scattering dan matrik impedansi dapat dihitung dengan menggabungkan antara MoM dengan persamaan N-port Network . SFCW-GPR Salah satu kendala dalam sistem radar impulse adalah melakukan pembangkitan pulsa sempit yang akan ditembakkan pada objek target. Semakin sempit pulsa, maka semakin komplek metode dan piranti yang digunakan. Dengan konsep relasi Transformasi Fourier maka pembangkitan pulsa dapat didekati dengan sintesa frekuensi, yaitu dengan melakukan penyapuan dari frekuensi rendah ke frekuensi tinggi. Sistem SFCW-GPR ditunjukan pada gambar 1. A/D Conv. + IFFT

Frequency Synthesizer

I

Display

Q Quadrature Mixer

Resistive load

TX antenna

RX antenna

Gambar 1: Sistem SFCW GPR

Struktur Array untuk Antena Adaptif terhadap Footprint

Substrate dielektric Ground plane

Perancangan antena untuk aplikasi GPR selalu mengacu pada suatu kebutuhan aplikasi tertentu. Jadi sangat tidak mungkin suatu antena dapat digunakan secara universal untuk berbagai aplikasi dengan kinerja yang setara. Untuk Jakarta, 18 – 19 April 2007

Feeding circuit

RF

Gambar 2: Modified microstrip dipole array dengan pembebanan resisitif.

9


Dari konsep dasar perancangan tersebut yang perlu dikaji adalah bentuk dari elemen array dan bentuk array sedemikian hingga antenna memiliki karakteristik ultra wideband dan memiliki impedansi input yang relatif konstan pada rentang frekuensi penyapuan SFCW GPR(500 Mhz-5 Ghz). Selain itu juga perlu dipertimbangkan supaya antenna rancangan mempunyai bentuk yang kompak. Bentuk susunan yang konsentris akan menghasilkan bentuk yang kompak.

Resistor

Gambar 3: Bebeapa bentuk modified dipole array yang dikaji.

Simulasi Antena didesain untuk diimplementasikan pada Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) GPR. SFCW-GPR adalah radar domain frekuensi. Sehingga pada kasus ini MoM adalah metode analisa yang tepat sebab MoM adalah analisa pada domain frekuensi. Suatu N-lement array dapat dimodelkan sebagai suatu N-port network. Matrik Scattering dan matrik impedansi dapat dihitung dengan menggabungkan antara MoM dengan persamaan N-port Network[8]. Parameter Scattering, S nm , dimana n ≠ m menunjukan level coupling antar elemenn and m . Pada paper ini dibanding beberapa bentuk modified dipole array sepeti ditunjukan pada gambar 3. Setiap modified dipole array didesain dengan stuktur microstrip pada substat dielectrik FR4-epoxy dengan εr=4.4 dan ketebalan 3.2 mm.

Resistor

Gambar 3: Bebeapa bentuk modified dipole array yang dikaji.

Gambar 4: Struktur Mikrostrip untuk modified dipole pada gambar 3.

Hasil simulasi menunjukan bahwa bentuk dari modified dipole berpengaruh terhadap level coupling antar elemen pada array. Pada simulasi ditunjukan bahwa modified dipole memiliki bentuk-bentuk transisi mendadak akan menghasilkan level coupling yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena daerah pada transisi mendadak akan meradiasikan EM lebih efektif disbanding tempat lain. Bentuk modified dipole yang memiliki karakteristik pada level coupling dan efisiensi, ditunjukkan pada gambar 3. Bentuk susunan modified dipole nampak mendukung untuk mendapatkan desain yang kompak.

Via1 Via2 Via3

R1 R2 R1 (Resistive Load)

Resistor


10


RF Switch

(dB)

100 ohm

S12&S21 S13&S31 S23&S32

-20

Magnitude of scattering parameters

Resistor

-15

-25 -30 -35 -40 -45 -50 -55

Element-3

-60 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

frequency (GHz)

Element-2

Gambar 7: Level Coupling antar elemen pada modified dipole array.

Gambar 5: Modified Dipole Array dengan pembebanan resistif.

300

Input Impedance port 1, 2, 3

Gambar 6 sampai gambar 9 menunjukkan hasil simulasi MoM dari modified dipole array pada gambar 5. Hasil simulasi menunjukan bahwa tiap elemen pada array memiliki karakteristik yang relatif sama (gambar 6,8,9). Parameter Scattering, S nm , dimana n ≠ m menunjukan level coupling antar elemenn and m. S12 menunjukan level coupling antara Element1 dan Element-2. Nampak bahwa pembebanan resistif dapat menenkan level coupling dengan baik. Coupling antar elemen yang berdekatan relative sama(S12,S21), dan akan menurun dengan bertambahnya jarak(S13). VSWR pada port 1,2,3 menunjukkan bahwa tiap elemen selain memiliki karakterisit yang relatif sama, juga menunjukan bahwa tiap elemen juga memiliki karakteristik ultrawidband.

150

100

50

-50 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

frequency (GHz)

Gambar. 8 Impedansi input port 1, 2, 3 5

Magnitude of scattering parameters (dB)

Magnitude of scattering parameters (dB)

200

0

0

S11 S22 S33

-5

Real Part (port 1) Real Part (port 2) Real Part (port 3) Imaginary Part (port 1) Imaginary Part (port 2) Imaginary Part (port 3)

250

-10 -15

VSWR port 1 VSWR port 2 VSWR port 3

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5

-20 1 0.5

-25

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

frequency (GHz)

-30

Gambar .9 VSWR pada port 1, 2, 3

-35 -40 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Dengan asumsi bahwa antenna akan diletakan sangat dekat dengan permukaan tanah , maka kajian ukuran footprint yang dihasilkan didekati dengan analisa medan dekat. Medan dekat sebanding dengan daerah yang diiluminasi. Jika setiap elemen yang aktif/ dicatu pada array

5

frequency (GHz)

Gambar 6: Return Loss pada port 1, 2, 3 dari modified microstrip dipole array dengan beban resistif 100 Ohm Jakarta, 18 – 19 April 2007

11


menghasilkan daerah medan dekat yang berbeda-beda maka skenario pengaturan footprint dengan sistem array berhasil. Hasil simulasi menunjukan bahwa perbedaan elemen array yang dicatu akan menghasilkan luasan medan dekat yang berbeda. Elemen dengan dimensi besar akan menghasikan daerah medan dekat yang besar, begitu juga sebaliknya. Sehinga hasil simulasi tersebut menunjukkan bahwa footprint anten dapat dilakukan dengan sistem antenna array diatas.

Port 1 Antenna TX

h= 10 cm

εr=4 µr=3

Antenna RX Port 2 Gambar 10: Model pengukuran footprint

Table II: Footprint antenna modified dipole array dengan elemen aktif yang berbeda-beda

Table I : Medan dekat modified dipole array dengan elemen aktif yang berbeda-beda Active Magnitude of Contour element Near Field representation Element-1

Active element Element-1

Footprint antena 10 0.018

8 0.01 3 02 0.

0.028

23 0.0

8

0.0 23

9

0.018

0.028 0. 018

2

0. 023 8 0.01

1

2

3

4

5

7

8

9

10 0.018

9 18 0.0

6

0.0 28

3 02 0. 8 0.01

33 0. 0 0. 028

7

0. 0

0.023 0.028

0. 02 3

8

0.028

Element-3

6

23

0.0 18

Element-2

0.0183 0.02

33 0. 0

3

1

0.023

0.028

4

0.023

Element-2

0. 018

5

0.018

6

33 0.0

0.028

7

5

0. 02 8

0.02 8

3

2

3

4

5

8 01 0.

6

7

8

9

8

9

10 9

0.018 0 0.028 . 023

6

0.0 28

0.0 0.02 18 3 0.028 0. 02 8

7

8 0.01

23 0.0

8

0.023

0.018

Element-3

1

5

3

0. 02 3

0.02 8

0.02 8 0.023 0.018

2 1

18 0.0

3 0.02

4 18 0.0


1

0.028

0. 02 0. 018 3

2

Pemodelan untuk simulasi footprint berdasar atas model pengukuran footprint pada gambar 10. Dimana antenna TX diletakkan sangat dekat dengan permukaan tanah dan antenna RX diletakkan didalam tanah dengan kedalaman h. Kemudian Antena TX digerakkan men-scan luasan yang akan diobservasi. Sehingga jika S12n(f) adalah scattering parameter antara port 1 Antena TX yang ditempatkan pada titk n dengan port 2, yang dihitung dengan metode Mom dan N-port network Equation, maka S12n(f) menunjukan fungsi transfer dari media. Jika S1(f) adalah spectral dari monocycle pulse yang disintesa oleh Frekuensi sinteser, maka output dari port 2 S2n(f) adalah S1(f). S2n(f). Setelah dilakukan rekonstruksi maka didapatkan S2n(t). Berdasarkan nilai S2n(t) footprint dapat ditentukan.

8 0.01

23 0.0

0.023

33 0.0

0. 023 8 1 0.0

4

1

2

3

4

5

6

7

Kesimpulan Pembebanan Resistif yang digunakan dapat menekan level coupling secara siknifikan sehingga hanya elemen yang dicatu saja yang efektif meradiasi sedangkan elemen lain yang tidak dicatu tidak efektif meradiasi. Hal ini

12


terjadi karena arus induksi akan diserap oleh beban resistif pada tiap elemen parasif. Struktur konsentrik dapat direalisasikan pada Modified dipole array sehingga mendukung untuk mendapatkan bentuk yang kompak. Hasil simulasi menunjuka bahwa elemen array yang memiliki bentuk-bentuk transisi mendadak akan memiliki level coupling yang lebih tinggi. Hasil simulasi menunjukan bahwa setiap elemen aktif pada antena array menghasilkan luasan medan dekat yang berbeda. Ukuran medan dekat sebanding dengan dimensi antena. Begitu juga hasil simulasi footprint pada Tabel II juga menunjukan kesimpulan yang sama. Sehingga disimpulkan bahwa pengaturan footprint dapat dilakukan dengan sistem antenna array yang diusulkan.

Technologies and Applications, vol. 3, no. 4, pp. 345-376, October 2002. [6] Pisti B Katehi, “Mutual Coupling Between Microstrip Dipoles in Multielement Arrays”, IEEE Transaction Antenna And Propagation. Vol 37, No. 3, March 1989. [7] Tatsuo Itoh, “Planar Antenna Arrays for Ku/Q Bands”, Department of Electrical Engineering, University of California, Los Angeles, California 90095. Final Report 2000-2001 for MICRO Project 00-041: Rockwell Science Center. [8] A. Pramudita, A.Kurniawan, A.B Suksmono, “ Resistive Loading for Coupling Reduction Between element in array antenna for GPR”, Proceeding of Joint International Conference on TSSAWSSA, Bandung, Dec 2006. R. S. Elliott and G. J. Stern." The design of microstrip dipole arrays including mutual coupling, Part I: Theorq ." IEFE Trans.Antennas Propagation. vol ,4P-29. pp. 757-760. Sept. 1981. [9] G. J. Stern and R. S. Elliott, "The design of microstrip dipole arrays Includlng mutual coupling, Part 11: Experiment." IEEE Trans.Antennas Propagation.. vol. AP-29. pp. 761-165. Sept. 1981. [10] N. G. Alcxopoulos and I. E. Rana. "Mutual impedance computation between printed dipoles.".IEEE Trans.Antennas Propagation.vol. AP-29, Jan.1981. [11] D. M. Pozar, "Input impedance and mutual coupling of rectangular microstrip antenna”, IEEE Trans. Anrennas Propagution.vol.AP-30. Nov. 1982. [12] E. Rana and N. G. Alexopoulos, "Current distribution and input impedance of printed dipole,”IEEE Trans. Antennas Propagation vol. AP-29.Jan 1981(447 k

Referensi [1]

[2] [3]

[4]

[5]

A.A. Lestari, Antennas for Improved Ground Penetrating Radar: Modeling Tools, Analysis and Design, Ph.D. dissertaion, Delft University of Technology, The Netherlands, 2003. J. Daniel, Ground Penetrating Radar 2nd Edition, IEE Radar Sonar, Navigation And Avionics Series 15, 2004. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Adaptive wire bow-tie antenna for GPR applications”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 53, no. 5, pp. 1745-1754, May 2005. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Numerical and experimental analysis of circular-end wire bow-tie antennas over a lossy ground”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, no. 1, pp. 26-35, January 2004. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Analysis and design of improved antennas for GPR”, Subsurface Sensing


I

13


Pembuatan Voltage Control Oscilator untuk Perangkat Pemancar Jamming Elan Djaelani1),Daday Ruhiat2) Pusat Penelitian Informatika-LIPI Jl.Cisitu No.21/154D.Kompleks LIPI Bandung.40135 Telp.022-2504711,Fax.022-2504712 2) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI Jl.Cisitu No.21/154D.Kompleks LIPI Bandung.40135 Telp.022-2504660,Fax.022-2504659 1)

Abstract Research on developing of Voltage Control Oscilator (VCO) for a jamming signal transmitter unit has been carried out. A jamming signal transmitter is a radio transmitter used to destroy the function of electronic communication system. Jamming’s done by using a signal with same frequency and much higher power level. It makes the receiver will detect only the higher power jamming signal, lost the intended signal, and cause communication trouble of totally mulfunction. A jamming signal transmitter unit requires a wide bandwidth. VCO has to work on higher frequency in order to gain a wide enough deviation, because increasing the working frequency higher increaser the deviation proportionally. Output of the VCO worked on high frequency has a wide bandwidth. Because intended signal should have lower frequency, mixing process have to be done. This system’s called heterodyne system. Output of the mixing process, with LO frequency, is the IF operating frequency of jamming transmitter. It will be bandpass -filtered out, amplified up to certain signal level and it will be transmitted through a broadband antenna. After several trial’s completed, the reserach succesfully results a VCO prototype for the jamming transmitter unit. Keywords : Voltage Control Oscilator, jamming, IF. Abstrak Telah dilakukan penelitian mengenai pembuatan Voltage Control Oscilator (VCO) untuk keperluan perangkat pemancar jamming. Perangkat pemancar jamming adalah pemancar radio yang digunakan untuk melumpuhkan sistim komunikasi elektronik dengan cara menimpa atau menutupi sinyal dari suatu pemancar dengan sinyal lain ( sinyal jamming) yang mempunyai frekuensi sama dan daya yang lebih besar, sehingga penerima hanya akan mendeteksi sinyal jamming yang mempunyai daya lebih besar, ini akan mengakibatkan komunikasi terganggu atau bahkan macet sama sekali. VCO dengan bandwidth yang lebar diperlukan untuk membuat sinyal jamming pada perangkat pemancar jamming. Untuk memperoleh deviasi (penyimpangan) yang cukup lebar, suatu VCO harus bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi, semakin tinggi frekuensi kerja VCO maka deviasi yang terjadi adalah berbanding lurus. Pembuatan VCO bekerja pada frekuensi lebih tinggi akan mencapai bandwidth yang lebar,karena frekuensi keluaran yang dikehendaki lebih rendah, diperlukan proses penurunan frekuensi dengan demikian perlu proses mixing dan sistim ini disebut dengan system heterodyne Dari proses mixing dengan frekuensi LO diperoleh frekuensi IF, dalam hal ini daerah frekuensi operasi pemancar jamming. Selanjutnya setelah dilewatkan kedalam suatu Bandpass Filter frekuensi IF tersebut diperkuat oleh suatu Amplifier sehingga menghasilkan daya tertentu untuk selanjutnya dipancarkan melalui sebuah Antena broadband. Setelah melalui percobaan percobaan telah dapat diperoleh prototipe VCO yang diperlukan perangkat pemancar jamming. Kata kunci: Voltage Control Oscilator, Jamming, IF.

suatu pemancar dengan sinyal lain ( sinyal jamming) yang mempunyai frekuensi sama dan daya yang lebih besar , sehingga penerima hanya akan mendeteksi sinyal jamming yang mempunyai daya lebih besar, ini akan

1. Pendahuluan Perangkat pemancar jamming adalah pemancar radio yang digunakan untuk melumpuhkan sistim komunikasi elektronik dengan cara menimpa atau menutupi sinyal dari Jakarta, 18 – 19 April 2007

14


mengakibatkan komunikasi terganggu atau bahkan macet sama sekali. Perangkat pemancar jamming akan dibuat mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Daerah frekuensi: 30MHz – 80 Mhz Sistem: Pemancar Heterodyne Modulasi : Modulasi Frekwensi / Modulasi Amplituda. Input Modulasi : Wideband Noise Pembawa : Sweeper 30 – 80 Mhz Waktu Sweep : Variable Power Output : 100Watts Harmonic Frekuensi out of band- 45 dB Antenna : Broadband Omnidirectional

2. Dasar Teori 2.1. Sawtooth Signal Perangkat pemancar jamming dirancang berdasarkan prinsip dari sweeper oscillator. VCO inputnya diberikan suatu sinyal berbentuk gigi gergaji (sawtooth) maka pada output VCO akan terjadi penyimpangan (deviasi frekuensi) sesuai dengan besaran frekuensi pemodulasi (sawtooth signal). Sebagaimana diperlihatkan pada gambar bentuk dari sebuah sinyal gigigergaji.

Blok diagram perangkat pemancar jamming seperti pada gambar 1.

Gambar2: Sinyal gigi gergaji (sawtooth)

Pada gambar 2. diperlihatkan saat t1 start dari sinyal sawtooth maka, frekuensi VCO mulai bergerak mengikuti bentuk sinyal tersebut dan akan berakhir pada saat t2 stop dan seterusnya. Pengulangan akan terjadi pada periode berikutnya sehingga kecepatan pengulangan ditentukan oleh besarnya frekuensi dari sawtooth tersebut, jadi kecepatan sweeping dari VCO ditentukan oleh besarnya frekuensi dari sawtooth oscillator.

Gambar 1: Blok diagram perangkat pemancar jamming.

VCO 310-360 Mhz : berfungsi untuk membangkitkan sinyal pembawa (carrier) frekuensi 310Mhz –360 Mhz Preamplifier : berfungsi untuk memeperkuat sinyal yang berasal dari oscillator VCO Sawtooth Generator : berfungsi untuk membangkitkan sinyal gigi gergaji 50 – 200 Hz Noise Generator : berfungsi untuk membangkitkan sinyal Noise Sum : berfungsi untuk menjumlah / menggabungkan Local Oscillator : berfungsi untuk membangkitkan sinyal 390 Mhz untuk mencampur Mixer Mixer : berfungsi untuk mencampur frekuensi VCO dengan Local Osc sehingga menghasilkan selisihnya IF frekuensi Bandpas Filter : berfungsi untuk menyaring frekuensi yang tidak dikehedaki Power Amplifier: berfungsi untuk memperkuat sinyal dari hasil output Bandpass Filter sehingga dihasilkan daya 100 Watts untuk diteruskan ke antenna


Gambar 3: Hubungan sinyal sawtooth dengan frekwensi output.

Pada Gambar 3. tampak output VCO pada waktu t1 – t2 menghasilkan frekuensi carrier dari f1 – fn. Dalam rangkaian VCO terdapat dari sebuah dioda varactor, dengan cara mempengaruhi bias tegangan mundurnya maka nilai kapasitansi dari varactor tersebut akan berubah sebanding

15


dengan perubahan tegangan biasnya, sehingga frekuensi VCO ikut berubah juga.

–

2.2. VCO ( Voltage Control Oscillator ) Merupakan rangkaian Varactor modulator dengan jenis Osilator Clapp yang pengembangannya berasal dari Osc Colpits cara kerjanya diuraikan sebagai berikut :

0.98 > – 0.14 Karena hfe >

Dimana Ceq (eqivaqlent ) =

Dari kurva gambar 5. untuk sumbu horisontal VR variasi tegangan mundur (Reverse bias) dimulai 0,1V - >20V sedangkan pada sumbu vertikal untuk peruban kapasitansi dioda (pf) dimulai 2pf – 35 pf.

1 1 1 + + Cv C1 C 2

Perhitungan Fr = 335 Mhz, Cv = 5 pf , C1 = 12 pf, C2 = 2 pf (nilainya kita ditentukan )

Persyaratan untuk terjadinya osilasi : hfb > –

C1 C2 , hfe > C1 + C 2 C1

hfb = –

fr =

(2)

335 Mhz =

;

2π L1.27 1 = L= (2πfr )(2πfr )(Ceq) 1 = 0.15 µH (2π 335)(2π 335)(1.27)

(3)

Tentukan misalnya nilai C1=12pf, dan C2=2pf Jakarta, 18 – 19 April 2007

1

2π LCeq 1 1 1 1 1 1 = + + = 1.27 pf + + Ceq = Cv C1 C 2 5 12 2 1

hfe 1 ⊕ hfe

hfe 60 hfb – = = 0.98 1 ⊕ hfe 61

C2 , maka syarat osilasi C1 + C 2

Gambar 5: Kurva karakteristik Cv berbanding VR

(1)

2π LCeq

(3)(4)

Menentukan nilai Induktor L Untuk memperoleh besaran harga Induktor L maka kita tentukan frekuensi yang akan direncanakan, misal : fr = 335 Mhz (frekuensi tengah) Cv = 5 pf (kapasitansi dioda Varactor) Cv ditentukan sesuai dengan data pada kurva grafik Gambar 5. Sebagai contoh dipakai type Varactor MV 2105 yang terdapat banyak di pasaran. Karakteristik MV2105 diperlihatkan pada karakteristik Gambar 5.

R1 dan R2 merupakan resistor untuk tegangan bias arah mundur Dioda Varactor Vd1. Terjadinya frekuensi resonansi ditentukan oleh nilai Induktor L dan nilai nilai kapasitansi dari Dioda Varactor, C1 dan C2. Rangkaian osilator dipilih dengan konfigurasi common collector dengan tujuan diperoleh output impedansi rendah, dan jenis transistor Tr adalah type BFR 91 dengan cutoff Freq (ft) = 500 Mhz, hie min = 60 Untuk menentukan besaran frekuensi resonansi maka nilai nilai kapasitansi dan induktor L dihitung dengan rumus

1

(4)

terpenuhi.

Gambar 4: Osilator Clapp

fr =

2 C1 = = 0.14 C1 + C 2 12

16


buah transformator merupakan rangkaian pasif seperti dalam gambar 10, keuntungan penggunaan DBM adalah intermodulation product yang dihasilkan lebih baik dari pada memakai mixer aktif sedangkan kerugiannya memerlukan level pencampur LO yang sangat besar + 7dBm serta conversion loss dari RF ke IF seperti digambarkan dalam grafik Gambar 10.

Dari perhitungan diperoleh harga induktansi L sebesar 0.15 µH, fr = 335 Mhz (merupakan frekuensi tengah diantara 310Mhz – 360Mhz). Agar Oscilator VCO dapat bekerja mulai dari 310Mhz – 360Mhz perlu dilakukan pengaturan tegangan bias dengan cara merubah tegangan kontrol Dioda varactor seperti pada Gambar 5. 2.3. Local Oscillator Rangkaian LO dipakai untuk dicampurkan (mixed) dengan Osc VCO agar diperoleh selisih IF frekuensi yang lebih rendah, rangkaian ini dibuat hampir sama dengan rangkaian VCO. Perbedaan hanya pada rangkaian capasitor resonansinya yaitu capasitornya dibuat tetap (fix). Lihat Gambar.6 rangkaian oscillator LC Clapp, walaupun rangkaian LO ini menggunakan LC tetapi stabilitasnya cukup dihandalkan. Frekuensi LO dibuat lebih tinggi daripada VCO yaitu 390 Mhz.

Gambar 8. Rangkaian Mixer

Gambar 9. Double Balance Mixer

Gambar 6: Rangkaian Clapp LC Local Oscillator

2.4. Mixer (Pencampur) Mixer berfungsi sebagai pencampur antara frekuensi RF VCO dengan LO (Local Oscillator) hasil pencampuran menghasilkan frekuensi selisih yaitu Frekuensi IF, spectrum frekuensi IF tersebut seperti terlihat dalam Gambar.7, dan rangkaian lengkapnya seperti pada Gambar.8. Gambar 10. Conversion loss RF to IF

2.5. Bandpass Filter ( BPF ) BPF berfungsi menyaring sinyal IF hasil dari output mixer dimana komponen frekuensi seperti spektrum frekuensi (gambar 8.) 2IF, 3IF, LO, RF + 2 LO, 2 RF – LO dan lain sebagainya ditekan (reject), hanya frekuensi IF saja yang dilewatkan untuk kemudian masuk ketingkat berikutnya untuk diperkuat oleh bagian power amplifier.

Gambar 7: Spektum frekwensi dari sinyal RF dan L0 berikut harmonisanya.

Mixer dengan sistim Double Balance Mixer(DBM) terdiri dari 4 buah dioda dan 2 Jakarta, 18 – 19 April 2007

17


Spesifikasi BPF Frekuensi kerja : Impedansi : Passband Frequency : Insertion Loss filter : Ripple factor :

4. Hasil dan Pembahasan

30 – 80 Mhz 50 Ω 50 Mhz (BW) max 3 dB ± 1 dB

4.1. Hasil Pengukuran Sawtooth Generator Diagram blok pengukuran adalah seperti pada Gambar 11.

3. Metodologi Pada pembuatan Voltage Control Oscilator ini penulis melaksanakan metoda reverse engineering. Peralatan sweep generator yang ada dan biasa dipergunakan di laboratorium merupakan salah satu sumber dari bahan studi literatur. Buku manual menerangkan prinsip kerja dari sweep generator kami pelajari ,sehingga kami mengetahui prinsip dari sweep generator. Pada buku tersebut juga ada diagram blok sistem sweep generator beserta diagramskematiknya. Komponen komponen baik pasif dan aktif seperti : transistor, resistor, capasitor, induktor, trafo dan lainnya yang ada pada buku manual dipelajari data datanya untuk dipergunakan untuk mencari komponen ekivalennya, sesuai yang ada di pasar komponen elektronika kita. Percobaan percobaan dilaksanakan dengan cara coba langsung tiap blok, lalu diukur hasilnya serta hasil pengukuran dievaluasi. Uji coba dilaksanakan terus sehingga didapatkan hasil yang baik. Dari hal diatas dapat disimpulkan bahwa metodologi yang kami laksanakan adalah sebagai berikut : 1. Studi literatur dari manual peralatan sweep generator. 2. Mengumpulkan data data komponen yang dipergunakan peralatan sweep generator. 3. Mengumpulkan data data komponen equivalent yang dipergunakan peralatan sweep generator. 4. Mendisain ulang sweep generator dengan komponen yang ada dipasar , terutama bagian Voltage Control Oscillator.. 5. Mencoba pembuatan blok rangkaian yang merupakan bagian dari Voltage Control Oscillator. 6. Pengukuran hasil percobaan dan melaksanakan evaluasi. 7. Mengulangi percobaan,pengukuran dan evaluasi sampai didapatkan Voltage Control Oscillator yang memenuhi persyaratan untuk perangkat jamming. Jakarta, 18 – 19 April 2007

Gambar 11: Diagram blok pengukuran Sawtooth Generator

Gambar 12: Foto hasil pengukuran Sawtooth Generator

Sinyal output Sawtooth Generator ini telah mampu membuat ( sebagai input VCO) VCO mengeluarkan output frekwensi dengan deviasi yang lebar. 4.2. Hasil Pengukuran Voltage Control Oscillator ( VCO ) Diagram blok pengukuran adalah seperti pada gambar13.

Gambar 13: Diagram blok pengukuran Voltage Control Oscillator ( VCO )

Gambar 14: Foto hasil pengukuran Voltage Control Oscillator

18


Output VCO dengan frekwensi center = 335 MHz dan levelnya = -1,5 dBm.

Hasil pengukuran VCO dengan daerah kerja frekwensi 310 Mhz - 360 MHz dan mempunyai level 0 dBm.

4.3. Hasil Pengukuran Local Oscillator Diagram blok pengukuran adalah seperti pada Gambar 15.

4.5. Hasil Pengukuran IF Diagram blok pengukuran adalah seperti pada Gambar 19.

Gambar 15: Diagram blok pengukuran Local Oscillator

Gambar 19: Diagram blok pengukuran IF.

Gambar 16: Foto hasil pengukuran Local Oscillator

Output Local Oscilator dengan frekwensi = 390 MHz dan levelnya = +7 dBm. 4.4. Hasil Pengukuran VCO Yang dimodulasi oleh Sinyal Sawtooth Diagram blok pengukuran adalah seperti pada gambar17.

Gambar 20: Foto hasil pengukuran IF.

Hasil pengukuran IF dengan frekwensi center = 55 Mhz dan deviasi beberapa MHz dengan level -4 dBm. 4.6. Hasil Pengukuran IF melalui BPF Diagram blok pengukuran adalah seperti pada gambar 21. Gambar 17: Diagram blok pengukuran VCO dimodulasi Sinyal Sawtooth Sawtooth Oscillator

IF BPF VCO

IF Out

LO Oscillator

Gambar.18. Foto hasil pengukuran VCO dimodulasi Sinyal Sawtooth Jakarta, 18 – 19 April 2007

Gambar 21: Diagram blok pengukuran IF melalui BPF.

19


1. Suhana Hermana,ST ,Daday Ruhiat,Amd, Agus Witarna,Djaelani, Dede Ibrahim, Patricius, dan Dardi, Puslit Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI. 2. Ir.Rustamaji,MT, Jurusan Teknik Elektro, FTI, ITENAS. 3. Ir.Rusmana,MT, Peneliti DISLITBANGAL, TNI AL. 4. Bambang Sugiarto,ST, Ridodi Anantaprama,ST, Agus Subekti,ST,MT., Rico Dahlan,ST. Puslit Informatika-LIPI. 5. yang telah membantu dalam pekerjaan ini. Gambar 22: Foto hasil pengukuran IF melalui BPF.

7. Daftar Pustaka

Hasil pengukuran IF dengan frekwensi center = 55 Mhz dan deviasi 25 MHz dengan level = -7 dBm.

[1]

International Defense Review - Electronic Warfare [2] Military Technology - Electronic in Defence [3] Defences Electronic - The Electronic Navy [4] R, Skaug, J.F. Hjelmstad – Spread Spectrum In Communication [5] Marvin K. Simon etc – Spread Spectrum Communication [6] Rustamaji; Elan Djaelani, ‘Pemancar Frequency Hopping Spead Spectrum Untuk Pengamanan Sinyal Informasi”, Jurnal Teknologi Informasi LIPI, Vol 3 no 1, 2002. [7] Rustamaji; Elan Djaelani, ‘Frequency Hopping Spead Spectrum Suatu Teknik Pengamanan Komunikasi Pada Perang Elektronika (Electronic Warfare)”, Prosiding, Pemaparan Hasil Litbang 2003 LIPI, 2003 [8] Small, M,”HF Amateur Band Frequency Syntheziser”, Electronic Wireless World, Vol 85 no 1519. [9] Plessey Semiconductor, “Frequency Dividers and Synthesyzers IC Handbook”. [10] Ulrich L, Rohde; T T N Bucher,”Communication Receiver : Principles and Design”,McGraw Hill. [11] NEC, Manual Books Sweep Generator.

5. Kesimpulan Dengan mengamati hasil pengukuran pada Gambar 22 terlihat output VCO yang bekerja pada daerah 30MHz – 80 MHz , menyapu sebagian dari pada daerah frekwensi tersebut. Output VCO ini akan diperkuat oleh Power Amplifier dan seterusnya akan dipancarkan melalui antena yang broadband. Frekwensi yang berubah dengan cepat dan bergerak berulang ulang ini akan menimpa atau menutupi sinyal dari suatu pemancar yang diterima oleh penerima yang berada pada jangkauan pemancar jamming , sehingga penerima hanya akan mendeteksi sinyal jamming yang mempunyai daya lebih besar, ini akan mengakibatkan komunikasi terganggu atau bahkan macet sama sekali. Dari hasil pengukuran dan juga ujicoba VCO yang dibuat telah sesuai dengan kebutuhan VCO untuk perangkat pemancar jamming.

6. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini dilaksanakan di Puslit Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI. Terima kasih disampaikan kepada :


20


Frequency Modulation Continuous Wave (FM-CW) Radar Rustini Soemaryato Kayatmo*) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Jl. Cisitu 21/154D (Komplek LIPI Gd 20) Bandung 40135 Indonesia Phone: 022-2504660 Fax: 022-2504659 Email: [email protected] *)

Abstract All types of modulation either Pulsed or CW Radar are equally good in providing detection against a background of thermal noise, so long as the receiving system is matched to the transmitted spectrum. The high incidence of pulsed-radar system in actual use testifies to their advantages in a number of practical matters, however. First is the available isolation between transmitter and receiver, which is accomplished by time switching in the duplexer of the pulsed radar. Systems using modulated CW transmissions have been built for a number of applications, but there are always serious problems encountered in isolation of the receiver and transmitter, which often raise the receiver noise level above that of thermal noise. Second, the time resolution between adjacent targets and between targets and short range clutter is usually better in the pulsed systems than is the frequency resolution of c-w system[1]. However, FM-CW radar has grown to a mature state owing to new breakthrough in microwave and computer hardware. FM-CW radar requires low output power, hence avoids hardware complications which arise as a result of high power requirements as in case of pulsed radar[2]. Keywords : CW Radar, modulation, detection, Pulse, FM-CW. Abstrak Semua jenis modulasi baik radar pulsa maupun c-w, memberikan pendeteksian yang sama baiknya terhadap background thermal noise, sepanjang system penerimanya sesuai dengan spektrum yang dipancarkan. Akan tetapi pada sistem radar pulsa (pulsed radar), dalam penggunaannya mempunyai berbagai keuntungan. Pertama, memungkinkan terjadinya isolasi antara pemancar dan penerima, yang dilakukan oleh time switching yang ada di duplexer dari radar pulsa. Sistem yang menggunakan transmisi c-w telah dibuat untuk sejumlah penggunaan, namun selalu ada permasahalan yang serius yang menyangkut isolasi antara penerima dan pemancar, yang sering menaikkan level noise penerima diatas thermal noise. Kedua, resolusi waktu (time resolution) antara target-target yang bersebelahan dan antara target-target yang lain dan benda-benda sekitar (clutter) jarak dekat biasanya lebih baik pada sistem radar pulsa daripada resolusii frekuensi pada system c-w[1]. Akan tetapi FM-CW radar sekarang sudah menjadi lebih matang dengan adanya terobosan di piranti keras (hardware) gelombang mikro (microwave) dan computer. FM-CW radar hanya memerlukan daya rendah, makai dapat menghindari kasulitan di piranti keras, tidak seperti pada radar pulsa yang memerlukan daya tinggi[2]. Kata kunci : CW Radar, modulasi, deteksi Pulse, FM-CW.

obyek pada jangkauan dimana pancaran lain seperti suara atau sinar, sangat lemah untuk dideteksi, oleh karena itu penggunaan radar mempunyai keuntungan antara lain: [3] Dapat mendeteksi target yang berada ditempat yang sangat jauh; Dapat mengukur jangkauan dengan cepat dan teliti; Dapat bekerja ditempat gelap dan disegala cuaca dengan uap, asap, kabut dan sebagainya; Kecepatan relatif dari target dapat diukur. Adapun kelemahannya: Aspek resolusi yang terbatas: o Raw video yang mewakili sinyal yang kembali tidak

1. Pendahuluan Radar atau Radio Detection and Ranging adalah suatu sistem yang menggunakan gelombang elektromagnetik untuk mengamati jangkauan, ketinggian, arah atau kecepatan baik obyek bergerak maupun diam seperti pesawat terbang, kapal laut, kendaraan bermotor, keadaan cuaca dan lapangan. Adapun prinsip kerjanya adalah, suatu pemancar memancarkan gelombang radio, yang direfleksikan oleh target dan dideteksi oleh alat penerima yang biasanya berlokasi ditempat yang sama dengan alat pemancar. Walaupun sinyal radio yang dikembalikan biasanya sangat lemah, sinyal radio tersebut dengan mudah dapat diperkuat. Hal ini memungkinkan radar dapat mendeteksi Jakarta, 18 – 19 April 2007

21


dapat digunakan sebagai indeks kemampuan mendeteksi dan kemampuan melakukan pengukuran radar tersebut. Batas unjuk kerja kemampuan radar mendeteksi target adalah perbandingan antara total energi dengan kepadatan spektrum (spectral density) noise di alat penerima. Maka kemampuan radar dalam mendeteksi target bergantung kepada daya ratarata (average power) dari pemancar, waktu selama daya tersebut membawa informasi dari target, dan geometri dari radar dan situasi target, tanpa dipengaruhi oleh bentuk modulasi sinyal yang digunakan dalam transmisi. Dalam sistem radar pulsa, energi yang diterima dapat direpresentasikan sebagai produk dari daya pulsa yang diterima, lebar pulsa dan jumlah pulsa yang terkandung dalam deretan pulsa. Sebaliknya rata-rata waktu penerimaan daya selama observasi, dapat digunakan untuk mengukur energi yang diterima. Persamaan radar atau “Radar equation” menggambarkan proses secara matematik, yang dapat digunakan untuk menghitung jarak maksimum sebagai fungsi dari lebar pulsa (pulse width, PW) dan pulse repetition rate (PRR). Dalam banyak hal, pulsa yang sempit dengan PRR tinggi digunakan untuk jarak dekat, sistem dengan resolusi tinggi, sedangkan lebar pulsa yang lebih besar dan PRR rendah, digunakan untuk mengamati obyek dengan jangkauan jauh. Problem utama dari radar adalah mendeteksi target diantara random noise yang dihasilkan alat penerima atau radiasi yang berasal dari benda gelap (black body) yang ada disekitarnya. Noise tersebut dikenal sebagai “thermal noise”, baik yang dihasilkan dari dalam maupun dari luar radar.[4] Radar dimana output pemancarnya tidak diinterupsi, kebalikan dari radar pulsa dimana outputnya terdiri dari pulsa-pulsa yang sempit, disebut Continuous-wave radar. Keunggulan dari CW radar adalah kemampuannya mengukur kecepatan dengan ketelitian tinggi berdasarkan prinsip doppler shift pada frekuensi sinyal yang dikembalikan oleh target. Yang dideteksi adalah pergeseran frekuensi gelombang yang dipantulkan dengan nilai yang merupakan fungsi dari kecepatan relatif antara target dan pemancar-penerima. Data jangkauan diambil dari perubahan frekuensi doppler terhadap waktu. Gambar 2. berikut menunjukkan effect Doppler tersebut.

mengindikasikan sudut target (target angle); o Sulit untuk membedakan obyekobyek yang berdekatan Kadang-kadang sinyal yang kembali palsu Radar banyak digunakan untuk berbagai keperluan seperti: Mendeteksi dan mengukur jarak obyek di tanah, laut maupun udara; Air Traffic Control; Guidance; Tracking Penggunaan di Meteorologi; Pengukuran kecepatan; Remote sensing Untuk menghindari benturan/tabrakan

2. Jenis-jenis Sistem Radar Seperti diketahui ada dua macam system radar yaitu radar pulsa (pulsed radar) dan radar c-w (c-w radar). Apabila radar memancarkan deretan pulsa yang dimodulasikan pada gelombang pembawa sinusoidal, maka gelombang pantulan (echo) akan terlihat seperti deretan pulsa yang di delay (selama target berada didalam cakupan antena radar). Gambar 1. menunjukkan deretan pulsa yang ditransmisikan tersebut.

Gambar 1: Pulsa yang dipancarkan menuju target

Keterangan gambar:PW = lebar pulsa, PRT= Pulse Repetition Time yaitu waktu antara awal pulsa ke awal pulsa berikutnya, PRF = Pulse Repetition Frequency, yaitu frekuensi pengulangan pulsa. Delay dari setiap pulsa relative terhadap pulsa yang ditransmisikan, akan menunjukkan jarak terhadap target. Radar mengindikasikan arah dari obyek dengan arah antena pada waktu menerima pantulan pulsa. Total energi yang dikembalikan ke radar oleh pulsa-pulsa tersebut Jakarta, 18 – 19 April 2007

22


dengan spillover, atau delay dan peredam harus sesuai dengan setiap frekuensi yang digunakan.

Transmit

Attenuator

Internal Spillover Path

Time T Delay

External Spillover Path

Gambar 2: Prinsip Doppler Shift Receive

Apabila frekuensi CW radar berubah terus menerus terhadap waktu,frekuensi dari sinyal echo akan berbeda dengan frekuensi yang dipancarkan dan perbedaannya proporsional terhadap jarak jangkauan target. Dalam frequency-modulated continuous-wave radar (FM-CW radar), frekuensi biasanya berubah secara linear, sehingga terjadi naik turun frekuensi secara bergantian. Untuk mengukur jarak dari target, bentuk frekuensi modulasi terhadap continuous wave tadi harus digunakan. Besarnya jarak diperoleh dengan membandingkan frekuensi pantulan dari target dengan frekuensi yang dipancarkan oleh pemancar radar. Perbedaannya sebanding dengan jarak target yang memberikan sinyal pantulan.. Dalam sistem FM-CW radar, pertukaran energi sama dengan rata-rata waktu penerimaan daya selama observasi. Ada perbedaan antara radar FM-CW dengan radar pulsa dalam memprediksi signal terhadap interferensi dan jarak maksimum deteksi/tracking. Perbedaan utama adalah, bahwa dalam sistem pulsa receiver noise merupakan batas interferensi, sedangkan pada sistem FM-CW tidak demukian, karena akan ada gangguan dari signal yang masuk dari bagian pemancar. Gangguan ini disebut spillover dan dapat disebabkan oleh berbagai hal. Salah satu penyebab adalah merupakan kopling internal antara bagian pemancar dan penerima seperti terlihat pada gambar 3, jaraknya tetap (fixed) sehingga signal dari pemancar yang kembali ke penerima, dapat dihilangkan dengan menggunakan peredam yang dapat diatur (variable attenuator) dan variable delay pada besaran yang sama dengan spillover dan dengan fasa 1800 dari spillover. Apabila signal spillover berpita lebar (broadband) jalur yang harus dihilangkan harus sesuai (matched)


Spillover Paths

Gambar 3. Gambaran terjadinya Spillover

Secara teori kedua spillover tersebut dapat dihilangkan apabila murni sinusoidal yang mengandung noise dari pemancar, kanselasi dan jalur spillover mempunyai nilai yang sama. Apabila nilainya tidak match, yang hilang hanya gelombang bagian sinusoidalnya saja. Spillover lainnya adalah refleksi dari sinyal yang dipancarkan yang dikembalikan ke antena dari benda-benda yang ada di dekat radar, seperti menara, bangunan dan semacamnya. Spillover- spillover ini jaraknya tidak dapat diprediksi, bahkan dengan mengubah-ubah arah antena, spillover ini tidak dapat dihilangkan. Penanggulangan yang paling mudah agar daya signal yang keluar dari pemancar tidak mengganggu bagian penerima, adalah dengan menggunakan antena terpisah, dan hal ini yang akan digunakan dalam pengembangan radar pantai ini.

3. Pemilihan bentuk Gelombang yang Ditransmisikan Sistem radar yang paling sederhana terdiri dari r-f power, antena dan obyek yang menjadi target. Antena memancarkan gelombang dengan faktor waktu eiωt dimana pada waktu menyentuh target pada jarak r, akan direfleksikan kembali ke antena, yang faktor waktunya menjadi ei(ωt-2kr), dengan k = 2π/λ. Gelombang yang dikembalikan amplitudanya akan menurun dengan faktor α yang bergantung kepada target dan berbagai faktor geometri. Gelombang yang kembali akan menyebabkan kenaikan arus dan tegangan di antena, yang ditambahkan terhadap yang dihasilkan oleh sumber daya, sehingga akan menaikkan perbandingan antara tegangan dan

23


dibandingkan dengan yang biasanya digunakan dalam radar pulsa, dimana energi yang dipancarkan biasanya kurang dari 0.1% dari waktu. Dengan demikian untuk memperoleh daya rata-rata yang sama yang diterima oleh target, radar pulsa memerlukan daya ouput pemancar yang jauh lebih besar dari daya output pemancar FM-CW radar. Walaupun sistem CW mempunyai kelemahan-kelemahan dalam memberikan informasi, namun dalam beberapa hal mempunyai sejumlah alasan untuk dipertimbangkan: Pertama, ada kalanya mentransmisikan data dengan kecepatan tinggi, tidak memberikan keuntungan. Sebagai contoh, dalam hal altimeter, hanya ada satu target, yaitu tanah Arahnya sudah diketahui dan informasinya untuk jaraknya hanya memerlukan beberapa kali dalam satu detiknya. Radar altimeter biasanya melakukan observasi 100 kali per detik, untuk menurunkan kesalahan dalam merata-rata hasil pengukuran, walaupun demikian rate informasi ini kecil; Kedua, ada situasi dimana walaupun sedikit informasi dapat diperoleh dengan mudah, banyak yang tidak memungkinkan diperoleh. Keadaan seperti itu muncul dalam situasi dimana benda-benda disekelilingnya tidak menentu, dimana sistem radar pulsa, bahkan dengan menggunakan alat MTI pun, gagal memberikan informasi. Disisi lain sistem doppler tertentu dapat memberikaninformasi yang berguna dan memadai; Ketiga, transmisi data dengan kecepatan tinggi akan memerlukan peralatan dengan kompleksitasw yang tinggi. Dalam beberapa hal penguatan (gain) tidak ada gunanya dan sistem CW sederhana cukup memadai; Keempat, ada hal dimana tipe sistem pulsa tidak dapat digunakan, misalnya untuk jangkauan yang turun sampai nol misalnya Kelima, daya yang diperlukan kecil, sehingga mengurangi kompleksitas peralatan. Dengan makin majunya terobosan di bidang komponen elektronikik untuk peralatan gelombang mikro, maka akan dapat

arus atau impedansi yang berubah terhadap nilai pada waktu tidak ada target. Secara prinsip, impedansi ini dapat diukur dengan skala absolut dan deviasi dari skala normal pada waktu tidak ada target, nilainya dianggap sebagai adanya target. Dalam praktek hal ini tidak mungkin karena signal yang dikembalikan besarnya hanya 10-9 kali tegangan yang dipancarkan, maka sebagai hasilnya variasi dari impedansi merupakan satu bagian dari 109. Variasi semacam itu hampir tidak dapat diukur baik di laboratorium, di lapangan sendiri maupun pada frekuensi gelombang mikro. Oleh karena itu, perlu dibuat agar perubahan signal yang kembali dapat diukur, selain menggunakan pengukuran secara absolut. Hal ini memerlukan perubahan yang disebabkan oleh proses modulasi. Modulasi disini dimaksudkan termasuk perubahan yang disebabkan oleh signal yang diinduksikan oleh target maupun signal yang berasal dari transmitter. Semua sistem radar yang dimungkinkan dapat diklasifikasikan dalam gambaran tipe modulasi dan penggunaan informasi yang dihasilkan. Semua jenis modulasi baik radar pulsa maupun c-w, memberikan pendeteksian yang sama baiknya terhadap background thermal noise, sepanjang system penerimanya sesuai dengan spektrum yang dipancarkan. Akan tetapi pada sistem radar pulsa (pulsed radar), dalam penggunaannya mempunyai berbagai keuntungan. Pertama, memungkinkan terjadinya isolasi antara pemancar dan penerima, yang dilakukan oleh time switching yang ada di duplexer dari radar pulsa. Sistem yang menggunakan transmisi c-w telah dibuat untuk sejumlah penggunaan, namun selalu ada permasahalan yang serius yang menyangkut isolasi antara penerima dan pemancar, yang sering menaikkan level noise penerima diatas thermal noise. Kedua, resolusi waktu (time resolution) antara target-target yang bersebelahan dan antara target-target yang lain dan benda-benda sekitar (clutter) jarak dekat biasanya lebih baik pada sistem radar pulsa daripada resolusii frekuensi pada system c-w[1]. Hal lain yang perlu dipertimbangkan pada sistem CW, antara lain energi dipancarkan sepanjang atau hampir sepanjang waktu. Hampir sepanjang waktu disini dapat diartikan sebagai paling tidak 10% dari waktu yang digunakan oleh sinyal untuk mencapai target. Ini merupakan presentase yang sangat besar Jakarta, 18 – 19 April 2007

24


dibuat peralatan yang ”fully solid stae” jauh lebih murah daripada menggunakan magnetron. Dengan makin majunya di bidang computer, maka kelemahankelemahan dalam pemrosesan sinyal, yang sebelumnya sulit dilakukan, akan dapat diatasi.

5. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada PPET-LIPI dan Panitya Seminar, yang telah memberikan kesempatan untuk menjadi pemakalah dalam Seminar RADAR Nasional ini.

6. Daftar Pustaka [1] Louis N. Ridenour, ”Radar System Engineering”, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York an London 1947 [2] Ligthart, L.P.,Nieuwkerk, L.R., “Radar and Signal Processing”, IEEE Proceedings F, Volume 137, Issue 6, Dec 1990, pp. 418 – 426 [3] Ligthart, L.P., “Short Course on Radar Technologies” , Bandung Institute of Technology (ITB), Indonesia, September 2005 [4] “Radars and Federal Government Applications”, NTIA Special Publication 00-40-Chapter 1, http://www.ntia.doc.gov/ osmhome/reports/ntia00-40/chapt1.htm

4. Kesimpulan Dari uraian diatas dapat disimpulkan, bahwa dengan adanya terobosan di piranti keras (hardware) gelombang mikro (microwave) dan computer, FM-CW radar sudah semakin matang, apalagi FM-CW radar hanya memerlukan daya rendah, maka dapat menghindari kasulitan di piranti keras, tidak seperti pada radar pulsa yang memerlukan daya tinggi.[2], dengan demikikian peralatan CW radar dapat dibuat fully solid state dan harganya akan jauh lebih murah dari pada yang menggunakan magnetron.


25


Potensi Electromagnetic Interference(EMI) dari Pancaran Sinyal Radar Spurious Sri Hardiati *) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Jl Cisitu 21/154 D (Komplek LIPI Gd 20) 40135 INDONESIA Phone: 022 2504660 Fax: 022 2504659 *)

Abstract Operationa system of radar is exploiting electromagnetic spectrum, and in radar signal transmission can be done with 2 type ,i.e. pulse transmission and continuous wave, Radiation of Radar signal has very hight energi which will be reflected again by object, as an example is aircraft. Radar signal radiation ,in the form of pulses, has great possibility in producing Electromagnetic Interference (EMI), that affection radar system operation and environment . Electromagnetic interference(EMI) that contains undesirable ,spurious,conducted ,or radiated signals of electrical origin, it can cause performance degradation in operational environment. Keywords : EMI, Radar, Noise Abstrak Sistem pengoperasian suatu radar adalah dengan memanfaatkan spektrum electromagnet , dan dalam mentransmisikan sinyal radar dapat dilakukan dengan 2 tipe yaitu transmisi pulsa ( Pulse Transmission) dan gelombang kontinyu (Continuous wave). Pancaran sinyal radar mempunyai enersi sangat tinggi, yang akan direfleksikan kembali oleh suatu obyek misalkan pesawat terbang. Pancaran sinyal radar yang berupa pulsa-pulsa, besar sekali kemungkinannya sebagai penghasil Electromagnetikc Interference (EMI), yang berpengaruh tehadap pengoperasian sistem radar maupun terhadap lingkungan sekitarnya. Electromagnetic Interference yang terdiri dari sinyal yang tidak diinginkan,spurious,konduksi dan radiasi dari sinyal elektrik ,hal ini dapat menyebabkan penurunan performance dalam lingkungan pengoperasiannya. Kata kunci : EMI, Radar,Derau

Beberapa radar ditempatkan dalam daerah yang padat atau berjejal yang dipandang dengan pertimbangan –pertimbangan tertentu, sehingga radar penempatannya harus bersama-sama dengan peralatan lain, seperti radar harus ditempatkan di bandara, pangkalan militer dan sebagainya, maka penambahan secara kontinyu penggunaan radar dengan sistim melalui udara,bantuan navigasi, observasi cuaca,satelit , dalam hal ini cenderung kearah penggunaan spektrum yang lebar/besar dan kepadatan penggunaan spektrum akan mengakibatkan dalam persoalan gangguan (interference) yang menjadi lebih komplek. Radar yang mempunyai sistem untuk mentransmisikan enersi elektromagnetik kearah sasaran yang dapat mendeteksi dan menentukan jangkauan dan kecepatan dari obyek/sasaran. Sinyal yang dihasilkan radar merupakan sinyal yang disengaja, yang dipancarkan ke dalam ruang angkasa dan sistem berada dalam lingkungan elektromagnetik, maka perlu untuk memperhitungkan situasi electromagnetic

1. Pendahuluan Radar kepanjangan dari Radio Detection And Ranging merupakan suatu alat yang memancarkan suatu enersi radiasi, , dan enersi tersebut dapat berupa gelombang kontinyu (countinuous wave/CW ) atau pulsa ,yang mempunyai enersi sangat tinggi ke suatu arah , sehinggadengan radiasi ini benda-benda yang dilewati sinyal tersebut, sebagai contoh pesawat terbang akan memantulkan enersi yang terkirim ke benda tersebut. Dan enersi radiasi yang sangat tinggi menimbulkan Electromagnetic Interference (EMI),.yang akan menggangu dalam pengoperasian sistim radar. Pemantulan yang diberikan oleh benda-benda tersebut berupa suatu gema (echo) yang dapat diterima oleh receiver di dekat peralatan pemancar enersi tsb. Waktu berlalu antara pancaran sinyal dari radar dan kembalinya pancaran sinyal merupakan fungsi jarak obyek/sasaran dan radar yang memancarkan sinyal tersebut. Jakarta, 18 – 19 April 2007

26


Interference (EMI) baik dari pancaran sinyal radar maupun lingkungan elektromagnetik sekitarnya. Sistim yang berada dilingkungan yang sangat keras dan noise menunjukkan masalah potensial dengan Electromagnetic Interference (EMI). Electromagnetic Interference (EMI) yang terdiri dari sinyal yang tidak diinginkan, sinyal spurious, sinyal konduksi dan sinyal radiasi dari sinyal asli (origin) dapat menyebabkan penurunan dalam performance peralatan dan sistim. Radar yang cenderung beroperasi dalam area/daerah yang berpotensi menghasilkan EMI, maka perlu untuk mengidentifikasi potensi EMI yang berasal dari pancaran sinyal radar spurious agar radar dapat beroperasi dalam lingkungan yang dikehendaki tanpa menurunkan performance peralatan maupun sistem radar dan tidak mengganggu peralatan – peralatan yang ada disekitarnya juga tidak mengganggu lingkungan terutama kesehatan manusia.

3. Sinyal Spurious. Sinyal deterministic atau tidak acak diciptakan dari pencampuran dan membagi sinyal untuk mendapatkan frekuensi pembawa. Sinyal ini bisa secara harmonic yang tergabung dengan sinyal pembawa dan disebut subharmonic. Spektrum non -harmonic dinamakan sinyal spurious. Sinyal itu ada di dalam amplitudo yang tergabung dengan pembawa. Sinyal spurious penyebabnya hampir sama seperti phase noise. Jika suatu sinyal spurious muncul di dalam jarak kanal gelombang radio, maka perbedaan amplitudo – amplitudo dari sinyal spurious dan sinyal yang dibangkitkan ( dihasilkan) berada di luar kanal. Sinyal spurious pada local oscillator akan menyebabkan keluaran yang diinginkan berubah-ubah phase pada frekuensi IF. Ini merupakan sumber yang memungkinkan produk-produk intermodulasi. Spektrum sinyal spurious dapat di lihat dalam Gambar 1.

2. Electromagnetic Interference (EMI) Electromagnetic Interference (EMI), merupakan pancaran sinyal yang tidak diingikan yang terjadi secara sinyal konduksi atau radiasi . EMI yang terjadi karena konduksi yaitu tegangan dan arus , dan secara radiasi yaitu medan listrik dan magnit. Dalam time domain ,EMI dapat transient,impulsive atau steady-state dan didalam frekuensi domain EMI terdiri dari komponen dengan jangkauan dari frekuensi daya rendah 50 Hz sampai daerah frekuensi gelombang mikro. Sinyal EMI dapat narrowband atau broadband, dan coherent atau non coherent. Sumber EMI dapat diklasifikasikan sebagai sumber EMI natural atau buatan manusia dimana EMI yang timbul karena dibuat manusia dapat diidentifikasikan yaitu disengaja atau tidak disengaja. Keberadaan kondisi EMI ada 3 elemen yang harus ada yaitu sumber noise elektrik, saluran kopling dan penerima korban . Pancaran sumber noise dapat secara konduksi yaitu tegangan dan arus , atau medan listrik dan medan magnet yang dipropagasikan melalui ruang angkasa. Kemamouan untuk mengantisipasi dan mengidentifikasi potensi EMI dan keberadaan situasi EMI selalu tergantung pada keberadan antara dua atau lebih system diskrit (intersystem EMI) atau antara elemen di dalam system yang sama (intrasystem EMI) Jakarta, 18 – 19 April 2007

Gambar 1. Sinyal spurious di dalam kanal

4. Konsep Dasar Radar Enersi gelombang elektromagnetik yang dilepas oleh radar langsung ke dalam udara yatiu dari transmitter ke antenna menyebar ke obyek/sasaran. Echo yang dihasilkan dari pemantulan suatu obyek akan dilakukan pemrosesan sinyal radar untuk mendapatkan informasi dari sasaran mengenai : jangkauan,velocity, posisi bersudut,identifikasi sasaran. Penggunaan radar diklasifikasikan sebagai deteksi. Pelacakan(tracking) ,pencitraan (imaging). Dasar persoalan dalam radar adalah deteksi dari obyek atau phenomena fisik. Hal ini

27


diterima dari penyebaran pulsa radar dapat dinyatakan sebagai berikut :

diperlukan untuk menentukan keluaran penerima pada suatu waktu yang dinyatakan dengan gema (echo) dari obyek yang direfleksikan atau hanya suara (noise). Penentuan pendeteksian biasanya dengan cara membandingkan amplitudo A(t) dari keluaran penerima terhadap batas ambang (threshold) yang dinyatakan T(t). Waktu yang diperlukan pulsa untuk propagasi dengan jarak R dan kembalinya pulsa yaitu 2 R yang merupakan perjalanan total, tepatnya 2R/c.jika y(t) > T(t) pada time delay to sesudah pulsa ditransmisikan , ini diasumsiasikan sasaran dalam jangkauan :

R=

ct o 2

R(t) = A(t) sin [ Ωt + θ(t)]

(3)

A(t) : amplitudo modulasi pulsa envelope . 4.2. Sinyal Radar Pemancar Radar dalam mentransmisikan sinyal akan mendapatkan respon dari keluaran penerima (receiver) yang merupakan beberapa jenis sinyal yaitu sasaran (target), semrawut (clutter), derau (noise) dan kadang-kadang gangguan (jamming). Sinyal-sinyal tersebut ditunjukkan dalam gambar :

(1)

dimana c kecepatann cahaya.

4.1 . Bentuk Gelombang Radar. Radar gelombang:

mentransmisikan

tipe

bentuk

X^ (t) = α(t) sin [Ω t + θ(t) ]

(2)

Gambar 3. Sinyal spektrum yang terdiri dari noise,clutter, dan target.

dimana : Ω fungsi sinus yaitu frekuensi pembawa (carrier) RF dengan radiasi setiap detik. α(t) : menyatakan amplitudo modulasi. θ (t): modulasi phase atau modulasi trekuensi dari carrier. X ^(t): menunjukkan sinyal pembawa(carrier) Pulsa Radar ini merupakan fungsi rectangular (berbentuk segi empat) yang mana bentuk gelombang pulsa on dan off. Adapun jenis umum bentuk gelombang dari pulsa radar dapat dilihat dalam Gambar 2.

Sinyal noise dan jamming merupakan sinyalsinyal yang mengganggu dapat menurunkan kemampuan untuk mengukur sasaran. Pengelolaan sinyal yang efektif diukur oleh perbaikan yang menyediakan dalam berbagai kepekaan instrument(Figure of merit), seperti detection probability ,signal to interference ratio, ketelitian segala penjuru. Secara konvensional pulsa-pulsa radar dipancarkan sebagai sinyal narrow-band,sinyal baseband. Enersi yang ditransmisikan secara maksimum membatasi modulasi amplitudo dengan pulsa on-off,dan modulasi phase digunakan untuk memperluas bandwidth, hal ini bila diperlukan untuk memperbaiki resolusi. Jadi pulsa radar yang ditransmisikan dapat dinyatakan sebagai berikut : X^(t) = α(t) sin [2Π Ft t + θ (t)]

Gambar 2. Tipe bentuk gelombang pulsa radar.

Jangka waktu Amplitudo

α(t) : Konstante amplitudo pulsa. F(t) : Frekuensi pembawa. θphase dari modulasi pulsa.

: τ detik : A volt.

Diasumsikan α (t) adalah ideal, dan amplitudo pulsa square A , jangka waktunya (duration) t detik, maka power sesaat sinyal dari sinyal tersebut dapat dinyatakan :

Adapun sinyal radar yang diterima biasanya narrowband, bandpass dan menggunakan modulasi phase atau frekuensi. Maka bentuk gelombang echo [r(t)] yang Jakarta, 18 – 19 April 2007

(4)

28


Ps =

A2 2

of-band atau pancaran energi spurious dari pemancar radar di dalam passband setasiun penerima . Dan bila level pancaran tidak diinginkan relatif tinggi terhadap sinyal yang diinginkan , maka terjadi penurunan performance pada penerima. Faktor dominan yang mempengaruhi level pancaran spurious dari system radar adalah tipe dari peralatan pemancar radar yang digunakan. Adapun potensi , Pancaran radar spurious dapat dinyatakan sbb :

(5)

Sinyal pada keluaran penerima merupakan suatu kombinasi echo x^(t) dari, sasaran ,clutter dan noise dan kemungkinan jamming. Sasaran dan clutter merupakan echo yang tertunda dari pulsa yang ditransmisikan, dan pulsa ini merupakan sinyal narrowband meskipun amplitudo dan modulasi phase secara umum berubah-ubah. Noise yang ditrerima terlihat seperti sinyal acak . Jadi sinyal yang diterima menghasilkan echo pulsa tunggal dari penyebaran pada jangkauan Ro = c t0 /2 yang dapat dinyatakan :

Lp = (C/I) – C + PT + GT + GR (*) – LT – LRFDRIF (7)

j [ 2πFt ( t − t ) +φ ( t )]

y (t ) = b(t − t 0 )e

+ n(t )

Dimana : Lp : Rugi-rugi saluran propagasi antara antenna pemancar dan penerima yang diperlukan untuk menghalangi gangguan dari pancaran radar spurious.(dB). C/I : Carrier to noise ratio pada output IF yang diperlukan untuk mendapatkan criteria performance.(dB). C : Level sinyal carrier yang diterima pada antenna stasiun bumi. PT : daya peak dari pemancar radar (dBm). GT : Gain antenna main beam dari radar.(dBi) GR (*) : Gain antenna di bumi dengan arah dari stasiun radar. LT : Insertion Loss dalam stasiun pemancar radar (dB). LR : Insertion Loss dalam stasiun penerima (dB ). FDR IF : Frequency-dependent rejection dari pancaran yang tidak diingini .radar

(6)

n(t): noise yang diterima. B(t): amplitudo echo. φ(t): modulasi phase echo

5. Interaksi Electromagnetic Interference (EMI) dan Radar Pancaran sinyal Radar termasuk pancaran yang dibuat manusia yang secara umum merupakan sinyal radiasi narrowband dan coherent. Pancaran radar merupakan penghasil Electromagnetic Interference (EMI), hal ini disebabkan : 1. Daya pulsa puncak ( peak pulse ) mempunyai level tinggi , dimana levelnya sampai beberapa megawatt. 2. Menggunakan spektrum yang melebar ,hal ini disebabkan short pulse menempati baseband yang lebar. 3. Radiasi harmonic secara relatif tinggi. : 4. Frekuensi pembawa (carrier ) tinggi ,dimana radar dalam mengopersikan sinyal kopling efisien. Dan Radar dalam pengoerasiannya menggunakan spektrum frekuensi sampai beberapa GHz. Penekanaan pancaran spurious dari radar karena diperlukan untuk mengeliminasi clutter dan enersi yang tidak diinginkan untuk pengperasian dengan lingkungan elektromagnetik yang berbeda. Pancaran spurious yang rendah yang tergabung dengan radar tersebut , maka potensi interaksi EMI dengan spektrum yang lain diperkirakan akan berkurang. Bentuk gangguan kopling pancaran spurious dari pemancar radar, terjadi ketika outJakarta, 18 – 19 April 2007

6. Kesimpulan Potensi Electromagnetic Interference dari sinyal radar spurious , bila tidak dikendalikan maka frekuensi gelombang elektromagnetik yang dimiliki radar tersebut akan mempengaruhi kondisi lingkungan Faktor-faktor yang mempengaruhi level pancaran spurious dari sistim radar adalah tipe keluaran sinyal dari transmitter yang digunakan.

7. Daftar Pustaka [1]

29

Violette, J.L.N., White, D.R.J., Violette, M.F., “Electromagnetic Compatibility


[2] [3]

[4]

Handbook”, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1987. Paul, C.R., “Introduction to Electromagnetic Compatibility“, John Wiley & Sons Inc., New York, 1992. Kraus, J.D., Fleisch, Daniel, A.F., “Electromagnetic with Applications” McGraw-Hill, Boston, 1999.


[5] [6]

30

David K. Barton., ” Radar System Analysis“,Artect House Inc., New York, 1979. Tim Williams., “EMC For Product Designers“, Newness, Oxford, 1996. Mark A Richards,. “Fundamental of Radar Signal Processing”, Mc Graw – Hill 2005.


Perancangan Antena Mikrostrip Linear Tapered Slot Bentuk V dengan Pencatu CPW untuk Aplikasi Radar Fitri Yuli Zulkifli1, Bayu Aji2 and Eko Tjipto Rahardjo3 ANTENNA PROPAGATION AND MICROWAVE RESEARCH GROUP (AMRG) CENTER FOR INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERING RESEARCH (CICER) Department of Electrical Engineering, University of Indonesia Kampus Baru UI Depok, West Java,16424, Indonesia [email protected] [email protected] [email protected] Abstract In this paper, a modified and compact design of V-Shaped Linear Tapered Slot Antenna (V-LTSA) with the Coplanar Waveguide (CPW) Feeding for radar application is proposed. This antenna design has an impedance bandwidth of over 4 GHz. Keywords: V-LTSA, Radar Abstrak Makalah ini memaparkan sebuah rancangan yang kompak dari antena mikrostrip Linear Tapered Slot berbentuk V dengan teknik pencatuan CPW untuk aplikasi Radar. Perancangan antena ini menghasilkan lebar pita lebih dari 4 GHz. Kata kunci: V-LTSA, Radar

kebutuhan aplikasi radar akan antena yang berkarakteristik pita lebar. Penelitian in didasari penelitian yang telah dilakukan oleh [2], [4] dan [5]. Penelitian [2] merupakan V-LTSA yang menggunakan teknik pencatu uniplanar microstrip-to-coplanar strip line yang desainnya lebih kompleks. Pada [3], pencatu yang digunakan CPW namun rancangan antena bukan Linear Tapered Slot bentuk V. yang menghasilkan pita lebar namun rancangan masih rumit. Penelitian [5] juga menggunakan Linear Tapered Slot namun memiliki lebar pita dari 3,15 GHz – 5,6 GHz. Penggunaan tekinik pencatuan CPW banyak menarik perhatian peneliti karena kelebihannya berupa radiation loss yang rendah, dispersi yang lebih sedikit, mudah diintegrasikan dengan Microwave Integrated Circuits (MMIC) dan lebih mudah untuk diatur impedansi matching antena. Dari kelebihan teknik pencatuan CPW ini, maka rancangan antena pada penelitian ini akan menggunakan teknik CPW. Penelitian ini ingin merancang V-LTSA yang lebih sederhana bentuknya dibandingkan [2] dan [4] dan memiliki lebar pita yang lebih lebar dari [5]. Antena ini dirancang untuk bekerja pada frekuensi sekitar 1,5 GHz – 6 GHz.

1. Pendahuluan Kebutuhan akan perangkat antena yang bentuknya kecil, ringan, mudah dibawa (praktis) semakin menarik dewasa ini. Antena mikrostrip mempunyai karakteristik yang memenuhi kebutuhan tersebut namun mempunyai kelemahan yaitu memiliki lebar pita yang sempit. Hal ini kini dapat ditanggulangi dengan banyak teknik seperti pemberian slot pada rancangan antenna, salah satunya adalah Teknik Linear Tapered Slot khususnya berbentuk V (VLTSA = V-Shaped Linear Tapered Slot Antenna) yang mempunyai banyak kelebihan seperti mampu memiliki pita lebar dan bentuk sangat kompak [1], [2]. Karakterisktik pita lebar kini diminati untuk berbagai aplikasi termasuk untuk aplikasi Radar. Salah satu aplikasi radar adalah Surface Penetrating Radar yang pada umumnya bekerja pada frekuensi 10 MHz - 5GHz [3]. Bahkan ketertarikan kepada ultrawideband radar semakin meningkat yang berarti perlunya perancangan antena yang berkarakteristik pita lebar dan memenuhi unjuk kerja yang dibutuhkan tersebut. Perancangan V-LTSA pada penelitian ini tidak lepas dari keinginan untuk memenuhi Jakarta, 18 – 19 April 2007

31


(Ws), lebar saluran CPW (G), dan jarak antar saluran CPW (W), seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Matching impedansi antena untuk mendapatkan besar impedansi karakteristik 50 Ω dilakukan dengan mengatur perbandingan W/G. Pemanjangan panjang slot(ls) akan menyebabkan frekuensi kerja menurun[7].

2. Teori Dasar A. V-LTSA V-LTSA merupakan pengembangan dari LTSA yang ditujukan untuk mempermudah packaging dari aplikasi MMIC. V-LTSA dapat dimodelkan dengan metode spectral domain [6]. Metode ini didasarkan atas fungsi Green’s dan metode momen dalam spectral domain. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan koefisien refleksi dan aliran listrik yang tidak terduga di dalam antena. Dalam pemodelan ini, seluruh domain traveling wave digunakan untuk merepresentasikan arus insiden dan reflektif yang terjadi sepanjang line feeding antena. Jika traveling waves pada antena merambat searah sumbu x, maka berdasarkan definisi dari spectral domain exact Green’s function, kita mendapatkan rumus [6] :

G W

(1)

ls

Ws Gambar 1: Prinsip kerja pencatuan CPW [7]

(2)

Asumsi yang digunakan pada analisis CPW adalah semua interface dari struktur, termasuk slot, dapat diganti dengan dinding magnetik. Untuk mempermudah analisis, struktur dari saluran transmisi dapat dibagi dua, yaitu setengah bagian atas yang berada diatas bagian metal, dan setengah bagian bawah yang berada dibawah bagian metal. Kapasitansi per unit panjang dari tiap setengah bagian ditentukan dengan mentransformasi bagian tersebut menjadi geometri plat paralel menggunakan transformasi konformal. Nilai kapasitansi ini akan menentukan karakteristik dari saluran CPW. Konfigurasi saluran pencatu CPW yang digunakan pada percobaan kali ini adalah saluran CPW dengan ketebalan substrat yang terbatas dan lebar ground yang terbatas seperti ditunjukkan pada Gambar 2 berikut ini.

dengan Gxx, Gxy, Gyx, Gyy = Green’s Function Jinc = Arus Listrik Insiden Jref = Arus Listrik Reflektif Jx, Jy = Komponen x,y dari Arus Listrik Keluar antena Semua parameter di atas berdasarkan spectral domain. Agar metode momen dapat berlaku, maka pada persamaan (1) dan (2) harus ditambahkan lagi faktor arus yang tidak terduga yaitu berupa 2 fungsi basis berikut ini [6]. N ~ ~x J s (kx, ky ) = ∑ an fxn (kx, ky ) (3) n =1

N ~ ~y J s ( kx, ky ) = ∑ bn f yn (kx, ky ) (4) n =1

dengan N = jumlah dari fungsi basis an, bn = koefisien expansi tidak terduga fxn (kx,ky), fyn (kx,ky) = fungsi basis dari spectral domain

Gambar 2: Konfigurasi CPW yang digunakan

Dari gambar 2, dapat terlihat bahwa : h = Ketebalan substrat (cm) 2a = Jarak antar saluran pencatuan CPW (cm) 2b = 2 x lebar slot saluran pencatuan CPW + 2a (cm) 2Co = Lebar substrat yang dipakai (cm)

B. Pencatuan CPW Kinerja antena mikrostrip slot dengan pencatuan CPW tergantung pada beberapa faktor diantaranya panjang slot (ls), lebar slot Jakarta, 18 – 19 April 2007

32


εr = Konstanta dielektrik substrat

4. Hasil Simulasi dan Pembahasan

Untuk menghitung konstanta dielektrik dari CPW dapat menggunakan persamaan[7] :

Hasil rancangan pada gambar 3 disimulasikan dengan perangkat lunak yang menggunakan metode momen. Dari hasil simulasi diperoleh karakteristik return loss seperti ditunjukkan pada gambar 4. Dari grafik return loss, frekuensi kerja antena adalah di bawah nilai return loss -9,54 dB untuk sistem dengan VSWR ≤ 2. Gambar 4 memperlihatkan hasil simulasi dari lebar pita antena sebesar 4329,7 MHz yaitu dari 1358,3 MHz sampai 5688 MHz. Gambar 5 menunjukkan hasil simulasi dari impedansi input (Zin) yang berfungsi melihat sifat impedansi saluran pencatu dari antena maupun antena secara keseluruhan. Sebuah grafik Zin diharapkan agar mempunyai garis grafik yang menyentuh titik/garis 1 pada grafik smith chart yang berarti dalam kondisi matching. Hasil simulasi menunjukkan pada frekuensi 4,2 GHz diperoleh nilai VSWR mendekati 1 dengan Zin mendekati 50 ohm.

ε re = 1 + q(ε r − 1)

(5)

dengan q merupakan filling fraction.

3. Perancangan Antena A. V-LTSA Perancangan antena ini dipengaruhi oleh beberapa parameter yang membentuk karakteristik antena. Parameter tersebut adalah θ1 (sudut dalam), θ2 (sudut luar) dan L3 (panjang dari tapered slot). Parameter tersebut menentukan lebar pita antena. Dalam referensi [6] disebutkan ratio antara sudut luar dan dalam sekitar 10o namun setelah beberapa simulasi, sudut terbaik diperoleh pada θ1 =1,82o dan θ2 = 9,25o karena penelitian ini dibandingkan [6] berbeda frekuensi kerja antena dan bahan substratnya. B. Pencatu CPW Rancangan V-LTSA dicatu dengan teknik CPW. Dalam perancangan pencatu, dimensi beberapa parameter penting untuk ditentukan untuk memperoleh impedansi matching 50 ohm. Parameter tersebut adalah W (lebar CPW), dan G (gap pencatu). Adapun parameter slot L2 dan W2 di samping panjang stub L digunakan untuk mengendalikan matching dari pencatu sehingga diperoleh hasil return loss yang baik. Hasil kombinasi perancangan V-LTSA dengan pencatu CPW ditunjukkan pada Gambar 3. Perancangan ini disimulasikan pada bahan dielektrik dengan εr = 2,2 dan ketebalan substrat d = 1,57 mm.

1.3583 GHz -10 dB

5.688 GHz -10 dB

Return Loss (dB)

-10

-20

-30

-40

-50 1

2

3 4 Frequency (GHz)

5

6

Gambar 4: Hasil simulasi lebar pita dari rancangan antena

Gambar 5: Grafik Impedansi Input (Zin) hasil simulasi

Gambar 3: Rancangan V-LTSA


Grafik Return Loss Vs Frekuensi

DB(|S[1,1]|) ~ tapered 0

33


[3] D. J. Daniels, ”Surface Penetrating Radar”, The Institution of Electrical Engineers, London, UK, 1996 [4] Xiao-Dong Wu, Kai Chang, “Coplanar Waveguide Feed Linear Tapered Slot Antenna”, 1993 IEEE Int. Antennas and Propagat Symp. Dig, page 364-367, vol.1, 28 June-2 July 1993. [5] I.G. Irawan, E.T. Rahardjo,” A Design of Linearly Tapered Slot Antenna with CPW Feed for Ultra Wideband Application”, Proceeding the 2nd Indonesia Japan Joint Scientific Symposium, Indonesia, 6-8 September 2006 [6] Wang, H. Y., Mirshekax-Syahkal, D., Dilworth, I. J., “Numerical Modeling of VShaped Linearly Tapered Slot Antennas” 1997 IEEE Int. Antennas and Propagat. Symp. Dig., page 1118 – 1121, IEEE vol.2, 13 – 18 July 1997. [7] Garg, R., Bhartia, P., Bahl, I., Ittipiboon, A., “Microstrip Antenna Design Handbook”, Artech House, Inc., Norwood, MA, 2001.

5. Kesimpulan Perancangan V-LTSA dengan pencatu CPW dalam makalah ini mempunyai karakteristik pita lebar. Hasil simulasi menunjukkan lebar pita antena lebih dari 4 GHz. Kemampuan dari antena ini diharapkan dapat digunakan untuk aplikasi Radar yang membutuhkan karakteristik pita lebar.

6. Daftar Pustaka [1] Yngvesson, K.S., Korzeniowski, T.L., Young-Sik Kim, Kollberg, E.L., Johan-sson, J.F., “The Tapered Slot Antenna – A New Integrated Element for Millimeter-Wave Applications”, IEEE Trans. on Antennas and Propagat., vol. 37, no. 2, Februari 1989. [2] Simons,R.N., Dib,N.I., Lee,R.Q., Katehi, L.P.B., “Integrated Uniplanar Transition for Linearly Tapered Slot Antenna”, IEEE Trans. On Antennas and Propagat., Vol. 43, No 9, September 1995.


34


Pendekatan Citra Radar dengan Parameter Time Return dan Power Return Yusuf Nur Wijayanto*) *) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi – LIPI Jl. Cisitu 21/ 154D Bandung 40135 Telp. 022 250 4660, 250 4661 Fax. 022 250 4659 Email : [email protected] Abstract The modern day, have been developed digital signal processing technique and image processing to support radar system. In this research have been simulated of radar image processing use Matlab program. In this paper, simulation of radar image processing use time return and power return method as parameter. The parameters obtained with analysis data receive by receiver. The result is value and curve approach of radar image processing use time return and power return as parameter. Keywords : Radar image processing, time return, power return Abstrak Dewasa ini telah dikembangkan teknik digital signal processing dan image processing untuk mendukung sistem radar. Pada penelitian ini telah dilakukan simulasi pengolahan citra radar menggunakan program Matlab. Simulasi pengolahan citra radar pada makalah ini menggunakan metode time return dan power return sebagai parameter. Parameter tersebut diperoleh dengan manganalisa data yang diterima oleh receiver. Hasil yang diperoleh berupa nilai dan grafik pendekatan pengolahan citra radar menggunakan parameter time return dan power return. Kata kunci : Pengolahan citra radar, time return, power return

Dengan mengikuti perkembangan radar penggunakan teknologi infromasi (software) baik sebagai DSP maupun image processing, maka pada makalah ini dipaparkan tentang teknik image processing pada radar menggunakan program Matlab[6]. Metode yang digunakan pada pendekatan citra radar dengan parameter time return dan power return.

1. Pendahuluan Radar merupakan kepanjangannya adalah Radio Detecting and Ranging. Aplikasi yang telah banyak digunakan antara lain pada bidang militer, mengukur kecepatan, sebagai pengendali lalu-lintas, dan lain-lain[1]. Teknologi radar diawali dengan teori elektromagnetik modern. Pada tahun 1886, Herzt memaparkan tentang pantulan dari gelombang radio dan pada tahu 1900, Tesla memaparkan tentang konsep dari deteksi elektromagnetik dan pengukuran kecepatan[1]. Kemudian dikembangkan oleh banyak ilmuan antara lain Marconi, Taylor and Young. Pada tahun 1934 ditemukan continuous wave (CW) dimanfaatkan untuk sistem radar[1]. Dewasa ini telah dikembangkan teknologi digital signal processing (DSP) dan image processing untuk mendukung sistem radar. Teknologi ini dapat memberikan solusi untuk menginterprestasikan bentuk target (benda yang dideteksi) dan menentukkan jenisnya. Aplikasi radar banyak digunakan dalam berbagai bidang antara lain pada militer, air traffic, kapal laut dan lain sebagainya.


2. Dasar Teori Radar merupakan sistem penginderaan jarak jauh yang mampu mendeteksi dan menentukan jarak suatu obyek menggunakan gelombang elektromagnetik. Panjang gelombang yang digunakan adalah pada spektrum gelombang radio, yang lebar spektrumnya antara 104 km sampai 1 cm. Sistem radar biasanya menggunakan panjang gelombang sekitar 10 cm yang sesuai dengan frekuensi sekitar 3 GHz[1,2]. Radar diklasifikasikan berdasarkan kegunaanya antara lain sebagai detection, tracking, dan imaging. Dalam makalah ini ditekankan radar sebagai detection dan imaging sehingga teknik akusisi data/ sinyal dan reduksi interferensi penting dalam sistem ini[1].

35


Pendeteksian dan penentuan jarak diperoleh dengan menentukan waktu delay (tunda) antara pulsa transmisi dari pembangkit gelombang radio dan pulsa kembali yang telah dipantulkan oleh target. Hal ini sesuai dengan persamaan 1, dimana notasi “c” adalah kecepatan cahaya pada gelombang elektromagnetik (3.108 m/s). Faktor dua dalam formula ini diperoleh karena pulsa radar berjalan ke target dan kembali ke receiver, menempuh jarak dua kali dari jarak antena dan target[1].

R=

c.∆t 2

Gambar 2: Diagram blok sistem radar secara umum

Transmiter akan membangkitkan gelombang radio untuk mengirim dan memodulasikan dalam bentuk pulsa. Pemancar akan menguatkan sinyal dan tingkat power menjadi tinggi. Receiver sensitif terhadap rentang frekuensi yang telah dipancarkan dan menyediakan penguatan dari sinyal pantul. Karakteristik umum penerima antara lain pulse integration, sensitive time control (STC) dan fast time constant (FTC) Unit tampilan dapat bermacam-macam bentuknya tetapi secara umum dirancang untuk menerima informasi bagi operator. Tipe dasar tampilan sering disebut A-scan (amplitude with delay time). Sumbu vertical merupakan kekuatan dari sinyal kembali dan sumbu horizontal merupakan waktu tunda datangnya sinyal atau jarak. A-scan tidak menyediakan informasi tentang arah dari target.

(1)

Pulsa radar bekerja berupa modulasi amplitudo dari gelombang pembawa frekuensi radar, seperti gelombang pembawa yang dimodulasi dalam sistem telekomunikasi. Sinyal informasi dalam sistem radar mempunyai sinyal yang sederhana yaitu terjadi perulangan pulsa tunggal dengan interval yang teratur. Modulasi sinyal pembawa radar secara umum dan parameter umum dari sinyal radar dapat dilihat seperti gambar 1.

Gambar 1: Bentuk pulsa radar

Pulse width (PW) adalah durasi dari pulsa dengan satuan waktu dan biasanya diekspresikan dalam mikro detik (µs). Rest time (RT) merupakan interval antara pulsa (µs). Pulse repetition time (PRT) adalah interval antara awal pulsa dengan awal pulsa berikutnya (µs). PRT = PW + RT

(2) Gambar 3: Ilustrasi tampilan

Pulse repetition frequency (PRF) merupakan jumlah pulsa yang dipancarkan tiap detik dan merupakan invers dari PRT, satuannya dalam Herzt (Hz). Radio Frequency (RF) merupakan frekuensi dari gelombang pembawa (carrier) yang dimodulasikan dengan pulsa radar.


Tampilan secara umum merupakan PPI (plan position indicator), informasi A-scan diubah kedalam brightness yang kemudian ditampilakan dalam arah yang relative sama dengan orientasi arah antena, dalam top-down view. PPI dapat menjadi tampilan yang lebih alami yang digunakan secara luas oleh operator. Synchronizer memasang lagi jejak untuk

36


masing-masing pulsa sehingga cakupan informasi dimulai dari asalnya. Pada simulasi ini menggunakan teknik vektor dan teknik trigonometri. Hukum matematis yang digunakan antara lain hukum phytagoras, dapat dilihat pada gambar 4 dan 3, kemudian menggunakan hukum trigonometri dapat dilihat pada persamaan 5[5].

γ

Hipotesa data hasil simulasi untuk kedua parameter (time return dan power return) yang digunakan adalah data atau grafik yang diperoleh mempunyai bentuk yang mendekati dengan bentuk aslinya. Terdapat perbedaan bentuk dengan nilai yang sangat kecil. Simulasi menggunakan program Matlab dengan parameter time return dan power return. Cara kerja gelombang radar yaitu sinyal yang dipancarkan yang kemudian dipantulkan oleh target dan sinyal yang dipantulkan tersebut diterima oleh receiver, dapat dilihat pada gambar 5.

c

a

α b Gambar 4 : Segitiga siku-siku a2 = b2 + c2 α + γ = 900 tan α =

a b

(3) (4) (5)

Selain menggunakan metode parameter time return untuk mendeteksi target juga dapat menggunakan metode power return. Nilai yang perlu diperhatikan dalam metode ini antara lain level field strength, power output pemancar, gain antenna, dan attenuasi path loss. Hubungan nilai tersebut dapat dilihat pada persamaan 6 dan 7[2,3,4].

Gambar 5: Radar echo

Dengan melihat sistem kerja gelombang yang dipancarkan maka dapat diketahui bahwa jarak target merupakan setengah waktu tempuh dari transmitter ke receiver. Persamaan matematisnya dapat dilihat pada persamaan 1. Sebagai ilustrasi cara mengambil data simulasi dapat dilihat pada gambar 6. Ilustrasi simulasi pada gambar 6 terdapat transmitter/ receiver yang berupa antena dan mempunyai jarak dengan target sebesar “l” pada titik tengah target. Target dimisalkan berupa benda yang mempunyai panjang sebesar ‘2r’ dan posisinya tegak lurus (mempunyai sudut 900) terhadap pancaran gelombang oleh transmitter.

Pfs = Po + GantTx - Apl + GantRx (6) Apl = 32,5 + (20logD) + (20logF) (7) Dimana : Pfs = level field strength (dB) Po = power output pemancar (dB) GantTx = Gain antenna Tx (dB) GantRx = Gain antenna Rx (dB) Apl = attenuasi path loss (dB) D = jarak Tx dan Rx (Km) F = frekuensi (MHz)

Target

Prinsip kerja radar menggunakan metode power return adalah sebagai berikut pemacar radar akan memancarkan sinyal dengan power output yang telah ditentukan. Setelah mencapai target maka sinyal tersebut akan dipantulkan kembali dan diterima oleh receiver. Kemudian besar power (kuat medan) yang diterima oleh receiver digunakan sebagai data yang selanjutnya dianalisa secara digital.

Transmiter/ Receiver Panjang target (2r)

Jarak (l)

Gambar 6: Ilustrasi citra radar

3. Percobaan dan Simulasi Jakarta, 18 – 19 April 2007

37


Bentuk target lain yang digunakan pada simulasi ini antara lain bidang cekung, cembung, segitiga lancip, dan segitiga tumpul. Ilustrasi masing-masing target dapat dilihat pada gambar 8.

Pengambilan data dilakukan dengan memacarkan gelombang dari transmitter pada pada target dengan sembilan titik yang dibagi sama besar dari masing-masing ujung target. Jadi misalkan target mempunyai panjang 9 m, maka besar interval sampling data sebesar 1 m. Dari gambar ilutrasi tersebut di substitusikan pada persamaan 1, maka dapat diperoleh besarnya waktu tempuh sinyal baik kembali ke receiver dan ke target. Misalkan panjang target 9 m dan jarak antara antena dan titik tengah target sebesar 30 Km. Untuk mendapatkan besarnya waktu tempuh dari transmitter kembali ke receiver saat diukur pada posisi tengah target dengan mensubstusikan nilai tersebut pada persamaan 1, maka besarnya time return adalah 200 µs.

r

r

r

r

(a)

(c) r

r

l r L

Transmiter/ Receiver

(b)

r

Target

(d)

Gambar 8: Bentuk target

Gambar 7 : Pengukuran pada ujung target

4. Hasil dan Analisa

Kemudian untuk mendapatkan time return pada salah satu posisi ujung target dapat digambarkan seperti gambar 7. Untuk mendapatkannya dengan mensubstitusikan nilai jarak transmitter dengan ujung target. Nilai jarak ini dapat diperoleh menggunakan hukum phytagoras, sesuai dengan persamaan 3. Jadi besar jaraknya adalah 30000,000267 m (≅30 Km), maka time return yang diperoleh sebesar 200,0000018 µs (≅200 µs). Pada saat menggunakan metode power return prinsipnya sama dengan metode time return. Misalkan jarak target sebesar 30 Km dan panjang target sebesar 9 m, besar power output adalah 62,5 dBm, besar gain antena receiver dan transmitter adalah 10 dB, dan besar frekuensi yang dipancarkan adalah 500 MHz. Dengan mensubstitusikan nilai tersebut pada persamaan 6 dan 7, maka diperoleh besarnya level field strength yang diterima oleh receiver yang dipantulkan pada posisi tengah target sebesar 39,54202 dBm. Untuk mendapatkan besar power return pada salah satu ujung dari target dapat dicari dengan menentukan jarak antara antena dengan ujung target yang besarnya 30000,000267 m (≅30 Km), maka besar power return adalah -39,54204 dBm. Jakarta, 18 – 19 April 2007

r

Hasil simulasi menggunakan program Matlab version 7.0.4 untuk pendekatan citra radar dapat dilihat pada grafik gambar 9 dan 10. Nilai grafik ini diambil pada jarak target 30 Km dan besar target 9 m untuk 5 buah bentuk target seperti gambar 7 dan 8.

Gambar 9: Grafik simulasi menggunakan parameter time return

38


5. Kesimpulan Simulasi citra radar menggunakan program Matlab dapat untuk mengidentifikasi target sederhana menggunakan metode time return dan power return. Data simulasi menggunakan metode time return berbanding terbalik dengan power return. Hal ini dikarenakan semakin jauh target dari antena time return-nya semakin lama sedangkan power return-nya semakin lemah. Dari data hasil simulasi diperoleh bahwa bentuk grafik hampir mendekati bentuk target, walaupun mempunyai perbedaan nilai yang sangat kecil. Sehingga untuk tampilan dapat dilakukan pendekatan menggunakan teknik image processing.

Gambar 10: Grafik simulasi menggunakan parameter power return

Dari grafik gambar 9 dan 10 diperoleh ada lima kurva yaitu grafik berwarna merah merupakan hasil simulasi target seperti pada gambar 7, warna biru adalah hasil dengan target seperti gambar 8(a), warna hijau adalah hasil dengan target seperti gambar 8(b), warna hitam adalah hasil dengan target seperti gambar 8(c), dan warna kuning adalah hasil dengan target seperti gambar 8(d). Data grafik time return berbanding terbalik dengan time return. Hal ini dikarenakan semakin jauh target dari antena time return-nya semakin lama sedangkan power return-nya semakin lemah. Hasil simulasi menggunakan time return dan power return dapat digunakan untuk mengambil data citra radar. Bentuk hasil simulasi yang diperoleh medekati dengan bentuk sesungguhnya. Hasil ini dapat diolah selanjutnya dengan teknik image processing sehingga dapat untuk memperkirakan bentuk benda yang menjadi target.


6. Daftar Pustaka [1] Mark A.Richards, “Fundamentals of Radar Signal Processing”, McGraw-Hill, 2005. [2] S. Mischa,”Information Transmition, Modulation and Noise”, Mc Graw Hill Book, International Edition, 1990. [3] J.L. Norman Violette, Donald R. J. White, Michael F. Violette, “Electromagnetic Compatibility Handbook”, Van Nostrand Reinhold Company, 1987. [4] Pamungkas Daud, Yusuf Nur Wijayanto, Dadin Mahmudin, “Kajian Sistem Pengukuran Kuat Medan Sinyal TV”, Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi Vol. 6 No. 1 pp:32-39, 2006. [5] _, http://en.wikipedia.org/wiki/Pytagoras [6] D. Hanselman, B. Littlefield, “Matlab: Bahasa Komputasi Teknis”, Penerbit Andi Yogyakarta, 2001.

39


Ganesha Avionics Air Traffic Control System, Pemanfaatan RADAR dalam Bidang Pemanduan Lalu Lintas Udara Penerbangan Sipil Oon Arfiandwi Martyono, Riza Satria Perdana PT LAPI Divusi Jl Kyai Gede Utama 12, Bandung 40132, Indonesia Phone: +62 22 2501925 Fax: +62 22 2516752 Email: [email protected], [email protected] Abstrak Ganesha Avionics adalah sistem lengkap dan optimum untuk pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil (Air Traffic Control System/ATCS) yang menggunakan RADAR sebagai tulang punggung sumber informasi. Sistem ini sarat akan teknologi dan menomor-satukan keselamatan penerbangan. Di wilayah Indonesia (dengan luas sekitar delapan juta kilo meter persegi) tersebar sejumlah situs RADAR dengan tipe, umur perangkat, dan karakteristik yang beragam. Sistem pemanduan lalu lintas udara menggunakan sejumlah RADAR sebagai masukan. Permasalahan yang muncul dari penggunaan RADAR yang beragam adalah antarmuka dan format data RADAR yang beragam pula. Untuk menanggulangi hal tersebut pada Ganesha Avionics digunakan embedded system Ethernity yang berfungsi sebagai RADAR interface. Pemrosesan Ethernity menghasilkan data berbasis TCP/IP dengan format yang telah dikonversi berdasarkan standar internasional. Kesulitan lain yang muncul adalah proses tracking objek yang ditangkap oleh sejumlah RADAR. Sistem yang menangani sejumlah RADAR harus memiliki kemampuan multi radar tracking, salah satu implementasinya dengan melakukan proses coincide. Proses tersebut berfungsi agar sebuah objek pesawat yang ditangkap oleh sejumlah RADAR dapat dimunculkan hanya sebagai satu objek (bukan sebanyak jumlah RADAR yang menangkapnya). Semakin banyak RADAR dengan lingkup beririsan akan menyebabkan proses coincide semakin rumit. Sehubungan dengan itu, Ganesha Avionics memiliki subsistem Radar Data Processing System (RDPS) yang melakukan multi radar tracking. RDPS mampu menangani masukan hingga tiga puluh dua RADAR (kurang lebih setara dengan sepuluh ribu objek pesawat). Tugas lain RDPS dalam pemanduan lalu lintas udara antara lain pemrosesan properti objek pesawat dan perhitungan alert. Pemrosesan properti objek pesawat antara lain: estimasi, filter, prediksi, serta interpolasi terhadap posisi dan vektor kecepatan pesawat. Perhitungan alert yang dilakukan misalnya Short Term Conflict Alert, Minimum Safe Altitude Warning, dan Restricted Area Intrusion. Dalam pemrosesan tersebut di atas, RDPS & Ethernity memenuhi aspek pemrosesan waktu nyata (real time processing) dan aspek reliabilitas sebagai high-availability software (system). Pengguna dari sistem pemanduan lalu lintas udara (ATCS) adalah Air Traffic Controller (ATC). Dengan bantuan sistem tersebut, ATC dapat meningkatkan efisiensi penggunaan bahan bakar pesawat dan penggunaan area udara (airspace) oleh pesawat dengan aturan separation minima. ATCS sebagai sistem lengkap memroses data RADAR kemudian menampilkannya pada suatu tampilan grafis. Dalam Ganesha Avionics, ATC berinteraksi langsung dengan subsistem Human Machine Interface (HMI) yang berfungsi sebagai media tampilan grafis dan antarmuka penerima perintah/instruksi. HMI mendapatkan data pesawat dari RDPS (setelah melakukan pemrosesan dari sejumlah RADAR). Dalam pengolahan dan pengelolaan data rencana penerbangan, HMI berinteraksi dengan Flight Data Processing System (FDPS). ATCS juga menggunakan sistem surveillance nonRADAR untuk berkomunikasi dengan pesawat melalui lapisan datalink antara sistem pemandu di darat dengan pesawat di udara (Air-Ground Datalink). Dalam komunikasi tersebut HMI berinteraksi dengan Air Ground Data Processing System (AGDPS). Ganesha Avionics saat ini merupakan produk nasional pertama dan satu-satunya dalam bidang pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil (Air Traffic Control System/ATCS). Kata kunci: Ganesha Avionics, pemanduan lalu lintas udara, penerbangan sipil, RADAR, Radar Data Processing System (RDPS), multi radar tracking, real time software engineering, high-availability software.

hampir 8 juta kilo meter persegi tersebut [1], Angkatan Udara Republik Indonesia, Direktorat Jenderal Perhubungan Udara, PT(Persero) Angkasa Pura I, dan PT(Persero) Angkasa Pura II bahu-membahu dalam hal menyediakan dan memanfaatkan Radar yang tersebar di berbagai lokasi di Indonesia.

Pendahuluan Indonesia merupakan Negara kepulauan terbesar di dunia yang terbentang antara 6 derajat lintang utara sampai 11 derajat lintang selatan dan 97 – 141 derajat bujur timur [1]. Untuk dapat menjangkau wilayah yang luasnya Jakarta, 18 – 19 April 2007

40

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 Tabel 1: Daftar Radar Sipil

Dengan luasnya wilayah Indonesia, faktor keamanan dan pengawasan di darat, laut, dan udara dalam wilayah Negara Kesatuan Republik Indonesia menjadi hal yang sangat penting. Sebagai Negara kepulauan, mobilitas warga negara Indonesia didukung oleh transportasi laut dan udara. Transportasi udara atau penerbangan sipil saat ini menjadi alternatif transportasi yang semakin banyak dipilih oleh masyarakat dengan meningkatnya perjalanan domestik maupun internasional. Penerbangan sipil merupakan transportasi yang sangat restrik dalam hal keselamatan. Sangat banyak aturan dan standar yang disusun oleh regulasi nasional dan sejumlah organisasi internasional yang bertujuan meningkatkan aspek keselamatan dalam penerbangan sipil. Dalam bidang penerbangan sipil, Air Traffic Controller (ATC) bertugas mengatur/memandu lalu lintas udara, sehingga memegang salah satu peranan penting dalam mewujudkan keselamatan penerbangan. ATC mengatur lalu lintas udara dari pusat pemanduan yang umumnya berlokasi di suatu bandar udara, salah satunya berada di menara pengendali lalu lintas bandar udara tersebut. ATC mengatur lalu lintas udara dengan bantuan perangkat pemanduan yang disebut Air Traffic Control System (ATCS)[2]. ATCS menggunakan RADAR (Radio Detection and Ranging) sebagai sumber informasi utama. Data RADAR diproses untuk kemudian ditampilkan dengan User Interface yang spesifik untuk pemanduan lalu lintas udara. ATCS dilengkapi juga dengan alat komunikasi radio sebagai media antara Pilot dan ATC. Ganesha Avionics adalah salah satu sistem lengkap pemanduan lalu lintas udara berstandar Internasional, yang dibuat oleh perusahaan nasional, dengan optimasi khusus untuk bandar udara-bandar udara di Indonesia.

Kota

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

1980 1984 1984 1988 1990 1990 1990 1991 1991 1991 1991 1991 1992 1992 1992 1996 1996 1997 1998 2003 2003

Produsen

Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Thomson Cardion Thomson NEC Thales Thales Thales

Type/Format Data

SSR/EV720 PSR,SSR/PR800 PSR,SSR/PR800 PSR,SSR/EV760 PSR,SSR/EV720 SSR/EV720 SSR/EV760 PSR,SSR/PR800 PSR,SSR/EV720 SSR/EV760 SSR/EV760 PSR,SSR/EV760 PSR,SSR/EV720 PSR,SSR/PR800 SSR/EV760 MSSR/Cardion PSR,SSR/EV720 PSR,MSSR/NEC PSR,MSSR/PR800 MSSR/PR800 MSSR/PR800

Dari Tabel 1 terlihat bahwa sebagian besar RADAR di Indonesia sudah kuno, bahkan mayoritas berumur diatas 10 tahun. Dengan kondisi tersebut timbul sejumlah permasalahan dalam operasional RADAR, antara lain: a. Masalah perawatan Permasalahan ini paling krusial seiring dengan berjalannya waktu, karena lambat laun perangkat yang digunakan akan rusak dan semakin berumur suatu perangkat maka akan semakin sulit dan mahal untuk mencari suku cadang penggantinya. b. Masalah berkurangnya performa RADAR Performa RADAR tentunya berkurang juga seiring dengan waktu, misalnya kemampuan pemrosesan data dalam jumlah besar untuk mengimbangi meningkatnya traffic pesawat terbang serta kemampuan penyaringan data yang tidak benar (clutter). c. Masalah fitur yang ketinggalan zaman Dengan berkembangnya teknologi, fitur RADAR yang ada saat ini semakin berkembang pula. Misalnya fitur kemampuan dan akurasi pemrosesan data per satuan waktu, fitur kecepatan transmisi data, dan fitur (teknologi) data yang ditransmisikan serta jalur yang digunakan dalam transmisi (sebagai contoh Mode-S). d. Masalah penyesuaian sistem Sistem dengan interaksi RADAR yang ada atau diciptakan saat ini tentunya mengadopsi teknologi terakhir. Dengan latar belakang RADAR yang digunakan beragam dan telah

Rumusan Masalah Di Indonesia tersebar sejumlah situs RADAR yang dimanfaatkan untuk keperluan militer maupun sipil. Pada Tabel 1 berikut ditampilkan sejumlah profil RADAR sipil yang digunakan oleh Jakarta Automated Air Traffic Control System (JAATS) dan Makassar Advanced Air Traffic Control System (MAATS) dalam mengelola wilayah udara Indonesia [3][4].


Semarang Medan Tangerang Surabaya Pekanbaru Banda Aceh Ambon Makassar Palembang Kendari Manado Balikpapan Pontianak Tj. Pinang Waingapu Natuna Banjarmasin Bali Jogjakarta Tangerang Medan

Thn Install

41


menggunakan RADAR dengan yang baru, karena transisi perpindahannya akan membutuhkan usaha yang besar. Proses transisi bukan hanya semata-mata dipandang dari segi teknis dalam melakukan perpindahan sistem, tetapi transisi dari segi sumber daya manusia bahkan membutuhkan usaha yang lebih besar. Proses alih teknologi dan peningkatan kualitas sumber daya manusia harus menjadi konsentrasi yang tidak kalah penting bagi pihak pemilik dan pengguna RADAR di Indonesia. Suatu contoh yang sederhana adalah mayoritas RADAR Processor yang saat ini berbasis komputer, sedangkan sumber daya manusia dari pengguna sistem tersebut masih sangat minim dalam pengetahuan dan pemanfaatan komputer.

berumur mengakibatkan sistem yang digunakan di Indonesia harus memiliki toleransi dengan berbagai tipe RADAR kuno (legacy RADAR system). Selain problematika operasional RADAR, dalam sistem pemanduan lalu lintas udara (yang notabene berinteraksi secara langsung dengan RADAR) muncul sejumlah permasalahan, antara lain: a. Mayoritas sistem yang menggunakan RADAR terutama di bidang pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil adalah sistem buatan perusahaan luar negeri. Hal ini adalah permasalahan utama bagi perkembangan sistem yang memanfaatkan RADAR di Indonesia, terutama karena efek dari permasalahan ini menimbulkan sejumlah permasalahan lainnya (dijelaskan dalam poin berikutnya). b. Sistem yang dibeli dari luar negeri cenderung harganya akan meningkat, karena dipengaruhi oleh proses import barang, proses instalasi dan pengujian di lokasi (site acceptance test) oleh ahli dari luar negeri, bahkan proses training serta pengujian di pabrik (factory acceptance test) oleh sejumlah orang Indonesia ke lokasi pabrik di luar negeri. c. Belum berakhir di bagian serah terima sistem, ternyata masa pemeliharaan sistem oleh perusahaan luar negeri sering menempuh masalah. Sistem pemanduan lalu lintas udara membutuhkan respon yang cepat jika terjadi masalah (misalnya: ditemukan bugs pada sistem), sedangkan pekerjaan pemeliharaan dilakukan secara jarak jauh (remote) dari luar negeri. Demikian juga mengenai minimnya dukungan oleh perusahaan nasional terhadap perangkat keras yang digunakan (misalnya komputer). Setelah proses pemeliharaan berakhir, belum tentu telah terjadi transfer of knowledge pada pihak yang mengoperasikan sistem. d. Setelah sistem operasional, kadang muncul kebutuhan penambahan fitur (baru atau upgrade). Ternyata harga dari penambahan fitur oleh perusahaan luar negeri tidaklah murah, bahkan tidak sedikit yang seharga satu buah sistem baru.

Analisis dan Pembahasan Didasari dari permasalahan yang muncul di lingkungan operasional pemanfaatan RADAR dan pertimbangan keadaan bangsa Indonesia saat ini, tidak mungkin hanya mengandalkan produk dan solusi dari luar negeri. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, seharusnya dilakukan proses rekayasa (engineering) oleh perusahaan nasional dalam menghasilkan sistem lengkap yang dapat memenuhi kebutuhan operasional pemanfaatan RADAR di bidang pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil. Solusi dari sebagian besar permasalahan tersebut adalah produk Ganesha Avionics. Ganesha Avionics adalah sistem lengkap dan optimum untuk pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil. Ganesha Avionics merupakan produk dari perusahaan nasional. Sebagai sistem lengkap, Ganesha Avionics terdiri dari sejumlah subsistem pendukung yang terintegrasi, antara lain: 1. Ethernity Radar Connector Ethernity merupakan perangkat embedded antarmuka Ganesha Avionics dengan RADAR. Sebagai antarmuka, Ethernity memiliki tiga fungsi utama, antara lain: pengubah protokol komunikasi data RADAR, pengubah format data RADAR, dan media penganalisis data RADAR. Yang dimaksud sebagai pengubah protokol komunikasi data RADAR adalah melakukan konversi dari synchronous serial (sebagai protokol yang mayoritas digunakan oleh RADAR) menjadi TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol), ataupun proses konversi sebaliknya dari TCP/IP menjadi synchronous serial.

Disisi lain, pemilik dan pengguna RADAR yang ada di Indonesia tidak dapat begitu saja mengganti RADAR dan sistem yang Jakarta, 18 – 19 April 2007

42


RADAR dengan lingkup gabungan seluruhnya. Sebagai gambaran, jika terdapat dua RADAR dengan lingkup yang beririsan dan menangkap sebuah objek pesawat, tanpa dilakukan proses tracking, maka sistem akan mengenali objek tersebut sebagai dua buah objek pesawat. RDPS memiliki kemampuan multi RADAR tracking dengan salah satu implementasinya menggunakan metode coincide. Metode coincide adalah metode untuk melakukan pengenalan terhadap suatu objek berdasarkan identitas dan posisinya dalam waktu yang hampir bersamaan. Gambaran sederhana proses coincide data objek dari dua RADAR dengan lingkup beririsan adalah proses perbandingan dua data objek dari RADAR yang berbeda dengan menggunakan satu acuan waktu. Perbandingannya mencakup identitas objek (misalnya: kode Secondary Surveillance Radar/SSR Code) dan posisi objek (misalnya: posisi relatif terhadap RADAR beserta posisi ketinggian objek tersebut). Semakin banyak masukan RADAR yang harus diproses oleh sistem menyebabkan proses tracking tidak lagi dapat dilakukan dengan cara sederhana, butuh optimasi khusus untuk tetap agar menjaga pemrosesan berada dalam toleransi pemrosesan waktu nyata. Optimasi yang dilakukan pada RDPS dengan cara memetakan data masukan ke suatu sistem preferensi pada mozaik area lingkup RADAR. Batasan lojik yang diterapkan dan telah diuji dalam RDPS Ganesha Avionics saat ini maksimal menerima masukan dari 32 RADAR. Dengan pertimbangan perhitungan kapasitas format data dan jalur transmisi, dihasilkan perhitungan bahwa data dari 32 RADAR tersebut setara dengan kurang lebih 10.000 objek pesawat. RDPS memiliki kemampuan dalam mengkalkulasi informasi situasi bahaya (alert) yang mungkin dihadapi oleh objek pesawat yang diprosesnya. Alert yang dihasilkan oleh RDPS tidak hanya mengenai situasi bahaya yang sedang terjadi, bahkan RDPS dapat memberikan peringatan dini sebelum terjadinya keadaan berbahaya tersebut. Alert yang diproses oleh RDPS termasuk dalam standar sistem pemanduan lalu lintas udara yang disebut dengan safety net alerts, antara lain: STCA, MSAW, dan DAIW. Short Term Conflict Alert (STCA) adalah peringatan yang diberikan jika dua atau lebih pesawat akan bertabrakan dalam beberapa waktu kedepan. Alert ini dapat diatur berdasarkan

Untuk memfasilitasi keragaman RADAR yang digunakan di Indonesia, Ethernity diberi kemampuan untuk mengubah format data RADAR. Saat ini format data RADAR yang telah didukung oleh Ethernity antara lain: PR800/TPR1000, EV720/EV760, Asterix (seluruh varian dan kategori), NEC, dan Cardion. Dalam berkomunikasi secara internal Ganesha Avionics, Ethernity menggunakan standar format internasional Asterix (Eurocontrol Open Standard). Ethernity dapat menjadi media dalam melakukan proses investigasi dan analisis data RADAR, dengan cara meningkatkan verbosity dari embedded system software-nya. Protokol yang tidak sesuai, data yang hilang (corrupted), dan gambaran statistika data RADAR dapat dianalisis dengan seksama. Agar desain dari perangkat embedded Ethernity lebih tahan banting (robust), Ethernity dibuat dengan fitur redundant. Artinya dalam satu waktu, satu set perangkat Ethernity memiliki dua sistem yang tersinkronisasi dan akan saling menggantikan jika terjadi kerusakan (error).

Gambar 1: RADAR sebagai masukan RDPS

2.

Radar Data Processing System (RDPS) Dalam sistem pemanduan lalu lintas udara penerbangan sipil, RDPS memproses data dari satu atau sejumlah RADAR sebagai masukan. RDPS menggunakan Ethernity sebagai antarmuka RADAR untuk menyeragamkan format data masukannya, sehingga meniadakan permasalahan variasi tipe dan format data RADAR. Pada dasarnya pemrosesan data dari sejumlah RADAR mirip dengan pemrosesan data dari satu RADAR. Bedanya, pemrosesan data dari sejumlah RADAR membutuhkan proses tracking objek sehingga integrasi dari sejumlah RADAR akan tampak sebagai satu Jakarta, 18 – 19 April 2007

43


waktu sebelum pesawat bertabrakan untuk memberikan peringatan dini. Minimum Safe Altitude Warning (MSAW) adalah peringatan yang diberikan oleh sistem jika suatu pesawat terbang dengan ketinggian di bawah ketinggian minimum yang ditetapkan pada area dimana pesawat tersebut terbang. Alert ini dapat diatur berdasarkan waktu sebelum pesawat mencapai area dan ketinggian yang tidak diperbolehkan, misalnya di area tersebut terdapat gunung atau bangunan tinggi. Danger Area Infringement Warning (DAIW) adalah peringatan yang diberikan oleh sistem jika suatu pesawat terbang memasuki area wilayah udara yang terlarang, misalnya area peperangan atau area latihan militer. Selain mengkalkulasi alert, RDPS memiliki fungsi untuk memproses properti objek pesawat, antara lain: posisi pesawat relatif terhadap RADAR, ketinggian relatif pesawat, vektor (arah dan besaran) kecepatan pesawat, informasi status dan kualitas data dari objek yang diinformasikan oleh RADAR. Pemrosesan properti objek ada yang langsung dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan pengendalian lalu lintas udara dan ada juga yang membutuhkan pemrosesan lebih lanjut. Contoh data yang diproses lebih lanjut adalah data posisi pesawat dan vektor kecepatan untuk mengurangi nilai error data yang diterima dari satu atau sejumlah RADAR. Pemrosesan data tersebut menggunakan perhitungan matematis metode Kalman atau Bayesian. Metode tersebut melakukan estimasi, filter, prediksi, dan interpolasi (smoothing) yang bertujuan untuk menekan nilai error, memberikan koreksi, serta mengatasi data pencilan [5][6][7][8]. Sebagai contoh digunakan perhitungan besaran kecepatan pesawat relatif terhadap posisi di darat (ground speed). Untuk suatu pesawat yang berada dalam keadaan jelajah (cruising) seharusnya besaran kecepatan pesawat relatif stabil, sedangkan data yang dihasilkan oleh RADAR berfluktuasi. Proses filter dan estimasi dapat mengkalkulasi kecepatan pesawat sehingga menghasilkan data dengan minimum error. Data yang telah diproses digunakan sebagai keluaran dari RDPS, sehingga bersesuaian dengan data kenyataannya.


Gambar 2: Sistem Secara Global

3.

Human Machine Interface (HMI) HMI adalah subsistem user interface/ tampilan grafis dari Ganesha Avionics yang berinteraksi secara langsung dengan pengguna (dalam hal ini Air Traffic Controller/ATC). ATC menggunakan HMI yang telah dipadukan dengan sistem komunikasi radio (antara ATC dan Pilot) untuk memberikan instruksi dan perintah dalam memandu lalu lintas udara. HMI diciptakan untuk mengakomodasi kebutuhan spesifik pemanduan lalu lintas udara, antara lain: tampilan situasi udara dilengkapi dengan sistem filter, tampilan alert, antarmuka pemrosesan rencana penerbangan, sistem koordinat relatif RADAR dan sistem koordinat bumi, menu map categories, menu handoff, menu sehubungan pesawat (advanced label, track history, velocity vector), dan menu situasi udara (range bearing, range center, range ring). Seluruh interaksi yang dilakukan oleh ATC pada HMI akan terekam dan tersimpan pada media yang tersentralisasi. Rekaman interaksi ini dapat diputar ulang (playback) untuk melakukan investigasi jika terjadi suatu event tertentu (misalnya: kecelakaan pesawat terbang). Pemanduan lalu lintas udara menggunakan sistem dengan sumber informasi dari RADAR akan meningkatkan efisiensi penggunaan bahan bakar pesawat dan area udara (airspace) melalui pemanfaatan aturan separation minima. 4. Flight Data Processing System (FDPS) FDPS adalah sistem pengelolaan data rencana penerbangan (flight data) yang tersinkronisasi dengan sistem surveillance (RDPS dan AGDPS) dan berkomunikasi melalui Aeronautical Fixed Telecommunication Network (AFTN) antar unit penyedia layanan penerbangan (Air Traffic Services/ATS). FDPS melakukan sejumlah pemrosesan data penerbangan antara lain: simulasi penerbangan berdasarkan riil performa pesawat serta simulasi

44


5. Tim Pengembang Ganesha Avionics Air Traffic Control System: Hananto Widhi S., Puspa Indahati S., M. Octamanullah, Iwan A. Lubis, Herman Setiawan, Arie Minandar, Budiono, dan E. Erinda E.

pemodelan bentuk bumi dan wilayah udara sesuai standar internasional. 5. Air Ground Data Processing System Air Ground Data Processing System (AGDPS) adalah sistem pemroses data surveillance yang menggunakan komunikasi melalui lapisan datalink antara sistem di pesawat dengan sistem pengendali di darat (Air-Ground Datalink). AGDPS memproses Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) dan ADSContract (ADS-C) Controller Pilot Data Link Communication (CPDLC).

Daftar Referensi [1]

Departemen Komunikasi dan Informatika, “Profil Indonesia”, (2005), Portal Nasional Republik Indonesia. Diakses tanggal 16 Maret 2007, dari http://www.indonesia.go.id/ index.php/content/view/112/336/. [2] Nolan, Michael S., “Fundamentals of Air Traffic Control”, Thomson Brooks/Cole, Belmont, California, USA. 2004. [3] Data konfigurasi (adaptation) Jakarta Automated Air Traffic System (JAATS). Diakses tanggal 21 Maret 2007. [4] Data konfigurasi (adaptation) Makassar Advanced Air Traffic System (MAATS). Diakses tanggal 21 Maret 2007. [5] Brookner, Eli, “Tracking and Kalman Filtering Made Easy”, John Wiley & Sons, Canada. 1998. [6] Gelb, Arthur, “Applied Optimal Estimation”, The MIT Press, USA. 1974. [7] Wikimedia Foundation, Inc., “Kalman Filter”, (2007), Kalman Filter – Wikipedia, the free encyclopedia. Diakses tanggal 16 Maret 2007, dari http://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter. [8] Wikimedia Foundation, Inc., “Recursive Bayesian Estimation”, (2007), Recursive Bayesian Estimation – Wikipedia, the free encyclopedia. Diakses tanggal 16 Maret 2007, dari http://en.wikipedia.org/wiki/ Recursive_Bayesian_estimation. [9] Liem, Inggriani. “Modul Reliability”, Program Magister Informatika Bidang Khusus Rekayasa Perangkat Lunak Waktu-Nyata Institut Teknologi Bandung, Bandung, Indonesia. 1999. [10] Pusat Data dan Informasi Departemen Perhubungan Republik Indonesia, “Departemen Perhubungan Republik Indonesia”, (2005), Portal Departemen Perhubungan Republik Indonesia. Diakses tanggal 18 Maret 2007, dari http://www.dephub.go.id/. [11] Skolnik, Merrill I., “Introduction to Radar Systems”, McGraw-Hill, Singapore. 2001.

Kesimpulan Pemanfaatan RADAR di bidang pemanduan lalu lintas udara di Indonesia dapat meningkatkan efisiensi penggunaan bahan bakar dan pemanfaatan area udara (airspace) seiring dengan meningkatnya traffic penerbangan sipil. Ganesha Avionics adalah produk dari perusahaan nasional yang menjadi solusi menyeluruh dari permasalahan yang muncul di lingkungan operasional pengguna RADAR di Indonesia, termasuk juga peningkatan kualitas sumber daya manusia pengguna sistemnya. Alih teknologi di bidang pemanfaatan RADAR dan sistem pengendalian lalu lintas udara dapat lebih banyak diserap dan diimplementasikan di Indonesia jika apresiasi terhadap produk nasional lebih ditingkatkan. Ucapan Terima Kasih Segala puji dan syukur hanya kepada Allah SWT sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah untuk Seminar Radar Nasional. Penulis juga menyampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu, yaitu kepada: 1. Bapak Adi Mulyanto, Direktur Utama PT LAPI Divusi. 2. Ibu Dr. Ir. M.M. Inggriani Liem, Sekolah Teknik Elektronika & Informatika, sebagai reviewer makalah. 3. Bapak Wiyono, ATC System Specialist, Bandara Internasional Soekarno – Hatta Jakarta. 4. Bapak Nur Djadmiko, PTO Dinas Teknik Otomasi, Bandara Internasional Hasanuddin Makassar.


45


A Novel Ultra Wide Band (UWB) Antenna for Monostatic Microwave Radar(MMR) Rudy Yuwono*) Electrical Departement, Engineering Faculty, University of Brawijaya Jl Haryono 167 Malang. 65145. Phone:0062-341-554166 Fax:0062-341-551430. Email:[email protected] *)

Abstract Ultra wide-band (UWB) technology is revolutionary wireless wideband communication to provide more information and higher data rates which very low power. Wideband antenna is essential for providing wireless wide band communications The proposed wide band antenna was rugby-ball antenna with various dimension and material. The name rugby-ball is taken due the shape is similar to the ball used in rugby sport. Through simulation and experiment, the rugby-ball antenna was designed. In this paper, the material used for antenna fabrication was Aluminums. The performed simulation and measurement confirmed that the proposed antenna is considered to be ultra wideband antenna. This antenna could radiate pulse of Monostatic Microwave Radar(MMR) having full width half maximum (FWHM) of 150 ps and tr of 100 ps. Keywords : Ultra wide-band (UWB) Antenna, Monostatic Microwave Radar(MMR)

more information and higher data rates which very low power. Wideband antenna is essential for providing wireless wide band communications that has percent of Bandwidth (Bpc) more than 25% and ratio of Bandwidth (Br) more than 1:3 any of these devices needs low profile features, linear polarization and unidirectional pattern in compact size. However, the exciting wideband antenna are electrically large and provide single circular polarization [2]

Introduction The starting point of UWB technology is 1960 with the development of time-domain electromagnetic. It characterizes the behavior of transient of certain class of microwave through impulse response instead of swept frequency response. So that the linear time invariant (LTI) could be fully characterized by its impulse response h(t). In particular, the output y(t) of system which has any arbitrary input x(t) could be determined by the convolution integral [1]: ∞

y (t ) =

Monostatic Microwave Radar (MMR) System UWB monostatic radar system consist of an electrical pulse generator for pico-second pulse generation and UWB antenna to transmit and receive these pulses. The electrical pulse generator should generate short pulses, generally with sub nano-second temporal widths, as a basic signal structure rather than generating and modulating a sinusoidal carrier. On the receiver side, a time domain sampler or digitizer should be used to detect these signal [3].

∫ h (u ) x (t − u ) d

Hewlet-Packard (1962) introduced the sampling oscilloscope for measuring sub nanosecond pulse generation of impulse response for microwave networks. So that the development of the very short electrical pulses (sub-nanosecond) for ultra wide band (UWB) can be determined and measured. This technology was also referred to base band, carrier-free or impulse radio, and carrier less. The term of “Ultra Wide Band (UWB)” was introduced by U.S.A`s department of defenses in 1989. UWB is series of very short electrical pulses (sub-nanosecond) that all exist all frequency simultaneously, not only in particular frequency. UWB technology is revolutionary wireless wideband communication to provide Jakarta, 18 – 19 April 2007

The antenna in UWB system is very essential. In the previous development of UWB radar was UWB bistatic microwave radar. Current research is on UWB monostatic microwave radar as shown in Fig. 1. The changing from bistatic to monostatic is possible by employing directional coupler. This system will be efficient in space and weight and so that the radar become more portable.

46


Target

Transmit SRD Pulse Sharpener

Range Gate

Frequency Divider

Signal Divider

Fast RCGenerator

Slow RCGenerator

Comparator

Frequency Divider

Quartz Oscillator

Sampling SRD Pulse Sharpener

Sampler

Figure 1: A basic block diagram of UWB monostatic microwave radar.

Design Procedure

Table 1: Dimension of Rugby ball_135 antenna

The newly proposed antenna is Rugbyball antenna. The basic structure of the Rugbyball antenna is based on the conventional circular disc. The top part of Rugby- ball antenna structure is a circular disc. This upper circular disc is adjusted in such a way that it fit to diameter of lower circular disc. It is clearly seen in Fig.2 that the lower part of the antenna has smaller diameter compare to the upper part of the antenna. Due to this, the upper part of antenna has smaller surface area. The placement the feed point will affect the antenna impedance. So that, we obvious take carefully placing this feed point.

Dimension of Antenna Height of antenna Width of antenna Height of feed point

Size/Value

HA

115 mm

WA

135 mm

h

1 mm

Simulation Result Preprocessing simulation has been done prior radiation pattern simulation, using commercial software ADS (Advanced Design System). From this simulation, can be obtained antenna parameter such as return loss, VSWR and impedance. These parameters are used to calculate bandwidth of antenna. The next sections of this chapter will discuss simulation result of Rugby-ball antenna using aluminum that dimension given in Table 1.

WA

A. VSWR simulated result for Rugby-ball antenna Ideally the VSWR less than 2 is considered to be good. However, this value depends on the kinds of antenna application. In this paper, the VSWR less than 2 is considered to be good.

h

Figure 2: Shape of Rugby-ball antenna Jakarta, 18 – 19 April 2007

Symbol

47


Fig. 3. shows simulated result of VSWR of the Rugbyball135_Aluminium. This figure shows the Rugbyball135_Aluminium antenna to have a very good VSWR, approximately less than 2 over frequency range of 0.9 GHz to 12.2 GHz. The upper frequency occur at 12.2 and the lower frequency at 0.9 GHz. So that this antenna is considered to be UWB.

MEASUREMENT RESULT

Measurement Result A. VSWR measured result Comparison of the VSWR of the Rugbyball antenna are shown in Fig. 4. Both simulation and measurement show very good VSWR, approximately less than 2 over frequency range of 0.1 - 20.1 GHz for measured result and over frequency range of 0.9 - 12.2 GHz for simulated result. So that, for the

Rugbyball135_Aluminium 10 m1 freq= 12.00GHz vswr(S(1,1))=1.035

VSWR

8

f

measured result the upper frequency ( u ) is 20.1 GHz, whereas lower frequency ( f L ) is 0.1 GHz. This figure demonstrated that the proposed Rugby-ball antenna has wide band both simulated and measured result.

m2 freq= 900.0MHz vswr(S(1,1))=1.809

6 4 m2 m1

2 0 0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0

Frequency (GHz)

Rugbyball135_Aluminium 10

Figure 3: VSWR simulated result of Rugby-ball antenna

VSWR

B. Bandwidth calculated of Rugby-ball from simulation result The bandwidth of antenna is obtained by observing the result of the measured return loss, S11 and measured result of VSWR. For the usable bandwidth of this transition, it is defined over the frequency range at which the S11 is at – 10 dB or approximately less than 2. Fig. 3 shows that the user bandwidth to be approximately from 0.9 - 12.2 GHz. So that the upper frequency ( fU ) is 12.2 GHz, while lower

m2 freq= 20.10GHz vsw r(S(1,1))=1.459

4 m1

m2

Simulation 0 0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0

Measurement

Frequency (GHz)

Figure 4: Comparison of the VSWR between measured and simulated result

B. Bandwidth calculated from measured result The bandwidth of antenna is obtained by observing the measured results of the return loss (S11) and VSWR. As the usable bandwidth of this transition, it is defined over the frequency range at which the S11 is at –10 dB or VSWR approximately less than 2. Fig.4 shows the user bandwidth to be approximately from 0.1 - 20.1 GHz. So that the upper frequency ( fU ) is 20.1

12.2 + 0.9

=172.5 % The usable bandwidth for the antenna is approximately 172.5%. This result is considered to be satisfactory as the objective of obtaining an ultra wide band. Ratio bandwidth is calculated using equation as follows: Br = f U : f L = 12.2:0.9 = 13.5:1

GHz. While lower frequency ( f L ) is 0.1 GHz. Thus, the bandwidth is calculated through the equation as follows : Bpc = 2

fU − f L × 100% = 2 20.10 − 0.1 × 100% fU + f L 20.10 + 0.1

= 198 % The usable bandwidth for the antenna is approximately 198 %. This result is considered to be satisfactory as the objective of obtaining an UWB.

C. Antenna radiation efficiency From pattern simulation, the gain (G) was 7.55124845 whereas the directivity (D) was 7.601102128, so that antenna radiation efficiency at 12 GHz calculated as follows: G 7.557134845 = 0.99421567 η cd = = D 7.601102128 Jakarta, 18 – 19 April 2007

6

2

frequency ( f L ) is 0.9 GHz. Thus, the bandwidth can be calculated through the equation as follows: f − fL × 100% = 2 12.2 − 0.9 × 100 % Bpc = 2 U fU + f L

m1 freq= 100.0MHz vsw r(S(1,1))=2.036

8

Time Domain Measurement Result The previous measurement that it was done to verify S-parameter of antenna. The radiation

48


pattern measurement should be performed, in order to get information how much power and in which direction antenna radiate. By measuring the reflection in time domain, the radiation pattern measurement can be carried out, the power radiated maximally in Broadside direction angle of 630. The first measurement set up for reflection measurement is that metal target (aluminums) was placed with various distances from the antenna under test (AUT). The AUT as transmitter and receiver. The measurement result of the first set up is the maximum distance that the antenna can detect the target. The pulsed microwave system with its UWB antenna system was tested with metallic target such aluminums plate. The measurement setup is shown in Fig. 5. A broadband pulse was injected into the antenna feed and the time signature was captured by stepping through time. This pulse is produced by the Picoseconds pulse generator made by Picoseconds pulse labs with model 10000A. Fourier-transformation of this response yielded frequency domain results across the entire band of the antenna. The location of the target is the centre of antenna. UWB mono static radar (MMR) system through power divider that the first port connected to the pulse generator circuit, the second port to the antenna and the third port to the Tektronix 7623A sampling scope, which has a 50 Ohm sampling head with series 7S11 and sampling sweep with series 7T11. The cable used to connect the source of picoseconds and power divider is coaxial cable with HP 33340C attenuator 20 dB 26.5 GHz series no:2708A-10731 and to connect antenna and power divider is coaxial cable 8120–4948 MFR 65474 SN 903100. The cable used to connect the power divider to sampling scope is HP 333 40C attenuator 20 dB 26.5 GHz series no:2708A-10698

By measuring time domain reflection, the distance between antenna and target can be attained.

Reference pulse

Target return pulse

Figure 6: Time domain reflection measurement result

From Fig. 6, the maximum distance (Dm) between the antenna and the target is determined by employing equation 2.1 in chapter 2 as follow: R=

C ⋅ ∆t (3 × 10 8 m / s ) ⋅ (8.1 × 10 −9 s ) = = 1.215 m = 121.5 cm 2 2

So that the antenna can detect target with maximum distance of 121.5 cm. The real maximum distance (Dr) between antenna and metal target is 120 cm.So that the error of measurement is

Conclusion Based on the measured and simulated result, we conclude that the proposed antenna Rugbyball135_Aluminium with rectangular ground plane can radiate pulse having full width half maximum (FWHM) of 150 ps and tr of 100 ps. This pulse is used for producing the signal for UWB communication Error (%) =

Dm − Dr 121.5 − 120 × 100% = × 100% = 1.25% Dr 120

Acknowledgement The authors wish to acknowledge the assistance and support of all those who contributed to DAAD. Prof.Dr-Ing.G. Kompa and Prof.Dr-Ing H.Fruchting with High Frequency Engineering Department University of Kassel, Germany.

Figure 5: Time domain reflection measurement setup Jakarta, 18 – 19 April 2007

49


[10] D. Chatterje, “The Convergence Consideration in Space-Domain MomentMethod Analysis of a Class of Wide-Band Microstrip Antennas,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, No. 2, February 2000, pp.147-160. [11] M.A Gonzales de Aza, J. Zapata, and J.A. Encinar, “Broadband Cavity-Backed and Capacitvely Probe Microstrip Patch Arrays,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 48, No. 5, May 2000, pp. 784-789. [12] J.H. Lu, C.L. Tang, and K.L. Wong, “Single Feed Slotted EquilateralTriangular Microstrip Antenna for Circular Polarization,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 47, No. 7, July 1999, pp. 1174-1178. [13] G.P. Gauthier, A. Courtay, and G.M. Rebeiz, “Microstrip Antennas on Synthesized Low Dielectric DielectricConstant Substrate,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 8, August 1997, pp. 1310-1311. [14] S. Weigand, G.H. Huff, K.H. Pann, and J.T. Bernhard, “Analysis and Design of Broadband Single-Layer Microstrip Patch Antennas,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 51, No. 3, August 2003, pp. 457-466. [15] R. Rajaraman, “Design of Vivaldi Antenna Array For the Snow Radar”, Master Thesis, Kansas University, 2004. [16] J.J Paul, “Wide Band Linearly Tapered Slot Antenna”, Bachelor Thesis, Queensland University, 2004.

References [1]

[2]

[3]

[4] [5] [6]

[7] [8] [9]

K.Y. Lai, A.L. Sinipoli, and W.D. Burnside, “A novel antenna for ultra wide band application,” IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 40, July 1992, pp. 755-760. J.R Andrews,“Picosecond Pulse Generator for UWB Radars”, Picosecond Pulse Labs,Colorado, http://www.picosecond.com, 2001 A. Duzdar, “Design and Modelling of an UWB Antenna for pulsed Microwave Radar Sensor”, Ph.D Disertation, Kassel Universität, 2001. D.M. Pozar, “Microwave Engineering”, second Edition, John Wiley and Sons Inc., Massachuset, 1998. R.E. Collin, “Foundations for microwave Engineering ”, second edition, Mc GrawHill International, 1992. G. Kompa, “Microwave and Milimeterwave ”, Department of High Frequency Engineering, Kassel University, 2003. C.A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design ”, John Willey and Sons, New York, 1997. W.L Stutzman and G.A Thiele, “Antenna Theory and Design ”, John Willey and Sons, New York, 1998. S.Y. Suh, “A Comprehensive Investigation New Planar Wideband Antennas”, Ph.D Disertation, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2002.


50


Prinsip-Prinsip Dasar dan Pertimbangan Desain dari Radar Penembus Permukaan dengan Teknik Sintesa Frekuensi (SFCW-GPR) Andriyan B. Suksmono, Adya Pramudita, Endon Bharata, A. Andaya Lestari, Nana Rachmana Sekolah Teknik Elektro dan Informatika IRCTR-Indonesia Branch Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10 Bandung, Indonesia Phone: +62-22-2501661, Fax:+62-22-2534133, email: [email protected] Abstract This paper describes basic principles and design considerations of SFCW-GPR (Stepped Frequency Continuous Wave-Ground Penetrating Radar). Fourier relation between time domain and frequency domain representation of an impulse is used as a fundamental principle in deriving parameters of the radar. This relationship also implies signal processing algorithm and signal synthesis performance. A simple homodyne SFCW-GPR is used as an example. Performance on various uniform frequency-sampling scenarios is simulated and discussed. Keywords: radar imaging, Fourier transform, SFCW-GPR, frequency sampling, homodyne system Abstrak Makalah ini menjelaskan prinsip-prinsip dasar dan pertimbangan-pertimbangan yang perlu diperhatikan dalam mendesain radar penembus tanah yang menggunakan teknik sintesa frekuensi (SFCW-GPR/ Stepped Frequency Continuous Wave-Ground Penetrating Radar). Hubungan impuls dalam kawasan waktu dan kawasan frekuensi melalui teorema Fourier dipakai sebagai dasar dalam menentukan besaran-besaran penting dalam system radar. Teorema ini sekaligus menentukan algoritma dan kinerja dari pengolahan sinyal GPR. Sebagai contoh disajikan dan dianalisis sistem SFCW-GPR sederhana yang memakai teknik homodyne. Kinerja berbagai skenario pencuplikan-frekuensi seragam disimulasikan dan hasilnya dianalisis. Kata kunci: pencitraan radar, transformasi Fourier, radar pensintesa frekuensi, pencuplikan frekuensi, system homodyne

dan memerlukan penguat dengan persyaratan yang tidak sederhana. Masalah ini dapat diatasi dengan teknik SFCW, meskipun akan mengakibatkan peningkatan waktu pengolahan. Teknik multipleksing ruang-frekuensi, dimana secara serempak beberapa frekuensi dapat dipancarkan pada beberapa titik koordinat spasial sekaligus dapat mengatasi permasalahan kecepatan pencitraan. Penguasaan teknologi ini akan meningkatkan kemampuan Indonesia dalam menguasai teknologi GPR pada khususnya, dan teknologi radar pada umumnya karena secara prinsip teknologinya sama seperti pada radar lainnya (radar cuaca, radar surveilance dst).

1. Pendahuluan Radar penembus permukaan (GPR/Ground Penetrating Radar) adalah suatu alat pencitra gelombang elektromagnetik yang mampu melihat benda-benda di bawah permukaan tanah. Desain GPR sangat bergantung pada tujuan aplikasi. Spesifikasi GPR untuk mencitra objek bawah tanah yang dalam (mis. air) akan berbeda dengan yang akan dipakai untuk melihat objek dekat permukaan (mis. ranjau). Demikian pula, persyaratan resolusi citra hasil yang dikehendaki juga akan mempengaruhi desain. Pada prinsipnya ada dua macam teknologi pancaran radiasi EM yang biasa dipakai dalam GPR, yaitu teknik pancaran impuls dan teknik pemancaran gelombang kontinyu. Makalah ini berfokus pada GPR jenis kedua, yakni radar dengan teknik SFCW (Stepped-Frequency Continuous Wave). Untuk kepentingan praktis tertentu yang memerlukan resolusi tinggi, maka pulsa (efektif) yang diperlukan juga harus sangat singkat (dalam orde sub-nano detik). Sumber pulsa yang demikian sangat sulit dicari, mahal Jakarta, 18 – 19 April 2007

2. Prinsip

Kerja Pencitraan GPR

dan

Geometri

Citra benda yang diperoleh sistem radar pada dasarnya merupakan sekumpulan pantulan gelombang sebagai fungsi dari posisi. Untuk sebuah radar ideal, kita bisa menganggap pulsa radar sebagai suatu fungsi delta Dirac δ(t),

51


(a)

(b)

Gb.1 Prinsip radar: (a) geometri pencitraan GPR dan (b) A-scan ideal

bidang datar, maka hasilnya adalah gambaran dimensi tiga yang disebut sebagai C-Scan. Pada kenyataanya, impuls delta Dirac tidak mungkin dapat diperoleh karena beberapa alasan. Yang pertama adalah keterbatasan rentang frekuensi kerja dari peralatan. Akibatnya akan terjadi pelebaran pulsa yang bisa didekati dengan suatu fungsi Gaussian. Lebih lanjut lagi, antenna berfungsi sebagai diferensiator. Ini bisa difahami karena komponen arus searah (DC) dari sinyal tidak mungkin disalurkan antenna tanpa kontak langsung dengan medium dan tanpa pembentukan rangkaian tertutup. Dengan demikian, keluaran dari antenna pemancar akan berupa turunan pertama dari fungsi Gaussian, yang biasa dikenal sebagai pulsa monocycle. Proses reduksi dari impuls Dirac menjadi sinyal monocycle dilukiskan pada Gb.3. Untuk memudahkan pemahaman, sinyal ditampilkan di kawasan waktu maupun frekuensi. Berdasarkan penjelasan sebelumnya dan mengacu pada Gb.3, sebenarnya impuls dapat dibangkitkan dengan dua cara, yaitu: (1) pembangkitan pada kawasan waktu, dan (2) pembangkitan pada kawasan frekuensi. Cara (1) disebut juga sebagai cara langsung, sedangkan cara (2) adalah cara yang tidak langsung dengan cara mensintesa frekuensi. Fokus bahasan dalam makalah ini adalah cara (2). Prinsip yang dipakai adalah dualitas sinyal dalam kawasan waktu dengan yang dikawasan frekuensi melalui transformasi Fourier. Tinjau suatu fungsi waktu dari sinyal s(t). Sesuai definisi, penguraian sinyal ini kedalam komponen frekuensi dilakukan dengan transformasi Fourier berikut:

seperti yang dilukiskan pada Gb.1: (a) skema pencitraan GPR dan (b) deretan gema pulsa yang diterima sistem radar. Bagian pengirim pulsa (Tx) mentransmisikan impulse δ (t − t 0 ) , kemudian impuls akan mengenai objek dan sebagian akan dipantulkan dan akhirnya diterima oleh Rx sebagai δ (t − t 0 − ∆t ) . Karena kecepatan gelom-bang EM diketahui, maka jarak antara antenna ke benda dapat dihitung berdasarkan waktu tunda ∆t. Data pantulan untuk satu titik pencitraan akan berupa suatu fungsi waktu yang menyatakan letak-letak dan kekuatan pemantul sepanjang perjalanan gelombang. Bentuk data radar yang paling mendasar ini disebut sebagai penyapuan jenis-A (A-Scan). Untuk kasus impuls Dirac, hasilnya akan seperti yang diperlihatkan pada Gb.1.b. Jika penyapuan dilakukan sepanjang suatu garis lurus, akan diperoleh sekumpulan A-Scan yang menyatakan letak-letak pemantul pada kedalaman tertentu sepanjang garis.

Gb.2 Kurva hiperbola dihasilkan oleh B-Scan

Jika benda berupa satu titik pemantul, profil pantulan akan berbentuk hiperbola tertelungkup, seperti diperlihatkan pada Gb.2. Penyapuan yang demikian disebut B-Scan. Jika B-Scan dilakukan berkali-kali sehingga meliputi suatu Jakarta, 18 – 19 April 2007

S (ω ) = 52

1 2π

∞

∫ s(t ) exp(− jωt )dt −∞

(1.a)


Gb.3 Skema pembentukan sinyal monocycle oleh ketidak-idealan sistem

s (t ) =

1 2π

∫

∞

−∞

S (ω ) exp( jωt )dω

Teknik SFCW berhubungan langsung dengan sintesis Fourier. Dalam hal ini, sinyal s(t) diperoleh dengan cara mengukur nilai S sebagai fungsi frekuensi. Karena pada umumnya S(ω) bernilai kompleks, baik magnitudo maupun fasa dari S(ω) haruslah diukur. Kebutuhan data yang demikian berakibat langsung pada sisi implementasi, yakni sistem deteksi sinyal harus dibuat sedemikian hingga komponen magnitudo

(1.b)

dimana ω adalah frekuensi, sedangkan

j = − 1 adalah bilangan imajiner. Persamaan (1.a) disebut sebagai persamaan analisis, sedangkan persamaan (1.b) adalah persamaan sintesis.

Gb.4 Konstruksi Dasar Sistem SFCW-GPR [6] Jakarta, 18 – 19 April 2007

53


dan fasa, atau bagian riil dan imajiner bisa didapatkan. Perangkat yang mampu melakukan pengukuran sinyal kompleks ini adalah pendemodulasi kuadratur (Quadrature Demodulator). Dengan terukurnya S(ω), maka secara prinsipil, s(t) yang merupakan data Ascan dapat diperoleh dari proses integrasi tersebut diatas.

3. Teknik Radar

Sintesa

Frekuensi

Setelah dicuplik dengan ADC, pengolah sinyal akan merekonstruksi sinyal kawasan waktu s(t) dengan pengolah IFFT.

4. Beberapa Pertimbangan dalam Desain SFCW-GPR dan Simulasi 4.1 Pertimbangan Desain Ada beberapa hal penting yang perlu dipertimbangkan dalam merancang sistem SFCW-GPR, diantaranya adalah: lama pancaran untuk satu frekuensi tertentu (∆t), frekuensi pusat ω0 dan rentang frekuensi kerja, jumlah fekuensi yang digunakan (N), spasi antar frekuensi ωn, tingkat kuantisasi ADC, dan ketersediaan komponen. Berikut ini penjelasan singkat dari masing-masing: • Lama pancaran (∆t) dan jumlah frekuensi N: kedua hal ini akan menentukan kecepatan pencitraan radar. Batas minimum-nya adalah settling-time dari pensintesis dan kecepatan ADC, sedangkan batas maksimumnya berhubungan dengan lama waktu pencitraan yang diinginkan. Jika ∆t terlalu kecil, ada kemungkinan pembangkit frekuensi belum mencapai keadaan tunak. Disisi lain, jika nilainya terlalu besar, maka waktu untuk mendapatkan data akan terlalu lama. Hal terakhir harus diperhitungkan untuk pencitraan benda yang bergerak dan penentuan kecepatan penyapuan radar. • Rentang frekuensi kerja dan pusat frekuensi ω0: frekuensi kerja akan sangat mempengaruhi aplikasi dari GPR. Radar dengan ω0 rendah akan mampu menembus permukaan yang lebih dalam. Sebaliknya, radar dengan ω0 besar lebih cocok untuk pencitraan dangkal. Lebar pita (BW) berhubungan langsung dengan resolusi, semakin tinggi BW semakin besar pula resolusinya. • Tingkat kuantisasi ADC: hal ini akan menentukan lebar dinamika sinyal yang diperoleh. Sebagai gambaran, ADC 8 bit dapat dipakai untuk mengkuantisasi sinyal dengan lebar dinamika 41 dB, 12 bit bisa mencapai 65 dB, 14 bit mampu mengkuantisasi sinyal 77 dB, sedangkan untuk sinyal dengan lebar dinamik 89 dB, sistem perlu ADC 16 bit. • Ketersediaan komponen: meskipun dari perhitungan bisa diperoleh disain yang bagus, implementasi menjadi perangkat

untuk

Pada kenyataanya, nilai S(ω) tidak bisa diperoleh untuk ω kontinyu, melainkan hanya untuk sejumlah berhingga titik-titik pengamatan. Ini berarti bahwa data S hanya dapat diperoleh untuk sekumpulan frekuensi ω yang berubah secara diskrit saja. Dengan demikian, proses yang sebenarnya lebih sesuai untuk memodelkan sistem radar SFCW adalah analisis dan sintesis sinyal dengan transformasi Fourier diskrit (DFT) sbb:

1 N −1 ⎛ 2π jn ⎞ s n exp⎜ − k⎟ ∑ N n =0 N ⎝ ⎠ N −1 1 ⎛ 2π jk ⎞ s n = ∑ S k exp⎜ n⎟ N k =0 ⎝ N ⎠ Sk =

(2.a) (2.b)

Sintesa pulsa dilakukan dengan persamaan (2.b), sedangkan koefisien Fourier Sk diperoleh dari pengukuran. Indeks k berhubungan dengan frekuensi ke-k dari sinyal. Yang dilakukan saat pengukuran adalah, sekumpulan sinyal dengan frekuensi tertentu dipancarkan kemudian tanggapannya diukur untuk mendapatkan estimasi dari koefisien Fourier Sˆ k yang bernilai kompleks. Diagram blok sederhana dari sistem SFCWGPR diperlihatkan pada Gb.4. Pada gambar tersebut, sekumpulan gelombang dengan frekuensi tertentu (ωn) dibangkitkan oleh frequency synthesizer dan dipancarkan secara berturutan melalui antena UWB. Penerima akan menangkap pantulan gelombang melalui antena lain untuk di-demodulasi dengan demodulator kuadratur. Hasilnya adalah sinyal In (inphase) dan sinyal Qn (quadrature) yang secara bersamasama membentuk koefisien kompleks

S (ω n ) = I (ω n ) + jQ(ω n )


(3)

54


Tabel 1 menampilkan kinerja dari berbagai skenario, dengan mengukur kesalahan antara sinyal moncycle asli dengan hasil rekonstruksi. Hasil rekonstruksi sinyal diperlihatkan pada Gb.5. Dari tabel dapat disimpulkan bahwa penurunan jumlah titik sampel dari 512 menjadi 256 hanya akan menurunkan kinerja sebesar 0.43 %, sedangkan penurunan jumlah titik sample lebih lanjut menjadi 128 titik akan menurunkan kinerja sebesar ~8%. Hasil sintesis sinyal untuk berbagai nilai N diperlihatkan pada Gb.6.

keras sangat ditentukan oleh ketersediaan komponen di pasaran. Pencacahan dan spasi antar frekuensi: secara garis besar ada dua macam pencacahan frekuensi, yaitu secara seragam dan secara tak-seragam. Pengaruh jumlah titik pencacahan frekuensi untuk pencuplikan seragam akan dijelaskan dengan contoh simulasi pada sub bab 4.2

•

Sebagai contoh, rancangan awal dari sistem SFCW-GPR yang memakai teknik homodyne diperlihatkan pada Gb.5.

5. Kesimpulan 4.2. Simulasi Pencuplikan Frekuensi Untuk menentukan skema pencuplikan frekuensi terbaik, perlu terlebih dahulu disimulasikan berbagai skenario. Pada simulasi ini, diambil rentang frekuensi kerja GPR adalah 16 − 2048 MHz . Selanjutnya dipakai pencuplikan seragam dengan berbagai nilai N.

Telah dijelaskan prinsip kerja dan berbagai pertimbangan desain SFCW-GPR. Hasil simulasi menunjukkan penurunan kinerja yang cukup kecil jika titik pencuplikan dari 512 menjadi 256, akan tetapi cukup besar (8%) jika diturunkan menjadi 128. LNA RX

I I/Q Demodulator

Freq synthesizer

Power splitter

Q

TX

Power splitter PA Ref USB Output ADC

Processor IFFT

Gb.5 Contoh rancangan SFCW-GPR dengan Teknik homodyne


55


1 mono1 512:4Mhz 256:8Mhz 128:16Mhz Non uniform

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2 -8

x 10

Gb.6 Hasil rekonstruksi sinyal monocycle dengan berbagai jumlah titik pencuplikan N Tabel 1: Kinerja rekonstruksi terhadap jumlah titik sampel

Titik Sampel dan ∆f Uniform 512 :4 Mhz Uniform 256 :8 MHz Uniform 128 :16 MHz

[7].

A.A. Lestari, Y.A. Kirana, A.B. Suksmono, A. Kurniawan, E. Bharata, “Applied research on Ground Penetrating Radar, Bow-tie Antenna, GPR antenna, Adaptive antenna, Ultra-wideband antennas,“ Final Report (Project ID: IS 03143), Report no. IRCTR-S-031-04, IRCTR, Delft University of Technology, The Netherlands, October 2004. [8]. J. Suryana, A.B. Suksmono, and T. Mengko,"Desain dan Realisasi Stepped Frequency GPR 1-2 GHz untuk Aplikasi Deteksi Logam dalam Tanah," Makara: Jurnal Teknologi, 2005. [9]. J. Suryana, A.B. Suksmono, and T. Mengko, "Karakterisasi Domain Waktu Antena Bowtie Ujung Sirkular 1-2GHz Dengan Respon Impulse Ternormalisasi," Makara: Jurnal Teknologi, 2005. [10]. A.A. Lestari, Antennas for Improved Ground Penetrating Radar: Modeling Tools, Analysis and Design, Ph.D. Dissertaion, Delft University of Technology, The Netherlands, 2003. [11]. K.A. Michalski, D. Zheng, “Electromagnetic scattering and radiation by surfaces of arbitrary shape in layered media, part I: theory”, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-38, no. 3, pp. 335-344, Mar. 1990. [12]. A.A. Lestari, Y.A. Kirana, A.B. Suksmono, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart , “Improvement of a metallic shield for a GPR antenna,” Proceedings of the 2005 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP 2005),

Rata-rata error thd monocycle 0.0693 0.0696 0.0748

6. Daftar Pustaka [1].

[2].

[3].

[4].

[5]. [6].

P. van Genderen, J.Zijderveld, P. Hakkaart and J. van Heijenoort, “A Multi Frequency SFCW Radar for Humanitarian Demining,” Proc. of Radar 2002, pp. 196199. T. Hara and A. Hirose, “Plastic mine detecting radar system using complexvalued self-organizing map that deals with multiple-frequency interferometric images,” Neural Networks, Vol.17, No. 89 (2004), pp.1201-12.10. A.B. Suksmono and A. Hirose, "Adaptive complex-amplitude texture classifier that deals with both height and reflectance for interferometric SAR images", IEICE Transaction on Electronics, ISSN 09168524, Vol. E83-C, no. 12, Dec. 2000, pp. 1912-1916. US Department of State, “Hidden Killers, The Global Landmine Crisis”, Office of International Security and Peacekeeping Operations, US Department of State, 1994. R. Mc Grath, “International Campaign to Ban Landmines”, Nobel Lecture, 1997. L.P. Ligthart, Course Handout: A 3-Days Short Course on GPR, IRCTR-Delft.


56


vol. 3, pp. 965-968, Seoul, Korea, August 2005. [13]. A.A. Lestari, Y.A. Kirana, A.B. Suksmono, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart , “A ground penetrating radar antenna with improved shield,”


Proceedings of the 11th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics (ANTEM 2005), pp. 406-407, Saint-Malo, France, June 2005.

57


Pemrosesan Sinyal untuk Data A-Scan GPR Deni Yulian 1, A. Andaya Lestari 2,3 Radar and Communication Systems (RCS) Segitiga Emas Business Park, Unit No. 6 Jalan Prof. Dr. Satrio, Kav. 6 Jakarta 12940, Indonesia Phone: +62-21-57951133 Fax: +62-21-57951138, Email : [email protected] 2 International Research Centre for Telecommunications and Radar – Indonesian Branch STEI – ITB, Jalan Ganesha 10 Bandung, Indonesia, Email : [email protected] 3 International Research Centre for Telecommunications and Radar – TU Delft Mekelweg 4 2628 CD Delft, The Netherlands 1

Abstract In GPR, processing of the received signals is important for detecting and identifying the targets and for discriminating the targets from clutter caused by reflections from soil inhomogeneities. This paper discusses the signal processing techniques for reducing clutter and increasing the quality of B-Scan images produced by the GPR system owned by Radar Communication Systems (RCS). The techniques include zero-offset removal, noise reduction, clutter reduction, ground reflection removal, and background removal, which are all needed to increase the quality of B-Scans carried out in a GPR survey. As a result, the obtained subsurface images are improved to allow more accurate interpretation by the user. Keyword : Signal Processing, GPR, B-Scan, Noise Reduction, Zero-offset Removal, Clutter Reduction, Ground Reflection Removal, Background Removal Abstrak Dalam aplikasi GPR, pemrosesan sinyal merupakan suatu hal yang sangat penting untuk dapat mengenali, mengidentifikasi dan memisahkan target yang di deteksi dari cluter yang disebabkan oleh ketidakhomogenan tanah. Pada paper ini akan dibahas mengenai teknik pemrosesan sinyal untuk mereduksi clutter dan memperbaiki kualitas citra B-Scan yang dihasilkan oleh sistem GPR yang dimiliki oleh Radar Communication System (RCS). Pemrosesan sinyal yang dilakukan meliputi zero-offset removal, noise reduction, clutter reduction, ground reflection removal, dan background removal yang semuanya diperlukan untuk meningkatkan kualitas citra B-Scan hasil survey GPR sehingga objek yang dideteksi dapat dengan mudah diinterpretasikan. Kata Kunci : Pemrosesan Sinyal, GPR, B-Scan, Zero-offset Removal, Noise Reduction, Clutter Reduction, Ground Reflection Removal, Background Removal

sinyal lebih lanjut untuk mereduksi pengaruh dari clutter tersebut sehingga sinyal hasil refleksi yang diterima bebas dari interferensi. Tujuan utama dilakukannya pemrosesan sinyal terhadap sinyal yg diterima oleh antena penerima GPR ini adalah untuk menghasilkan gambaran kondisi di bawah permukaan tanah yang dapat dengan mudah dibaca dan diinterpretasikan oleh user atau untuk dapat mengklasifikasikan target berdasarkan prosedur atau template yang telah diketahui [1] Melihat peran penting pemrosesan sinyal diatas, maka sudah menjadi keharusan bagi setiap sistem GPR untuk menerapkan pemrosesan sinyal lebih lanjut terhadap data hasil survey GPR-nya. Pada paper ini kita akan melihat bagaimana peran dari pemrosesan sinyal dalam memperjelas gambaran kondisi di bawah

1. Pendahuluan Ground Penetrating Radar (GPR) telah digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi sebagai alat untuk menyelidiki kondisi di bawah permukaan tanah tanpa harus menggali dan merusak tanah. GPR bekerja dengan memancarkan gelombang elektromagnetik ke dalam tanah dan menerima sinyal yang dipantulkan untuk mendeteksi dan menentukan letak berbagai objek yang terletak di bawah permukaan tanah. Selain menerima sinyal hasil refleksi dari target yang dideteksi, receiver juga menerima hamburan sinyal lainnya yang dipantulan oleh benda-benda disekitar target atau yang biasa disebut dengan clutter yang dapat menimbulkan efek masking terhadap target yang dideteksi. Oleh karena itu, diperlukan suatu pemrosesan Jakarta, 18 – 19 April 2007

58


permukaan tanah atau target yang dideteksi oleh sistem GPR.

Formula yang biasa digunakan untuk proses ini adalah,

2. Metode Pemrosesan Sinyal

A 'n ( t ) = A 'n−1( t ) +

Secara garis besar pemrosesan data hasil survey GPR diklasifikasikan kedalam tiga bagian berdasarkan dimensi data yang diprosesnya, yaitu pemrosesan data A-Scan untuk memproses data satu dimensi dan B-Scan serta C-Scan untuk memproses data dua dimensi. Pada paper ini hanya akan di bahas mengenai pemrosesan data A-Scan hasil survey GPR. Dalam pemrosesan data A-Scan ini, sedikitnya ada 5 tahapan pemrosesan sinyal yang dapat dilakukan untuk dapat meningkatkan kualitas citra B-Scan hasil survey GPR sehingga dapat dengan mudah diinterpretasikan. Tahap pertama adalah zero offset removal. Zero offset removal ini bertujuan untuk menghilangkan komponen DC dari sinyal balik yang diterima oleh antena GPR dengan cara memastikan bahwa nilai tengah dari data A-Scan mendekati nol, dengan asumsi distribusi probabilitas dari A-Scan adalah simetris terhadap nilai tengahnya dengan nilai tengah terpendeknya konstan sepanjang durasi waktu A-Scan. Salah satu algoritma yang dapat dipakai untuk melakukan hal tersebut ditunjukkan pada persamaan 1 [1].

A 'n (t ) = An (t ) −

1 N

n=0

n

Faktor pembagi K yang dipilih harus disesuaikan dengan nlai n atau nilai tetap lainnya yang akan memberikan nilai peratarataan yang tepat. Nilai perata-rataan juga harus disesuaikan dengan kecepatan laju radar, jika tidak data akan terkontaminasi oleh samplesampel yang berdekatan. Tahap ketiga adalah clutter reduction. Metode ini dapat dilakukan dengan cara mengurangkan setiap sample A-Scan dengan rata-rata dari kumpulan A-Scan atau B-Scan yang diambil dari area tertentu yang dikehendaki, misalnya:

1 A 'n ,a (t ) = An ,a (t ) − Na

Na

∑A a =1

n,a

(t )

(3)

Dimana, N = 1 sampai N (N = Jumlah Sampel) A = 1 sampai Na (Na = jumlah sinyal A-Scan) An,a(t) = sinyal A-Scan yang belum diproses A’n,a(t) = sinyal A-Scan yang telah diproses

(1)

dimana, An(t)=sample data yang belum diproses A'n(t)=data yang telah di proses, dan n=jumlah sampel

Metode ini dapat bekerja dengan baik jika jumlah target terbatas dan secara fisik terpisah dengan cukup baik antara satu dengan lainnya [1]. Dua tahap selanjutnya adalah ground reflection removal untuk menghilangkan pengaruh refleksi yang kuat antara antena dan permukaan tanah dan background removal untuk memisahkan target dari lingkungan sekitar sehingga yang tampak pada hasil B-Scan hanya refleksi yang disebabkan oleh target saja. Metode ini dapat dilakukan dengan melakukan subtraksi sinyal hasil refleksi yang diterima oleh antena penerima GPR pada chanel 1 dan chanel 2 atau sebaliknya. Metode ini bekerja hanya jika antena pemancar dan penerima di susun dalam differential setup. Pada mode ini, sinyal yang diterima dari pantulan objek yang memiliki dimensi jauh lebih kecil dari panjang gelombang sinyal yang dipancarkan akan mengalami

Algoritma diatas hanya berlaku untuk sinyal dengan nilai tengah terpendeknya konstan sepanjang durasi waktu A-Scan dan memiliki distribusi probabilitas amplitudo yang simetris. Tahap kedua adalah noise reduction yang bertujuan untuk mereduksi variansi noise dengan faktor √N dan memberikan peningkatan dalam signal-to-noise ratio (S/N) yang setara dengan 10 log10 N dB. Hal ini dapat dicapai dengan merata-ratakan semua sample individual A-Scan atau merata-ratakan A-Scan setiap beberapa sample dan menyimpan hasilnya secara berulang. Averaging tidak berpengaruh terhadap pengurangan clutter, akan tetapi dapat mengurangi random noise pada data hasil survey GPR. Jakarta, 18 – 19 April 2007

(2)

Dimana, An(t) =sample data yang belum diproses A'n(t)=sample data yang sudah dirata-ratakan

N

∑ A (t )

{ An (t ) − A 'n−1 (t )} K

59


kedalaman dideteksi.

perbedaan pada chanel 1 dan chanel 2 antena penerima, sementara untuk objek yang memiliki dimensi yang lebih besar dari panjang gelombang sinyal yang dipancarkan relatif tidak memiliki perbedaan pada chanel 1 dan 2 antena penerima. Oleh karena itu, metode ini hanya cocok digunkan untuk mendeteksi objek-objek yang memiliki dimensi yang jauh lebih pendek dibandingkan sinyal yang dipancarkan, seperti untuk deteksi kabel, pipa, ataupun tulang beton, akan tetapi metode ini tidak cocok untuk mendeteksi objek yang memiliki dimensi yang lebih panjang dari sinyal yang dipancarkan seperti untuk keperluan mendeteksi struktur lapisan-lapisan bawah tanah .

saluran

pembuangan

air

yang

3. Survey GPR Gambar 1: Sistem GPR yang digunakan dalam penelitian

Untuk melihat pengaruh pemrosesan sinyal pada data hasil survey GPR kami melakukan survey GPR dengan menggunakan system GPR yang dimiliki dan dikembangkan oleh Radar & Communication Systems (RCS) yang terdiri atas sampling converter dan pembangkit frekuensi 1 GHz (gambar 1), sedangkan untuk antena pemancar dan penerima digunakan ultra wide band (UWB) radiator bowtie antenna yang merupakan hasil pengembangan IRCTR-ITB [2] (gambar 2). Sementara itu, untuk pengambilan sampel data GPR, kami melakukan survey GPR yang melalui jalur lintasan pipa dan saluran pembuangan air sepanjang 5 meter dengan kedalaman maksimum 1.5 meter seperti yang terlihat pada gambar 3.

Gambar 2: UWB radiator bowtie antenna hasil pengembangan IRCTR-ITB yang digunakan dalam sistem GPR

4. Data B-Scan Hasil Pemrosesan Sinyal Lebih Lanjut Raw data hasil survey GPR kemudian ditampilkan dengan menggunakan paket software standar untuk mendapatkan gambar BScan dari hasil survey. Gambar B-Scan yang dihasilkan oleh software standar dari hasil survey GPR pada lintasan seperti yang ditunjukan pada gambar 3 dapat dilihat pada gambar 4. Pada gambar tersebut terlihat bahwa permukaan tanah ditandai oleh garis hitam tebal pada kedalaman 0 meter, sementara pipa terlihat sebagai hiperbola kecil sekitar 1,5 meter dari titik awal survey sedangkan awal dan akhir saluran pembuangan air terlihat pada jarak sekitar 3,75 sampai 4,25 meter dari titik awal survey, akan tetapi, pada gambar tersebut kita tidak dapat melihat secara jelas bentuk hiperbola yang menunjukkan pipa, sisi awal, akhir serta Jakarta, 18 – 19 April 2007

Gambar 3 : Lintasan Survey GPR

Untuk meningkatkan kualitas citra B-Scan hasil survey GPR tersebut, kami melakukan pemrosesan sinyal lebih lanjut terhadap data AScan nya melalui 5 tahapan pemrosesan sinyal yang telah di paparkan pada bagian sebelumnya sehingga dihasilkan citra B-Scan yang mudah untuk diinterpretasikan.

60


clutter reduction, ground reflection removal, dan background removal terlihat pada gambar 7. Pada gambar tersebut terlihat bahwa refleksi kuat yang terjadi pada permukaan tanah sudah tidak tampak lagi, selain itu, pengaruh dari background juga sudah dieliminasi sehingga yang tersisa pada citra B-Scan hanya tinggal refleksi dari objek yang dideteksi. Dari gambar tersebut juga terlihat dengan jelas hiperbola yang merepresentasikan awal, dan akhir saluran pembuangan air pada jarak 3,75 dan 4,25 meter, serta dasar dari saluran yang direpresentasikan oleh hiperbola pada kedalaman sekitar 40 cm. Karena saluran pembuangan pembuangan air berisi udara, maka dasar dari saluran yang sebenarnya tiga kali lebih dalam dari pada yang terlihat pada citra B-Scan atau sekitar 1.2 meter, dengan asumsi permitivitas relatif tanah adalah 9. Hal ini terjadi akibat perbedaan kecepatan gelombang elektromagnetik di tanah dan di udara.

Gambar 4 : B-Scan dari raw data hasil survey

Tahap pertama adalah menghilangkan komponen DC dari hasil survey dengan teknik zero offset removal. Hasil dari B-Scan setelah melalui tahap zero offset removal ini ditunjukkan pada gambar 4. Pada gambar tersebut terlihat bahwa hiperbola yang menginterpretasikan pipa dapat dengan jelas terlihat, awal dan akhir saluran pembuangan air pun sudah mulai terlihat dengan adanya hiperbola kecil pada jarak 3,75 dan 4,25 m. Akan tetapi masih terdapat random noise yang mengganggu interpretasi data sebagai akibat dari penggunaan frekuensi kerja yang tinggi. Untuk mengurangi noise ini dilakukan proses noise reduction dengan merata-ratakan data A-Scan setiap 5 sampel. Pengambilan jumlah sampel ini berdasarkan pertimbangan bahwa noise dapat dikurangi tanpa menurunkan kualitas gambar BScan dan tanpa menghilangkan informasi penting dari data hasil survey GPR. Langkah berikutnya adalah menghilangkan pengaruh dari clutter yang dapat mengaburkan objek yang dideteksi dengan melakukan clutter reduction, sedangkan untuk menghilangkan refleksi kuat oleh permukaan tanah yang direpresentasikan oleh garis hitam tebal pada kedalaman 0 meter dilakukan ground reflection removal. Langkah terakhir, untuk dapat menginterpretasikan citra B-Scan dengan lebih mudah dan akurat perlu dilakukan background removal untuk memisahkan target yang dideteksi dari lingkungan sekitar sehingga hanya target yang dideteksi saja yang terlihat pada citra B-Scan. Proses background removal ini dilakukan dengan mensubtraksi data B-Scan yang diterima pada chanel 1 dengan data B-Scan yang diterima pada chanel 2 antena penerima. Hasil B-Scan setelah melalui ketiga tahapan Jakarta, 18 – 19 April 2007

Gambar 5 : Gambar B-Scan setelah zero offset removal

Gambar 6 : Gambar B-Scan setelah averaging

61


untuk dapat mengklasifikasikan target berdasarkan prosedur atau template yang telah diketahui. Dengan dilakukannya pemrosesan sinyal lebih lanjut yang meliputi zero-offset removal, noise reduction, clutter reduction, ground reflection removal, dan background removal, gambar B-Scan hasil survey GPR menjadi lebih mudah untuk diinterpretasikan dan dianalisis.

6. Referensi [1] Daniels, D.J, “Surface Penetrating Radar,” 1996, The Institute of Electrical Engineers, London [2] A.A. Lestari, A.B. Suksmono, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Small UWB antenna with improved efficiency for pulse radiation,”Proc. 2005 IEEE Int. Workshop Antenna Technology (IWAT2005), pp.295298, Singapore, Mar. 2005.

Gambar 7 : Gambar B-Scan setelah clutter reduction, ground coupling removal, dan background removal

5. Kesimpulan Pemrosesan sinyal lebih lanjut merupakan bagian yang sangat penting dalam survey GPR untuk menghasilkan gambaran kondisi di bawah permukaan tanah yang dapat dengan mudah dibaca dan diinterpretasikan oleh user atau


62


Pengukuran Late - Time - Ringing Antenna Menggunakan Sistem impulse GPR 1

Liarto3, A.A. Lestari1, E. Bharata2 International Research Centre for Telecom and Radar – Indonesian Branch (IRCTR-IB), Indonesia 2 Bandung Institute of Technology (ITB), Indonesia 3 Radar & Communication Systems (RCS) Segitiga Emas Business Park, Unit No. 6 Jalan Prof. Dr. Satrio, Kav. 6 Jakarta 12940, Indonesia [email protected] Abstract

GPR (Ground Penetrating Radar) is a kind of radar used to detect buried objects in near surface. Latetime-ringing effect changes the shapes of GPR transmit pulses, causing the objects undetected. Suppressing the latetime- ringing can be conducted by loading resistor to the antenna. In this research the late-time-ringing is measured using impulse GPR system for bow-tie antenna loaded by chip SMD resistor and dipole antenna loaded by resistor absorber material. The result shows that the bow-tie antenna with chip SMD resistor suppressed the late-timeringing maximally at the frequency of 1 GHz while the dipole antenna with resistor absorber material suppressed maximally at the frequency of 200 MHz. Keywords: late-time-ringing, bow-tie antenna, dipole antenna Abstrak GPR (Ground Penetrating Radar) adalah radar deteksi objek tersembunyi pada permukaan dangkal. Besarnya late-time-ringing menyebabkan perubahan bentuk pulsa transmit GPR sehingga objek tertutupi. Latetime-ringing dapat dikurangi dengan melakukan pembebanan resistif antena. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran late-time-ringing menggunakan sistem impulse GPR pada antena bow-tie terbebani chip resistor SMD, dan pada antena dipole terbebani resistor material absorber. Dari pengukuran di peroleh hasil, antena bow-tie dengan pembebanan chip resistor SMD memiliki penekanan late-time-ringing maksimum pada frekwensi 1 GHz, dan antena dipole dengan pembebanan resistor material absorber memiliki penekanan late- time-ringing maksimum pada frekwensi 200MHz. Kata kunci : Late-time-ringing, antena bow-tie, antena dipole

Pembebanan resistor antena dapat dilakukan menggunakan chip resistor SMD maupun dengan resistor material absorber. Pengukuran late-time-ringing secara konvensional dilakukan dengan perangkat laboratorium (spectrum analyzer atau network analyzer), dibahas pada paper [1-4]. Pengukuran late-time-ringing secara nonkonvensional dilakukan menggunakan sistem GPR. Penelitian ini melakukan pengukuran late-time-ringing dengan metode nonkonvensional pada antena bow-tie dengan pembebanan chip resistor SMD (gambar 1) dan antena dipole yang dibebani resistor material absorber (gambar 2), desain kedua antena tersebut dibahas pada paper [2-4]. Pengukuran late-time-ringing menggunakan sistem GPR secara langsung dilakukan karena metode ini lebih praktis untuk tahap aplikasi dibandingkan pengukuran secara konvensional. Penetrasi sistem GPR ditentukan oleh tinggi rendahnya frekwensi transmit (fc transmit) yang digunakan.

1. Pendahuluan Pemanfaatan GPR untuk eksplorasi permukaan dangkal (maksimal kedalaman ±50 m) pada masa sekarang terjadi peningkatan, ini karena penggunaan resolusi tinggi dan termasuk sistem yang bersifat nondestruktif. Aplikasi GPR diantaranya untuk keperluan sipil (deteksi keretakan jalan, konstruksi jembatan, konstruksi fondasi banguan), keperluan militer (deteksi ranjau darat) dan keperluan arkeologi (deteksi situs-situs purbakala). Data objek diperoleh secara lengkap bila GPR memiliki penekanan maksimal terhadap late-time-ringing antenanya. Late-time-ringing adalah berubahnya bentuk pulsa GPR karena refleksi internal antena sehingga objek tertutupi. Besarnya late-time-ringing dapat di kurangi dengan teknik pembebanan resistif antena.


63


parameter S11 dan S12 menggunakan network analyzer. Dari data pengukuran yang di peroleh dilakukan pemrosesan menggunakan software untuk post processing yang mengacu pada persamaan:

Γ SMA = S11 − S21.

(1)

Koefisien refleksi objek disekitar pengukuran diperoleh melalui operasi timegating dengan persamaan:

{

}

Γ ' SMA = FFT W { IFFT [ Γ SMA ]} , (2)

Gambar 1. Realisasi antena bow-tie dengan pembebanan chip resistor SMD (material DiClad 527). Dimensi antena 23cm x 7cm, chip resistor SMD dipasang secara seri pada setiap wire [3].

dimana : FFT : operator FFT. W : time window.

Γ ant : koefisien refleksi kabel semirigid. Koefisien refleksi terminal antena dihitung menggunakan persamaan :

Γ ant = Γ 'SMA e jβ l 10 L / 20

(3) dimana : β : konstanta fase kabel semirigid, yang tergantung pada nilai εsrc. : dua kali waktu dari panjang l kabel semirigid. L : insertion loss (dBm/m).

Γ ant : Koefisien refleksi terminal antena.

Gambar 2. Realisasi antena dipole dengan pembebanan resistor material absorber (sisi warna hitam adalah resistor material absorber). Dimensi antena 41cm x 17cm, feed point mengunakan kabel semirigid.

Nilai konstanta dielektrik εsrc dan insertion loss L ditentukan oleh perusahaan pembuat kabel semirigid. Nilai insertion loss suatu kabel semirigid hanya berlaku untuk frekwensi yang ditentukan sehingga tipe kabel semirigid berbeda diperlukan untuk pengoperasian pada frekwesi yang lain. Setelah koefisien refleksi lingkungan diperoleh maka perhitungan input impedansi dapat dilakukan dengan mengacu pada persamaan:

GPR dengan frekwensi transmit rendah memiliki penetrasi lebih dalam dibanding GPR dengan frekwensi transmit lebih tinggi, sehingga diperlukan frekwensi berbeda untuk eksplorasi objek yang memiliki perbedaan kedalaman. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran terhadap dua frekwensi transmit, untuk 200 MHz dan 1GHz.

Z in =

2. Pengukuran Input Impedansi dan Radiasi Antena

src

(4)

dimana, Z 0 adalah impedansi kabel semirigid dengan nilai 100 Ohm. Pengukuran sinyal transmit antenna under test (AUT ) dilakukan menggunakan software post processing yang mengacu pada persamaan :

Pengukuran input impedansi antena dimulai dari menghitung refleksi terminal antena yang dipengaruhi oleh koefisien refleksi objek sekeliling lingkungan pengukuran (refleksi tidak diinginkan). Pengukuran koefisien refleksi konektor SMA dilakukan dengan mengukur Jakarta, 18 – 19 April 2007

1 + Γ ant src Z0 1 − Γ ant

64


E = D { IFFT ( S 21V )} ,

(5)

dimana : E : sinyal transmit yang di ukur. FFT : inves dari operator FFT. V : sepketrum pulsa eksitasi yang di normalisasi. D : operator dekonvolusi yang mengubah tegangan pada terminal sensor ke bentuk medan listrik, dimana karakteristik sensor dipergunakan dalam perhitungan.

(b) Gambar 4. pengukuran late-time-ringing menggunakan sistem pulse GPR, (a) Instalasi, (b) Realisasi.

Pada validasi pulsa transmit, instalasi sistem GPR: impulse generator – attenuator – sampling head (Gambar 3). Sedangkan untuk pengukuran late - time - ringing instalasi sistem GPR: impulse generator - AUT transmit - AUT receive-sampling head. Propagasi AUT transmit dan AUT receive melalui media udara (εr = 1) dengan jarak 1m.

3. Perancangan Pengukuran Suatu sistem GPR terdiri dari impulse generator sebagai pembangkit pulsa, Antena, Sampling head sebagai receiver dan Sampling converter untuk konversi data sehingga kompatibel dengan PC (display). Pengukuran late-time-ringing antena di lakukan setelah validasi pulsa transmit (dari impulse generator). Validasi pulsa transmit bertujuan untuk mengetahui bentuk pulsa yang dibangkitkan impulse generator.

4. Hasil, Analisa dan Pembahasan Dengan membandingkan bentuk pulsa transmit terhadap bentuk pulsa hasil pengukuran antena, munculnya late - time - ringing diketahui. Munculnya sinyal ripple setelah pulsa utama diindikasikan sebagai late – time – ringing dan munculnya ripple sebelum pulsa utama adalah pre-pulse. Pada gambar 6a late- time - ringing adalah ripple yang terjadi pada time 3 ns dan pre-pulse pada time 1ns.

Gambar 3. Instalasi validasi bentuk pulsa sistem pulse GPR.

(a) Gambar 5. Bentuk pulsa transmit 0.8 ns (fc = 1 GHz.) pada validasi GPR.


65


operator dekonvolusi saat pengukuran sinyal transmit. Ketentuan toleransi late – time ringing tidak memiliki aturan baku, namun bila suatu pulsa utama GPR sudah mengalami perubahan total dari bentuk aslinya, maka dapat disimpulkan antena GPR tidak dapat digunakan (Gambar 6b). Sedangkan pada gambar 6a, walaupun terdapat late-time-ringing, antena dapat di gunakan karena belum mengubah bentuk pulsa utama; demikian juga pada gambar 7 (antena masih bisa di gunakan).

5. Kesimpulan 1. Pengukuran late-time-ringing dapat dilakukan menggunakan perangkat GPR sehingga kualitas antena dapat diketahui. 2. Antena bow-tie dengan pembebanan chip resistor SMD tepat digunakan untuk sistem GPR pada frekwensi 1 GHz. 3. Antena dipole dengan pembebanan resistor material absorber tepat digunakan untuk sistem GPR pada frekwensi 200 MHz.

(a)

6. Referensi [1]. A.A. Lestari, A.B. Suksmono, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart ,“Small UWB antenna with improved efficiency for pulse radiation,” Proc. Int’l Workshop Antenna Technology (IWAT05), Singapore, Mar. 2005. [2]. A.A. Lestari, Y.A. Kirana, A.B. Suksmono, A. Kurniawan, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Modified bow-tie antenna for efficient transmission of UWB pulses,” Proc. 2004 Int’l Symp. Antennas Propagation (ISAP 2004), vol. 1, pp. 521524, Sendai, Japan, Aug. 2004. [3]. A.A. Lestari, Y.A. Kirana, A.B. Suksmono, A. Kurniawan, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Compact UWB Radiator for Short-Range GPR Applications,” Proc. 10th Int’l Conf. Ground Penetrating Radar (GPR 2004), vol. 1, pp. 141-144, Delft, The Netherlands, Jun. 2004. [4]. L.P. Ligthart, A.G. Yarovoy, Y.A. Kirana, “GPR antenna simulations and optimizations in time domain,” Proc. Int’l Conf. Antenna Theory Techniques, pp. 2124, Sevastopol, Ukraine, Sep. 2003.

(b) Gambar 6. Bentuk pulsa transmit 0.8 ns (fc =1 GHz.) untuk, a) antena bow-tie dibebani chip resistor SMD, b) antena dipole dibebani resistor material absorber.

Gambar 7. Bentuk pulsa transmit 5 ns (fc =200 MHz.) pada antena dipole dibebani resistor material absorber.

Munculnya sinyal pre-pulse diakibatkan oleh proses dekonvolusi yang kurang sempurna dan dapat dihilangkan dengan cara memperbaiki


66


Beberapa Fitur pilihan pada Search-Radar yang diperlukan untuk peningkatan Efektifitas Operasi Radar dalam Aplikasi Pesawat Patroli Maritim Heri Eka Permana *) *) Staf di Dvisi Aircraft Development Center – PT. Dirgantara Indonesia Jl. Pajajaran 154, Bandung 40174 INDONESIA phone: +62-22-6054453, fax: +62-22-6054284, Email :[email protected] Abstract Among the use of applied technology which is very feacible to be realized in Indonesia presently is to install a number of special avionics systems on the commuter tipe of aircrafts manufactured by own country aircraft industry suited into maritime patrol aircrafts (MPA). These MPA are thuss fully prepared for conduting the patrol mission with main mission for guarding the national water. One of the special avionics system for the MPA which is very important is an airborne radar called Search Radar. In order to improve the effectiveness of the use of the Search Radar in the MPA mission, it is important to ensure some radar features such as sea clutter suppression, CFAR, pulse compression, frequency agility, ISAR, track while scan fully applied. This will in turns offer better operability, reliability and performance.The features are desribed more in radar operation perspective. Keywords : Sea clutter suppression, CFAR, Pulse Compression, Frequency Agility, ISAR, Track While Scan. Abstrak Salah satu pemanfaatan teknologi yang sangat dimungkinkan realisasinya di Indonesia kini adalah dengan memasang sejumlah peralatan avionics khusus (sistem sensor) pada pesawat buatan dalam negeri yang mampu mengudara sebagai pelaksana misi patroli maritim. Salah satu peralatan avionics khusus yang diperlukan oleh sebuah pesawat patroli maritime adalah Search radar. Untuk meningkatkan efektifitas penggunaan Search radar diperlukan beberapa fitur pilihan seperti sea clutter suppression, CFAR, pulse compression, frequency agility, ISAR, track while scan sehingga memberikan kemudahan, kehandalan, serta performansi yang optimal. Beberapa fitur ini dijelaskan dalam perspektif pengoperasian radar. Kata kunci: Sea clutter suppression, CFAR, Pulse Compression, Frequency Agility, ISAR, Track While Scan.

teristik khas dari pesawat terbang, peman-tauan dari ketinggian memberikan jarak pan-dang lebih jauh. Pemantauan maritimpun dilakukan secara cepat, sehingga memung-kinkan untuk menyapu area-area yang ter-sebar. Dengan kecepatan pesawat juga me-mungkinkan untuk reaksi lebih cepat pula. Sejumlah pesawat khusus untuk misi Patroli Maritim yang diproduksi oleh PT. Dirgantara Indonesia (PTDI) desain awalnya merupakan pesawat angkut sipil yang dikembangkan lebih lanjut serta diper-lengkapi dengan sejumlah peralatan avionics (aviation electronics) seperti Search Radar, FLIR/TV, Camera, Video Recorder, ESM, IRS/GPS, FMS dan lain-lain. Dari sekian itu, search radar merupakan perlatan avionic yang mempunyai peranan cukup vital untuk tugas pemantauan teritorial, karena kemampuannya mendeteksi target-target di permukaan laut seperti kapal tanker, oil-rig,

1. Pendahuluan Dengan kondisi alam wilayah NKRI yang terdiri atas pulau-pulau dengan luasan lautnya yang mencapai 2/3 dari total wilayah, maka pengawasan wilayah perairan menjadi kebutuhan yang amat vital. Oleh karenanya penggunaan Maritime Patrol Aircraft (MPA), yakni pesawat khusus untuk misi patroli maritim, dapat menjadi solusi. Mengingat luas perairan Indonesia sekitar 1.577.300 km persegi dengan garis pantai yang panjang totalnya mencapai 54.716 km itu, ditengarai sangat rentan terhadap pencurian ikan dan kekayaan laut lainnya. Oleh karena itu pengoperasian search radar yang terpasang pada pesawat-pesawat MPA akan diperoleh luasan wilayah maritim Indonesia yang lebih besar lagi dibandingkan jika hanya digunakan radar pantai saja, atau dengan radar kapal. Karena dengan karakJakarta, 18 – 19 April 2007

67


pada 10 000 feet dapat mencapai radius 110 nmile (≈160 km). Apabila kecepatan pesawat rata-rata 165 knots (≈300 km/jam) maka misi patroli dapat menyelesaikan luasan panatauan efektif sekitar 96.000 km persegi per jam. Kemudian dengan asumsi satu siklus terbang yang durasi rata-ratanya sekitar 4 jam mengitari wilayah perairan, maka luas pantauan yang diselesaikan per siklus terbang adalah sekitar 380.000 km persegi (utuk ketinggian 10.000 feet) dan 600.000 km persegi jika ketinggian 18.000 feet.

dinghy, kapal nelayan, perahu motor dan lainlain.

2. Efektifitas Deteksi karena ketinggian Dalam melakukan pengembangan pesawat patroli maritim, PTDI telah melakukan sejumlah uji terbang. Dan khusus uji pengoperasian search radar ini meliputi beberapa tipe radar berbeda di beberpa jenis pesawat termasuk pesawat jenis pressurized-cabin dan yang unpressurized. Salah satu perbedaan yang mendasar di kedua kategori pesawat itu ialah pada ketinggian maksimumnya yang dapat dicapai yang hanya hingga sekitar 11.000 feet untuk unpressurised cabin sedangkan yang pressurised cabin hingga lebih dari 18.000 feet. Perbedaan ketinggian ini dapat secara langsung membatasi kemampuan deteksi, akibat jarak pandang maksimum yang ditentukan dengan persamaan (1).

R = 1,23 ⋅ h

——— *) Nilai merupakan typical-values yang diambil dari pengujian beberapa tipe radar dengan transmiting-power sekitar 100 W terpasang di berberapa pesawat berbeda, dengan kondisi sea-state 3, dan POD=0.5.

3. Fitur-Fitur Pilihan 3.1 Fitur Sea Clutter Suppression Seperti juga surveillance radar yang antennanya berputar kontinyu 360O dimaksudkan untuk pemantauan wilayah udara, search radar dalam aplikasi MPA ini me-miliki antenna yang dapat berotasi 360O secara kontinyu, tetapi dengan sudut angguk sekitar 0O sampai 15O ke arah bawah. Hal ini ada-lah untuk pemantauan/pencarian target-target di permukaan bumi atau dalam kasus MPA, targettarget di permukaan laut. Disebutkan kata “laut” dalam hal ini menjadi latar belakang yang membedakan sebuah search radar dibanding radar-radar lain, karena pende-teksian bendabenda di atas permukaan laut dianggap cukup 'pro-blematik’ bila digunakan radar konvensional. Dalam kasus-kasus radar konvensional, pantulan yang didapat dari permukaan gelombang laut akan muncul di monitor sebagai bercak-bercak (clutter) yang juga disebut seaclutter. Kemunculan sea-clutter ini adalah akibat ikut terdeteksinya pantulan dari gelombang air laut bersama pantulan (echo) dari target sehingga membuat sulit bagi operator membedakan target dari sea-clutter yang begitu banyak. Dengan fitur sea-clutter suppression maka citra radar yang teramati oleh seorang operator di monitor radar dapat ditampilkan blip dari target tanpa adanya clutter yang ditimbulkan oleh permukaan laut.

(1)

dimana, R = range atau jarak pandang [nmile] h = ketinggian [feet] Beberapa search radar memberikan maximum detection range yang berbeda-beda. Hal ini selain ditentukan oleh trans-mittingpowernya, dan oleh faktor-faktor lain seperti sea-state, radar-crossection (RCS) dari target, dan lain-lain. Table 1. Jarak deteksi radar dengan Ketinggian 1) Jenis Target

Rata-rata RCS [m2]

Detectin Range [nmile] pada berbagai altitude [feet] 5000 feet

10.000 feet

18.000 feet

10.000

60 – 85

90 –110

90 –150

Kapal Container

1000

40 – 60

40 – 60

80 – 100

Oil-Rig

500

30 – 50

40 – 60

60 – 70

Kapal Ikan

100

5 – 10

–

–

Perahu layar

10

2–5

–

–

Kapal Tanker

Variasi nilai detection range yang ditunjukkan di Tabel 1. lebih me-rupakan akibat perbedaan tipe radar yang di-gunakan yang berbeda dalam fitur-fiturnya selain juga faktor cuaca dan keragaman target (RCS). Tampak bahwa cakupan pemantauan search-radar dengan ketinggian pesawat MPA Jakarta, 18 – 19 April 2007

68


blip tadi tidak persistence artinya terkadang muncul dan terkadang hilang. Hal inilah yang kemudian ditengarai sebagai noise yang dalam desain radar lebih dikenal sebagai thermal noise. Akibat noise ini beban kerja atau work-load seorang operator radar dapat menjadi amat meningkat dikarenakan sulitnya membedakan antara blip dari noise dengan echo dari sebuah target. Meningkatnya work-load dari operator radar ini dapat bermuara pada kondisi operator yang fatigue (lelah), sehingga endurance misi patrolipun tidak dapat optimal. Oleh karenanya dalam desain radar telah diterapkan teknik setting threshold di mana dengan teknik ini hanya sinyal yang amplitudonya melebihi angka threshold tertentu barulah dianggap oleh processor radar sebagai sinyal dari target sesungguh-nya, dan sebaliknya jika levelnya di bawah threshold ini maka dianggap noise. Dalam beberapa aplikasi radar, angka threshold ini kemudian dapat diatur besarnya oleh seorang operator radar secara manual melalui pengaturan potensiometer. Dengan cara ini memungkinkan bagi operator unuk menaikkan threshold bilamana level rata-rata noise meningkat dan sebaliknya bila level ratarata noise menurun maka angka threshold ini perlu diturunkan juga sebab bila tidak maka yang terjadi adalah terabaikannya sinyal dari target sesungguhnya hanya karena level sinyal tersebut di bawah threshold. Dari konsep setting threshold ini maka dikenal pula fitur yang cukup penting untuk sebuah search radar, yaitu CFAR (constant false alarm rate). Istilah false alarm rate menunjukan rata-rata kemunculan sebuah blip akibat noise di monitor radar per detik. Pada operasi radar, peluang kejadian false alarm biasanya tidak tetap malainkan bervariasi dengan waktu dan berkisar dari 0.1 sampai dengan 10-16. Dengan suatu aplikasi khusus di dalam pemrosesan sinyal di bagian reciver radar maka angka false alarm rate ini dapat dibuat konstan yaitu dengan cara membuat angka threshold pada receiver radar besarnya dibuat bervariasi mengkuti harga rata-rata amplitudo sinyal-sinyal dari echo dan noise yang masuk ke receiver radar tadi. Dengan demikian Pada banyak pengalaman operasi radar menunjukan fitur CFAR dengan angka false alarm rate yang konstan sekitar 10-5 adalah cukup reasonable.

(a)

Sea clutter

(b)

(c)

Gambar 1: (a) Situasi posisi target di atas laut dalam pantauan radar, (b) Citra pada layar monitor Radar dengan banyak 'sea-clutter' bermunculan, (c) Citra pada layar monitor Radar yang diharapkan tanpa adanya 'sea-clutter'

Persyaratan dari sebuah radar untuk dapat menjalankan sea-clutter suppression ini adalah apabila dapat dibuat putaran rotasi antenna ditingkatkan yang biasanya sekitar 5 rpm menjadi beberapa puluh rpm serta adanya algoritma khusus di bagian processor radar. Algoritma yang dimaksud ‘mengum-pulkan’ sejumlah informasi echo dari target-target yang diperoleh tiap satu kali antenna melakukan rotasi scan dan kemudian dengan melakukan proses auto-corellation pada setiap 10 atau 15 rotasi akan dapat dibedakan clutter dengan target’s echo karena target’s echo memiliki koefisien korelasi yang tinggi (mendekati angka satu). Oleh karena manfaatnya itu maka fitur seaclutter suppression ini kemudian direkomedasikan menjadi sebuah keharusan bagi radar untuk pemantauan permukaan laut. 3.2 Fitur CFAR Dalam pengoperasian radar konvensi-onal terdapat kemungkinan dimana sejumlah blip tampak muncul di monitor yang kemudian oleh operator diinterpretasikan sebagai adanya targettarget yang terdeteksi seperti normalnya operasi radar. Akan tetapi tidak seberapa lama kemudian teramati oleh operator bahwa kemunculan blipJakarta, 18 – 19 April 2007

69


band-width dari gelombang carier per-samaan (2) dan (3).

3.3 Fitur Pulse Compression Pada umumnya search radar meru-pakan radar pulsa, artinya di dalam pende-teksian keberadaan target serta jaraknya memanfaatkan gelombang carier yang dipan-caran dan diterima oleh antenna akibat pe-mantulan dari targettarget. Gelombang carier yang digunakan dibentuk sebagai pulsa-pulsa yang oleh antenna dipancarkan ke segala arah dengan melalui rotasi antenna. Radar dikatakan mendeteksi adanya suatu target di suatu sektor tertentu adalah apabila processor di bagian receiver radar berhasil mengkorelasikan sejumlah pulsa pantulan dari target (echo) dengan mencocokan interval waktu antar pulsa serta tenggang waktu (delay) kedatangan pula-pulsa echo yang bersesuaian pada sektor tersebut. Untuk memproleh daya pemisah pada arah azimuth (cross-range resolution) banyak search radar didesain dengan antenna yang memungkinkan menghasilkan lebar berkas gelombang carier (beam-width) yang hingga sesempit 3o saja. Ketika antenna yang digunakan memancarkan pulsa ini diulang-ulang sampai ra-tusan pulsa terpancar dan kembali di setiap sektor arah rotasi antena, maka suatu target akan mendapatkan iluminasi pulsa serta memantulkannya dalam ratusan pulsa pula pada satu sektor tertentu. Semakin banyak jumlah deretan pulsa yang didapat tentu peluang terjadinya deteksi atau probability of detection (POD) juga meningkat. Persoalan yang sering muncul dalam pengoperasian radar adalah tidak hanya POD, serta cross-range resolution yang tinggi melaikan seberapa jangkauan deteksi yang bisa ditawarkan serta berapa range resolution. Dimana range resolution ini berhubungan dengan daya pembeda atas target-target yang lokasinya berdekatan satu dengan lainnya pada arah radial. Salah satu contoh skenario lain di dalam misi patroli maritim adalah seperti yang diilustrasikan pada gambar 2. dimana ada dua target yang lokasinya pada bearing yang sama tetapi terpisahkan satu dengan lainnya hanya terpaut 150 m, maka yang sering terjadi pada monitor radar hanya muncul satu blip saja. Ini artinya pulse-widthnya tidak cukup sempit. Hal ini terkait dengan kenyataan dalam pemancaran gelombang mikro yang dimodulasikan dalam bentuk pulsa-pulsa, dimana pemancaran energi yang dibawa pulsa sebanding dengan pulsewidth (τ) besarnya berbanding terbalik dengan Jakarta, 18 – 19 April 2007

mengikuti

cτ (2) 2 c ρ= (3) 2B dimana, ρ = resolusi (range resolution) c = cepat rambat gelombang elektromagnetik τ = lebar pulsa (pulse width) B = band width ρ=

Tetapi bila pulse-widthnya dibuat lebih sempit lagi akibatnya jarak deteksi menurun, sebab dengan pulse-width yang sempit energi lebih kecil dan cepat menga-lami attenuasi di saat propagasinya. Terlihat di sini ada dua hal yang tampaknya saling kontradiksi antara peningkatan jarak deteksi dengan range resolution. Meskipun secara teoritis mengikuti persamaan (4) jarak jangkauan deteksi dapat ditingkatkan dengan yang tiga hal yang dapat, yakni melalui peningkatan transmiting power, antenna gain dan sensitivity. 4 max

R

Pt Gt Grσλ2 LS = (4π ) 3 F ( SNR )

dimana, Rmax Pt Gt Gr Ls σ λ F SNR

(4)

= Maximum detection range [m] = transmitting power [dBm] = gain pada sisi receiver [dB ] = gain pada sisi receiver [dB] = losses [dB ] = RCS[m2] = panjang gelombang [m] = Noise Figure [dBm] = Signal to Noise Ratio [dB]

Namun dalam kenyataannya dua para-meter pertama tadi merupakan besaran yang khususnya dalam aplikasi pesawat terbang mengalami kendala-kendala mengingat daya listrik yang dibatasi oleh kapasitas alternator yang memungkinkan untuk sebuah pesawat terbang. Demikian pula dengan antenna gain yang berkaitan dengan dimensi antenna, hal ini juga merupakan kendala khas dari aplikasi di pesawat terbang dimana dimensi serta berat adalah sangat dibatasi agar pesawat tidak terkena penalti pada performansi terbangnya. Sementara itu, sensitivity sering dianggap bersifat given untuk jenis receiver tertentu.

70


dapat dibentuk dari gelom-bang carier dengan beberapa nilai frekuensi. Hal ini yang dilakukan dalam teknik Pulse compression, dimana setiap pulsa dibentuk dari gelombang carier frekuensinya yang bervariasi secara linear terhadap lebar pulsa (FMmodulation). Dengan variasi frekuensi dalam tiap pulsa maka pembang-kitan pulsa di sisi transmiter tidak harus sempit, karena dengan adanya FM-modu-lation ini satu pulsa yang lebar akan ’dibagi-bagi’ dalam satuan yang lebih kecil sesuai dengan banyaknya perubahan frekuensi. Sebagai contoh pulsa yang dibangkitkan dengan lebar normal 10 mikro detik dapat di jadikan sesempit 20 nano detik yang tentunya harus digunakan jalur pendispersi. Jalur ini biasanya menggunakan prinsip surface acoustic wave (SAW) yang dapat memungkinkan untuk menunda sebahagian pulsa serambi lebih depan agar ’ditumpuk’ di ujung jalur transmisi dengan sisa sebagian pulsa yang lebih belakang. Dengan penum-pukan ini dapat dimungkinkan pulsapulsa yang terpancar dari antenna memiliki peak power tinggi (karena ditumpuk) dan sekaligus menyempitkan pulse-width. Jalur pendispersi ini ditempatkan di dua tempat yakni setelah transmiter dan sebelum receiver dengan tujuan untuk melakukan rekonstruksi baik saat sebelum dipancarkan maupun ketika pantulan yang kembali diterima antenna sesaat sebelum masuk ke receiver.

Oleh karena itu perlu diterapkan teknik tersendiri untuk melakukan optimasi antara jarak deteksi dan range resolution yang telah ditawarkan dalam teknik pulse compresion yang bisa juga dipandang sebagai fitur tersendiri.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2. (a) Situasi posisi kedua buah target yang bedekatan dalam pantauan search radar (b) Citra pada monitor Radar yang muncul sebagai satu 'blip' saja (c) Citra pada monitor Radar seperti yang diharapkan tanpa dimana dua buah blip yang terpisah.

3.4 Fitur Frequency Agility Dengan memanfaatkan transmiter jenis TWT yang memungkinkan bagi pembang-kitan gelombang carier dengan frekuensi yang diubah-ubah ini, maka bisa menambah fitur lain yang berkenaan dengan perubahan frekuensi gelombang carier yakni fitur frequency agility. Manfaat Fitur frequency agility sebenarnya tidak secara langsung berkaitan dengan detection performance dari radar. Akan tetapi bila dikaitkan dengan situasi operasi search radar yang diperuntukan bagi operasi militer juga, maka ada kebutuhan dari operasi radar agar dapat tetap effektif beroperasi tanpa adanya gangguan jamming oleh kekuatan lawan. Pada prakteknya, seorang operator radar diberikan akses untuk memilih kombinasi 3 sampai 20 frekuensi gelombang carier yang ia inginkan di suatu saat tertentu, dan kombinasinya dapat ia ubah dengan 3 atau 4 macam kombinasi frekuensi lainnya di waktu lain. Dengan demikian, kemungkinan pihak lawan

Pulse compression ini telah dimung-kinkan berkat adanya kemajuan di teknologi transmiter dan processor yang terus berkembang. Di antaranya dengan adanya transmiter dan microwave-amplifier yang solid-state jenis TWT (travelling wave tube). Dibandingkan dengan radar konvensional yang masih menggunakan transmiter sekaligus dari jenis magnetron, maka dengan amplifier TWT dimungkinkan bagi sebuah search radar untuk melakukan berbagai hal. Di antaranya menjadi mudah memanipulasi banyak parameter radar seperti pulse-width (PW), pulse repetition interval (PRI), sampai memvariasikan frekuensi gelombang carier. Karena frekuensi gelombang carier da-pat divariasikan, maka satu pulsa dengan pulsa berikutnya bisa dibentuk dari gelom-bang carier pada frekuensi yang berbeda, bahkan satu pulsa Jakarta, 18 – 19 April 2007

71


untuk dapat melakukan jamming pada frekuensi tertentu akan dapat diperkecil. Dalam rangka memperkecil peluang bagi lawan melakukan jamming teknik lain juga diberlakukan di dalam search radar yang emnggunakan transmiter serta amplifier yang solid-state seperti pada jenis TWT ini yaitu dengan memvariasikan PRI. Dengan demikian akan lebih sulit lagi jamming dilakukan. Teknik memvariasikan PRI ini dikenal pula dengan pulse repetition frequency (PRF) agility.

(b) Gambar 3. (a) Citra ISAR (citra sintetik) yang muncul pada monitor Radar seperti silhouette (b) Foto dari target yang diambil dengan kamera

3.5 Fitur ISAR Kemampuan ISAR sangat membantu operator di pesawat patroli maritim dalam melakukan identifikasi atau recognition targettarget melalui citra sintetik yang dihasilkan oleh radar yang berkemampuan ISAR. Citra sintetik seperti yang diilus-trasikan pada gambar 3. semacam silhouette dari target yang disurvey ini ditampilkan pada sebuah window terpisah di monitor setelah beberapa detik posisi antenna berhenti sejenak mengarah ke target yang disurvey tadi. Pada saat citra ISAR dari suatu target telah terbentuk maka antenna segera berotasi kembali guna mlanjutkan proses search, sementara citra silhouette tadi dibuat freeze pada window tersendiri untuk evaluasi lanjutan hingga kemudian akan terhapus saat dilakukan kembali proses survey ISAR pada target berikutnya. Kamampuan ISAR dirasakan banyak membantu operator dikarenakan proses identifikasi atau recognition atas target bisa dilakukan meski jaraknya masih sekitar 80 km di mana unaided eye observation masih tidak dimungkinkan. Meskipun citra silhouette yang didapat tidaklah persis seperti citra yang biasa didapat dari sebuah camera, akan tetapi untuk seorang operator yang terlatih, citra ISAR ini telah cukup memberikan informasi tentang target sehinga cukup confident untuk dikatakan apakah target tersebut dari jenis kapal tanker atau kapal perang, misalnya.

3.6 Fitur Track While Scan(TWS) Kemampuan lain yang disebut TWS juga dirasakan sangat membantu operator pesawat patroli maritim dalam melakukan pemantauan atas sejumlah target yang tersebar luas di atas perairan. Dalam area tersebut target-target bisasa berupa kapal-kapal yang jumlahnya bisa demikian padat hingga 100 target atau bahkan lebih. Hal ini tentunya bagi operator radar cukup meningkatkan work-loadnya jika terus menerus harus mengikuti (tracking) puluhan sejumlah target tersebut. Dengan fitur TWS seorang operator dapat memberi nomor identitas atas target-target tertentu yang dianggap ‘menarik’ atau mencurigakan untuk dievaluasi. Kemudian melalui processornya radar yang dilengkapi fitur TWS ini akan menginformasikan kecepatan serta arah haluan target setiap saat. Prinsip kerja tracking pada fitur TWS ini berbeda dengan pengertian tracking yang dimiliki oleh radar pengendalian misile dimana arah antennanya terus menerus mengikuti arah misile, adapun kemampuan TWS dalam search radar ini antenanya tetap berotasi secara kontinyu memonitor seluruh sector. Hal ini dimungkinkan karena di dalam memori processor dari search radar ini tersimpan sejumlah posisi dari target-target yang telah ditandai oleh operator tadi dan posisi-posisi ini terus menerus diupdate sehingga prubahan demi perubahan posisi target memberikan informasi kecepatan serta arah haluan. Dengan otomatisai yang ditawarkan fitur TWS ini dapat menurunkan work-load dari operator radar, sehingga dapat mencegah operator mencapai kondisi fatigue yang pada akhirnya meningkatkan ‘endurance’ operator tersebut.

(a)


72


kepada Bapak Sugeng Wiyono dan Bapak Mula Warman Wangsaputra selaku specialis avionik yang telah memberikan masukan-masukan untuk penulisan makalah ini.

4. Kesimpulan Untuk melakukan patroli atas wilayah maritim Indonesia yang demikian luas penggunaan search-radar yang dipasang di pesawat terbang dapat menjadi solusi yang tepat karena dengan ketinggian serta kecepatan pergerakan pesawat membuat cakupan pemantauan laut menjadi sangat luas jika dibandingkan dengan ground based radar maupun shipborne radar. Untuk memperoleh efektifitas pengoperasian search radar di pesawat patroli maritime sangat direkomendasikan untuk memastikan fitur-fitur radar seperti sea clutter suppression, CFAR, pulse compression, frequency agility, ISAR, dan Track While Scan diimplementasikan.

6. Referensi [1] Allen, Chris, 'Radar Pulse Compression’ Information and Telecommunication Technology Center, June 2004. [2] Edde, Byron. Radar Principles, Technology, Applications, Prentice-Hall Inc. New Jersey, 1993. [3] Gardner, W. J. R., Anti Submarine Warfare, Royal naval College, London 1996. [4] Kingsley, S. and Quegan S., Understanding radar Systems, McGraw-Hill, London, 1996. [5] Hovanessian, S.A. ‘Radar System Design Analysis’ Artech House, Inc., Northwood, MA, 1984 [6] ‘Down to Earth’ Magazine No. 45, May2000: Coastal Resources – Jakarta, 2000

5. Ucapan Terimakasih Ucapan terimakasih disampaikan kepada Bapak Andi Alisjahbana dan Bapak Rangsang Wiwaswan selaku Management P.T. DI. Juga


73


State Feedback Robust Tracking Controller Based on Preview- H ∞ Control Approach Estiko Rijanto Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (Puslit Telimek), LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA (LIPI), Research Center for Electrical Power and Mechatronics, INDONESIAN INSTITUTE OF SCIENCES, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 40135, Indonesia; email: [email protected]. Abstrak Di dalam makalah ini diusulkan sebuah metoda baru merancang pengendali tracking menggunakan pendekatan kendali preview- H ∞ (H tak terhingga). Nama kendali preview- H ∞ pada makalah ini memiliki arti kombinasi antara teori kendali preview dan teori kendali H ∞ . Dengan mengasumikan bahwa jalur lintasan objek radar dapat diprediksi untuk beberapa waktu pencuplikan ke depan, maka informasi tentang sinyal referensi masa depan ini dapat digunakan untuk membuat pengendali trakcing yang memiliki kinerja yang lebih baik. Di lain pihak, teori kendali H ∞ digunakan untuk membuat sistem kendali lebih kokoh (robust) terhadap gangguan internal maupun eksternal seperti gaya tiupan angin. Pada makalah ini tata kendali umpan balik keadaan telah diformulasikan berdasarkan prinsip maksimum dan teori defferential game. Selain itu, hubungan antara fungsi pinalti dan H ∞ -norm juga telah dianalisa. Kata kunci: umpan balik keadaan, kokoh, tracking, pengendali, preview, kendali kokoh H ∞ (tak terhingga), radar, target, lintasan, jalur. Abstract This paper proposes a novel design method of a state feedback robust tracking controller based on previewH ∞ (infinity) control approach. The name of preview- H ∞ control in this paper implies the combination between preview control theory and H ∞ control theory. By assuming that the radar target future travel path can be predicted for certain number of sampling period, the future information of reference signal can be utilized to construct a tracking controller with better tracking performance. On the other hand, the H ∞ control theory has been used to make the control system more robust against internal and external disturbances including wind force. The formulation of state feedback preview- H ∞ control law has been carried out by the use of the maximum principle and differential game theory. Moreover, the relation between the cost function and H ∞ norm criterion has been analyzed. Key words: state feedback, robust, tracking, controller, preview, H ∞ control, radar, target, travel, path.

that the antenna’s beam position be changeable essentially instantaneously, and this is normally possible only with electronically scanned antennas. For true tracking to take place, the target(s) must be sampled at the Nyquist rate for the track servo bandwidth and target maneuvering bandwidths [1]. By the use of the so called α − β filter whose parameters are tuned using the Kalman filter algorithm the radar target travel path can be predicted [2]. When the radar target travel path undergoes totally unpredictable high-G maneuvers it is often desired to use multiple tracking gates [3].

1. Introduction A tracking radar should follows the position of one or more objects in space, ignoring the content of the space not occupied by the target(s) being tracked. In Single Target Track (STT) the radar follows a single object and ignores all others. In Multi Target Track (MTT) the radar continuously monitors the position of several targets, with each target sampled many times per second. Effectively,one radar performs the function of as many tracking radars as there are targets being tracked. Multi-target tracking requires 74


By assuming that the radar target future travel path can be estimated for certain number of sampling period during operation, the future information of the reference signal can be utilized to construct a tracking control system with better tracking performance. The control method which incorporates the future information is well known as preview control. So far the preview control has been analyzed in the frame work of Linear Quadratic Regulator (LQR) or Linear Quadratic Gaussian (LQG) control theory, and the preview control system has been designed to optimize a cost function of Linear Quadratic form which contains certain state variables, reference signals, and control input needed. It has been known that, compared with feedback LQR/LQG, the preview control makes further reduction of the minimum value achievable by the cost function. Also the preview control results in a zero-phase control system in which the phase of the state variable being controlled is the same as that of the reference signal for relatively low frequency domain [4]. In spite of these advantages, the preview control has the lack in that it does not take into consideration the effects of un-certain disturbance. The disturbances may be present in two types, i.e., internal disturbance due to unmodeled dynamics or parametric variation, and external disturbance such as friction forces, wind forces, and so on. Using H ∞ control theory, these disturbances can be taken into consideration in the design stage of the control system. The specifications such as stability robustness against internal disturbance and low sensitivity against external disturbance are reduced to a criterion in terms of H ∞ norm by means of appropriate weighting functions [7], [8]. However, the feedback H ∞ control uses only information corresponding to the present state value, and the limitations such phasedelay will probably be encountered. This paper presents a novel method for designing a state feedback robust tracking controller based on preview- H ∞ control approach which is a combination of preview control and H ∞ control. The analytical

2. Optimal Preview Control In this section, for the sake of simplicity, a linear dynamic system as shown in state space equation (1) is considered. Here, x1 , x 2 are the state variables of the plant to be controlled, and x e is a manipulated state variable which is obtained by integrating the error signal between x 2 and a reference signal r . In this paper, the integral action is incorporated to ensure zero steady-state error. u is the control input. Evaluation equation is expressed in equation (4) where ( z1, z 21, z 22 ) are evaluation signals and ( η1 ,η 2 ) are weighting coefficients which should be adjusted during the design of the controller. During the formulation of the optimal preview control law disturbance w1 due to uncertainty of either the plant or the environment which is not a priory known is not used.

⎡ x&1 ⎤ ⎡− a1 ⎢ x& ⎥ = ⎢ 1 ⎢ 2⎥ ⎢ ⎢⎣ x& e ⎥⎦ ⎢⎣ 0

− a2 0 −1

⎡ x& ⎤ ⎡ A ⎢ x& ⎥ = ⎢C ⎣ e⎦ ⎣ 1

0⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡b ⎤ ⎡0⎤ 0⎥⎥ ⎢⎢ x 2 ⎥⎥ + ⎢⎢0⎥⎥ u + ⎢⎢0⎥⎥ r (1) 0⎥⎦ ⎢⎣ xe ⎥⎦ ⎢⎣0⎥⎦ ⎢⎣1⎥⎦

0⎤ ⎡ x ⎤ ⎡ B1 ⎤ ⎡0 ⎤ + ⎢ ⎥ u + ⎢ ⎥ r (2) ⎢ ⎥ ⎥ 0⎦ ⎣ x e ⎦ ⎣ 0 ⎦ ⎣1 ⎦

Or simply,

x& = Ax(t ) + B1u (t ) + Br r (t ) , where: x(t 0 ) = x0 .

⎡ z1 ⎤ ⎡0 0 0 ⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡ξ ⎤ ⎢ z ⎥ = ⎢0 η 0 ⎥⎥ ⎢⎢ x 2 ⎥⎥ + ⎢⎢ 0 ⎥⎥ u 1 ⎢ 21 ⎥ ⎢ ⎢⎣ z 22 ⎥⎦ ⎢⎣0 0 η 2 ⎥⎦ ⎢⎣ xe ⎥⎦ ⎢⎣ 0 ⎥⎦ 0 ⎤ ⎡ x ⎤ ⎡ξ ⎤ ⎡ z1 ⎤ ⎡ 0 ⎢ z ⎥ = ⎢C C ⎥ ⎢ x ⎥ + ⎢ 0 ⎥ u 2e ⎦ ⎣ e ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ 2⎦ ⎣ 2 ⎡ z1 ⎤ ⎡ 0 ⎤ ⎡ x ⎤ ⎡ξ ⎤ ⎢ z ⎥ = ⎢C ⎥ ⎢ x ⎥ + ⎢ 0 ⎥ u ⎣ 2 ⎦ ⎣ 2 ⎦⎣ e ⎦ ⎣ ⎦ z (t ) = Cx(t ) + Du (t ).

(3)

(4)

(5) (6)

(7) Here, the following cost function to be minimized is considered,

J=

formulation of the state feedback preview- H ∞ control law has been derived in the continuous time domain.

1 z 2′ (t f ) Sz 2 (t f ) + 2

1 tf [z ′2 (t )Q z 2 (t ) + u ′(t ) Ru (t )]dt , 2 ∫ t0 75

(8)


where: S , Q, R = ξ ′ξ are positive definite matrices. Let the Hamiltonian be defined as follows: 1 1 H ( x, u , λ , t ) = z ′2 (t )Q z 2 (t ) + u ′(t ) Ru (t ) 2 2 + λ ′(t )[Ax(t ) + B1u (t ) + Br r (t )], (9) where λ (t ) is the Lagrange multiplier. Using the maximum principle, in order to minimize the cost function, the following must hold [5],

∂H =0 ∂u

the dynamical system to be controlled, K = −r −1 B1′P(t ) , and F f represents the reference signal processor q (t ) according to equation (16). Ff

-

s

u

θb P

Figure 1. The Closed Loop System

u = − R −1 B1′λ (t ),

(11)

∂H = −λ& = C 2′ QC 2 x(t ) + A′λ (t ) ∂x

(12)

3. Preview- H ∞ Control 3.1. Reference Signal a Priori Known for Total Working Time [t 0 , t f ]

With the terminal condition, ⎫ ⎧1 ∂ ⎨ z ′2 (t f ) Sz 2 (t f )⎬ 2 ⎭ ⎩ = C 2′ SC 2 x(t f ) . (13) λ(t f ) = ∂x(t f )

Taking into consideration the uncertain disturbance w1 and setting ξ = 1 , the statespace equation (3) and the evaluating equation (7) can be expressed by the following equations:

To determine the control law, it is assumed that, λ (t ) = P(t ) x(t ) + q(t ) . (14) From equations (3), (11), (12), and (14), the following differential equations are obtained,

P& (t ) + P(t ) A + A′P(t ) − P (t ) B1 R −1 B1′P (t 0 + C 2′ QC 2 = 0

[

ub K

(10)

Which yields, And

w1

uf

Ff 1

r

calculating

x& = Ax(t ) + B1u (t ) + Br r (t ) + Bw w1 (t ) (20) where x(t 0 ) = 0 , and ⎡ z ⎤ ⎡ 0 ⎤ ⎡ x ⎤ ⎡1⎤ z = ⎢ 1 ⎥ = ⎢ ⎥⎢ ⎥ + ⎢ ⎥ u ⎣ z 2 ⎦ ⎣C 2 ⎦ ⎣ x 2 ⎦ ⎣0⎦

(15)

Equation (20) can be expressed as follows

]

q& (t ) + A − B1 R −1 B1′P(t ) ′ q (t ) + P (t ) Br r (t ) = 0

(21)

⎡w ⎤ B1 ] ⎢ 1 ⎥ + Br r (t ) ⎣u⎦ x& = Ax(t ) + Bv + Br r

x& = Ax(t ) + [Bw (16)

(22)

(23) Suppose that the reference signal r (t ) is

where the boundary conditions are,

P (t f ) = C 2′ SC 2 = Pt f

(17)

known during the total working time [t 0 , t f ] ,

q(t f ) = 0

(18)

and let a cost function be defined by,

1 z ′2 (t f ) S z 2 (t f ) + 2 ⎡− γ 2 0⎤ ⎡ w1 ⎤ 1 tf [ z ′2 z 2 + [w′ u ′] ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ] dt (24) 2 ∫ t0 1⎦ ⎣ u ⎦ ⎣ 0 1 1 tf = z ′2 (t f ) S z 2 (t f ) + ∫ [z 2′ z 2 + v ′R v ]dt (25) 2 2 t0 J =

The control law is then given by,

u (t ) = − R −1 B1′[P(t ) x(t ) + q(t )] = − R −1 B1′P(t ) x(t ) − R −1 B1′q(t ) = ub + u f (19) where P (t ) and q (t ) are the solution of equation (15) and equation (16), respectively. The total control input is composed by feedback control input u b and feed-forward

where γ is a given positive value.

Analogy to the previous section, the cost function J [t0 ,t f ] is optimized by

control input u f . Therefore, the closed loop system can be illustrated as in figure 1. P is 76


w1 (t ) = γ −2 Bw′ P (t ) x(t ) + γ −2 Bw′ q (t )

where F = P (t f ) .

(26)

u (t ) = − B1′P (t ) x(t ) − B1′q (t ) , (27) P (t ), q (t ) are solutions of the

Let define a Lyapunov function of the energy as: (36) V = x ′P x , Then the following equation must hold,

where following differential equations,

P& (t ) + P (t ) A + A′P (t )

[

]

− P (t ) B1 B1′ − γ B w B w′ P (t ) + C 2′ C 2 = 0 −2

[

∫

(28)

0

[ x ′P& x + x& ′P x + x ′P x& ]dt − x ′P x

]

∫

+ P (t ) Br r (t ) = 0 (29) (30)

q (t f ) = 0 .

(31)

∫

T 0

( z ′z − γ 2 w′w)dt ≤ −ε w ⇔

2)

∫

∞ 0

z w

− x ′P x

⇔

2 [ 0 ,T ]

∫

2

0

⎡ α ⎢ [ x ′ w1′ u ′]⎢ Bw′ P ⎢ B1′P ⎣

P Bw − γ2 0

P B1 ⎤ ⎡ x ⎤ ⎥ 0 ⎥ ⎢⎢w1 ⎥⎥ dt 1 ⎥⎦ ⎢⎣ u ⎥⎦

0

where α = ( P& + A′P + P A + C 2′ C 2 ) .

∞

By substituting P& of equation (28) into equation (39) and recalling that x(0) = 0 yields T

J [T , F ] = ∫ [u + B1′P x]′[u + B1′P x] dt 0

(32)

T

− γ 2 ∫ [w1 − γ −2 Bw′ P x]′[w1 − γ 2 Bw′ P x] dt 0

the design criterion in terms of H ∞ -norm can be expressed as follows Tzw ∞ < γ . (33)

T

+ ∫ ( x ′P Br r + r ′Br′ P x) dt (40) 0

If r (t ) = 0 , the third term in the right side of equation (40) become zero. In this case the saddle point is given by u (t ) = u * (t ) = − B1′P (t ) x(t ) (41)

According to the induced norm concept, this criterion is equivalent with the following criterion [6]. ∞

J ∞ = ∫ [ z (t )′ z (t ) − γ 2 w1 (t ) ′w1 (t )] dt < 0 .(34)

w(t ) = w * (t ) = γ −2 Bw′ P (t ) x(t ) (42) where u*, w * are optimum solution for

0

On the order hand, assuming t f = t 0 + T and

controlled input and disturbance, respectively. Here, w * can be interpreted as the worst disturbance. Therefore, the cost function above can be expressed by

t 0 = 0 , form the cost function in equation (25), the following cost function can be defined

J [T , F ] = xT′ FxT

0

0

T

<γ

+ ∫ [ z (t )′ z (t ) − γ 2 w1 (t )′w1 (t )]dt ,

0

t

+ ∫ ( x ′P Br r + r ′Br′ P x) dt = 0 . (38)

+ ∫ ( x ′P Br r + r ′Br′ P x)dt . (39)

where ε is a small positive parameter. When the transfer function matrix from uncertain disturbance w1 to the evaluation signal z is denoted by

T

T

2 [ 0 ,T ]

z ( s) = Tzw ( s ) w1 ( s )

T

J [T , F ] = xT′ FxT − x ′P x T0 +

2

[ 0 ,T ]

z w

1

Since adding equation (38) into the cost function of equation (34) does not change the value, the cost function can be expanded as follows,

<γ

( z ′z − γ 2 w′w)dt ≤ −ε w

= 0 (37)

+ ( x ′P Bw w1 + w1′ Bw′ P x)] dt

In order to analyze the relationship between the cost function and H ∞ -norm criterion, the following mathematical definition is introduced [6]. 1)

0

1

0

The boundary conditions are,

P (t f ) = C 2′ S C 2 > 0

T

Substituting equation (23) into equation (37) the following equation is obtained, T [ x ′( P& + A′P + P A) x + ( x ′P B u + u ′B ′P x)

q& (t ) + A − ( B1 B1′ − γ Bw Bw′ ) P (t ) ′ q (t ) −2

T

(35)

77


J [T , F ] = u − u *

Therefore, total cost function to be optimized is J tot = J1 + J 2 . (51) From linear Optimal control Theory it is well known that the optimum value of the cost function J 2 is

− γ 2 w − w * 22 ,[ 0,T ] (43) for any controlled input u and any disturbance w . For the optimum control input, equation 2 2 ,[ 0 ,T ]

(43) means that

Tzw

[ 0 ,T ]

<γ .

(44)

If T is assumed to be infinity, then P& = 0 , and the H ∞ norm criterion of equation (33) or equation (34) is satisfied. When r (t ) ≠ 0 , by substituting the

J 2 = x′(t0 + τ ) Pˆ x(t0 + τ ) . (52) where Pˆ is the solution of the following Algebraic Riccati Equation

Pˆ A + A′Pˆ + C2′C2

optimum w1 (t ) in equation (26) and u in equation (27) into the cost function in equation (40), the following is obtained

− Pˆ [ B1B1′ − γ −2 ( Br Br′ + Bw Bw )]Pˆ = 0 (53) From equations (49), (51), (52) the cost function J tot can be expressed as:

T

J [T , F ]opt = ∫ [(q −1 (t )(B1 B1′ − Bw Bw′ ) q (t )] dt

J tot = x′(t0 + τ ) Pˆ x(t0 + τ ) +

0

T

+ ∫ [ x ′P Br r + Br′ P x] dt (45)

t0 + τ

∫t

0

According to the induced norm, the following relation are obtained Tzw [ 0,T ] = J [T , F ]opt − xT′ FXT (46)

Tzw

[∞]

= J [ ∞ , F ]opt − x∞′ FX∞

(47)

present, the H ∞ -norm criterion of the transfer function from the disturbance to the evaluation signal is affected by it. 3.2 Reference Signal Previewed for a Certain Short Interval of Time [t 0 , t 0 + τ ] In this case, it is assumed that the reference signal r (t ) is known only during a certain interval of time τ which is much lesser than the total working time T which is assumed to be long enough. During the interval [t 0 , t 0 + τ ] the following cost function is considered t0 + τ t0

4. Conclusions and Discussions The preview- H ∞ control law has been derived which has the feedback and feed forward parts. The control law is given by solving a Riccati equation and by calculating a differential equation of the signal used in the feed forward part. Concerning the prediction of future value of reference signal, two results have been obtained, i.e., reference signal previewed for total working time [t 0 , t f ] , and

[ z (t ) ′ z (t ) − γ 2 w1 (t ) ′w1 (t )]dt . (48)

∞ t0 + τ

[ z (t ) ′ z (t ) − γ 2 w(t ) ′w(t )]dt .

(49)

reference signal previewed for a certain short interval of time [t 0 , t 0 + τ ] .

Where

⎡ r (t ) ⎤ w=⎢ ⎥. ⎣ w1 (t )⎦

(54)

from the disturbance w1 (t ) to the evaluation signal z (t ) can be carried out in similar way as in the previous subsection

Since for the rest interval of time [t 0 , t 0 + τ ] the reference signal is unknown, it is considered as uncertain disturbance along with w1 (t ) . Assuming that T is infinity, during this interval the following cost function is considered J2 = ∫

[ z ′(t ) z (t ) − γ 2 w1′ (t ) w1 (t )]dt

Since the cost function of equations (54) and (35) are similar with the only difference in their terminal conditions, the control law which optimizes the cost function J tot of equations (54) subject to the constraint of equation (20), is also given by equation (27) with Pˆ (t ) calculated from equation (28) and q (t ) calculated from equation (29). More over, since the cost function of equation (54) and (35) are similar with the only difference in their terminal conditions, the analysis of H ∞ -norm of the transfer function

Therefore when the reference signal r (t ) is

J1 = ∫

0

From the analysis of H ∞ -norm criterion it has been found that the reference signal has

(50)

78


of instrumentation and control engineers, No.1, Vol.5, pp.86-94, Japan, 1969. [5] A.P. Sage and C.C. White III, ”Optimum System Control”, Prentice-Hall, New Jersey, 1977. [6] M. Green and D.J.N. Limbeer, ”Linear Robust Control”, Prentice-Hall, New Jersey, 1995

an effect on the value of the H ∞ -norm of the transfer function from the disturbance to the evaluation signal.

5. References [1] Byron Edde, ”RADAR: Principles, Technology, Applications”, Prentice Hall Inc., New Jersey, 1993. R. Benedict and G. W. [2] T. Bordner, ”Synthesis of an Optimal Set of Radar Tracking-While-Scan Smoothing Equations”, IRE Transactions, vol.AC-7, pp.27-32, July 1962. [3] G. V. Trunk, ”Survey on Radar ADT”, Naval Research Laboratory Report 8698, June 1983. [4] M. Hayase and K. Ichikawa, ”Optimal Servo Systems Utilizing Future Value of Desired Function”, Journal of the society

[7] B.A. Francis, ”A Course in H ∞ Control theory”, Lecture Notes in Control and Information Sciences, Springer-Verlag, Heidelberg, 1987 [8] Doyle J.C., Glover K., Khargonekar P., and Francis B., ”State-Space Solutions to Standard H 2 and H ∞ Control Problems”, IEEE Trans. on Automatic Control, vol.34, No.8,1989.

79


Design of Radar Antenna Tracking Servo Using State Feedback Robust Tracking Controller Based on Preview- H ∞ Control Approach Estiko Rijanto Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (Puslit Telimek), LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA (LIPI), Research Center for Electrical Power and Mechatronics, INDONESIAN INSTITUTE OF SCIENCES, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 40135, Indonesia; email: [email protected]. Abstract This paper presents an application of preview- H ∞ control method on designing a radar antenna tracking servo. Assuming that the radar target future travel path can be estimated for certain number of sampling period during operation, the future information of the reference signal can be utilized to construct a tracking control system having better tracking performance towards the reference signal as well as robustness against disturbance. In this paper, the preview- H ∞ control uses state feedback. The tracking performance towards the reference signal is analyzed both in frequency domain and in time domain. The frequency responses are compared with those of the control systems designed using either only H ∞ feedback control or conventional optimum preview control. To evaluate the time response, reference signals of type of sinusoidal and sigmoid function have been applied. From the numerical analysis results obtained in this study it has been verified that the control system with preview- H ∞ controller has better tracking performance than that which uses only H ∞ feedback controller, and also that it performs better disturbance attenuation characteristics than a control system designed using only optimum preview controller. Keywords: radar, antenna, tracking, servo, state feedback, preview, H ∞ , controller. Abstrak Makalah ini mengetengahkan sebuah aplikasi metoda kendali preview- H ∞ (H tak terhingga) dalam perancangan tracking servo untuk antena radar. Dengan mengasumsikan bahwa jalur lintasan target radar dapat diprediksi untuk beberapa waktu pencuplikan ke depan, maka informasi masa depan ini dapat digunakan untuk merancang pengendali traking yang memiliki sifat lebih kokoh terhadap gangguan dan memiliki kinerja tracking yang lebih baik. Pengendali preview- H ∞ pada makalah ini menggunakan umpan balik keadaan. Performansi tracking terhadap sinyal referensi telah dianalisa baik pada domain frekuensi maupun pada domain waktu. Responsi frekuensi telah dibandingkan dengan responsi frekuensi sistem kendali yang dirancang hanya berdasarkan pengendali H ∞ , dan juga telah dibandingkan dengan sistem kendali yang dirancang hanya berdasarkan pengendali preview optimum konvensional. Untuk mengevaluasi responsi waktu, sinyal referensi berbentuk sinusoidal dan sinyal referensi berbentuk fungsi sigmoid telah digunakan. Dari hasil analisa numerik yang diperoleh, di makalah ini telah dibuktikan bahwa sistem kendali yang memakai pengendali preview- H ∞ memiliki kinerja tracking lebih baik daripada sistem yang dirancang hanya berdasarkan kendali H ∞ , dan juga bahwa sistem tersebut lebih kokoh terhadap gangguan daripada sistem yang dirancang hanya menggunakan pengendali preview optimum. Kata kunci: radar, antena, tracking, servo, umpan balik keadaan, pengendali, preview, H ∞ .

being tracked. In Single Target Track (STT) the radar follows a single object and ignores all others. In Multi Target Track (MTT) the radar continuously monitors the position of several targets, with each target sampled many times per

1. Introduction A tracking radar should follows the position of one or more objects in space, ignoring the content of the space not occupied by the target(s)

80


feedback robust tracking controller based on a novel control approach named preview- H ∞ control [5]. First, radar tracking system is briefly reviewed and a dynamical model of servo mechanism is formulated. Second, the procedure to design a preview- H ∞ controller is detailed. Third, formulae of the frequency response is derived, and the frequency responses are plotted and analyzed. Finally, the benefits and limitations of the tracking control using the preview- H ∞ controller are discussed.

second. Effectively, one radar performs the function of as many tracking radars as there are targets being tracked. Multi-target tracking requires that the antenna’s beam position be changeable essentially instantaneously, and this is normally possible only with electronically scanned antennas. For true tracking to take place, the target(s) must be sampled at the Nyquist rate for the track servo bandwidth and target maneuvering bandwidths [1]. Figure 1 shows an illustration of travel path of radar target. By the use of the so called α − β filter whose parameters are tuned using the Kalman filter algorithm the radar target travel path can be predicted [2]. When the radar target travel path undergoes totally unpredictable high-G maneuvers it is often desired to use multiple tracking gates [3].

2. Radar Tracking System Model Figure 2 shows an illustration of a radar tracking system.

Figure 1. Travel Path of Radar Target [1]. Figure 2. Radar Tracking System [1]

By assuming that the radar target future travel path can be estimated for certain number of sampling period during operation, the future information of the reference signal can be utilized to construct a tracking control system with better tracking performance. The control method which incorporates the future information is well known as preview control. It has been known that, compared with feedback LQR/LQG, the preview control makes further reduction of the minimum value achievable by the cost function [4]. In spite of these advantages, the preview control has the lack in that it does not take into consideration the effects of un-certain disturbance. The disturbances may be present in two types, i.e., internal disturbances due to unmodeled dynamics or parametric variation, and external disturbances such as friction forces, wind force and so on. Using H ∞ control theory, these disturbances can be taken into account in the design stage of the control system. However, the feedback H ∞ control uses only information corresponding to the present state value, and the limitations such phase-delay will probably be encountered. This paper presents a design method of radar antenna tracking servo using state

The system uses information derived in the antenna (receiver) and tracking circuits to move the antenna beam so that its axis position be in the direction of the target. The angle servo mechanism receives elevation error and azimuth error signals from the angle error demodulator and produces control input to the actuator. Taking into account the stiffness of the mechanism and the dynamics of electrical motor, the dynamic equation of the radar antenna tracking servo can be formulated as follows, K K ⎫ dθ d 2θ ⎧ + ⎨ K cm + t e ⎬ Jo dt Ra ⎭ dt ⎩ K t K pa (1) + K sp (θ − θ b ) = u Ra d 2θ b dθ Jp + K cb b + K sp (θ b − θ ) = 0 (2) dt dt J o , J p are the moment of inertia of the hub and the antenna payload, respectively. θ is the rotational angle of the hub, and θ b is that of the antenna payload. Kcm, Kcb are the damping coefficients of the motor and of the antenna. Kt is the torque constant, Ke is the back electro motive force constant, and Ra is the internal

81


resistance of the DC motor. Ksp is the flexural rigidity of the mechanism, Kpa is the gain of the power amplifier, and u is the control voltage. Table 1 shows an example of parameters values set used in the numerical analysis.

⎡B ⎤ + ⎢ w ⎥ w1 ⎣0⎦

x& = Ax(t ) + B1u (t ) + Br r (t ) + Bw w1 (t )

Value

Unit

1.61 x 10-3 9.63 x 10-3 0.2 9.32 x 10-3 2.98 x 10-3

N ms2/rad N ms2/rad Kg N ms/rad N ms/rad

3 0.0735 0.0735 10

N ⋅m/ A V ⋅ s / rad

(4)

and the evaluation signals is given by,

⎡ z1 ⎤ ⎡ O ⎤ ⎡ x ⎤ ⎡ 1 ⎤ ⎢ z ⎥ = ⎢C ⎥ ⎢ x ⎥ + ⎢0⎥u ⎣ 2 ⎦ ⎣ 2 ⎦⎣ e ⎦ ⎣ ⎦ ′ where z 2 = [z 21 z 22 ] .

Table 1. Servo Mechanism Parameter Values

Parameter Antenna-payload Jo Jp M Kcb Ksp Motor-Hub Ra Kt Ke Kpa

(3)

(5)

Here it is assumed that the reference signal r(t) is known only during preview time, a certain interval of time τ , which is much lesser than the total working time T which is assumed to be infinity. The preview- H ∞ controller is designed to optimize the following cost function

Ω

J =∫

t0 + τ t0

[ z (t )′ z (t ) − γ 2 w1′ (t ) w1t ]dt

+∫

-

∞ t0 + τ

[ z (t )′ z (t ) − γ 2 w1′ (t ) w1t ]dt

(6)

where

⎡ r (t ) ⎤ w=⎢ ⎥ ⎣ w1 (t ) ⎦

3. Design of Preview- H ∞ Controller [5] 3.1. Controller Design To design a preview- H ∞ controller, firstly a generalized plant including the nominal plant of the antenna servo mechanism and weighting coefficients has been constructed as shown figure 3. Z1 u

bw

w1

P (s )

Z 21 η1

θb

γ is a positive value which should be selected properly during the design process. According to preview- H ∞ control theory, the control law which optimize the cost function is given by [5] u (t ) = − B1′Px(t ) − B1′q (t ) (8) where P>0 and q(t) are solutions of the following equations PA + A′P + C 2′ C 2 − P B1 B1′ − γ −2 Bw Bw′ P = 0 (9)

Z 22

r

η2

1 s

(7)

[

Xe

q& (t ) + [ A − ( B1 B1′ − γ

Figure 3. Generalized Plant

]

−2

B w B w′ ) P ]′q (t )

+ PBr r (t ) = 0

(10) where the terminal condition at the end of each preview time is q (t + τ ) = 0 . (11) It is important to note here, that if γ = ∞ then the preview control system becomes a conventional optimal preview control system.

u is the control input, r is the reference signal, and w1 is the torque disturbance. z1, z21, z22 denote the evaluation signals. z1 is devoted to stability robustness while z21 and z22 are related to tracking performance specifications. Integral action has been incorporated after the error signal (r - θ b ) to ensure zero-steady-state error.

3.2. Closed Loop System Equation (9) has the form of Algebraic Riccati Equation (ARE) which is usually solved by means of a numerical method. While equation (10) should be solved backwards in time. From equation (10) the following equation is obtained

bw , η1 , η 2 are the weighting coefficients which should be selected properly to obtain a tracking control system with good tracking performance and robustness properties. This generalized plant can be expressed in the following state-space equation, ⎡ x& ⎤ ⎡ A O⎤ ⎡ x ⎤ ⎡B1 ⎤ ⎡O⎤ ⎢x& ⎥ = ⎢C 0 ⎥ ⎢x ⎥ + ⎢ 0 ⎥ u + ⎢ 1 ⎥ r ⎣ ⎦ ⎦ ⎣ e⎦ ⎣ ⎦ ⎣ e⎦ ⎣ 1

t +τ

q(t + τ ) = e − Mτ q (t ) + ∫ t

82

e− M (t +τ −δ ) PBr r (δ ) dδ , (12)


where M = [A − ( B1 B1′ − γ − 2 B w Bw′ ) P ] . Substituting the terminal condition of equation (11), the following equation is obtained ′

q(t ) = e Mτ ∫

t +τ t

e − M (t + τ −δ ) PBr r (δ)dδ,

Therefore, the transfer function from r to q is

Tqr (s ) =

−1

−1

[

F f = PBr

e

M∆ε

PBr

... e

( n −1)M∆ε

PBr

X (s ) = [sI − Acl ] Br R(s ) −1

+ [sI − Acl ] B1 (− B1′Tqr (s ))R(s ) −1

]

+ [sI − Acl ] B1 w1 (s ). −1

FB (s ) = [sI − Acl ] Br , FF1 (s ) = − B1′q1 (s ) −1

Ff 1

r

s

-

K

FB0 (s ) = [sI − Acl ] B1 , FF2 (s ) = − B1′q 2 (s ). −1

Or simply

X (s ) = FB(s ) + FF (s ). R(s )

w1

uf

u

of the feedback parts and the feed forward part. To analyze tracking performance and robustness properties, certain frequency responses have been evaluated. The weighting coefficients have been selected as bw = 1, η1 = 10000, and η 2 = 100000 . Figure 5 shows the gain and phase of frequency respons Θ b (s ) R (s ) , from reference

4. Simulation Results

signal r (t ) to the rotational angle of the antenna

4.1.Frequency Response The solution of equation (10) can also be represented by

q (t ) = ∫ t

e

( Acl′ + N ′ )(δ −t )

where Acl = A − B1 B1′P,

PBr r (δ )dδ ,

(23)

FB (s ) and FF (s ) denote the transfer function

θb P

Figure 4. The Closed Loop System

t +τ

(21)

The transfer function from the reference signal to the state vector is then given by X (s ) = FB(s ) + FB0 (s ) ⋅ [FF1 (s ) + FF2 (s )], (22) R(s ) where

The closed loop system is obtained by substituting equation (16) into equation (4) x& = ( A − B1 B1′P) x − B1 B1′q + Br r + Bw w1 (17) Figure 4 shows the block diagram of the closed loop system.

ub

(20)

On operating Laplace transform to the closed loop system of equation (17) the following equation is obtained

′ r = [r (t ) r (t + ∆ε ... r (t + (n − 1)∆ε ] τ n= ∆ε Therefore, the control input is calculated as follows u = − B1′Px(t ) − B1′F f r = u b + u f . (16)

Ff

]

= q1 (s ) + q2 (s ).

The information about the reference signal is integrated along the preview time τ . By selecting proper sampling time ∆ε , q(t ) in equation (14) can be approximated by the following expression, (15) q (t ) = F f ⋅ r , where,

[

−1 − [sI + Acl′ + N ′] PBr

(14)

0

]

= e sτ [sI + Acl′ + N ′] e( Acl′ + N ′ )τ PBr

Transformation of variable ε = δ − t yields,

q(t ) = e Mτ ∫ e − M (t − ε ) PBr r (ε + t )dε.

[

= [sI + Acl′ + N ′] e( sI + Acl′ + N ′ )τ − I PBr

(13)

t

Q (s ) τ ′ ′ = ∫ 0 e (sI + Acl + N )ε PBr dε R(s )

θ b (t ) , of the control systems with feedback H ∞

controller and with preview- H ∞ controller (feedback + feed forward). The free parameter γ has been set as γ = 4.1 and the preview time is 2 second. It can be noted that in the low frequency domain where the gain of the both control system are the same, preview- H ∞ controller provides the advantage in that it keeps the phase of the control system be zero.

(18)

N ′ = γ −2 Bw Bw′ P.

Transformation of variables ε = δ − t yields τ ′ ′ q (t ) = ∫ 0 e ( Acl + N )(ε ) PBr r (ε + t )dε . (19)

83


Θ b (s ) w1 (s ) of control systems with preview- H ∞ and preview- H 2 controllers.

Figure 7. Gain of

Figure 5. Frequency Responses of

4.2. Time Responses To examine the tracking performance, two types of reference signal have been applied, i.e., sinusoidal signal and sigmoid-like signal. Here the weighting coefficients have been selected as the same as in the previous sub-subsection, and the sampling time is 1 millisecond. Figure 8 shows the rotational angle of the antenna θ b (t )

Θ b (s ) R(s ) of

System with Feedback + Feed forward Controller.

Figure 6 shows the gain and phase of frequency response of Θ b (s ) R (s ) of the

and total control input u (t ) when a sinusoidal

control systems with preview- H ∞ controller

signal r (t ) with the period of time of 2 second is applied to the control system with only a feedback H ∞ controller which is designed by setting γ = 10 . It can be noted that the phase-

and with preview- H 2 controller. The preview-

H 2 is designed by setting γ = 10 200 (nearly infinity). And figure 7 shows the gain of transfer function from disturbance w1 (t ) to θ b (t ) of those systems. From figure 6, it can be said that the preview- H 2 controller provides somewhat better tracking performance than the previewH ∞ controller. However, from figure 7, it is

delay exists between r (t ) and θ b (t ) . During the steady state the control input is within the range of ( − 0.1 ~ 0.1 ) volt, while the maximum control input required at the transient stage is 0.56 Volt.

clear that preview- H ∞ controller has better robustness properties.

Figure 8. Sinusoidal Response of Control System with Feedback H ∞ controller. Figure 6. Frequency responses of

Θ b (s ) R(s ) of

Figure 9 shows the same response in which the preview- H ∞ controller with preview time of 2 second is used. In the steady state, the phasedelay does not exist any longer and the control

control systems with preview- H ∞ controller and with preview- H 2 controller.

84


input is also within the range of ( − 0.1 ~ 0.1 ) Volt. The maximum control input at the transient stage is 654 Volt. Figure 10 shows time responses when a sigmoid-like reference signal is applied. It is clear that the control system with preview- H ∞ controller response faster than that

To observe the robustness properties, a steplike torque disturbance of 1 Nm is applied as w1 (t ) . Figure 11 shows the response of θ b (t ) which demonstrates that the control system with preview- H ∞ controller has better disturbance attenuation controller.

with only feedback H ∞ controller.

than

that

with

preview- H 2

5. Conclusion and Discussion A radar antenna tracking servo has been designed using state feedback robust tracking controller based on preview- H ∞ control approach. The tracking performance and robustness properties have been compared with control system designed based on feed back H ∞ control as well as optimum preview control. Numerical analysis results have verified that preview- H ∞ controller is superior to feed back

H ∞ controller in that it keeps the phase of the closed system be zero. Also it has been confirmed that preview- H ∞ controller has better disturbance attenuation capability over preview- H 2 controller (optimum preview controller).

Figure 9. Sinusoidal Response of Control System with Preview- H ∞ controller.

6. References Edde, ”RADAR: Principles, [1] Byron Technology, Applications”, Prentice Hall Inc., New Jersey, 1993. R. Benedict and G. W. [2] T. Bordner, ”Synthesis of an Optimal Set of Radar Tracking - While-Scan Smoothing Equations”, IRE Transactions, vol.AC-7, pp.27-32, July 1962. [3] G. V. Trunk, ”Survey on Radar ADT”, Naval Research Laboratory Report 8698, June 1983. [4] M. Hayase and K. Ichikawa, ”Optimal Servo Systems Utilizing Future Value of Desired Function”, Journal of the society of instrumentation and control engineers, No.1, Vol.5, pp.86-94, Japan, 1969. [5] Estiko Rijanto, ”State Feedback Robust Tracking Controller Based on Preview-

Figure 10. Response of Control System Towards Sigmoid-like Signal.

H ∞ Control Approach”, Seminar Radar Nasional,

Figure11. Response Against a Step Disturbance.

85

Jakarta,

18-19

April,

2007.


PERANCANGAN DAN REALISASI ANTENA WIRE DIPOLE PENGUKUR DIELEKTRIK TANAH MENGGUNAKAN METODE FDTD 3D Yuyu Wahyu 1), Andik Setiawan2) ,Folin Oktafiani1), A.A Lestari3) 1) Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi 2) Jurusan Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Telkom,Bandung 3) International Research Centre for Telecom and Radar – Indonesian Branch (IRCTR-IB), Indonesia [email protected] Abstract In ground penetrating radar (GPR) the antennas are a crucial part that critically determines the performance of the whole GPR system. One of them is GPR utility. One of them is GPR utility for measuring the level of ground dielectric (conductivity and permittivity). Commonly, for solving problem we use different antenna for different ground type. That adaptation approach can be done by arranging antenna length. In that consideration, in this research we try develop a ground dielectric measurer of GPR utility antenna with optimum antenna length and the ground target dielectric, so can be found the optimum resolution and penetration according to expected result.Then, hoped the difference length of antenna configuration, conductive for adaptation footprint antenna. The proposed GPR antenna are wire dipole antenna with 15 cm length, 30 cm length and 60 cm length, where each antenna optimized each other according to different type of ground dielectric. So, there is a relation between length antenna with the level of ground dielectric. For electromagnetic analysis in time domain we use FDTD 3D software for perceiving input impedance of antenna. Key words :GPR, Wire dipole antenna, FDTD, input impedance Abstrak Dalam kebanyakan sistem ground penetrating radar (GPR), antena memainkan peran yang sangat penting (krusial). Salah satunya adalah utility GPR untuk mengukur tingkat dielektrik suatu jenis tanah (konduktivitas dan permitivitas) . Secara umum untuk mengatasi masalah di atas adalah dengan menggunakan antena dengan panjang yang berbeda – beda untuk setiap pengukuran suatu jenis tanah tertentu. Dalam penelitian ini, mencoba untuk mengembangkan antena utility GPR pengukur dielektrik tanah yang optimum antara harga pembuatan, keakuratan, dan kemudahan pencarian bahan antena terhadap target yang diukur tingkat dielektriknya. Antena utility GPR pengukur dielektrik tanah pada penelitian ini berbentuk wire dipole dengan panjang 15 cm, 30 cm, dan 60 cm serta terbuat dari bahan tembaga. Untuk keperluan analisis menggunakan software FDTD 3D (Finite Difference Time Domain). Kata Kunci :GPR, antena wire dipole, FDTD, impedansi input

1.

Hal tersebut tergantung dari jenis tanah, tingkat kelembaban, kadar air, dan meterial – material lain yang dikandungnya.

PENDAHULUAN

1.1 Gambaran Umum GPR 1.2 Antena

Istilah Ground Penetrating Radar (GPR), ground probing radar, subsurface radar atau surface penetrating radar mengacu pada sebuah metode geofisika yang menggunakan teknik elektromagnetik yang dirancang untuk menghasilkan cross-sectional profile berkelanjutan atau merekam corak atau karakteristik di bawah atau dipermukaan tanah tanpa mengebor ataupun menggali tanah. Akan tetapi, untuk mengetahui kedalaman yang akan ditembus oleh GPR itu, diperlukan informasi mengenai kondisi dielektrik dari target tersebut. Kondisi dielektrik target khususnya tanah, memiliki tingkat dielektrik yang berbeda – beda.

Menurut definisi yang terdapat pada The IEEE Standard Definitions of Terms for Antenas (IEEE Std 145-1973), antena adalah suatu alat yang digunakan untuk meradiasikan atau menerima gelombang radio. Dari sini terlihat bahwa suatu struktur dikatakan antena adalah ketika struktur tersebut dapat berfungsi sebagai penerima maupun, meradiasikan gelombang radio. Jenis antena yang dipakai pada penelitian ini adalah berbentuk wire dipole dengan diameter wire 2 mm, terbuat dari tembaga dengan panjang 15 cm, 30 cm, dan 60

86


cm. Tujuannya adalah untuk memperoleh hasil yang akurat, selain itu agar diperoleh nilai yang seolah–olah menggunakan antena yang ultrawideband.

Kelemahan FDTD yaitu, hanya bisa domain waktu, memerlukan resource komputer yang handal, timbulnya staircase pada sel yee yang mengurangi keakuratan simulasi.

Gambar 1.1 Geometri Antena Wire Dipole 1.3 Mekanisme Radiasi Gambar 1.3 Sel Yee Pada FDTD 3D

Secara khusus dalam aplikasi GPR untuk mendeteksi obyek yang terkubur pada kedalaman dangkal, hal yang sangat penting adalah meradiasikan pulsa dengan ringing yang minimal. Late time ringing yang mengindikasikan karakteristik alami pada antena narrow-band, umumnya disebabkan karena multiple reflection antara ujung antena dan feed point. Teknik untuk menekan late-time ringing tersebut secara lumped resistor tidak bisa karena sulitnya penyolderan. Cara untuk menekannya adalah dengan menempatkan antena menempel pada tanah, agar sifat lossy dari tanah dapat mengurangi efek late time ringing tersebut.

2.

Sebelum melakukan realisasi antena wire dipole, sebelumnya perlu dilakukan perancangan dan simulasi. Tujuannya adalah untuk mendapatkan unjuk kerja optimum dari antena dan sebagai referensi dalam pembuatan antena serta model pengukurannya. Software yang digunakan adalah FDTD 3D, Corel Draw, Matlab 5.1, Developer Studio. 2.1 Parameter Antena

Parameter antena yang diperlukan dalam simulasi ini meliputi spesifikasi antena, dan bahan penyangga antena.

K A B E L K O A K S IA L

K A B E L K O A K S IA L

P O R T

1

2

N E T W O R K A N A L Y S E R

RIGID

KABEL SEMI

P O R T

Tabel 2.1 Bahan Antena

A N T E N A U N D E R T E S T

T A N A H

Y A N G A K A N D IU K U R D IE L E K T R IK N Y A

PERANCANGAN DAN SIMULASI

N IL A I

Gambar 1.2 Mekanisme Mengurangi Ringing 1.4 FDTD

Dalam penelitian ini digunakan metode FDTD sebagai alat untuk analisis secara teoritis. Dalam praktiknya digunakan software FDTD 3D yang merupakan paket three dimensional time-domain finite-difference untuk menghitung medan elektromagnetik, yang ditulis dengan menggunakan bahasa C++. Keunggulan FDTD yaitu tepat untuk sistem dimana frekuensi resonannya tidak diketahui secara eksak, FDTD memungkinkan penggunaan untuk sifat material di semua titik simulasi, FDTD bekerja pada range frekuensi yang lebar dengan berbagai kondisi medium, objek dan respon lokasi, serta FDTD memiliki fleksibilitas yang tinggi.

Tabel 2.2 Bahan Penyangga Antena

2.2 Parameter Target Yang Diukur

Parameter target yang diukur terdiri dari beton kering, pasir kering, dan udara sebagai penormalisasi.

87


Tabel 2.3 Target Yang Diukur

Berdasarkan grafik impedansi input, kita bisa menentukan nilai permitivitas relatif tanah dengan menggunakan prinsip kerja frekuensi resonansi. Akan tetapi frekuensi resonansi yang digunakan bukan frekuensi resonansi mutlak, melainkan frekuensi resonansi rasio perbandingan antara tanah dengan udara. Tujuan dari menggunakan frekuensi resonansi rasio ini adalah untuk mendapatkan hasil pengukuran yang konstan tidak dipengaruhi oleh kondisi antena (bengkok, panas, basah) dan faktor lingkungan.

2.3 Parameter FDTD

Parameter FDTD yang diperlukan meliputi ukuran time steps adalah 7000, ukuran bidang pengamatan (38 x 625 x 38) mm, dengan ukuran sel yee (0.05x0.05x0.05)mm, boundy condition menggunakan Mur, durasi pulsa 0.4 ns, lebar pulsa 0.125e-9, dan post prosesing menggunakan Matplt, History dan Fldplt. 2.4 Menentukan Impedansi Karakteristik

Hasil dari keluaran FDTD adalah domain waktu. Untuk mengubah ke domain frekuensi perlu menjalankan skrip FFT pada Matlab 5.1. Hasilnya yaitu berupa perubahan resistansi terhadap perubahan frekuensi (grafik impedansi input ). Secara matematis rumusnya adalah sebagai berikut

Gambar 2.1 Kurva Impedansi input antenna 30 cm pada pengukuran di udara Tabel 2.4 Perbandingan rasio frekuensi resonansi untuk perhitungan permitivitas

V( f ) Zin = 2 x I2 ( f ) V ( f ) = FFT (∆x( E1 (t ) − E2 (t ))) I 2 ( f ) = FFT ( I 2 (t )) Zin15 + Zin30 + Zin 60 3 279.2 + 274.39 + 334.5 = 296.03Ω Zin udara = 3 120.087 + 164.56 + 119.091 Zin beton = = 134.57Ω 3 185.179 + 163.35 + 191.97 Zin tan ah = = 179.49Ω 3 296.03 + 134.57 + 179.97 Zin a var age = = 203.36Ω 3 pada simulasi menggunakan feedline = 200Ω VSWR t arg et = 1.322 Dari hasil perhitungan impedansi karakteristik diatas, maka kita dapat mengetahui nilai dari feedline yang digunakan untuk mendapatkan nilai VSWR yang diinginkan. Zin =

Dari data perbandingan tersebut, masing – masing diplotkan pada grafik permitivitas relatif.

2.5 Menentukan Permitivitas Relatif

88


Kemudian hasilnya konduktivitas.

Gambar 2.2 Hasil representasi permitivitas pada kurva perbandingan rasio frekuensi dengan nilai permitivias relatif

Nilai permitivitas mutlak dapat dengan rumus sebagai berikut.

εr =

diplotkan

pada

grafik

diperoleh

ε r antena 15 + ε r antena 3 0 + ε r a nten a 60

ε r abso lute d rysand ε r abso lute d rysand

3 3.57 + 3.27 = = 3.42 2 14.52 + 14 = = 14.26 2

Gambar 2.3 Hasil representasi konduktivitas . Perbandingan ratio resonansi dengan nilai konduktivitas

Pada dasarnya, jika salah satu panjang antena tidak bisa memperoleh nilai permitivitasnya (out of range) maka yang dirata – rata adalah antena yang hanya ada nilai permitivitasnya saja.

Berdasarkan grafik tersebut, maka nilai dry sand adalah 0.007 S/m, dan dry concret 0.03 S/m 2.7 Menentukan Kedalaman Yang Terukur

2.6 Menentukan Konduktivitas

Pada analisa domain waktu ini, kita bisa mengukur besarnya delay antara pulsa forward dan pulsa reverse. Dan dengan adanya nilai permitivitas dari target yang diukur, kita bisa mengetahui kecepatan gelombang menembus target tersebut. Dengan adanya kedua informasi diatas, maka kedalaman tanah yang akan diukur bisa diketahui dengan rumus sebagai berikut.

Setelah data permitivitas didapatkan, maka kita bisa menentukan nilai konduktivitasnya dengan menggunakan bantuan nilai resistansi pada saat terjadi frekuensi resonansi. Resistansi tersebut juga bukan resistansi mutlak melainkan resistansi rasio perbandingan antara target dengan udara. Tabel 2.5 Perbandingan ratio resistansi untuk mencari nilai konduktivitas

Gambar 2.4 Kurva Domain waktu pada dry sand dengan antenna 15 cm

89


vsubtrat = t pulsa =

c

εr

=

Setup pengukuran adalah suatu cara pengukuran yang dilakukan untuk mendapatkan data atau informasi yang akurat tentang suatu pengukuran dan untuk mendapatkan data yang dapat dijadikan verivikasi dan komparasi pengukuran atau metode lain. Dalam metode pengukuran dielektrik tanah dengan menggunakan antena wire dipole ini ada 2 macam setup pengukuran, yaitu setup pengukuran impedasi input dan setup pengukuran parameter scattering.

3x108 = 1.622 x108 m / s 3.42

tkembali − tda tan g

2 kedalaman = vsubtrat xt pulsa

3. PENGUKURAN DAN ANALISA 3.1 Mekanisme Realisasi Antena

E = D{IFFT ( S21V )}

Dalam mekanisme perancangan antena ditujukan untuk mengetahui tujuan optimum menggunakan bahan tersebut. Bahan antena seperti tembaga 2 mm bertujuan untuk mengurangi rugi – rugi kawat, tidak mudah bengkok, praktis dan mudah pencariannya. Kemudian tujuan penggunaan penyangga plastik berongga adalah dapat menurunkan ringging daripada penyangga logam. Tujuan feed point 5mm adalah menghindari kontak langsung, dan mepermudah dalam penyolderan.

Γ SMA =

(( S11 − S 21 ) + ( S 22 − S12 ) 2

3.4 Proses Getting

Proses getting adalah suatu proses yang bertujuan untuk mendapatkan bentuk sinyal asli hasil pengukuran yang tidak terpengaruh oleh saluran transmisi maupun lingkungan, sehingga hasil pengukuran mendekati yang sebenarnya. Proses getting ada 2 macam yaitu low getting untuk menghilangkan noise dari saluran transmisi dan end getting untuk menghilangkan noise dari pengaruh lingkungan sekitar.

Γ SMA ' = FFT {W {IFFT [Γ SMA ]}}

3.2 Fasilitas Pengukuran

Γ ant = Γ SMA ' e j β t 10 L / 20

Fasilitas pengukuran adalah suatu perlengkapan yang digunakan untuk mendukung proses pengukuran. Fasilitas pengukuran ini meliputi TSR dengan panjang 1 meter dan resistansi 100 ohm. Tujuannya adalah sebagai penyepadan (matching) antena, menghindari penggunaan balun yang mahal, dan kemudahan setup ke feedpoint. Kedua adalah bak pasir terbuat dari papan kayu dengan ukuran panjang 140 cm, lebar 50 cm dan tinggi 50 cm. Banyaknya pasir yang digunakan (30x50x140)cm3. Network analyzer dengan rentang frekuensi 5 MHz sampai 5 GHz dalam 401 langkah. Tujuannya agar dapat langsung mengukur dalam domain frekuensi, tidak menginterferensi sistem radio lain, dapat digunakan untuk range frekuensi yang lebar. Yang terakhir adalah software post prosesing yang bertujuan untuk memproses hasil dari Network analyzer seperti Lifutil dan Matlab 7.0.1.

Zin =

1 + Γ ant src Zo 1 − Γ ant

3.5 Menentukan Permitivitas Relatif

Berdasarkan grafik impedansi input, kita bisa menentukan nilai permitivitas. Tabel 3.1 Perbandingan rasio frekuensi resonansi untuk perhitungan permitivitas

.

3.3 Setup Pengukuran

90


Gambar 3.1 Hasil representasi table permetivitas ke kurva permitivitas Gambar 3.2 Hasil representasi konduktivitas . Perbandingan ratio resonansi untuk antena 15 cm

Dari data perbandingan tersebut, masing-masing diplotkan pada grafik permitivitas relatif. Nilai permitivitas mutlak dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut.

εr =

ε r antena15 + ε r antena 30 + ε r antena 60

ε r absolute drysand ε r absolute drysand

3 3.8 + 5.65 = = 4.7 2 4.3 + 4.3 + 5.5 = = 4.7 3

3.6 Menentukan Konduktivitas Gambar 3.3 Hasil representasi konduktivitas . Perbandingan ratio resonansi untuk antena 30 cm

Setelah data permitivitas didapatkan, maka kita bisa menentukan nilai konduktivitasnya dengan menggunakan bantuan nilai resistansi pada saat terjadi frekuensi resonansi. Resistansi tersebut juga bukan resistansi mutlak melainkan resistansi rasio perbandingan antara target dengan udara. Tabel 3.2 Perbandingan ratio resistansi untuk mencari nilai konduktivitas

Gambar 3.4 Hasil representasi konduktivitas . Perbandingan ratio resonansi untuk antena 60 cm

Kemudian hasilnya konduktivitas.

diplotkan

pada

grafik

91


σ absolut =

σ antena15 + σ antena 30 + σ antena 60

2. Substrat dengan komposisi molekul yang padat dan kompak memiliki penetrasi gelombang yang dangkal daripada molekul yang renggang. 3. Antena dengan panjang 60 cm memiliki tingkat penetrasi yang lebih dangkal daripada antena dengan panjang 15 cm dan 30 cm. 4. Dalam pengukuran tingkat permitivitas relatif simulasi untuk pasir kering adalah 3.42, pada tabel permitivitas 4 dan pengukuran yang sesungguhnya 4,2. Dan untuk beton kering adalah 14.26, pada tabel permitivitas 15 dan pengukuran yang sesungguhnya 4,7. 5. Dalam pengukuran tingkat konduktivitas simulasi untuk pasir kering adalah 0.007, pada tabel permitivitas 0.005 dan pengukuran yang sesungguhnya 0.0085. Dan untuk beton kering adalah 0.030, pada tabel konduktivitas 0.034 dan pengukuran yang sesungguhnya 0.0385 6. Command Mat3D dalam FDTD 3D sangat dianjurkan untuk digunakan karena command ini dapat mengetahui secara geometri kebenaran dan kesalahan dalam menentukan geometri antena

3 0.002 + 0.015 = 0.0085 σ drysand = 2 0.065 + 0.012 = 0.0385 σ dryconcret = 2

3.7 Menentukan Kedalaman Yang Terukur

Pada analisa domain waktu ini, kita bisa mengukur besarnya delay antara pulsa forward dan pulsa reverse. Dan dengan adanya nilai permitivitas dari target yang diukur, kita bisa mengetahui kecepatan gelombang menembus target tersebut. Dengan adanya kedua informasi diatas, maka kedalaman tanah yang akan diukur bisa diketahui dengan rumus sebagai berikut.

vsubtrat = t pulsa =

c

εr

=

3x108 = 1.383 x108 m / s 4.7

tkembali − tda tan g

2 kedalaman( s ) = vsubtrat xt pulsa S antena15 + S antena 30 + S antena 60 3 0.207 + 0.242 + 0.172 = = 0.207m 3

5. DAFTAR PUSTAKA

S mutlak tan ah = S mutlak tan ah

[1] Iskander, Magdy F., Elegtromagnetic Fields and Waves, Prentice Hall, 1992.. [2] Judawisastra,Herman, Catatan Kuliah : Antena dan Propagasi, Penerbit ITB. [3] Kraus, Jhon, Antennas, McGraw-Hill, 1988. [4]. A.A. Lestari, A.G Yarovoy, L.P Lighart,”Ground Influence on the input Impedance of transient dipole and bowtie antennas” IEEE trans. Antennas Propagate, vol.52,no.8,pp.1970-1975,aug.2004

4. KESIMPULAN

Setelah melakukan semua proses perancangan, simulasi, realisasi dan pengukuran antena wire dipole dengan panjang 15 cm, 30cm, dan 60 cm, maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Dengan menggunakan analisa FDTD 3D terbukti bahwa dengan penempatan antena pada media lossy dielektrik dapat mengurangi efek ringging.

92


Shaking Mechanism Dynamics for Micro-strip Array Antenna Used in Surveillance Coastal Radars Edwar Yazid and Estiko Rijanto Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (Puslit Telimek), LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA (LIPI), Research Center for Electrical Power and Mechatronics, INDONESIAN INSTITUTE OF SCIENCES, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 40135, Indonesia; email: [email protected]. Abstrak Di dalam makalah ini diusulkan sebuah mekanisme baru yang disebut mekanisme penggeleng yang digunakan untuk menggerakkan antenna radar jenis micro-strip array yang dipakai pada radar pantai. Salah satu keunggulan jenis antena micro-strip array adalah memiliki masa yang ringan. Jika prinsip frekuensimodulated continuous wave (FMCW) yang digunakan sebagai radar maka tidak mememerlukan catu daya tinggi seperti pada radar pulsa. Kombinasi penggunaan radar jenis micro-strip array dan prinsip FMCW berkontribusi pada penghematan energi. Mekanisme menggelengkan antena ke kanan dan ke kiri arah sudut horisontal yang diusulkan pada makalah ini bertujuan untuk lebih meningkatkan mutu hasil pengolahan sinyal radar. Di dalam makalah ini telah dilakukan perbandingan antara mekanisme rotasi konvensional dengan mekanisme baru yang diusulkan. Hasil analisa numerik menunjukkan bahwa mekanisme yang diusulkan dapat meningkatkan jumlah hit per siklus rotasi dan dapat meningkatkan nilai rasio S/N, tetapi dengan biaya berupa kebutuhan energi tambahan karena adanya pengaruh inersia mekanisme. Kata kunci: Mekanisme penggeleng, antena, radar pantai, micro-strip array,FMCW, rotasi, rasio S/N. Abstract This paper proposes a new mechanism named shaking mechanism used for moving micro-strip array radar antenna which is used in coastal radars. One advantage of micro-strip array antenna is that it is light weight. On the other hand, by using frequency modulated continuous wave (FMCW) radar it requires lower output power than pulse radars hence avoids hardware complications which arise as a result of high power requirements. Combination between micro-strip array antenna and FMCW radar contributes to energy saving. The shaking mechanism which moves the coastal radar beam point in azimuth direction is proposed in this paper to further enhance the quality of radar signal processing. Comparison study has been conducted between the proposed mechanism and the conventional rotation mechanism. From numerical analysis results obtained in this study, it is concluded that the proposed shaking mechanism enhances number of hit per cycle and enlarges S/N ratio value at the cost of additional energy consumption due to inertia of the mechanism. Key words: shaking mechanism, antenna, coastal radar, micro-trip array, FMCM, rotation, S/N ratio.

of the antenna), and it does not point the peak gain of the antenna at targets for all hits in a look. A surveillance radar must scan rapidly to cover their assigned scan area in as short a time as possible. Also, short scan time reduces the radar target maneuvering possible between scans and help maintain more accurate target position report. However, it must scan slowly enough so that the required number of hits is received from within the antenna’s beam width. Radar equation for a surveillance radar is unique primarily because of the need to use antenna scan rate, beam width, and PRF to

1. Introduction To extract radar target information from an echo signal, the signal must first be conditioned to have sufficient magnitude to overcome the effects of interference. Radar equation is used to predict echo power and interfering power to help in making the determination of whether or not the condition is satisfied. A surveillance radar presents a special case of radar equation for two reasons, both related to its search pattern. It has a limited time-on-target ( TOT -the time for each scan that a particular target is within the beam

93


account for the antenna scan loss and the required integration number. In a system where the signal processor determines integration number (all digital signal processors), the scan rate can be set so that the number of pulses transmitted as the antenna beam scans past a given point matches the integration number in the signal processor. The time-on-target TOT is the time the antenna beam requires to scan one antenna beam width. Another parameter is data gathering time ( Td ), also known as dwell time ( Td ), integration time TI , and look time TL . If the beam width, scan rate, PRF, and signal processing match one another, TOT and Td are equal. If the scan and integration parameters match the following holds [1] Td = TOT =

θ 3( Az ) ω

where N L is the number of samples in a dwell, and f S is the sample frequency [Hz]. Applications like coastal management and ship guidance required increased data density compared to single point measurements with current meters and wave bouys. Remote sensing techniques also have the advantage of no need to install a mooring in the open sea, which can be damaged by bad weather conditions or ships passing too near. High frequency radars at 25 MHz to 30 MHz have been used as coastal radars with groundwave propagation [3]. Mechanical technology plays important role in radar technology development. One example which demonstrates the significance of mechanical technology development can be found in the paper entitled Mechanical Technology Development on a 35-m Deployable Radar Antenna for Monitoring Hurricanes [4]. In order to solve the trade off between the S/N ratio specification and maneuvering target position detection accuracy specification, in this paper a new antenna rotating mechanism named shaking mechanism is proposed. The shaking mechanism is considered to be feasible since it is used to move a micro-strip array antenna which is usually light in weight. This new mechanism provides an advantage where it is applied to a surveillance coastal radar since the radar needs only to scan the area in the sea direction.

(1)

where θ 3( Az ) is the 3 dB azimuth beam width of the antenna [degree], and ω is the antenna scan rate [degree/second]. More over, the signal-to-noise ratio (S/N) for the surveillance radar is proportional to the 3 dB azimuth beam width as well as PRF and proportional to the inverse of the scan rate [2]. θ 3( Az ) ⋅ PRF S/N ≈ (2)

ω

Continuous Wave (CW) and Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radars presents an entirely different problem regarding the prediction of signal-tointerference and maximum detection/tracking ranges than do pulsed radars. The primary difference is that, while in pulse radars, receiver noise is the ultimate limiting interference, in CW and FMCW radars, the ultimate limiting interference is usually contamination of the receiver input by the transmitter which is called spillover. If a CW or FMCW radar has sufficient isolation between transmitter and receiver and sufficient transmit stability, noise again becomes limiting, and the system can be treated much the same as if it was a pulsed radar. The signal-to-noise (S/N) ratio for a CW or FMCW radar limited by receiver noise is proportional to the look (dwell) time TL [1]. N TL = L (3) fS

2. Antenna Shaking Mechanism Figure 1 shows an illustration of the micro-strip array antenna used in a surveillance coastal radar. Radar antenna has several functions including: 1) act as a transducer and impedance match between the transmitter and the propagation medium, and between the medium and the receiver, 2) provide gain to concentrate the transmitted signal in a preferred direction, 3) steer the transmitted power to the desired angular position, and 4) provide for effective reception over a small angular direction only and to move the response to the desired direction (steer the received beam). In a conventional surveillance coastal radar, the antenna is rotated in a certain angular velocity. An example of antenna used for a coastal radar has horizontal beam width 94


of 1.2o , and rotational speed for 20 to 40 rpm [5].

Figure 3. Shaking Mechanism for Micro-strip Array Antenna Used in a Surveillance Coastal Radar.

Figure 1. Surveillance Coastal Radar Using Microstrip Array Antenna.

Figure 2 shows an illustration of the structure of the antenna. In a conventional rotation antenna, external forces affecting on the mechanical structure of the antenna may come from wind force, rain fall and storm. When a shaking mechanism is used, additional force which arises from the actuator force also affects on the mechanical structure. To maintain a stable radar beam under external and internal forces, strength and rigidity of the mechanical construction should be taken into consideration.

Loop-closure equations of the shaking mechanism have been derived as shown in the following equations. θ 4 = tan -1 (y3 , x 3 ) ± cos-1 ((x 32 + y32 ⎫ ⎪ + r22 - r12 )/2 ⋅ r2 ⋅ (x 32 + y32 ) ) ⎪ ⎬ ⎪ θ3 = tan -1 ((y3 - r2 ⋅ sin (θ4 ))/r1 , ⎪ (x 3 - r2 ⋅ cos (θ 4 ))/r1 ) ⎭ ω3 = -ω2 ⋅ r2 ⋅ sin (θ 4 - θ 2 )/(r3 ⋅ sin (θ 4 - θ 3 )) ⎫ ⎬ ω4 = ω2 ⋅ r2 ⋅ sin (θ3 - θ 2 )/(r4 ⋅ sin (θ3 - θ 4 )) ⎭

(4)

(5)

⎫ ⎪ ⋅ cos (θ4 - θ3 ) - r4 ⋅ cos (θ4 - θ2 ) + ⎪ ⎪ (6) ω24 )/r3 ⋅ sin (θ4 - θ3 ) ⎬ ⎪ α 4 = (r2 ⋅ α 2 ⋅ sin (θ3 - θ2 ) - r2 ⋅ ω22 ⋅ cos (θ3 - θ2 ) + ⎪ r4 ⋅ ω24 ⋅ cos (θ3 - θ4 ) - r3 ⋅ ω32 )/r4 ⋅ sin (θ3 - θ4 ) ⎪⎭ α 3 = (-r2 ⋅ α 2 ⋅ sin (θ4 - θ2 ) + r2 ⋅ ω22 ⋅ r3 ⋅ ω32

where: θ 2,3,4 represents angular position of link

Figure 2. Illustration of the Antenna Structure.

2 ,3 and 4, respectively. ω 2,3, 4 represents angular velocity of link 2 ,3 and 4. α 2,3, 4 denotes angular acceleration of link 2 ,3 and 4, and r1,2,3,4 is the length of each link. Rotational angle, angular velocity and angular acceleration have been calculated by solving the loop-closure equations of the shaking mechanism [6]. Figure 4, figure 5, and figure 6 show these results.

Figure 3 shows the illustration of the shaking mechanism proposed in this study. It is basically constructed of two subsystems those are: four-bar mechanism and reduction gear. Its function is to convert rotational movement generated by electrical motor into shaking movement of the antenna between 0 [Degree] to 180 [Degree].

95


700 600 Antenna

Motor

500 400 300 200 100 0

Angular Velocity [Rad/s]

0.8

180 [Degree]]

Rotational Angle [Degree]

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Angle 2 [Degree]

Motor Antenna Limit

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Angle 2 [Degree]

Figure 4. Rotational Angle.

Figure 5. Angular Velocity.

Figure 4 shows rotational angle of the electrical motor and the antenna. Horizontal axis is rotational angle of the electrical motor (Angle 2) and vertical axis expresses rotational angle of the electrical motor and of the antenna. In this figure, the electrical motor rotates at a constant angular velocity of 40 rpm in 2 cycles which equivalent to 0 [Degree] to 720 [Degree]. The pattern of the rotational angle of the electrical motor represents the rotation pattern of conventional rotating antenna. It is obvious that in the conventional rotating antenna mechanism, the antenna only scans once every cycle of rotation which in the figure is labeled with dotted cycle. On the other hand, the proposed shaking mechanism moves the antenna in sinusoidal-like pattern along the span of 0 to 180 [Degree]. It can be seen that except the azimuth angle of 0 [Degree] and 180 [Degree], the position in this span is scanned twice in every cycle of rotation which is labeled with hollow cycle in the figure. In other words, the proposed mechanism increases number of hits per rotation cycle. This enables the signal processing unit of the antenna to increase accuracy of the maneuvering target position detection.

In figure 5, the horizontal axis expresses the rotational angle of the electrical motor (angle 2), and the vertical axis expresses the angular velocity of the electrical motor and the antenna. The electrical motor is moved at constant angular velocity, and as a result the antenna angular velocity pattern resembles sinusoidal. The antenna starts moving from stationary at azimuth angle of 0 [Degree], experiences acceleration to the maximum angular velocity at azimuth angle of 90 [Degree], then decelerates and stops moving at azimuth angle of 180 [Degree], and then followed by the same pattern of movement in the opposite direction. In order to make the maximum angular velocity of the antenna equals to 40 rpm the electrical motor is rotated at 26 rpm. Since the S/N ratio is proportional to the inverse of the angular velocity of the antenna, it is clear from figure 5 that the proposed shaking mechanism provides 2 zones of S/N ratio performance. The proposed shaking mechanism provides better S/N ratio than the conventional rotating antenna in the zone where the angular velocity of the antenna is less than 26 rpm. Conversely, the proposed shaking mechanism provides worse S/N ratio value than the conventional rotating antenna in the zone where the angular velocity of the antenna is larger than 26 rpm.

96

0.4 0.3

Angular Acceleration Vs. Angle 2 Motor Antenna

Mechanical power consumed during operation of the shaking mechanism of the radar antenna was calculated and the results are plotted in figure 7.

0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Angle 2 [Degree] Figure 6. Angular Acceleration.

Figure 6 shows the angular acceleration. The horizontal axis expresses the rotational angel of the electrical motor (angle 2) and the vertical axis expresses the angular acceleration of the electrical motor and the antenna. Since the electrical motor is controlled to move at constant velocity its angular acceleration equals to zero. The angular velocity of the antenna in the proposed shaking mechanism is not always zero. This implies that in the conventional rotating antenna only electrical energy is needed to maintain constant angular velocity, while in the proposed shaking mechanism additional electrical energy is required to compensate inertia energy of the antenna.

Mechanical Power [Watt]

Rotational Angle [Rad/s2]


0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 -0.002 -0.004 -0.006

Mechanical Power Vs. Angle 2 Motor Antenna

-0.008 -0.01

0 100 200 300 400 500 600 700 800 Angle 2 [Degree]

Figure 7. Mechanical Power.

Horizontal axis expresses the rotational angle of the electrical motor (angle 2) and the vertical axis is the mechanical power consumed. The solid line is the mechanical power consumed by the antenna and the broken lines are the mechanical power consumed by the electrical motor. In this figure, mass of each element of the control mechanism between the electrical motor and the antenna has been changed in 3 variations. As the consequence, in order to realize the same movement of the antenna three different amount of energy is required by the electrical motor. The variation of the mass of each element of the control mechanism is 100%, 50%, and 10%. In this paper the following energy efficiency η E is defined. Antenna energy ηE = x100% (8) Motor energy From these results it has been obtained that the energy efficiency is 61% for mass of 100%, the energy efficiency is 67% for mass of 50%, and the energy efficiency is 72% for mass of 10%. Thus, the lighter the weight of the component the higher the energy efficiency.

3. Analysis of Energy Consumption. In order to analyze energy consumption of the proposed mechanism, equations of motion have been derived using Recursive Newton Euler approach based on the following general expression. τ = M (θ) &θ& + C (θ, θ& )&θ& + F(&θ&) + G(θ) (7) where θ : the vector of generalized joint coordinates describing the pose of the mechanism, θ& : the vector of joint velocities, &θ& : the vector of joint accelerations, M : the symmetric joint-space inertia matrix, or inertia tensor, C : describes Coriolis and centripetal effect, F : describes viscous and Coulomb friction, G : the gravity loading is the vector of generalized forces associated with the generalized coordinates θ .

4. Conclusions and Discussions From the results obtained in this study, the following conclusions can be drawn: 97


1)

2)

3)

4)

6. References

The proposed shaking mechanism increases number of hit per cycle, thus increases the maneuvering target position detection accuracy. The shaking mechanism provides better S/N ratio than the conventional rotating antenna where the angular velocity is less than 26 rpm and it provides worse S/N ratio than the conventional rotating antenna where the angular velocity is higher than 26 rpm. The shaking mechanism requires additional energy supply to realize the antenna movement due to inertia energy consumption. The energy efficiency of the proposed mechanism can be enlarged by using light weight component of the shaking mechanism compared to the mass of the antenna.

[1] Byron Edde, ”RADAR: Principles, Technology, Applications”, Prentice Hall Inc., New Jersey, 1993. [2] IEEE Standard Radar Definition, Institute of Electrical and Electronics Engineers Standard 686-1982, New York, 1982. [3] K.W.Gurgel, H.H.Essen, and T.Schlick, ”Application of Coastal Radars for Monitoring the Coastal Zone”, Euromar Workshop’99, 1999. [4] Houfei Fang and Eastwood Im, “Mechanical Technology Development on a 35-m Deployable Radar Antenna for Monitoring Hurricanes”, Earth Science Technology Conference 2006, June 28th, 2006. [5] Masbah RT.Siregar, et.al., “Development of Coastal Surveillance Radar in a Radar Network”, Proposal for a Cooperative Research Project, Indonesian Institute of Sciences and Delf University of Technology, 2006. [6] A.R.Holowenko and Cendy Prapto, “Dinamika Permesinan”, Penerbit Erlangga, 1992.

5. Acknowledgment The authors would like to thanks to Mr. Muhammad Fathul Hikmawan for his assistance in making mechanical drawings.

98


Perhitungan Faktor Reflektivitas Radar dan Intensitas Hujan dari Pengukuran Distribusi Ukuran Titik Hujan di Surabaya Lince Markis1,2 ) , Gamantyo Hendrantoro1 ) , Achmad Mauludiyanto1) Institut Teknologi Sepuluh Nopember,Fakultas Teknologi Industri,Jurusan Teknik Elektro Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 INDONESIA 2) Politeknik Negeri Padang ,Jurusan Teknik Elektro Kampus Limau Manis , Padang INDONESIA Email : [email protected] , [email protected] , [email protected]

1)

Abstrak Salah satu besaran yang digunakan dalam radar cuaca adalah factor reflektivitas radar. Dalam penelitian ini akan membahas mengenai perhitungan factor reflektifitas radar dan intensitas hujan dari pengukuran distribusi ukuran titik hujan di Surabaya dengan menggunakan alat Disrometer. Kemudian membandingkan dengan penelitian sebelumnya Marshall-Palmer dan Matsuo Sekine. Faktor reflektivitas radar yang dihasilkan berbeda dengan yang diturunkan dari Marshall-Palmer. Kata kunci: Faktor Reflektifitas Radar, Distribusi Ukuran Titik Hujan, Intensitas Hujan.

reflektivitas radar kususnya untuk wilayah Indonesia. Perbedaan nilai distribusi titik hujan dari model Marshal-Palmer yang dibandingkan dengan Sekine menunjukan bahwa model Marshal-Palmer yang menjadi dasar penggunaan pada negara-negara tropis tidak sesuai namun dari hasil penelitian tersebut sudah menunjukan persamaan bentuk kurva yang linier. Pada paper ini dijelaskan tentang pendahuluan pada bagian 1, distribusi ukuran titik hujan (DSD) dan hubungan reflektivitas radar (Z) dan curah hujan (R) pada bagian 2, pengukuran dan analisa pada bagian 3, hasil yang didapatkan pada bagian 4 kemudian kesimpulan dari penelitian ini pada bagian 5.

Pendahuluan Radar cuaca menggunakan besaran faktor reflektivitas radar Z dalam mengukur intensitas hujan. Besaran Z ini kemudian diubah ke intensitas hujan R dengan menerapkan relasi ZR yang berbentuk Z = a.R b . Koefisien a dan b dapat dihitung dengan regresi linier berdasarkan distribusi ukuran titik hujan (DSD). Beberapa penelitian telah melakukan penelitian untuk menghitung faktor reflektivitas radar. MarshallPalmer [1] telah menghasilkan faktor reflektifitas Z = 200.R 1.6 . Sekine [2] menghasilkan nilai faktor reflektivitas Z = 286.R1.6 yang berbeda dengan MarshallPalmer melalui perhitungan distribusi titik hujan dengan model distribusi Weibull. Selain itu distribusi ukuran titik hujan Marshall-Palmer untuk Rayleigh scattering [3] mendapatkan hasil yang berbeda dimana Z = 296.R 1.47 . Dari penelitian [4] Joss- Waldvogel yang juga menggunakan alat ukur disdrometer dan dibandingkan dengan alat ukur yang lain seperti spectrometer dan Doppler radar untuk mendapatkan hubungan antara distribusi ukuran titik hujan dan diameter titik hujan. Pada penelitian ini digunakan rumus distribusi ukuran titik hujan dari Joss-Waldvogel. Kemudian pada peneliti selanjutnya [5] mengenai hubungan atenuasi spesifik (Y) terhadap intensitas hujan (R) dan Reflektivitas radar (Z). Pada penelitian ini kami melakukan pengukuran distribusi ukuran titik hujan dengan menggunakan alat ukur Disdrometer untuk menghitung nilai faktor

Parameter-parameter Hujan Distribusi ukuran titik hujan Joss-Waldvogel [4] : (1) C

N ( D) =

A.vT .∆T .∆D

Fungsi N(D) merepresentasikan jumlah dari titik hujan per interval diameter dalam millimeter dan per meter kubik di udara. Dengan N(D) adalah distribusi ukuran titik hujan dalam m-3mm-1, C jumlah titik hujan, A luasan sensor cm2, vT terminal velocity ms-1, ∆T periode rata-rata dalam detik, ∆D selisih diameter mm. Intensitas hujan dalam mm/jam menurut Roderic [6]. Dengan intensitas hujan R mm/jam, diameter titik hujan D mm, distribusi ukuran

99


titik hujan N(D) mm-1m-3 dan terminal velocity v(D) ms-1 . (2) π D max 3

R=

6

∫

D min

Tabel 2 : Interval Intensitas Hujan

Intensitas Hujan (mm/h)

D N ( D)v( D)dD

6

-3

Faktor reflektifitas radar Z mm mm , distribusi ukuran titik hujan N(D) mm-1m-3, diameter titik hujan D mm dan ∆D mm. Faktor reflektifitas radar secara matematis sebagai berikut [5] : (3) Z = N ( D).D 6 .∆D

∑

Hubungan antara Z dan intensitas hujan R mm/h adalah [1] dengan a dan b adalah nilai konstanta.: (4) Z = a.R b

Rentang

Nilai Tengah

0 - 0.5 0.5 - 1 1-2 2-4 4-8 8 - 16 16 - 32 32 - 64 64 - 128 128 - 256 256 - 512

0.25 0.75 1.5 3 6 12 24 48 96 192 384

Dari hasil pengukuran N(D) pada penelitian ini menghitung faktor reflektivitas radar sebagai fungsi N(D) dan diameter titik hujan. Nilai konstanta a dan b dihitung sebagai fungsi faktor reflektivitas radar dan intensitas hujan. Perhitungan konstanta a dan b dilakukan dengan menggunakan regresi linier. Hasil konstanta a dan b hasil pengukuran Surabaya dibandingkan dengan penelitian sebelumnya Marshall-Palmer dan Sekine. Tabel 2 menunjukan intensitas hujan rata-rata melalui perhitungan untuk 8 kejadian hujan dalam rentang seperti pada Tabel 1.

Pengukuran Pengukuran N(D) dan Intensitas hujan menggunakan Disdrometer dilakukan dalam area kampus Institut teknologi Sepuluh Nopember Surabaya mulai bulan Januari 2007 sampai Februari 2007. Disdrometer bekerja berdasarkan optik yang disebut Parseval, dengan mendeteksi titik hujan yang jatuh diantara sensor seperti pada Gambar 1. Untuk mendapatkan keluaran sensor berupa jumlah titik hujan, kecepatan, diameter titik hujan dan intensitas hujan tersebut didapatkan melalui software ASDO. Periode sample dalam pengukuran adalah 10 detik.

Tabel 2 Intensitas Hujan Rata-rata Januari-Februari 2007

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Gambar 1: Prinsip Sensor Optik Disdrometer

Pengolahan data hasil pengukuran Disdrometer dilakukan dengan cara memisahkan data valid dan tidak, dengan melihat jumlah titik hujan yang terdeteksi setiap periode sample 10 detik. Data tesebut dihitung untuk mendapatkan distribusi ukuran titik hujan terhadap diameter titik hujan. Distribusi ukuran titik hujan terhadap diameter titik hujan sebagai fungsi Intensitas seperti Tabel 1 dibawah ini :

Intensitas Hujan (mm/jam) 0.131463 0.630838 1.252513 2.470414 4.862086 9.383086 19.01784 43.66593 89.59688 163.8905

Hasil dan Analisa Gambar 2 memperlihatkan distribusi ukuran titik hujan (DSD) dengan periode sample 10 detik dalam interval intensitas hujan untuk satu kejadian hujan pada 1 februari 2007. Intensitas curah hujan pada gambar menunjukan nilai

100


tengah dari setiap interval intensitas hujan. Dari grafik menunjukan bentuk eksponensial negative yang sama dengan hasil penelitian yang sudah pernah dilakukan seperti Marshall-Palmer dan Singapura [7].

Dengan demikian untuk daerah Surabaya tidak dapat digunakan hubungan Z-R yang berdasarkan DSD Marshall-Palmer.

Gambar 4: Hubungan Z dan R Gambar 2: Pengukuran DSD di Surabaya periode sample 10 detik

Kesimpulan Dari hasil penelitian ini didapatkan hubungan intensitas hujan R dan faktor reflektivitas radar Z dengan menggunakan perhitungan distribusi ukuran titik hujan untuk negara Indonesia kususnya Surabaya sebesar Z = 300.22 R 1.54 yang berbeda dengan Marshall-Palmer dan Sekine. Walaupun belum konklusif karena keterbatasan sample, hasil ini perlu dipertimbangkan dalam aplikasi radar cuaca di Indonesia.

Ucapan Terimakasih

Penelitian yang dilaporkan dalam makalah ini didanai sebagian oleh JICA melalui proyek PREDICT-ITS.

Gambar 3: Perbandingan DSD Surabaya, Marshall-Palmer dan Singapore Perbandingan dari 3 model DSD diantaranya pengukuran di Surabaya, Singapura dan Marshall-Palmer pada intensitas hujan rata-rata 48 mm/h ditunjukan pada Gambar 3. Hasil perbandingan menunjukan kemiripan gradien kurva DSD Surabaya dengan Singapura. Namun terdapat perbedaan yang cukup jelas antara DSD Surabaya dengan model Marshall-Palmer. Grafik hubungan antara faktor reflektivitas radar dan intensitas hujan pada Gambar 4 menunjukan hasil grafik dari pengukuran di Surabaya yang linier sesuai dengan penelitian Sekine dan Marshall-Palmer tetapi konstanta a dan b yang berbeda yaitu Z = 300.22 R 1.54 .

Daftar Pustaka [1] Ronald, E., “Radar for Meteorologists”, United State of America.1997. [2] Matsuo, S., “The Relationship between Radar Reflectivity and Rainfall Rate”, The Transactions of the IECE, Japan, 5 May,1986. [3] Alfred, J., “Radar and the Atmosphere”, United State of America.1989. [4] B.E.Sheppard dan P.I.Joe., “Comparison of Raindrop Size Distribution Measurements by a Joss-Waldvogel Disdrometer, a PMS 2DG Spectrometer, and a POSS Doppler

101


[6] Roderic L., “The Relationship in the Calculation of Rain Attenuation ”, IEEE The Transactions on Antennas and Propagation, vol AP.26, March ,1978. [7] Tat-soon Yeo., “Tropical Raindrop Size Distribution for the Prediction of Rain Attenuation of Microwaves in the 10-40 GHz Band”, The Transactions of Antennas and Propagasi , vol 49, January ,2001.

Radar”, Atmosphere and Oceanic Technology, Canada, 29 October, 1993. [5] Gamantyo, H dan Zawadzki., “Derivation of Parameters of Y-Z Power-Law Relation From Raindrop Size Distribution Measurements and Its Application in the Calculation of Rain Attenuation From Radar Reflectivity Factor Measurements” IEEE Transaction Antennas, vol, 5, January 2003.

102


Pengukuran Variasi Temporal Curah Hujan di Surabaya dengan Disdrometer Optic 1)

Muriani 1,2), Gamantyo Hendrantoro 1), Achmad Mauludiyanto 1) Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA Email : [email protected], [email protected], [email protected] 2) Universitas Sains dan Teknologi Jayapura, Teknik Elektro Jl. Raya Sentani, Padang Bulan, Jayapura 99351, INDONESIA Abstrak

Salah satu fungsi radar cuaca adalah mendeteksi adanya hujan, dan mengukur intensitasnya sebagai fungsi posisi citra radar cuaca diperbaharui sekali dalam beberapa menit tergantung dari kecepatan rotasi antena. Oleh karena itu perlu dipertimbangkan variasi temporal curah hujan. Dimana pengukuran curah hujan secara langsung dilakukan di ITS Surabaya menggunakan disdrometer optic yang kemudian data ini dapat menjadi pertimbangan dalam interprestasi Citra Radar khususnya dalam menganalisa variasi curah hujan terhadap waktu. Dalam penelitian ini diperoleh autokorelasi ternormalisasi rata-rata dari curah hujan yang akan dibandingkan dengan data autokorelasi ternormalisasi Barcelona. Dimana diperoleh bahwa autokorelasi ternormalisasi pengukuran di Surabaya lebih tinggi dibandingkan Barcelona. Kata kunci: Curah Hujan, Autokorelasi, Variasi Temporal.

saat. Sehingga diperlukan pengukuran dan pencatatan dilapangan untuk mengetahui curah hujan rata-rata (mm/h) di suatu negara, yang kemudian data itu dapat dipakai untuk berbagai kalkulasi peredaman sinyal karena hujan. Karena kurangnya penelitian tentang karakteristik variasi temporal curah hujan untuk negara-negara yang memiliki iklim tropis untuk itu dalam penelitian ini akan terfokus pada karakteristik pengukuran curah hujan yang berubah-ubah terhadap waktu (variasi temporal) dalam suatu daerah dengan geografis tertentu yang memiliki iklim tropis seperti di Indonesia. Peneliti [3] telah meneliti suatu model Autoregressive (AR) untuk simulasi curah hujan dengan variasi waktu, dimana koefisien AR diperoleh dari statistik curah hujan dan fungsi autokorelasi diperoleh dari pengukuran curah hujan. Hasil autokorelasi ternormalisasi prediksi metode AR dibandingkan dengan hasil pengukuran Barcelona. Hasilnya menunjukkan bahwa metode AR cukup baik digunakan sebagai model untuk mensimulasikan hujan. Peneliti [4] juga meneliti tentang fungsi autokorelasi temporal dari redaman hujan pada sebuah link komunikasi dapat diperoleh dari pengukuran redaman hujan secara langsung pada link komunikasi radio. Dimana dalam kasus ini diasumsikan panjang link kurang dari 1 km dan curah hujannya bersifat homogen. Peneliti [5] meneliti tentang ESD (Energi Spectral Density), PSD (Power Spectral Density)

Pendahuluan Salah satu fungsi radar cuaca adalah mendeteksi adanya hujan, sekaligus mengukur intensitasnya sebagai fungsi posisi Citra radar cuaca diperbaharui sekali dalam beberapa menit, tergantung dari kecepatan rotasi antena [1]. Dengan demikian untuk analisa variasi temporal curah hujan dengan radar perlu dipertimbangkan kecepatan variasi curah hujan terhadap waktu. Dipihak lain terobosan baru dibidang komunikasi di Indonesia perlu dilakukan, misalnya pemakaian frekuensi diatas 10 GHz, karena semakin tinggi frekuensi akan semakin besar bandwith-nya. Namun pada system komunikasi radio dengan menggunakan gelombang millimeter mengalami masalah yang diakibatkan oleh redaman hujan dan efeknya akan menggangu keandalan sistem komunikasi [2]. Indonesia dikenal mempunyai curah hujan yang sangat tinggi, sehingga efek dari redaman hujan sangat berpengaruh terhadap keandalan link komunikasi. Redaman hujan mengakibatkan terjadinya fading yaitu peristiwa pelemahan sinyal yang diterima oleh antena penerima berada dibawah batas threshold. Peristiwa fading ini sangat berpengaruh pada penyampaian gelombang elektromagnetik karena dapat menyebabkan sinyal yang diterima akan terganggu. Terjadinya fading disebabkan oleh lamanya hujan dan besarnya curah hujan (mm/h) yang terjadi setiap

103


dan fungsi autokorelasi didalam model analisa curah hujan R(t) untuk redaman gelombang micro dan fade dinamik. Pengukuran dilakukan di Barcelona selama 49 tahun. Diperoleh untuk perbandingan autokorelasi (AC) Barcelona dan Tokyo, dengan pengambilan data dari 1 menit sampai 10 menit, hasil yang diperoleh fungsi autokorelasi ternormalisasi Barcelona lebih rendah dibandingkan fungsi autokorelasi ternormalisasi Tokyo. Makalah ini melaporkan analisis variasi temporal curah hujan berdasarkan hasil pengukuran disdrometer optic di Surabaya. Hasil yang diperoleh diharapkan dapat menjadi pertimbangan dalam interpretasi Citra radar cuaca, khususnya dalam menganalisa variasi curah hujan terhadap waktu.

Curah hujan adalah tingkat turun hujan tepat pada waktu tertentu, biasanya dinyatakan dalam mm/h. Dalam penelitian ini hujan dibagi dalam 2 kelompok, yaitu hujan stratiform dan convective. Karakteristik hujan staratiform yaitu curah hujannya kurang dari 25 mm/h, durasinya lebih dari satu jam dan cakupan lokasinya luas. Sedangkan karakteristik hujan convective memiliki curah hujan yang tinggi diatas 25 mm/h, durasinya singkat (beberapa menit) biasanya disertai badai, dan cakupan lokasinya tertentu.[6]

Metode Pengukuran Pengukuran curah hujan dilakukan didalam lingkungan kampus ITS Surabaya menggunakan disdrometer dapat dilihat pada Gambar 1, yang diletakkan diatas atap gedung Teknik Mesin dan analisa data dilakukan di Laboratorium Perambatan Gelombang Elektromagnetik dan Radiasi, Jurusan Teknik Elektro. Disdrometer disetting menggunakan software Hydras yang hanya bisa mendeteksi curah hujan (mm/h) dengan waktu sampling 60 detik dan software Asdo yang bisa mendeteksi curah hujan (mm/h) dan distribusi titik hujan (DSD) dengan waktu sampling 10 detik.

Karakteristik Hujan Pada suatu sistem komunikasi dengan penggunaan frekwensi diatas 10 GHz akan mengalami redaman yang besar, karena butiranbutiran hujan menyebabkan terjadinya penghamburan gelombang radio (scatter) dan penyerapan (absorb) sepanjang lintasan komunikasi. Untuk dapat mengetahui proses dan besarnya gangguan gelombang elektromagnetik perlu diketahui kondisi hujan dan parameterparameter yang mempengaruhi redaman hujan seperti panjang lintasan gelombang, frekwensi dan sudut elevasi yang digunakan karena semakin tinggi intensitas hujannya dan semakin tinggi frekwensi yang digunakan akan semakin tinggi redamannya yang akan mengakibatkan menurunnya link-availability-nya dan semakin rendah sudut elevasinya maka redamannya semakin tinggi.

Gambar 2. Sistem laser disdrometer optic

Disdrometer optic bekerja berdasarkan system laser optic. Pengukuran dapat dilakukan secara real time, jika ada partikel-partikel hujan yang melewati balok laser maka disdrometer dapat mendeteksi curah hujan (mm/h) dan distribusi titik hujan (DSD) dapat dilihat pada Gambar 2, kemudian hasilnya disimpan dalam software yang disebut data parsivel.

Hasil Pengukuran menggunakan software Hydras dilakukan pada bulan desember 2006 sampai 17 januari 2007 sedangkan pengukuran

Gambar 1. Alat ukur Disdrometer Optic

104

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 Tabel 1. Hasil pengukuran curah hujan (mm/h), desember 2006 – februari 2007.

menggunakan software Asdo dilakukan pada tanggal 22 januari sampai 10 februari 2007. Diperoleh 28 event hasil pengukuran curah hujan dapat dilihat pada Tabel 1, dimana event hujan dipisahkan dalam 2 kelompok yaitu stratiform dan convective dapat dilihat pada Gambar 3. pengukuran curah hujan pada tanggal 29 dan 30 desember 2006, dengan curah hujan tertinggi 117.100 mm/h terjadi pada jam 16:04:00 WIB, dimana pada jam 14:38:0016:17:00 WIB disebut hujan convective sedangkan pada jam 16:18:00-03:00:00 WIB disebut hujan stratiform.

Gambar 3. Pengukuran intensitas curah hujan (mm/h), 29-30 desember 2006 (Hydras).

Analisa Pada pengukuran menggunakan software Hydras diperoleh 12 event dari jenis hujan staratiform dan 9 event jenis hujan convective. Dari pengukuran diperoleh curah hujan dalam tiap event r(t) kemudian ditransformasi fourier sehingga diperoleh curah hujan dalam domain frekuensi R(f) setelah itu dicari power spectral density (PSD) dari curah hujan diberi simbol P(f). Untuk memperoleh autokorelasai maka P(f) harus diinverse transformasi, kemudian dihitung autokorelasi ternormalisasi rata-rata dari keseluruhan event hujan langkah-langkahnya dapat dilihat pada Gambar 4. Dimana hasil autokorelasi ternormalisasi yang diperoleh dari pengukuran di Surabaya akan dibandingkan dengan autokorelasi ternormalisasi yang diperoleh di Barcelona. Hasil perbandingan autokorelasi ternormalisasi Surabaya dan Barcelona dapat dilihat pada Gambar. 5 dan Tabel. 2 dimana diperoleh bahwa Surabaya memiliki autokorelasi ternormalisasi yang lebih tinggi dibandingkan autokorelasi ternormalisasi di Barcelona.

Gambar 4. Blok diagram perhitungan autokorelasi ternormalisasi.

105


Pada Gambar 5 juga menampilkan autokorelasi ternormalisasi dari hujan convective dan hujan stratiform, dimana pada beda waktu sekitar 7 menit korelasi hujan convective turunnya lebih curam dibawah 0.5 dibandingkan hujan stratiform.

menunjukkan bahwa autokorelasi ternormalisasi pengukuran di Surabaya lebih tinggi dibandingkan autokorelasi ternormalisasi yang diperoleh di Barcelona. Sehingga diperoleh hasil analisa pada Gambar 5 dimana fungsi autokorelasi ternormalisasi terlihat bahwa korelasi temporal rata-rata curah hujan turun dibawah 0.5 untuk beda waktu sekitar 6 menit. Dengan demikian jika periode update citra radar kurang dari 6 menit, maka curah hujan yang terukur oleh radar pada suatu titik masih berkorelasi cukup tinggi. Hal ini berarti serial citra radar menghasilkan perubahan curah hujan yang halus dari satu citra ke citra berikutnya.

Ucapan Terimakasih Penelitian yang dilaporkan dalam makalah ini sebagian didanai oleh JICA melalui proyek PREDICT-ITS.

Daftar Pustaka

Gambar 5. Perbandingan fungsi autokorelasi ternormalisasi Surabaya dan Barcelona Tabel 2. Perbandingan fungsi ternormalisasi Surabaya dan Barcelona

τ (menit) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Barcelona 1 0.83 0.67 0.55 0.46 0.39 0.34 0.29 0.26 0.23 0.20

[1] www.wunderground.com/radar. [2] Indrabayu,. Evaluation of Macro-Diversity and Adaptive Modulation in Wireless Communications at Millimeter Wave Band in Rainy Conditions, Master’s Thesis, ITS, 2005. [3] Gamantyo, H. Achmad, M. dan Puji, H., ” An Autoregressive Model For Simulation Of Time-Varying Rain Rate,” ANTEM 2004 [4] Gamantyo, H. Indrabayu. Titiek, S. dan Achmad, M., ”Multivariate Autoregressive Model of Rain Attenuation on Multiple Short Radio,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 5, 2006. [5] August, B. Enric, V. Manuel, P.,” Spectral Analysis of 49 Year of Rainfall Rate and Relation to Fade Dynamics,” IEEE Transactions On Communications, Vol.38, No.9, September 1990. [6] Alfred, J., ”Radar and the Atmosphere”, United State of Amerika. April 1989.

autokorelasi

Surabaya 1 0.88 0.77 0.71 0.65 0.59 0.55 0.52 0.49 0.45 0.43

Kesimpulan Pada Gambar 5 dan Tabel 2, yaitu perbandingan fungsi autokorelasi ternormalisasi pengukuran di surabaya dan Barcelona

106


Analisa dan Simulasi Traffic Monitoring Kendaraan Bermotor menggunakan Bistatic RADAR Pamungkas Daud1 , R Nurmansyah Yarnaka2, Heroe Wijanto3 Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi Jl.Cisitu 21/154 D(Komplek LIPI Gd.20) 40135, Bandung , Phone : 022 2504660 Fax : 022 2504659 Email : [email protected] 2, 3 Jurusan Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknologi Telkom, Bandung 2 [email protected], [email protected]

1

Abstract Bistatic radar is radar system that separates the location of the transmitter and the receiver at different places. This passive radar system operates with electromagnetic wave radiation, which is transmitted continually by the transmitter; then those transmitted signals are reflected by objects and received by the receiver. Those reflected signals, which are received by the receiver, are signals that have changed in frequency, amplitude and phase as a result of objects radial velocity and motion direction relative to the transmitter, and position of the objects relative to transmitter and receiver as well. In the end, those alterations information is used for estimating the type, velocity, and motion direction of objects. Keywords : Bistatic radar, radar cross section, doppler frequency. Abstrak Bistatic radar adalah sistem radar yang memisahkan penempatan transmitter dan receiver di lokasi yang berbeda. Sistem radar pasif ini bekerja berdasarkan radiasi gelombang yang dipancarkan oleh transmitter secara kontinyu, sinyal tersebut dipantulkan oleh objek dan diterima di receiver. Sinyal pantulan yang diterima di receiver adalah sinyal yang telah berubah frekuensi, amplitudo, dan fasanya akibat pengaruh dari kecepatan dan arah pergerakan dari objek relatif terhadap transmitter, dan posisi dari objek relatif terhadap transmitter dan receiver. Informasi perubahan frekuensi, amplitudo, dan fasa ini digunakan untuk memperkiraan jenis, kecepatan, dan arah pergerakan dari objek. Kata kunci : Bistatic radar, radar cross section, frekuensi doppler.

•

1. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang • Tingkat mobilisasi masyarakat yang semakin tinggi. • Peningkatan daya beli masyarakat dan banyaknya kemudahan untuk kredit kendaraan bermotor tanpa didukung dengan penambahan sarana transportasi yang memadai, maka volume kendaraan bermotor tiap hari semakin meningkat. Hal ini menyebabkan angka kemacetan semakin meningkat. • Berkembangnya industri seluler, maka pertumbuhan pengguna seluler pun semakin bertambah. Hal ini menyebabkan banyaknya sarana komunikasi seluler yang dapat digunakan untuk keperluan traffic monitoring. Sehingga biaya implementasi bistatic radar akan jauh lebih murah.

Akhir – akhir ini di Universitas Roke Manor Inggris sedang diadakan penelitian tentang kemungkinan pengimplementasian sistem bistatic radar pada sistem seluler yang disebut CELLDAR, singkatan dari celluler radar.

1.2 Perumusan Masalah • Mekanisme pengiriman dan penerimaan sinyal. • Pensimulasian sistem 1.3 Tujuan dan Kegunaan • Memahami prinsip dasar sistem bistatic radar. • Meneliti kemungkinan penerapan sistem bistatic radar pada sistem seluler digital. 1.4 Metoda Penelitian • Studi literatur.

107


• • •

Analisa parameter-parameter sistem untuk berbagai kondisi yang disimulasikan. Transformasi dari teori yang sudah ada ke bentuk persamaan matematis untuk dimodelkan dalam simulasi. Mengambil kesimpulan akhir tentang perancangan dan hasil simulasi sistem tersebut.

Pt

A

Pi

Ps

Γ

d

Gambar 2.2 Radar cross section

2. Landasan Teori RCS =

2.1 Bistatic Radar Bistatic radar adalah sistem radar yang memisahkan penempatan transmiter dan receiver di lokasi yang berbeda. Sistem radar pasif ini bekerja berdasarkan radiasi gelombang yang dipancarkan oleh transmitter secara kontinyu. Sinyal pantulan yang diterima di receiver adalah sinyal yang telah terdelay dan berubah frekuensi dan amplitudonya.

Ps Pi

(2.1)

P=PA Γ s

(2.2)

2

i

RCS = A Γ

(2.3)

2

(ε - jx )sin α - (ε - jx )-cos α 2

Γ = V

(ε - jx )sin α + (ε - jx )-cos

2

(2.4)

α

18 (10 ) σ 9

x=

f

(2.5)

o

d

dR

dT

α Rx

Keterangan: RCS = Radar cross section Ps = Daya sinyal terhambur

β

Pi = Daya sinyal datang A= Γ=

Luas objek Koefisien pantul objek Γ H =Koefisien pantul objek polarisasi horizontal

α

Object

Tx

Γ V = Koefisien pantul objek polarisasi vertikal

Gambar 2.1 Geometri bistatic radar

α = Sudut datang = sudut pantul

Keterangan: β = Bistatic angle α = Sudut datang = sudut pantul d = Jarak transmiter ke receiver d T = Jarak transmitter ke objek

ε0 = 8,854×10

-12

ε = Permitivitas σ=

Konduktivitas f o = Frekuensi yang digunakan

d R = Jarak receiver ke objek

RCS sangat tergantung dari panjang gelombang yang digunakan, polarisasi sinyal yang digunakan, sudut datang dari gelombang terhadap target, material dari target, dan bentuk dan ukuran dari target. Atau dengan kata lain radar cross section adalah parameter dari kemampuan suatu objek dalam memantulkan sinyal radar.

2.2 Radar Cross Section Gelombang elektromagnetik dalam berbagai jenis polarisasi secara normal akan terdifraksi atau menghambur ke segala arah jika mengenai sesuatu objek yang memiliki koefisien pantul tertentu. Intensitas dari energi gelombang hamburan yang mempunyai polarisasi yang sama dengan polarisasi antena penerima radar inilah yang disebut dengan target RCS (Radar Cross Section). Singkatnya radar cross section adalah perbandingan daya sinyal datang dengan daya sinyal yang terhamburkan.

2.3 Efek Doppler Radar menggunakan frekuensi doppler untuk mengetahui kecepatan dan arah pergerakan dari objek. Frekuensi doppler adalah banyaknya pergeseran frekuensi tengah dari gelombang yang di pancarkan dikarenakan gelombang pancar tersebut mengenai suatu

108


m, terdiri dari 4 jalur utama dengan lebar setiap jalur 3 m dan 2 jalur sebagai bahu jalan dengan lebar setiap jalur 2 m seperti terlihat pada gambar 3.6. Dimensi motor dimodelkan dengan panjang 1 m, lebar 1 m, dan tinggi 1 m. Dimensi mobil dimodelkan dengan panjang 3 m, lebar 2 m, dan tinggi 1 m. Dimensi truk dimodelkan dengan panjang 4 m, lebar 3 m, dan tinggi 1 m. Pemantulan sinyal dimodelkan dengan satu sinyal pantulan untuk setiap bidang seluas 1 m 2 . Seperti terlihat pada gambar 3.1a, objek yang bergerak menjauhi antena penerima akan memantulkan sinyal pancar dengan frekuensi pantul lebih kecil daripada frekuensi pancar. Sebaliknya objek yang bergerak mendekati antena penerima memantulkan sinyal pancar dengan frekuensi pantul lebih besar daripada sinyal pancar.

objek yang bergerak dengan kecepatan tertentu. Pergeseran frekuensi ini dapat berharga positif atau negatif tergantung dari arah pergerakan target. Apabila objek bergerak menjauhi transmitter radar maka frekuensi pantul akan lebih kecil daripada frekuensi pancar. Sedangkan jika objek bergerak mendekati transmitter radar maka frekuensi pantul akan lebih besar daripada frekuensi pancar. Rx

Tx

v v

θ

α

fv > fo

fv < fo

RX

Gambar 2.3 Geometri efek doppler f v = fo ± fd fd =

2vfo

cos α cos θ

c

fv < fo

(2.6)

f v = Frekuensi Pantul f o = Frekuensi Operasi

θ

Object 1 d

w

(2.7)

fv > fo

keterangan: f v = Frekuensi pantul

TX

L

f d = Frekeuensi doppler

Gambar 3.1.a Geometri atas

α = Elevation angle θ = Azimuth angle v = Kecepatan objek f = Frekuensi pancar c = 3×10

Object 2

θ

d

8

d R1

hRX

d T1

d T2

d R2

Skema Traffic Monitoring menggunakan Bistatic Radar

3. Desain

α s2

α s1

β2

β1

α i2 αi1

Gambar 3.1.b Geometri samping

Umum Bistatic Radar Untuk Traffic Monitoring Dalam hal ini pergerakan kendaraan bermotor hanya terdiri dari dua arah saja dengan kecepatan rata-rata 0 – 48 m/s, dimana pada pemodelan disini kecepatan objek terdiri dari 0 m/s, 12 m/s, 24 m/s, 36 m/s, dan 48 m/s. Jenis dari objek yang diobservasi terdiri dari jalan, motor, mobil, dan truk. Material jalan terbuat dari aspal, sedangkan material motor, mobil, dan truk diasumsikan terbuat dari besi, dengan permukaan setiap objek diasumsikan halus dan datar. Dimensi jalan yang diobservasi dimodelkan dengan panjang 12 m dan lebar 18 3.1 Skema

Keterangan: θ = Azimuth angle f o = Frekuensi pancar f v = Frekuensi pantul αi = Incident elevation angle α s = Scatter elevation angle β = Bistatic angle d = Jarak transmitter ke receiver d T = Panjang lintasan sinyal dari transmitter ke

objek

109

hTX

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 d I (t)

d R = Panjang lintasan sinyal dari objek ke

receiver L = Panjang jalan yang diobservasi W = Lebar jalan hT = Tinggi transmitter

b(t)

Demux

1 π cos (ωc t + ) 4 2

d(t)

x

hR = Tinggi receiver x

dQ (t)

Diasumsikan bahwa θ = 0, hT = 100 m,

1 sin (ωc t + π ) 4 2

x

hR = 100 m dengan dimensi tinggi antena 2,5 m, x

Gambar 3.3 Blok diagram modulator QPSK

d = 10 km, L = 12 m, W = 18 m, f o = 2 GHz,

dan objek dimodelkan dengan kotak yang memiliki permukaan halus dan datar sehingga sinyal pantul yang sampai di penerima adalah sinyal yang memenuhi hukum snellius αi = α s .

3.2.1.2 Up Converter Sinyal d(t) keluaran modulator kemudian masuk ke up converter untuk dirubah menjadi sinyal RF dengan frekuensi osilator yang lebih tinggi.

3.2 Pemodelan Sistem

Sistem bistastic radar pada perancangan disini umumnya tidak terlalu jauh berbeda dengan sistem komunikasi digital seperti terlihat pada gambar di bawah ini.

d(t)

fc

f osc ± f c

HPF

f osc + f c

s(t) f o = f osc + f c

2 cos (ωosc t )

Gambar 3.4 Blok diagram up converter Info

Modulator

IF

U/C

RF

s(t)

HPA

3.2.1.3 High Power Amplifier High power amlifier berfungsi untuk menguatkan sinyal RF sebelum ditransmisikan ke udara. High power amlifier disini diasumsikan bekerja pada daerah linier, sehingga tidak menimbulkan intersimbol interfence.

TX

Demodulator

IF

D/C

RF

RX

BPF

LNA

r(t)

Signal Processor Gambar 3.2 Blok diagram bistatic radar

3.2.1 Transmiter Blok diagram transmiter terdiri dari modulator, up converter dan high power amplifier.

3.2.2 Pemodelan Kanal Kanal dimodelkan dengan titik pemantul seperti terlihat pada gambar 3.6. Setiap titik pemantul diasumsikan masing – masing mewakili luas bidang sebesar 1 m 2 . Objek pemantul terdiri dari 4 jenis yaitu jalan, motor, mobil dan truk.

3.2.1.1 Modulator Modulasi yang digunakan adalah modulasi QPSK. Pada modulasi QPSK bit data d(t) dibagi menjadi dua bagian pada demultiplexer, yaitu bit genap d I (t) dan bit ganjil d Q (t) . Kemudian bit

genap dan bit ganjil tersebut masing – masing dikalikan dengan basis ortogonalnya, dan hasil perkalian masing – masing bit tersebut dijumlahkan.

fo - fd

RX fo + fd

y16 y15 y14 y13 y12 y11 y10 y9 y8 y7 y6 y5 y4 y3 y2 y1

TX

yk xn x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12

Gambar 3.5 Pemodelan kanal

110


Keterangan: yk z v (t) = Sinyal yang di pantulkan oleh motor,

16

rv (t) =

å

(3.1)

rk (t) v

k=1

rk (t) = yk jv (t) + yk z v (t) + yk m v (t) + yk t v (t) v

1 ≤ n ≤ 12

(3.2)

Aamp Rz = Amplituda terima sinyal yang di n

pantulkan oleh motor

Keterangan: rv (t) = Sinyal terima pada masing – masing v = 0 m/s, 12 m/s, 24 m/s, 36 m/s, 48 m/s, pada masing –masing arah pergerakan rk (t) = Sinyal terima pada masing – masing k,

fz d = Frekuensi doppler motor n

∆φz n = Beda fasa sinyal yang di pantulkan oleh

Motor 3.2.2.3 Pemodelan Mobil Mobil dimodelkan dengan dimensi panjang 3 m, lebar 2 m, dan tinggi 1 m.

v

1 ≤ k ≤ 16

Rx

3.2.2.1 Pemodelan Jalan Daerah observasi jalan dimodelkan dengan dimensi panjang 12 m dan lebar 16 m. Lebar masing – masing jalur 3 m, dan 2 m untuk lebar bahu jalan. Rx Rj X Rj X

Rm x1

dmR12

m1 (t)

mobil 1 mobil 2 mobil 3 mobil 4 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12

djR

5000m

αj12

100m

djT

y k m v (t)=

å

Aamp Rj

n=1

n

Aamp Rm

n

c

Q

5000m

yk jv (t)=

å

n=1

æ ö 1 π ççd I (t) cos(2π(fc + fosc )t + - ∆φjn ) ÷ ÷ ÷ çç 4 2 ÷ ÷ çç ÷ ÷ 1 π çç ÷ +d Q (t) sin(2π(fc + fosc )t + - ∆φjn )÷ ÷ ÷ çè ø 4

osc

c

2

dn

osc

n

dn

(3.5)

n

Keterangan: yk m v (t) = Sinyal yang di pantulkan oleh mobil,

Gambar 3.6 Pemodelan jalan

12

1 π æ ö ÷ ççd (t) cos(2π(f + f ± fm )t + - ∆φm ) ÷ ÷ çç 4 2 ÷ ÷ çç ÷ ÷ 1 π çç+d (t) ÷ ÷ sin(2π(f + f ± fm )t + - ∆φm )÷ èç ø 4 I

12

s(t)

αj1 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12

1m

Gambar 3.8 Pemodelan mobil

djT

j1 (t)

99m

dmT12

αmn

αmn

j12 (t) djR

s(t)

dmT1

dmR1

Tx

10 km

Tx

10 km

m12 (t)

Rm x12

1 ≤ n ≤ 12 Aamp Rm = Amplituda terima sinyal yang di

(3.3)

n

pantulkan oleh mobil fm d = Frekuensi doppler mobil

2

Keterangan: yk jv (t) =Sinyal yang di pantulkan oleh jalan,

n

∆φm n = Beda fasa sinyal yang di pantulkan oleh

1 ≤ n ≤ 12

mobil

Aamp Rj = Amplituda terima sinyal yang di n

3.2.2.4 Pemodelan Truk Truk dimodelkan dengan dimensi panjang 4 m, lebar 3 m, dan tinggi 2 m.

pantulkan oleh jalan ∆φjn = Beda fasa sinyal yang di pantulkan oleh jalan

Rx Rt x Rt x

3.2.2.2 Pemodelan Motor Motor dimodelkan dengan dimensi panjang 1 m, lebar 1 m, dan tinggi 1 m.

Tx

10 km

t12 (t)

dt R

t1 (t)

s(t)

dtT

dt R

αt

αt

truk 1

truk 2

dtT

truk 3

98m 2m

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 5000m

Rx Rz x12 Rz x1

z1 (t)

dz R12

s(t)

dzT12 dz R1

Gambar 3.9 Pemodelan truk

Tx

10 km

z 12 (t)

αz1

αz12

dzT1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x6 x7 x 8 x 9 x10 x 11 x 12

99m 1m

12

yk t v (t)= å

n=1

5000m

Gambar 3.7 Pemodelan motor

12

yk z v (t)= å Aamp Rz n=1

æ ö 1 π ççd I (t) cos(2π(f c + f osc ± fz d )t + - ∆φz n ) ÷ ÷ ÷ çç 4 2 ÷ ÷ çç ÷ ÷ 1 π çç ÷ +d Q (t) sin(2π(f c + f osc ± fz d )t + - ∆φz n )÷ ÷ ÷ çè ø 4

Keterangan: yk t v (t) = Sinyal yang di pantulkan oleh truk,

n

n

2

æ ö ççd I (t) 1 cos(2π(f c + f osc ± ftd )t + π - ∆φt n ) ÷ ÷ n ÷ çç 4 ÷ 2 ÷ Aamp Rtn çç ÷ ÷ 1 π çç ÷ sin(2π(f c + f osc ± ftdn )t + - ∆φt n )÷ ÷ çç+dQ (t) ÷ è ø 4 2

1 ≤ n ≤ 12

(3.4)

Aamp Rt = Amplituda terima sinyal yang di

n

n

111

(3.6)


pantulkan oleh truk ft d = Frekuensi doppler truk

rv (t)

fv

f v ± f osc

n

2 cos (ωosc t )

truk

Gambar 3.12 Down converter

3.2.2.5 Tinggi Objek Maksimum Rx

Tx

10 km d Rn

dTn ho max

αn x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12

100m

αn

5000m

Gambar 3.10 Tinggi objek maksimum ho max =

(100) (11) 4995

3.3.3.4 Demodulator Sinyal base band keluaran down converter masing – masing dikalikan dengan basis ortogonal kembali dan di integralkan, kemudian hasil integral tersebut di tan invers – kan untuk memperkirakan beda fasa dan energinya. xv'

(3.7)

= 0,2202 m

Jika ada objek dengan tinggi lebih dari 0,2197 m pada k yang sama maka sinyal akan terhalangi oleh objek sehingga sinyal pantul tidak sampai di receiver. 3.2.3 Receiver Blok diagram receiver terdiri dari low noise amplifier, band pass filter, down converter, demodulator, dan signal processor.

+160 cos α

- 320 cos α

f v = 2 GHz

+ 640 cos α

π 2

arc tan

2TB

compute

yv xv

i

-

yv

0

b(t)

f rv = fc ± fd

signal processor FT

choose smallest

Velocity Direction

fd = f rv - fc

Gambar 3.13 Blok diagram demodulator QPSK

3.3.3.5 Signal Processor Signal processor selain untuk carier recovery juga berfungsi sebagai estimator kecepatan, arah pergerakan, dan jenis dari objek, karena masing – masing objek dengan jenis material, kecepatan, arah pergerakan, dan posisi tertentu memiliki karakteristik tertentu pula dalam memantulkan sinyal pancar. Estimasi tersebut dilakukan dengan menetapkan harga treshold pada level tertentu. Dalam penelitian disini signal processor tidak terlalu ditekankan mengingat skema simulasi yang dilakukan telah memodelkan kanal dengan model matematis, sehingga perubahan sinyal pancar karena pantulan objek tertentu telah diketahui terlebih dahulu.

+480 cos α

+320 cos α

xv

signal processor

yv'

3.3.3.2 Band Pass Filter Sinyal terima yang datang adalah sinyal pantul dari objek yang masing – masing bergerak pada kecepatan tertentu, sehingga menyebabkan pergeseran frekuensi tertentu pula. - 160 cos α

π ) 4 ωrv t = 2πf rv

2cos (ωrv t + -

3.2.3.1 Low Noise Amplifier Low noise amlifier berfungsi untuk menguatkan sinyal RF yang diterima sebelum dirubah menjadi sinyal base band. Low noise amlifier disini diasumsikan bekerja pada daerah linier, sehingga tidak menimbulkan intersimbol interfence.

- 480 cos α

2TB 0

dv'(t)

- 640 cos α

d v'(t)

f v - f osc

fr = fc ± fd

∆φt n = Beda fasa sinyal yang di pantulkan oleh

Rxn

LPF

f v = f osc + f c ± f d (Hz)

Gambar 3.11 Band pass filter

4. Analisa Hasil Simulasi

Diasumsikan bahwa sistem memiliki filter dengan respon filter seperti pada gambar diatas.

Pada simulasi ini dikirim sinyal pancar untuk mengetahui seberapa besar pengaruh kanal merubah sinyal pancar tersebut dalam keadaan kanal yang berbeda – beda, dimana dalam hal ini keadaan kanal dipengaruhi oleh jenis dan mobilisasi objek

3.3.3.3 Down Converter Sinyal terima kemudian masuk ke down converter untuk dirubah menjadi sinyal IF dengan frekuensi yang yang sama dengan up converter.

4.1 Sinyal Pancar Sinyal pancar yang ditransmisikan memiliki parameter:

112

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 Tabel 4.1 Parameter sinyal pancar

Polarisasi Frekuensi carrier modulator Frekuensi osilator up Jumlah bit input Bit Rate Bit input yang Gain HPA Gain Transmitter

4.3 Volume kepadatan jalan random dengan kecepatan random

Vertikal 0,2 GHz 1.8 Ghz 8 bit 384 bps 11010010 10 dB 50 dB

fo - fd

fo + fd

y16 y15 y14 y13 y12 y11 y10 y9 y8 y7 y6 y5 y4 y3 y2 y1

12 m/s 24 m/s

12 m/s 24 m/s 24 m/s

24 m/s

24 m/s 24 m/s 12

12 m/s

12 m/s 12

yk xn x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12

Gambar 4.2 Volume kepadatan jalan random dengan kecepatan random

Gambar 4.1 Sinyal pancar

4.2 Analisa Sinyal Terima Hal yang dianalisa disini adalah bagaimana keadaan kanal yang berbeda – beda mempengaruhi konstelasi sinyal terima. Keadaan kanal yang ditampilkan disini hanyalah beberapa kemungkinan dari sekian banyak kemungkinan keadaan kanal dengan asumsi keadaan tersebut hanya berlangsung selama 1/48 detik. Setiap kemungkinan keadaan kanal tertentu akan menyebabkan konstelasi sinyal terima tertentu pula, karena setiap keadaan kanal memiliki karakteristik tersendiri dalam merubah sinyal pancar. Perubahan sinyal pancar ini adalah hasil penjumlahan dari setiap sinyal pancar yang memantul pada setiap titik pemodelan. Karakteristik sinyal terima akibat pantulan juga dipengaruhi oleh parameter sistem receiver yang digunakan, dimana sitem receiver pada simulasi disini memiliki parameter:

(a)

Tabel 4.2 Parameter receiver

Frekuensi carrier Frekuensi osilator down Gain receiver Gain LNA Permitivitas besi Permitivitas aspal Konduktivitas besi Konduktivitas aspal

0,2 GHz ± fd 1.8 Ghz 10 dB 10 dB 35 3

(b)

7

1, 03×10 -5 3, 91×10

113


beda fasa tersendiri. Karakteristik tersebut sangat dipengaruhi oleh setiap perubahan keadaan kanal pada selang waktu tertentu, dinama keadaan kanal ini dipengaruhi oleh jenis dan mobilisasi setiap objek. Hal yang paling sulit untuk diterapkan di lapangan adalah masalah filter. Pada simulasi ini diasumsikan bahwa filter memiliki respon ideal, sehingga filter dapat membedakan perubahan frekuensi akibat efek doppler yang kecil. Hal yang paling mungkin dilakukan untuk mendapatkan frekuensi doppler yang besar adalah dengan menaikan frekuensi operasi. Tetapi dengan menaikan frekuensi operasi akan mengakibatkan perbedaan fasa yang besar, dimana perbedaan fasa yang besar akan menyebabkan interpetasi data menjadi salah. Hal lain yang menjadi kendala adalah sudut pantul yang kecil. Kecilnya sudut pantul ini diakibatkan tinggi antena transmitter dan receiver yang kecil jika dibandingkan dengan jarak antaran transmitter dan receiver. Semakin kecil sudut pantul maka titik observasi semakin kurang akurat mengingat tinggi objek maksimum pada simulasi ini adalah 0,2197 m, sehingga jika ada 2 objek atau lebih yang memiliki perbedaan tinggi lebih dari 0,2197 m maka objek yang lebih rendah tidak dapat terdeteksi karena sinyal pantul tidak sampai ke receiver. Untuk mendapatkan keakuratan observasi yang lebih tinggi dapat dilakukan dengan menaikan tinggi antena atau dengan mendekatkan jarak antara transmitter dan receiver. Hal yang paling mungkin adalah dengan mendekatkan jarak antara transmitter dan receiver. Tetapi besarnya sudut pantul dapat mengakibatkan efek doppler yang kecil menjadi semakin kecil. Karena efek doppler juga sangat dipengaruhi oleh sudut pantul arah azimuth dan elevasi yang dibentuk terhadap receiver. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa traffic monitoring kendaraan bermotor dengan skema efek doppler sulit direalisasikan, mengingat perkiraan macet atau tidaknya daerah observasi sangat tergantung pada informasi kecepatan objek. Skema lain yang dapat dilakukan untuk mendapatkan informasi kecepatan objek adalah dengan penganalisaan amplituda dan perbedaan fasa sinyal terima tanpa memperhatikan efek doppler dalam selang waktu observasi yang lama tergantung dari kecepatan maksimum objek. Semakin cepat perubahan sinyal terima dari waktu ke waktu berarti semakin cepat pula perubahan keadaan kanal. Perubahan kanal yang cepat ini jika

(c)

(d)

(e) Gambar 4.3 Konstelasi sinyal terima pada keadaan gambar 4.2

5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa dapat disimpulkan bahwa sinyal yang diterima oleh receiver memiliki karakteristik amplitudo, frekuensi, dan

114


dianalisa lebih lanjut dapat digunakan untuk mengetahui kecepatan rata – rata objek. Selain itu, hal lain yang harus diteliti lebih lanjut pada skema ini adalah bagaimana membedakan arah pergerakan dari objek. Arah pergerakan objek ini sangat penting untuk memperkirakan jalur mana yang macet atau tidaknya.

[6] [7] [8]

5.2 Saran Untuk penelitian lebih lanjut dapat dilakukan dengan skema penganalisaan amplituda dan perbedaan fasa sinyal terima tanpa memperhatikan efek doppler dalam selang waktu observasi yang lama tergantung dari kecepatan maksimum objek seperti telah disebutkan diatas. Sistem yang disimulasikan lebih mendekati real yang memiliki respon yang tidak ideal, karena ketidakidealan sistem ini akan sangat mempengaruhi karakteristik sinyal terima, sehingga sangat diperlukan algoritma penganalisaan yang lebih rumit. Analisa yang dilakukan sampai tahap penghitungan link budget, carrier to noise, BER (bit error rate), dan pada kondisi cuaca sedang hujan, karena pada kondisi cuaca hujan akan merubah konduktivitas dan permitivitas objek.

[9] [10]

[11] [12] [13]

[14]

6. Daftar Pustaka [1]

[2] [3] [4] [5]

[15]

Barker, C.J. and Griffiths, H.D. (2004). Bistatic and Multistatic Radar Sensors for Homeland Security. London: University College London. Barton, D.K. and Leonov, S.A. (eds). (1998). Radar Technology Encyclopedia. Massachuset: Artech House, Inc. Couch, L.W. (1997). Digital and Analog Communication Systems. New Jersey: Prentice Hall, Inc. Curry, G.R. (2005). Radar System Performance Modeling. Massachuset: Artech House, Inc. Firmansyah. (2005). Analisis Efek Pantulan Akibat Propagasi di Atas Air

[16] [17] [18] [19]

115

Pada Link LMDS. Bandung: Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung. Freeman, R.L. (1987). Radio System Design for Telecommunications (1-100 GHz). Toronto: John Wiley & Sons, Inc. Glover, I.A. and Grant, P.M. (1998). Digital Communications. Harlow: Prentice Hall Europe. Knott, E.F., Shaeffer J.F. and Tuley, M.T.(1993). Radar Cross Section. ( 2 nd ed.). Massachuset: Artech House, Inc. Lynn, P. (1987). Radar Systems. Hong Kong: McMillan Education. Mahafza, B.R. (2005). Radar System Analysis and Design Using MATLAB. ( 2 nd ed.). Florida: Chapman & Hall/CRC. Maunsell, F. (2005). Final Report: Cell Phone Radar Investigation for The DFT. London: Roke Manor Research. Nitzberg, R. (1992). Adaptive Signal Processing for Radar. Massachuset: Artech House, Inc. Proakis, J.G. (2001). Digital th Communications. ( 4 ed.). New York: Irwin / McGraw Hill. Proakis, J.G. and Salehi, M. (2002). Communication Systems Engineering. ( 2 nd ed.). New Jersey: Prentice Hall, Inc. Roden, M.S. (1991). Analog & Digital Communication System. ( 3rd ed.). New Jersey: Prentice Hall, Inc. Sklar, B. (1990). Digital Communications: Fundamentals and Applications. New Jersey: Prentice Hall International. Skolnik, M.I. (1981). Introduction to Radar Systems. London: McGraw Hill. Venugopal, A. (2004). Celldar Seminar Report. Kochi: Cochin University of Science and Technology. Wiesbeck, W. (2005). Radar System Engineering. Karlshure: University of Karlshure.


Fasilitas Pengujian Antena GPR di ITB E. Bharata1,3, A.A. Lestari1,2, A.B. Suksmono1,3, T.P. Soetikno4, D. Yulian5, Liarto5, A.G. Yarovoy2, dan L.P. Ligthart1,2 1 International Research Centre for Telecom and Radar – Indonesian Branch (IRCTR-IB) – ITB, Indonesia 2 International Research Centre for Telecom and Radar (IRCTR) – TU Delft, The Netherlands 3 Institut Teknologi Bandung (ITB), Indonesia 4 Innovative Design Engineering (IDE), Indonesia 5 Radar & Communication Systems (RCS), Indonesia

Abstract This paper describes the GPR antenna test facility developed by IRCTR-IB at ITB. Facility consists of a GPR test range, a PC-controlled scanner, a UWB sensor, and measuring equipment. Test range was constructed as a wooden sandbox of 3 m x 3 m x 1.6 m and filled with dry sand with relative permittivity of 5.1. The scanner is used for accurate antenna positioning above the sand and fully controlled from a PC. A control software has been developed to allow automatic data acquisition and antenna positioning, important for measurements of antenna footprints. The measuring equipment consists of a vector network analyzer, a sampling converter, and pulse generators to allow accurate measurements in frequency as well as time domain.

Keywords: Antenna measurement, GPR antenna, GPR test range. Abstrak Makalah ini menguraikan fasilitas pengujian antena GPR yang dibangun oleh IRCTR-IB di ITB. Fasilitas tersebut terdiri atas test range GPR, scanner, sensor UWB, dan peralatan pengukuran. Test range berupa kotak berukuran 3 m x 3 m x 1.6 m terbuat dari bahan kayu dan berisi pasir kering dengan permitivitas relative 5.1. Scanner yang dikendalikan oleh PC digunakan untuk menempatkan secara akurat antena yang diukur tepat di atas permukaan pasir. Perangkat lunak pengendali dibuat untuk melakukan akuisisi data dan penempatan antena secara otomatis, terutama untuk pengukuran antena footprint. Peralatan pengukuran yang terdiri atas vector network analyzer, sampling converter, dan pulse generator diperlukan untuk melakukan pengukuran di domain frekuensi maupun di domain waktu.

Kata kunci: Pengukuran antena, antena GPR, test range GPR.

untuk dianalisis antara lain adalah footprint antena, pengaruh tanah terhadap impedansi masukan antena, dan bentuk gelombang pancar subsurface. Footprint antena GPR memberikan bentuk dan ukuran pada permukaan tanah yang disinari oleh antena, sehingga menunjukkan resolusi cross-range antena, yang penting untuk mengoptimasi kinerja GPR [1]. Selain itu telah diketahui secara luas bahwa jika antena ditempatkan dekat ke permukaan tanah, impedansi masukannya berubah secara tajam dengan perubahan elevasi [2]. Karena impedansi masukan antena yang stabil merupakan faktor kunci dalam menentukan performansi GPR, maka penting untuk melakukan karakterisasi impedansi masukan antena sebagai fungsi dari elevasinya di atas permukaan tanah. Dengan fasilitas pengujian antena di atas dapat dilakukan karakterisasi tersebut terhadap antena GPR.

1. Pendahuluan Tidak seperti pada antena konvensional, antena GPR pada umumnya dioperasikan dekat dan diarahkan ke permukaan tanah. Oleh karena itu untuk menganalisis antena GPR secara komprehensif dibutuhkan fasilitas pengujian khusus yang secara prinsip berbeda dari yang dibutuhkan oleh antena konvensional. Fasilitas tersebut terdiri atas: (a) Test range yang terdiri atas sebidang tanah atau pasir yang homogen untuk menganalisis antena yang ditempatkan dekat permukaannya. (b) Platform yang dirancang khusus untuk antena yang akan diukur. (c) Peralatan pengukuran yang sesuai. Dengan menggunakan fasilitas seperti di atas, karakteristik antena GPR yang ditempatkan dekat dengan permukaan tanah dapat dianalisis secara akurat dan tepat. Faktor-faktor penting

116


berupa kotak kayu berisi pasir kering yang homogen agar ketidaktentuan permitivitas dan profil tanah dapat dihindari. Disamping itu, pasir harus terus menerus dijaga tetap kering agar konduktivitasnya tetap cukup kecil, sehingga permitivitasnya tetap stabil dan redaman ohmiknya dapat diabaikan. Kotak pasir mempunyai ukuran 3 m x 3 m x 1.6 m dan pasir yang digunakan mempunyai permitivitas relative 5.1 dengan konduktivitas sangat kecil. Tinggi pasir dalam kotak adalah 90 cm. Untuk mengukur medan pancaran di dalam pasir sebuah sensor UWB ditanam di tengah-tengah kotak pasir pada kedalaman 30 cm. Sensor UWB yang berupa antena loop tersebut dibuat oleh IRCTR [5]. Scanner dipasang di atas kotak pasir pada tinggi 2.95 m. Antena yang diukur yang dipasang pada sumbu z scanner dan sensor UWB dihubungkan ke peralatan pengukuran dengan menggunakan kabel koaksial Sucoflex. Scanner dikendalikan dari PC, sehingga dengan mudah dapat dilakukan akuisisi data dan penempatan antena secara otomatis, terutama pada saat operasi pengambilan data yang membutuhkan waktu yang lama, misalnya pengukuran footprint antena. Dengan menggunakan fasilitas ini pengukuran dalam domain frekuensi maupun domain waktu dapat dilakukan berturut-turut dengan vector network analyzer maupun dengan sampling converter dan pulse generator.

Gambar 1. Tampak samping struktur test range GPR

Mengingat hal di atas, IRCTR-IB baru-baru ini membangun fasilitas pengujian antena GPR, sebagai tambahan dari fasilitas pengukuran antena dalam domain waktu yang telah ada [3]. Fasilitas baru tersebut terdiri atas: (a) Test range berupa kotak kayu berisi pasir kering yang homogen. (b) Scanner yang dikendalikan oleh PC yang dapat menempatkan antena yang diukur pada posisi yang diinginkan. (c) Sensor UWB yang ditanam di dalam pasir. (d) Peralatan pengukuran, yang digunakan untuk melakukan karakterisasi antena yang diukur dalam domain frekuensi maupun waktu. Rancangan umum fasilitas ini mencontoh fasilitas serupa yang dimiliki oleh IRCTR-TU Delft di Netherlands [4]. Dibandingkan dengan fasilitas yang dimiliki oleh IRCTR-TU Delft, fasilitas pengujian antena GPR yang ada di ITB mempunyai kotak dan permitivitas pasir yang lebih besar, sehingga dapat digunakan untuk mengukur antena dengan dimensi yang lebih besar dan menggunakan pulsa yang lebih lebar. Saat ini perangkat pengukuran dalam domain waktu, yaitu sampling converter dan pulse generator adalah milik Radar & Communication Systems (RCS) dan dipinjam berdasarkan kerjasama riset antara RCS dan IRCTR-IB.

1.6

Max Antenna Length (m)

1.4 1.2

At the center

1 0.8 0.6 0.4

Outermost position (1 meter from the center)

0.2 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Pulse Duration (ns)

Gambar 2. Rekomendasi panjang antena maksimum sebagai fungsi dari durasi pulsa untuk antenna metal seluruhnya yang ditempatkan tepat di atas permukaan pasir ditengah-tengah dan 1 meter dari tengah-tengah kotak pasir

2. Perancangan Test Range

Dalam merancang test range GPR, sangat penting membuang semua ketidaktentuan yang berhubungan dengan komposisi dan sifat elektris tanah. Setiap ketidaktentuan dari permitivitas, konduktivitas, dan profil tanah akan menyebabkan ketidaktelitian pengukuran. Berdasarkan hal ini, maka test range dirancang

Dimensi kotak pasir, tinggi scanner, dan permitivitas pasir bersama-sama menentukan jendela waktu maksimum yang bebas pantulan.

117


Gambar 3. Ilustrasi 3-D scanner

Gambar 5. Pengukuran antenna GPR di kotak pasir

Gambar 4. Scanner

Bila antena yang diukur ditempatkan tepat pada permukaan pasir di tengah-tengah kotak pasir, maka waktu yng dibutuhkan oleh pantulan tiba ke sensor adalah sebagai berikut: dari lantai 11.3 ns, dari scanner 15.9 ns, dan dari dinding kotak 22.6 ns. Jadi untuk antena yang ditempatkan tepat di atas permukaan pasir ditengah-tengah kotak pasir, jendela waktu maksimum bebas pantulan adalah 11.3 ns. Jendela waktu yang terbatas ini membatasi durasi pulsa minimum dan dimensi antena maksimum. Hubungan antara jendela waktu minimum yang dibutuhkan untuk pengukuran, durasi pulsa, dan dimensi antena diberikan dengan persamaan sebagai berikut: Jendela waktu minimum yang dibutuhkaqn sama dengan durasi pulsa + (4 x waktu propagasi dari titik catu ke ujung antena) + 1 ns, yang dapat dinyatakan dengan persamaan:

Dengan menggunakan persamaan di atas pada gambar 2, maka diperoleh rekomendasi panjang maksimum antena yang akan diukur sebagai fungsi dari durasi pulsa pencatu. Disini dianggap bahwa antena yang diukur dari bahan metal seluruhnya dan terletak tepat di atas permukaan pasir ditengah-tengah kotak pasir. Kemudian oleh karena pergerakan maksimum scanner pada sumbu horizontal (sumbu x dan y) dari tengah kotak adalah 1 m, maka pada posisi paling jauh (1 meter dari tengah dan 0.5 meter dari dinding kotak pasir) jendela waktu maksimum bebas pantul adalah 8.8 ns. Pada gambar 2 juga diberikan rekomendasi panjang antena maksimum, bila antena ditempatkan pada tepat di atas permukaaan pasir namun pada posisi terjauh tersebut. Jadi gambar 2 merupakan petunjuk umum untuk pemilihan antena dan pulsa untuk melakukan pengukuran yang tepat dan benar di test range IRCTR-IB. Sebagai contoh, bila digunakan pulsa 5 ns dan antena berada tepat di permukaan pasir ditengah-tengah kotak, maka panjang antena yang direkomendasikan adalah 0.8 m. Namun bila seseorang ingin melakukan pengukuran footprint antena pada seluruh daerah sapuan scanner (2 m x 2 m), maka panjang antena yang direkomendasikan adalah 0.4 m sebagaimana ditunjukkkan pada gambar 2.

td = tw max − (2l / v) − 1ns dimana td durasi pulsa, twmax jendela waktu maksimum yang tersedia, l panjang antena, dan v adalah kecepatan gelombang di antena.

118


3. Scanner Scanner dirancang untuk dapat membawa antena yang diukur bergerak pada 3 arah yang saling tegak lurus, yaitu 2 arah horizontal (sumbu x dan y) dan 1 arah vertical (sumbu z). Pergerakan horizontal maksimum pada sumbu x dan y dan pergerakan vertical maksimum scanner pada sumbu z berturut-turut adalah 2 m dan 1 m. Daerah sapuan horizontal maksimum dari scanner adalah 2 m x 2 m, sehingga memungkinkan pengukuran footprint antena yang relative besar. Selanjutnya, kemampuan scanner membawa antena pada arah vertical memungkinkan seseorang melakukan A-scan dan pengukuran impedansi masukan sebagai fungsi dari elevasi antena di atas pasir, sehingga sangat penting untuk karakterisasi dari interaksi antena-tanah dan bentuk gelombang pancar subsurface dari antena. Gambar 3-D scanner ditampilkan pada gambar 3. Scanner dipasang di atas kotak pasir pada tinggi 2.95 m. Scanner mengandung 3 stepper motor agar dapat melakukan pergerakan pada 3 sumbu dengan ketelitian ± 1 mm. Pergerakan pada sumbu z dilakukan dengan menggunakan rel teleskopik yang terdiri atas tabung metal (bagian luar) dan batang PVC (bagian dalam). Batang bagian dalam bukan dari metal, karena digunakan sebagai pemegang antena. Tabung metal bagian luar dipasang tetap pada rangka scanner, sedangkan batang PVC tadi dapat bergerak pada arah vertical membawa antena ke elevasi yang diinginkan di atas pasir. Kotak pasir beserta scanner terlihat pada gambar 4. Rancangan umum scanner dibuat oleh IRCTR-IB, sedangkan rancangan rinci dan konstruksinya dilakukan oleh Innovative Design Engineering (IDE), Indonesia. Spesifikasi kotak pasir dan scanner diberikan pada table 1.

(a)

(b) Gambar 6. Contoh hasil pengukuran: B-scan (a) bidang H dan (b) bidang E antenn rolled dipole yang ditempatkan 2 cm di atas pasir. Antena dicatu oleh pulsa monocycle 1.6 ns.

ke pulse generator dan sampling converter menggunakan kabel koaksial Sucoflex. Gambar 5 memperlihatkan antena yang diukur. Hasil B-scan pada bidang H dan bidang E antena ditampilkan berturut-turut pada gambar 6(a) dan 6(b). Pada gambar terlihat bahwa pulsa pancar yang dinyatakan dengan hyperbola diterima oleh sensor pada kedalaman 30 cm, sedangkan dasar kotak pasir dapat diketahui dari hyperbola yang samar pada kedalaman 90 cm. Sebagai tambahan hasil B-scan di atas, diperoleh bahwa nilai permitivitas pasir adalah 5.1. Nilai ini diperoleh dengan mengukur waktu yang dibutuhkan sinyal pantul dari dasar kotak diterima oleh sensor.

4. Contoh Pengukuran Pengukuran pertama yang dilakukan pada test range GPR IRCTR-IB adalah B-scan dari antena rolled dipole untuk resolusi medium. Antena dicatu dengan pulsa monocycle 1.6 ns (frekuensi tengah 600 MHz). Antena dipasang pada batang PVC dan ditempatkan pada elevasi 2 cm dari permukaan pasir. Kemudian dilakukan pengukuran B-scan pada seluruh bidang sapuan scanner pada bidang E dan bidang H antena. Antena dan sensor UWB di dalam pasir dihubungkan berturut-turut

5. Kesimpulan Fasilitas pengujian antena GPR telah dibangun di ITB. Fasilitas ini terdiri atas kotak kayu berisi pasir, scanner yang dikendalikan

119


oleh PC, sensor UWB, dan peralatan pengukuran untuk domain frekuensi dan waktu. Fasiltas ini memungkinkan pengukuran yang akurat dan karakterisasi antena GPR yang ditempatkan dekat permukaan tanah.

Referensi A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Adaptive wire bow-tie antenna for GPR applications,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 53, no. 5, pp. 1745-1754, May 2005. A.A. Lestari, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Ground influence on the input impedance of transient dipole and bow-tie antennas,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 52, no. 8, pp. 19701975, Aug. 2004. A.A. Lestari, A.B. Suksmono, A. Kurniawan, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “A facility for UWB antenna measurements in time domain,” Proc. 2005 IEEE Int. Workshop Antenna Technology (IWAT2005), pp. 109-112, Singapore, Mar. 2005. A.G. Yarovoy, P.J. Aubry, L.P. Ligthart, “GPR antenna measurements in time domain,” CDROM Proc. Millenium Conf. Antennas Propagat. (AP-2000), Davos, Switzerland, Apr. 2000. A. Yarovoy, R. de Jongh, L. Ligthart, “Ultrawideband sensor for electromagnetic field measurements in time domain,” Electr. Lett., vol. 36, no. 20, pp. 1679-1680, Sep. 2000. A.A. Lestari, D. Yulian, A.B. Suksmono, E. Bharata, A.G. Yarovoy, L.P. Ligthart, “Rolled dipole antenna for low-resolution GPR,” Proc. Progress Electromagnetic Research Symp. (PIERS 2007), Beijing, China, Jun. 2007.

Table 1:Spesifikasi Test Range Kotak pasir Dimensi Tinggi pasir Permitivitas pasir Konduktivitas pasir Sensor Kedalaman sensor Saluran transmisi

3 m x 3 m x 1.6 m 90 cm 5.1 amat kecil antenna loop 30 cm Sucoflex Scanner

Tinggi scanner Pergerakan sapuan Luas sapuan maksimum Pergerakan vertical maks. Ketelitian langkah Berat antena maksimum Defleksi vertical maksimum Jumlah stepper motor Driver board

2.95 m 3 dimensi (x,y,z) 2 m (x) x 2 m (y) 1 m (z) ± 1 mm 30 kg 0.25 mm 3 Full step bipolar current drive

120


Perancangan dan Implementasi Antena Monopole 1GHz untuk Aplikasi Borehole GPR Nana Rachmana, M.Nuramzan Iftari, Andriyan B Suksmono Telecommunication Research Group, School of Electrical and Informatics Engineering, ITB Jl. Ganesha No.10 Bandung 40132 Indonesia Abstraks Pada paper ini dibahas mengenai simulasi dan implementasi perancangan antena monopole dengan frekuensi 1GHz yang dapat dipergunakan untuk keperluan Ground Penetrating Radar (GPR) dengan teknik Borehole. Antena monopole ini cukup sederhana dan mudah dibuat dengan akurasi yang cukup baik dengan implementasi dan pengukurannya menunjukan hasil yang sama dengan hasil simulasinya. Antena yang dibuat dicoba digunakan dalam simulasi borehole GPR dengan GPRMAX 2D/3D, dengan hasil simulasi menunjukkan sistem dapat mendeteksi suatu benda berbentuk bola yang tersimpan didalam pasir dengan cukup presisi.

dipengaruhi oleh ukuran ground plane yang secara ideal harus lebih luas. Dibandingkan dengan antena dipole, antena monopole memiliki besar impedansi ½ dari impedansi antena dipole yaitu sebesar (36.5+j21.3)ohm[1]. Adapun ketebalan dari antenna monopole mempunyai efek yang sangat kecil terhadap besar impedansi input. Pada umumnya, besar nilai konduktivitas ground plane dari antena monopole sangat tinggi sehingga penetrasi sinyal elektromagnetik (EM) kedalam ground plane dapat diabaikan. Akibat dari ground plane ini semua radiasi diarahkan ke bagian lengan atas sehingga besar rapat daya untuk tiap sudut menjadi dua kali lebih besar daripada antena dipole yang memancarkan daya dengan sama besar. Adapun medan jauh antena monopole dengan tinggi adalah

1. Pendahuluan Antena monopole adalah antenna yang sangat popular dan sering digunakan. Antena ini dapat digunakan untuk aplikasi broadcasting, radio mobil, layanan komunikasi bergerak jalur darat, dan yang terbaru untuk telepon seluler. Antenna monopole vertical diatas tanah secara luas digunakan untuk siaran radio AM dengan rentang frekuensi dari 535-1605 KHz[4]. Antenna monopole memiliki pola radiasi omnidirectional sehingga antenna ini juga dapat digunakan untuk mendeteksi adanya objek dibawah tanah dengan teknik borehole. Dengan meningkatnya frekuensi antenna akan menurunkan tinggi dari antenna tersebut sekaligus akan meningkatkan redaman sinyal propagasi karena adanya efek skin[3]. Bila ditinjau dari segi ekonomis dan mobilitas, tinggi antenna minimum adalah yang lebih baik. Maka dari itu diperlukan pengembanganpengembangan terbaru dalam teknologi radar untuk membuat antenna dengan tinggi minimum serta besar efek skin yang memadai agar sinyal elektromagnetik antena dapat menembus suatu medium tertentu dan berhasil ditangkap oleh antena penerima.

Dimana medan listrik (Eθ ) berada pada bidang elevasi ,dan medan magnet (H ) berada pada bidang azimuth . Pada gambar diatas terdapat beberapa parameter antenna yaitu = sudut elevasi, = sudut azimuth, r = jarak radial titik

Teori Antena Monopole Antena monopole merupakan antena dengan tinggi ¼ panjang gelombang dan lebar pita yang relatif besar hingga 10%[6]. Antena monopole biasanya dicatu dari kabel koaksial menuju ground plane dan tidak memerlukan balun transformer. Bagaimanapun, performansi antena monopole


sumber menuju titik observasi, k =

=

konstanta gelombang EM, adalah panjang gelombang, Io adalah arus maksimum, = impedansi intrinsik. Rapat daya dan intensitas

121


radiasi rata-rata antena monopole dapat ditulis sebagai berikut :

a) Struktur 2 Dimensi Antena Monopole 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 y

0 -0.005

Dan

-0.01 -0.015 -0.02 -0.025 -0.02

-0.01

0 x

0.01

0.02

Gambar 2.1 Struktur 2 Dimensi Antena Monopole

Daya total radiasi dapat diperoleh sebagai berikut

b) Struktur 3 Dimensi Antena Monopole

0.08

0.06

panjang z

Untuk antena dipole setengah gelombang, direktivitasnya menjadi

0.04

0.02

0 0.02

Karena ground plane antena monopole bersifat konduktor, direktivitas antena monopole menjadi dua kali lebih besar dibandingkan antenna dipole yaitu Do=2×1.643 = 3.286. Direktivitas antena monopole meningkat sebagaimana daerah ground plane meningkat , tetapi hal ini tergantung juga pada nilai konduktivitas ground plane antena monopole tersebut[5].

0.02

0

0 -0.02

-0.02

y

x

Gambar 2.2 Struktur 3 Dimensi Antena Monopole

c) Kurva Impedansi Vs Frekuensi Kurva Resistansi dan Reaktansi Vs Frekuensi 200

150 Resistansi/Reaktansi (Ohm)

2. Perancangan dan Implementasi Untuk perancangan antena monopole ini, digunakan bahan kuningan pada ground plane dan antena. Dimensi dari antena tersebut adalah sebagai berikut : • Diameter ground plane: 2 inchi 5.08 cm • Diameter feeding : 3 mm • Tinggi Antena : 8 cm

100

50

0 Resistansi Data Resistansi Reaktansi Data Reaktansi

-50

-100 0.8

0.85

0.9

0.95

1 1.05 1.1 Frekuensi (Hz)

1.15

1.2

1.25

1.3 9

x 10

Gambar 2.3 Kurva Impedansi Vs Frekuensi Antena

2.1 Simulasi Antena Monopole Hasil simulasi geometri diatas dengan menggunakan software Matlab Antena Toolbox (MAT) adalah sebagai berikut :


Peristiwa resonansi pada antena terjadi ketika reaktansi Xin sama dengan nol[2]. Pada grafik diatas frekuensi resonansinya adalah 1.07GHz

122


d) Kurva Return Loss Vs Frekuensi Kurva Return Loss Vs Frekuensi 0 Return Loss Data Return Loss

-2 -4

Return Loss (dB)

-6 -8 -10 -12 -14

Gambar 2.6 Bentuk 3 Dimensi Gain Total Antena

-16 -18 0.8

0.85

0.9

0.95

1 1.05 1.1 Frekuensi(Hz)

1.15

1.2

1.25

2.2 Implementasi Antena Monopole Berdasarkan hasil simulasi diatas besar frekuensi antenna monopole ini antara 1-1.1 GHz. Adapun dimensi antena monopole secara mendetail adalah sebagai berikut :

1.3 9

x 10

Gambar 2.4 Kurva Return LossVs Frekuensi Antena

Berdasarkan grafik diatas, nilai return loss minimum sebesar -16.1dB sehingga frekuensi tengah antena ini adalah 1.1051GHz sedangkan bandwidth antena monopole ini sebesar 6.8 %[7]. e) Pola Radiasi Co-Polar dan Cross-Polar Direktivitas(co/cross-polar) or (left/right-handed) dalam dB 90

80

Komponen Co-Polar Komponen Cross-Polar

60

120 60 40

150

30

20

180

0

210

330

240

300 270

Gambar 2.5 Pola Radiasi Kom. Co-polar dan Cross Polar

Komponen co-polar merupakan sinyal EM yang diinginkan sedangkan komponen yang tegak lurus dengan co-polar adalah cross-polarized (polarisasi silang)[6]. Untuk lebih jelasnya, bentuk tiga dimensi pola pancar radiasi antenna ini adalah sebagai berikut

Gambar 2.7 Bentuk Geometris Antena Monopole

Antena monopole tersebut diukur dengan menggunakan spectrum analyzer sebanyak 3 kali. Adapun metode pengukuran frekuensi antenna ini dijelaskan pada gambar dibawah ini


123


a) Kurva Impedansi Vs Frekuensi Kurva Resistansi dan Reaktansi Vs Frekuensi 300 250

Resistansi/Reaktansi (Ohm)

200 150 100 50 0 -50

Resistansi Data Resistansi Reaktansi Data Reaktansi

-100 -150 0.8

Gambar 2.8 Skema pengukuran return loss

0.85

0.9

0.95


1.15

1.2

1.25

1.3 9

x 10

Gambar 2.10 Kurva Impedansi Vs Frekuensi Antena hasil penalaan

Hasil pengukuran yang didapat adalah sebagai berikut :

Pada grafik diatas terlihat bahwa frekuensi resonansinya adalah pada 0.98 GHz.(yaitu pada saat reaktansinya =0) b) Kurva Return Loss Vs Frekuensi Kurva Return Loss Vs Frekuensi 0 Data Return Loss Ansoft -2 -4

Return Loss (dB)

-6 -8 -10 -12 -14

Gambar 2.9 Hasil pengukuran return loss

-16

Tabel 1 Hasil Pengukuran VSWR Antena Monopole

No. 1. 2. 3.

Frekuensi (GHz) 1.0661 1.1496 1.0896

-18 0.8

VSWR 1.042 1.03 1.02

0.9

0.95


1.15

1.2

1.25

1.3 9

x 10

Gambar 2.11 Kurva Return LossVs Frekuensi Antena

Berdasarkan grafik diatas, nilai return loss minimum sebesar -17.7 dB dan frekuensi tengah antena ini adalah 1.003 GHz. Bandwidth antena monopole ini sebesar 5.4 %.

2.3 Penalaan Frekuensi Tengah pada 1GHz Agar frekuensi antenna monopole tepat 1 GHz, tinggi antenna harus ditala. Dari hasil penalaan antena harus diperpanjang sebesar 10 mm. Hasil penalaan tersebut dapat dilihat dari hasil simulasi sebagai berikut :


0.85

3. Aplikasi Borehole GPR Dengan memposisikan letak ground plane diatas dan konduktor antena mengarah kebawah, menghasilkan daya pancar antena maksimum kearah pasir. Dengan adanya ground plane, maka tidak ada pantulan sinyal kembali yang muncul dari sinyal yang merambat dari medium pasir menuju ke udara. Pada simulasi, sebuah bola konduktor yang berdiameter 20 cm disimpan didalam pasir.

124


Kemudian dicoba dideteksi dengan borehole GPR menggunakan antenna monopole yang telah dibuat. Hasil simulasinya dengan menggunakan software GPRMAX 2D/3D dapat dilihat pada gambar 3.1.

[4]

[5] Grafik Medan Total (E+H) 0

[6]

300 250

2 Interval Waktu Tiap Scan(ns)

200

[7]

150

4

100

[8]

50

6

0 8

-50 -100

10 -150 12 0.05

-200 0.1

0.15

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 Kedalaman Pasir (meter)

0.45

0.5

0.55

Gambar 3.1. Grafik Medan Total Aplikasi Borehole GPR

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa lokasi bola konduktor berada pada kedalaman 0.2-0.4 m (diatas permukaan pasir) dan diameternya sebesar 20 cm.

4. Kesimpulan ¾ Berdasarkan hasil dari simulasi dan implementasi, frekuensi tengah antena monopole dengan ground plane lingkaran berdiameter 2 inchi dan panjang konduktornya 80 mm adalah sekitar 1.1GHz. Untuk memperoleh frekuensi tengah tepat 1 GHz, maka tinggi antenna monopole diperpanjang 10 mm dari tinggi antenna monopole semula. ¾ Simulasi borehole GPR dengan menggunakan antena tersebut dapat mendeteksi dengan akurat lokasi dan ukuran bola konduktor yang tersimpan didalam pasir.

5. Referensi [1] [2] [3]

John D Kraus, “Antenas For All Aplication,” Third Edition, Mc Graw Hill Fawwaz T. Ulaby, “Fundamentals Of Applied Electromagnetics”. The University Of Michigan O. P. Gandhi, G. Lazzi, and C. M. Furse, “Monopole Antennas”. University of Utah, Salt Lake City, UT


125

S. M. Saleem, H. M. Jafar & M. Javid Asad, “Design Of Extremely Short Base Loaded Monopole Antenna For Telecommand Purpose” National Engineering and Scientific Commission, Islamabad, Pakistan Robert E.Collin “Antennas and Radiowave Propagatio”, Mc Graw Hill Wajih Iqbal, “Modeling Printed Antennas Using The Matlab Antenna Toolbox”. Clemson University. GPRMAX2D/3D, “User’s manual”, version 2.0, 2005 Manual Matlab Antena Toolbox, “Chapter 4 Quarter Wavelength Antena”. http://ece.wpi.edu/mom..


Karakteristik Curah Hujan di Kototabang menggunakan Radar Atmosfer Katulistiwa Suaydhi Pusat Pemanfaatan Sains Atmosfer dan Iklim – LAPAN Jl. Dr. Junjunan 133 Bandung 40173 Telp. (022) 6037445, Fax: (022) 6037443 Email: [email protected]

Abstrak Hujan merupakan parameter atmosfer penting yang mempengaruhi hidrologi permukaan tanah, proses-proses di pantai, stabilitas lereng, dan sirkulasi iklim dan panas global. Pemahaman tentang intensitas dan distribusi hujan dapat memperbaiki perlindungan sumber daya lingkungan dan manusia, dan meningkatkan pengetahuan tentang proses geofisis tanah, laut, dan atmosfer. Secara historis, pengukuran hujan di Indonesia masih menggunakan penakar hujan (rain gauge) tradisional yang tersebar di wilayah yang sangat luas. Penggunaan data penakar hujan dalam penelitian hujan terbatas pada statistik besarnya curah hujan dan periodisitas kejadiannya. Namun untuk meneliti aspek fisisnya diperlukan peralatan yang dapat mengamati fenomena hujan secara lebih akurat dalam ruang dan waktu. Hal ini diperlukan untuk mengembangkan algoritma prakiraan curah hujan yang lebih akurat. Penelitian tentang mikrofisika hujan kini telah dapat dilakukan dengan adanya Radar Atmosfer Katulistiwa atau Equatorial Atmosphere Radar (EAR) di Kototabang (Sumatra Barat) yang telah beroperasi sejak pertengahan tahun 2001. Bebarapa fasilitas pengamatan awan dan hujan tersedia di lokasi tersebut, di antaranya disdrometer, optical raingauge, X-band rain radar dan boundary layer radar. Dari instrumen-instrumen ini, karakteristik curah hujan di Kototabang dan sekitarnya dapat dipelajari. Dengan menggunaka metode diameter rata-rata tetes hujan dan simpangan bakunya, penentuan tipe hujan konvektif dan stratiform telah dilakukan. Curah hujan di Indonesia umumnya mendapat pengaruh dari fenomena osilasi Madden-Julian (MJO) yang berperioda antara 30 – 60 harian, tak terkecuali yang teramati di daerah Kototabang. Pada waktu fase MJO tidak aktif, hujan di Kototabang lebih didominasi oleh proses konveksi lokal. Hujan dari konveksi lokal ini memiliki ukuran butir hujan rata-rata yang lebih besar dibandingkan dengan hujan yang terjadi pada waktu fase MJO aktif. Pada fase aktif ini, hujan dihasilkan dari awan-awan skala global dan hujan tipe stratiform lebih sering terjadi. Kata Kunci: EAR, hujan konvektif, hujan stratiform, MJO. Abstract Rainfall is an important atmospheric parameter that affects the soil surface hydrology, coastal processes, general circulation, and global heat. Understanding the intensity and distribution of rainfall would improve the protection of environmental and human resources, and also improve our knowledge about soil, marine, and atmospheric geophysical processes. Until very recently, rainfall measurements in Indonesia are obtained with conventional rain gauge which scattered across very large area of the Indonesian archipelago. The use of data from conventional rain gauges for research is constrained to rain statistics and its periodicity. To investigate the physical aspects of rainfall, the drops of each rainfall have to be measured in very high temporal resolution. This is needed to develop a more accurate algorithm of rainfall estimates. With the establishment of Equatorial Atmosphere Radar (EAR) at Kototabang (West Sumatra), which is in operational status since mid 2001, microphysical investigation of rainfall can now be conducted. Several instruments which are dedicated to observe cloud and rain phenomena are disdrometer, optical rain gauge, X-band rain radar, and boundary layer radar. Characteristics of rainfall at Kototabang and its vicinity are investigated using data from the EAR site. A method based on the characteristics of the diameter of the raindrops is used to distinguish rainfall types, between convective and stratiform. Indonesian rainfall is generally influenced by the Madden Julian Oscillation (MJO), which has a cycle between 30 and 60 days, and Kototabang area is no exception. During the inactive phase of MJO, rainfall at Kototabang is dominated by local convective processes. Rain from this local convection generally has larger mean raindrop size than that occurs during the active phase of MJO. During the active phase, rain is generated from large scale clouds, and stratiform rain is more frequently observed. Keywords: EAR, convective rain, stratiform rain, MJO.


126


1. Pendahuluan Tiga perempat energi yang menggerakkan sirkulasi atmosfer berasal dari panas laten yang dilepaskan oleh hujan (Hartmann, 1994). Meskipun demikian penting peranannya, hujan merupakan salah satu parameter atmosfer yang paling sulit diukur karena variabilitas ruang dan waktunya sangat besar. Selain pengamatan di permukaan, kuantifikasi distribusi hujan juga memerlukan pengamatan profil vertikalnya. Distribusi horizontal hujan memberikan informasi penting baik mengenai besarnya maupun lokasi pelepasan panas laten di troposfer yang terintegrasi dalam kolom vertikal. Profil vertikal hujan dan hidrometeor dapat memberikan informasi khusus tentang di mana pemanasan laten terjadi di ketinggian atmosfer. Gradien vertikal dari pemanasan yang bersifat lokal ini termanifestasikan sebagai divergensi (Mapes and Houze, 1993). Dengan tersedianya fasilitas radar pengamatan atmosfer yang cukup lengkap di daerah Kototabang (0.20°LS, 100.32°BT), Sumatra Barat, penelitian curah hujan di Indonesia telah memasuki era baru. Beberapa peralatan yang ada di Stasiun Pengamat Dirgantara (SPD) Kototabang adalah disdrometer, optical rain gauge (ORG), equatorial atmosphere radar (EAR), X-band rain radar (XRR), dan micro rain radar (MRR). Peralatan-peralatan ini mampu mengamati laju hujan per menit, diameter tetes hujan dari ukuran sekitar 0.2mm ke atas, dan fenomena konveksi udara dalam resolusi waktu dan interval ketinggian yang sangat tinggi.

pemindaian yang tinggi (resolusi waktunya 29 mikro detik), pengamatan waktu yang akurat pada transit jatuhnya tetes hujan, diameter equivolumetrik tetes hujan, kecepatan jatuh vertikal, dan bentuk tetes hujan mampu direkam oleh alat ini. BLR adalah radar meteorologi dengan frekuensi 1.3 GHz yang dapat digunakan untuk mengamati awan dan hujan sampai ketinggian sekitar 6 km di atas permukaan tanah. Sedangkan EAR mempunyai frekuensi 47.0 MHz dan digunakan untuk meneliti dinamika atmosfer sampai ketinggian sekitar 20 km. Pengetahuan tentang tipe hujan akan memperbaiki ketepatan prediksi atenuasi hujan dan juga estimasi laju hujan yang diturunkan dari data radar. Estimasi tipe hujan dapat didasarkan pada evaluasi catatan laju hujan yang ada. Estimasi laju hujan yang yang lebih akurat didapatkan dari analisis DSD. Tokay dan Short (1996) memperkenalkan metoda parameter CS (Convective-Stratiform) untuk membedakan tipe hujan antara konvektif (cumuliform) dan nonkonvektif (stratiform). Sementara Ciach et al. (1997) menggunakan pendekatan pemilahan laju hujan (rainrate thresholding). Namun Uijlenhoet et al. (2003) menyatakan bahwa kedua metoda tersebut kurang handal (robust) dalam beberapa kasus. Uijlenhoet et al. (2003) mengusulkan penggunaan karakter diameter dari butir hujan untuk kriteria pemisahan tipe hujan, yaitu diameter rata-rata butir hujan (µD) dan simpangan bakunya (σD). Diameter rata-rata dan simpangan bakunya diperoleh dari rumus berikut: ∞

µ D = N T−1 ∫ DNV ( D)dD 0

∞

σ D = N T−1 ∫ D 2 N V ( D)dD − µ D2

2. Data dan Metodologi

0

Data yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari pengamatan di SPD Kototabang, menggunakan disdrometer, optical raingauge (ORG), radiosonde, boundary layer radar (BLR), dan equatorial atmosphere radar (EAR). Disdrometer yang digunakan dalam penelitian ini adalah 2-Dimensional Video Disdrometer atau lebih dikenal dengan nama 2DVD yang diproduksi oleh Joanneum Research (Austria). Peralatan ini menggunakan kotak berukuran 100 cm2 yang dilengkapi dengan 2 kamera video yang saling tegak lurus pada dua sisi kotak tersebut untuk mengamati tetes hujan yang masuk ke dalam kotak. Dengan frekuensi


127

(1) (2)

di mana D adalah diameter butir hujan, Nv(D) adalah distribusi ukuran butir hujan (drop size distribution atau DSD), dD adalah interval diameter, dan NT adalah konsentrasi total. ∞

N T = ∫ N V ( D)dD 0

(3)

3. Identifikasi Tipe Hujan Untuk menguji konsistensi data laju hujan, maka data laju hujan dari disdrometer perlu dibandingkan dengan data laju hujan dari peralatan lainnya yang berada tidak jauh dari


lokasi disdrometer tersebut. Dalam hal ini sebuah penakar curah hujan optis (optical raingauge) tersedia sebagai data pembanding laju hujan (lihat gambar 1).

Gambar 3: Perbandingan data laju hujan antara disdrometer dan optical rain gauge untuk kejadian hujan pada tanggal 31 Oktober 2005.

Dalam penelitian ini, metode seperti yang digunakan oleh Uijlenhoet et al. (2003) digunakan sebagai cara untuk mengidentifikasi tipe hujan. Dari pengamatan deret waktu diameter rata-rata dan standar bakunya, dipilih harga tertentu untuk menetapkan kriteria suatu kejadian hujan ke dalam tipe konvektif atau stratiform. Hujan tipe stratiform mempunyai diameter rata-rata µD < 0.5 mm dan simpangan bakunya σD < 0.2 mm. Selain dari itu hujannya dianggap sebagai hujan konvektif. Contoh dari penggunaan kriteria ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Pada plot spektrum ukuran butir hujan (gambar 2, panel kiri atas), hujan stratiform terlihat lebih seragam dan lebih sempit rentang waktu turunnya pada setiap kejadiannya, sedangkan pada hujan konvektif spektrumnya terlihat melebar dan tampak mempunyai puncak-puncak yang lebih jelas. Pada plot deret waktu laju hujan (gambar 1, panel kiri bawah), besarnya laju hujan dari hujan stratiform tidak lebih dari 5 mm/jam. Hujan konvektif mempunyai laju hujan yang sangat bervariasi dari yang sangat kecil sampai yang sangat deras dan bisa mencapai lebih dari 100 mm/jam. Jadi penggolongan tipe hujan yang menggunakan besarnya laju hujan sebagai kriteria tidak dianjurkan, karena laju hujan yang kurang dari 5 mm/jam juga bisa tergolong sebagai hujan konvektif. Gambar 2 panel kanan atas memperlihatkan deret waktu konsentrasi total butir hujan. Secara sekilas, plot deret waktu ini tidak mirip dengan plot deret waktu diameter rata-rata (panel kanan tengah) dan simpangan bakunya (panel kanan bawah). Hasil ini berbeda dengan kejadian hujan di lintang menengah yang ditunjukkan oleh Uijlenhoet et al. (2003) pada gambar 4c, yakni plot ketiga deret waktu ini mirip satu sama lain. Jakarta, 18 – 19 April 2007

128

Gambar 4: Analisis kriteria penentuan tipe hujan.

Dari hasil identifikasi tipe hujan ini, hujan konvektif merupakan tipe hujan yang mendominasi kawasan Kototabang. Dalam satu hari rata-rata kejadian hujan stratiform lebih sedikit dari kejadian hujan konvektif. Dibandingkan terhadap jumlah hujan total dalam satu hari, hujan stratiform hanya menyumbang paling banyak sekitar 13%. Analisis pada kejadian hujan konvektif menunjukkan bahwa hujan konvektif paling sering terjadi pada malam hari, antara jam 18 dan jam 24. Meskipun demikian, akumulasi hujan paling banyak dihasilkan oleh kejadian hujan konvektif pada sore hari (dari jam 12 sampai jam 18). Hujan konvektif juga sering terjadi pada dini hari (jam 00 – 06) dan pagi hari (jam 06 – 12), namun akumulasi hujan yang dihasilkannya relative lebih kecil dibandingkan pada periode lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa laju hujan dari hujan konvektif sore hari umumnya sangat deras.

4. Variasi Curah Hujan Sub Musiman Gambar 3 menunjukkan deret waktu kecepatan angin zonal level rendah yang diamati dengan BLR, diameter butir hujan rata-rata dan laju hujan dari 2DVD antara 10 April dan 9 Mei 2004. Terlihat adanya transisi fase MJO yang jelas dari fase konvektif tak aktif (10 – 22 April) ke fase konvektif aktif (23 April – 9 May). Fase konvektif tak aktif, sering disebut dengan “fase tak aktif”, diindikasikan dengan dominannya angin timuran dengan kekuatan lemah sampai sedang, sedangkan selama fase konvektif aktif


(“fase aktif”) angin baratan level rendah jelas teramati. Selama periode MJO aktif, ada tiga kumpulan awan besar (super cloud clusters atau SCC) yang melintas di atas Kototabang (Shibagaki et al., 2006). Pada gambar 3, tiga SCC ini ditandai dengan SCC1, SCC2, dan SCC3. Hujan dengan durasi yang lebih lama diamati ketika ada SCC melintas di atas Kototabang, dibandungkan dengan periode MJO tak aktif. Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa hujannya berasal dari SCC tersebut, sebab sistem awan skala besar akan mengakibatkan hujan tak terputus yang lama atau hujan terputus-putus dalam waktu yang lama. Gambar 6: Profil atmosfer di atas Kototabang (dari data EAR) pada waktu MJO tidak aktif (10 - 23 April 2004).

Gambar 5: Deret waktu angin zonal level rendah dari data BLR (panel atas), diameter rata-rata butir hujan (panel tengah, dan laju hujan (panel bawah) dari data disdrometer. Keberadaan super cloud cluster (SCC) diberi tanda dengan arsiran tegak.

5. Siklus Diurnal Aktivitas konvektif atmosfer di atas Kototabang dapat diamati menggunakan EAR. Siklus diurnal kondisi atmosfer selama fase tidak aktif dan aktif MJO ditunjukkan pada gambar 4 dan 5. Gambar 4 menunjukkan bahwa pada fase MJO tidak aktif, sebuah konveksi kuat teramati dengan jelas pada sore hari. Ini adalah sifat konveksi lokal di atas daratan yang jauh dari laut. Ketika angin baratan mulai mendominasi, konveksi local tertekan dan turbulensi pada ketinggian 14 – 15 km teramati pada malam hari (gambar 5). Turbulensi ini sangat mungkin ditimbulkan keberadaan sistem awan besar (SCC) di atas Kototabang.


129

Gambar 7: Profil atmosfer di atas Kototabang pada waktu MJO aktif (23 April - 9 Mei 2004).

Perbedaan curah hujan yang dibangkitkan oleh konveksi lokal dan konveksi skala besar dapat juga dilihat pada waktu terjadinya dan variasi tipe hujannya. Pada fase MJO tidak aktif, curah hujan sering terjadi pada sore hari sampai awal malam hari. Sementara pada fase aktif, curah hujan juga banyak teramati pada larut malam bahkan sampai dini hari. Hujan yang teramati oleh disdrometer pada waktu fase aktif juga terus menerus dan berlangsung sampai waktu yang panjang. Sebaliknya pada fase tidak aktif, hujannya sebentar dan tidak terjadi pada malam hari, namun laju curah hujannya rata-rata lebih besar dari pada waktu MJO aktif. Diameter butir hujan rata-rata pada fase MJO tidak aktif (gambar 6, panel kiri atas) lebih tinggi dibandingkan dengan diameter untuk hujan waktu fase aktif (gambar 7, panel kiri


atas). Hal ini kemungkinan disebabkan oleh dominannya hujan konvektif pada fase tidak aktif, sementara pada fase aktif hujan stratiform cukup banyak terjadi. SCC memang menyebabkan lebih banyak hujan pada malam dan dini hari (gambar 7, panel kanan bawah), namun juga menyebabkan banyak curah hujan bertipe stratiform. Ini terlihat dari simpangan baku diameter rata-rata curah hujan pada malam dan dini hari waktu fase aktif lebih tinggi (gambar 7, panel kiri bawah) daripada simpangan bakunya pada fase MJO tidak aktif (gambar 6, panel kiri bawah).

6. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang telah dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan: • Data laju curah hujan dari disdrometer konsisten dengan data laju curah hujan dari optical raingauge. • Jika diameter rata-rata dari tetes hujan kurang dari 0.5mm dan simpangan bajunya kurang dari 0.2mm, maka hujannya digolongkan sebagai hujan stratiform, selain dari batasan tersebut dikelompokkan sebagai hujan konvektif. Hal tersebut dapat dikonfirmasikan oleh kontur spektrum distribusi tetes hujan (drop size distribution atau DSD). Spektrum hujan stratiform lebih seragam, sedangkan spektrum hujan konvektif lebih fluktuatif. • Curah hujan di wilayah Kototabang dan sekitarnya dipengaruhi oleh faktor lokal dan faktor skala global. Pada fenomena MaddenJulian Oscillation (MJO) tidak aktif, faktor lokal lebih dominan. Pada saat MJO aktif, konveksi lokal tertekan dan faktor global lebih dominan. • Hujan yang berasal dari konveksi lokal memiliki ukuran lebih besar dan lebih bervariasi. • Hujan dari konveksi lokal paling sering terjadi pada sore hari. • Hujan pada malam hari sampai dini hari pada umumnya dihasilkan dari awan-awan skala global. • Hujan stratiform pada umumnya berasal awan-awan skala global.


130

Gambar 8: Deret waktu diameter rata-rata butir hujan (panel kiri atas), simpangan bakunya (kiri bawah), laju hujan (kanan atas), dan jumlah kejadian hujan (kanan bawah) pada waktu MJO tidak aktif.

Gambar 9: Sama seperti gambar 10, namun untuk perioda MJO aktif.

7. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Wendi Harjupa dari SPD Kototabang atas bantuannya dalam memperoleh data yang digunakan dalam penelitian ini.

8. Daftar Pustaka [1] Ciach, G.J., W.F. Krajewski, E.N. Anagnostou, M.L. Baeck, J.A. Smith, J.R. McCollum, and A. Kruger, 1997: Radar rainfall estimation for ground validation studies of the Tropical Rainfall Measuring Mission, J. Appl. Meteor., 36, 735–747. [2] Hartmann, D.L., 1994: Global Physical Climatology. Academic Press, 411 pp.


[3] Mapes, B.E., and R.A. Houze, 1993: An integrated view of the 1987 Australian monsoon and its mesoscale convective system. Part II: Vertical structure. Quart. J. Roy. Meteor. Soc.,119, 733–754. [4] Shibagaki, Y., T. Kozu, T. Shimomai, S. Mori, F. Murata, Y. Fujiyoshi, H. Hashiguchi, and S. Fukao, 2006: Evolution of a Super Cloud Cluster and the Associated Wind Fields Observed over the Indonesian Maritime Continent during the First CPEA


131

Campaign. J. Meteor. Soc. Japan, 84A, 19 – 31. [5] Tokay, A., and D.A. Short, 1996: Evidence from tropical raindrop spectra of the origin of rain from stratiform versus convective clouds. J. Appl. Meteor., 35, 355–371. [6] Uijlenhoet, R., M. Steiner, and J.A. Smith, 2003: Variability of raindrop size distributions in a squall line and implications for radar rainfall estimation. J. Hydrometeorology, 4, 43–61.


MODEL ANTENA PITA LEBAR BERBAHAN LIMBAH DAN UJI HIPOTESIS ANTENA Soetamso Departemen Teknik Elektro STTTelkom Jl. Telekomunikasi – Dayeuh Kolot Bandung 40257 Tlp. 62 22 7564500 – 7564108 Fax. 62 22 7565933 E – mail : [email protected]

ABSTRAK Selama 16 minggu dapat dihasilkan (10-1) prototipe model antena pita lebar dan dapat dihemat waktu 16% dari studi normal, secara penyelarasan tridharma dengan QS. 17 : 27, kebanyakan berdasarkan definisi baru tentang antena; dan satu sistem pengukuran konstanta bahan. Kata kunci : keselarasan tridharma, model pita lebar, definisi baru. ABSTRACT Within 16 weeks, (10-1) prototypes of wide band antenna model and 16% of usual time study is saved by harmonizing the tridharma with QS 17 : 27, mostly based on a new definition of antenna; and one of material constant measurement system. Key word: harmonizing the tridharma, wide band model, new definition.

1. PENDAHULUAN Para pemboros itu saudara syaitan dan ingkar kepada Tuhannya. Begitulah rangkuman sabda Allah di dalam Al Quran surat ke-17 ayat ke 27 ( QS 17 : 27[1] ). Supaya tunduk kepada Allah maka harus berhemat. Karena itulah maka ketiga dharma dari tridharma dilaksanakan secara serentak supaya hemat waktu, biaya dan sumber daya lainnya. Pembelajarannya secara pengembangtelitian yang menghasilkan suatu prototipe untuk mengembangkan kemandirian dan keramahan lingkungan. Pembelajar sebagai manajer – kelas dan fasilitator dalam pengembangan potensi, menyediakan berbagai judul pengembangtelitian beserta abstraknya ( sebagian ) yang berkaitan dengan mata pelajaran tertentu yang diampunya. Khas untuk pelajaran teknik antena, setiap judul berguna untuk studi kelompok dalam persiapan dan pelaksanaan praktikum. Pengembangan selanjutnya untuk Proyek Akhir perorangan. Sebagian judul berkaitan dengan definisi lama dan sebagian lainnya yang berdefinisi baru supaya dapat dibandingkan. Sembilan prototipe model antena pita lebar dan satu sistem uji konstanta bahan dapat dihasilkan oleh 10 mahasiswa yang di bimbing oleh seorang pembimbing – 1 yang mengajar dan menyediakan judul dengan bantuan seorang pembimbing – 2 untuk setiap mahasiswa. Kali ini dilaksanakan selama September 2006 sampai Januari 2007. Sepuluh rancangbangun dan NIM Pemroyek akhir dan Pembimbing – 2 – nya seperti di tabel T 1. T. 1 Prototipe 9 Antena &1 Uji Bahan

132

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Prototipe ( Judul ) Tricula Unidireksional Tricula Omni 2,0 ± 0,5 GHz Hexagonal Omni 2,0 ± 0,5 GHz Septagonal Omni 1,6 - 2,2 GHz Catursilang Binomial 2,0 ± 0,3 GHz Omni Antena Demonstrator Bikonikal Acuan 2,0 ± 0,5 GHz Omni Kolinier Omni Bikonikal Kawat Kolinier Slot Kupu Unidir Penguji Konstanta Limbah

NIM 611.....

Pb - 2

Ca ta tan

040062

ARF

CT

041005

KRS

-

041017

ARF

CC

041021

TEA

C

041023

TEA

-

040054

SPY

C

030032

BSM

030056

BSN

030012

BSN

030016

SWD

Keterangan : 61104....,...03...= D3 angkatan 2004, 2003 CT = Cumlaude IPK tertinggi CC = Cumlaude tercepat C = Cumlaude Pb – 2 = singkatan nama Pembimbing – 2 tersebut di Ucapan Terimakasih.

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 λ dan panjang gelombangnya λ = 0

2. LANDASAN TEORI Sejak 2004 dilaksanakan pembuktian hipotesis yang sesuai dengan definisi baru tentang antena. Yaitu, antena adalah konstruksi transisi untuk penyepadan impedansi saluran radio dengan impedansi ruang propagasi[2]. Karena itu, rancangbangun antena pita lebar dapat berdasarkan penyepadan pitalebar dan menggunakan saluran berpita lebar yang biasanya beragam TEM ( elektromagnit tranversal ). Contoh konstruksi saluran radio ragam TEM dan impedansi karakteristiknya terdaftar di bawah ini. 1.

Dua Kawat Z0 =

276

εr

log

2S

(1)

d

S 2.

Satu Kawat

Z0 =

εr

138

εr

log

4h

(2)

d

h

W h

Koaksial

Z0 =

138

εr d

εr

λ 0 = panjang gelombang di hampa, 377 Ω = impedansi intrinsik dari hampa. Contoh penyepadan pita lebar adalah yang binomial menurut konstruksi di gb 2.2 dan formula yang menyertainya. Z0

Z1 εrt

Z2 εr2

λ 4

λ 4

log

D

(4)

d

ZN-1 εr n

Zi

λ 4

F a − Fb 0 ,5 F a + F b

(

)

1 ⎤ ⎡ ⎫N ⎥ ⎢⎧ ⎪ ⎥ ⎢⎪ 4 ⎢ ⎪ 2Γm ⎪ ⎥ ar cos ⎨ ≈ 2 − ⎬ ⎥ ⎢ π Z ⎢⎪ ln L ⎪ ⎥ ⎪ Z0 ⎪ ⎢⎩ ⎭ ⎥ ⎥⎦ ⎣⎢

(7)

Bw = lebar pita frekuensi relatif Fa dan Fb = frekuensi batas atas dan bawah (Hz) VSWR − 1 Γm = = faktor pantul maksimum (8) VSWR + 1 N = banyaknya tingkat λ 4 VSWR = rasio tegangan berdiri Z L ≡ Z ip = impedansi beban ≡ impedansi

⎡ 8h + 0,25W ⎤ ln 3. Mikrostrip Z 0 = h ⎥⎦ εr ⎢⎣ W εr + 1 εr − 1 + dengan εre ≈ (3) 2 2 60

4.

µ r = konstanta kemagnitan relatif dari medium,

Bw ≡

d

εr

: (6)

,

Gb. 2.2 Diagram λ 4 Bertingkat • Z1, Z2 ................ ZN-1 = impedansi karakteristik dari medium atau saluran λ 4 . • εr, ε2 ............... εr n = konstanta dielektrika relatif dari bahan penyekat. Formula binomial atau maximaly flate yang menyertainya adalah sebagai berikut.[4]

d

εr

εr

D

Z0 = impedansi karakteristik ( Ω ) εr = konstanta dielektrikum nisbi ( F/m ) εre = konstanta dielektrikum nisbi efektif D, d, h, S = ukuran panjang ( m ) Gb.2.1. Contoh Saluran TEM[3] Formula dari impedansi intrinsik dari suatu medium tanpa rugi adalah Z ≈ 377 µ r , i (5) ε r

133

intristik ruang propagasi Z0 = impedansi karakteristik saluran. Sebagai contoh : untuk N = 1, ZL = 377 Ω ( impedansi intrinsik atmosfir setara dengan hampa, Z0 = 50 Ω dengan VSWR ≤ 2, masih didapat Bw = 0,4284 = 42, 84% dari frekuensi senternya Fc = 0,5 ( Fa + Fb ). Antena yang semacam ini masih tergolong berpita lebar[5,6]. Antena multicula yang tersebut di Tabel T 1 no. 1 sampai no. 5 dibangun dari beberapa cula yang berupa penyepadan λ 4 , yang dipersatukan sebuah ujungnya dan ujung lainnya tetap mengantarmukainya dengan ruang propagasi. Ujung kesatuannya menjadi berimpedansi 50 Ω. Antena model frekuensi tertentu berguna untuk mengembangkan yang berfrekuensi lainnya secara perskalaan[7].


T.3.6.1 Tabel VSWR ( f )

3. PERANCANGAN & PERCOBAAN 3.1. Perancangan Antena Multicula Antena multicula di no 1 sampai no 5 di Tabel T 1 terutama dirancang dengan N buah penyepadan λ 4 setingkat antara udara ( Zi = 377 Ω ) dengan Z0 = N x 50 Ω. Contohnya tricula berimpedansi terminal ( impedansi kesatuan ) ZT = 50 Ω, maka terminal yang dipersatukan adalah sebesar 3 x 50 Ω = 150 Ω. Sehingga setiap cula berimpedansi intrinsik penyekatnya = 50 x377 = 237,80 Ω = impedansi karakteristik saluran penyepadan. Antena multicula inilah yang dirancangbangun menurut definisi baru tentang antena. 3.2. Perancangan no 6 sampai no 9 adalah menurut definisi lama dan baru, tidak dibahas di sini untuk menyingkat makalah. Walaupun demikian hasil no 7 sampai no 9 akan disandingkan dengan no 1 sampai no 5. Konstruksinya lebih rumit dan boros bahan dan ruang. 3.3. Pengujian Konstanta Limbah Pelaksanaan uji konstanta limbah tidak dibahas di sini, untuk mempersingkat makalah. Prinsipnya adalah mengukur impedansi ( resistansi, reaktansi ) dari bahan limbah yang dikonstruksi sebagai resistor, kapasitor dan induktor toroida, menggunakan Network Analyzer. 3.4. Konstruksi dan Lain – Lain Demensi terpanjang dari multicula ini adalah L = 2 x λ 4 dari frekuensi tengah, yang bikonikal L1 = λ 2 dari frekuensi tengah,

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

VSWR ≤ 1,5 GHz 1,95 – 2,60 1,60 – 2,40 1,50 – 2,35 2,20 – 2,50 1,40 – 2,50 1,60 – 2,35 1,10 – 1,30 2,05 – 2,20 2,40 – 3,00 2,35 – 2,50

VSWR ≤ 2 GHz 1,90 – 2,63 1,40 – 2,55 1,50 – 2,60 2,15 – 2,60 1,20 – 2,55 1,55 – 2,40 1,05 – 1,35 2,00 – 3,00

Gain dBi 5,8 ± 0,2 8,96 9,13 12,5 ± 2,4 7,5 ± 0,4 4±1

2,30 – 2,31

22,33

6,6

3.6.2. Polaradiasi & Rasio x Polarisasi Polaradiasi belum di integrasikan untuk semua jenis prototipe yang telah dibuat. Juga terlalu banyak jika ditampilkan sendiri – sendiri. Pada dasarnya telah sesuai dengan penamaannya, seperti tabel T.3.6.2. T.3.6.2 Tabel Polaradiasi & Polarisasi No

Prototipe

1 2 3 4 5 6 7

Tricula Unidir Tricula Omni Hexagonal Omni Septagon. Omni Catursilang Omni Demonstrator Bikonik. Acuan ( omni ) Kolinier Bikonik om. Kolinear Slot ( unidireksional )

8 9

Gain dBi 5,8 ± 0,2 8,96 9,13 12,5 ± 2,4 7,5 ± 0,4 -

Rasio X Pol. < 4 dB < 2,5 dB -

4±1

-

6,6

-

22,33

-

< 4 dB -

No. 8 dan 9 = kolinier tiga tingkat, no. 7. bikonikal tunggal. Rasio x pol., belum dapat dirangkum seluruhnya.

yang bikonikal kolinier tiga tingkat L2 = 3 λ 2 dari frekuensi tengah. Yang kolinier kupu tiga tingkat L = 3λ dari frekuensi tengahnya. 4. ANALISIS, BAHASAN & Konstruksi antena multicula menggunakan KESIMPULAN contoh saluran yang tersebut di butir – 2 Pengukuran berbagai prototipe tersebut ( landasan teori ), menggunakan brbagai masih dilaksanakan di halaman secara medan dielektrika sampah yang telah teruji di 3.3. jauh, karena ruang tanpa gemanya sedang 3.5. Pengujian dirancangbangun. Polarisasinya belum Pengujian secara medan jauh dilaksanakan meyakinkan kelinierannya. Gain dan di halaman parkir – dalam – samping polaradiasinya cukup memadai dengan teori Laboratoria Transmisi STTTelkom, malam hari, baru maupun lama. dengan instrumen network analyzer dan Penunggalan tridharma ( penyerentaan spektrum analiser. Tidak menggunakan ruang tiga dharma ) dapat dilaksanakan di STTTelkom, tanpa gema karena sedang dikembangteliti secara hemat waktu dan sumber daya lainnya. sebagai proyek akhir. Paradigma bahwa pembelajar adalah 3.6. Hasil Ukur sebagai manajer dan fasilitator pengembang 3.6.1. Hasil Ukur VSWR ( f ) dan Gain ( dBi ) potensi para pelajarnya dapat dibenarkan, karena Grafik hasil ukur VSWR ( f ) dari percepatan studi dan prestasi serta hasil karya berbagai prtotipe antena di integrasikan para pelajarnya cukup memadai. pada gb.3.6.1 terlampir. Definisi baru tentang antena sebagai Nilai yang penting ditampilkan dengan tabel hipotesis, dapat menjadi tesis. Ternyata tesis ini T.3.6.1 berikut ini. ( definisi baru ini ) memudahkan

134


perancangbangunan antena pita lebar bergain memadai dan berdimensi kecil dan ringkas. Model prototipe berbagai antena ini dapat diskalakan untuk wilayah frekuensi lainnya. Dibuktikan puluhan tahun lalu di PT INTI Persero Bandung, oleh penulis ini.

UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih disampaikan kepada seluruh sivitas akademika STTTelkom, terutama kepada : 1. Para mahasiswa dan para asisten laboratoria beserta Ketua Laboratoria Transmisi STTTelkom, khususnya para pemroyek akhir yang NIM – nya tercantum di Tabel T.1 di pendahuluan. 2. Para pembimbing – 2, yaitu Saudara dan Bapak : (1) ARF = Arfianto Fahmi, ST, MT (2) KRS = Kris Sujatmoko, ST, MT (3) TEA = Ir. Teha Tearalangi (4) SPY = Drs. Suprayogi, MT (5) BSM = Ir. Bambang Sumajudin, MT (6) BSN = Bambang Setia Nugraha, ST, MT (7) SWD = Drs. Suwandi, Msi.

DAFTAR PUSTAKA [1] Departemen Agama RI, Al Quran dan Terjemahannya, Ed. Baru – revisi 2000, Karya Utama, Surabaya 2000. [2] Soetamso dan Dr. Mukhidin, ST, MPd, Laporan Penelitian Pembelajaran Inkuiris tentang Antena, STTTelkom, 2005. [3] Jasik cs, Antenna Engineering Handbook, Mc Graw Hill Inc, NY, 1984 [4] Pozar David M, Microwave Engineering, John Wiley & Sons 3th Ed., Singapore, 2003. [5] Connor FR, Antennas, 2nd Ed, Edward Arnold, London, 1992. [6] Kraus JD, Cs, Antennas For All Aplications, McGraw Hill.Inc., Singapore, 2002. [7] Week Walter L, Cs, Antenna Engineering, Tata McGraw Hill Comp. LTD, New Delhi, 1974.

135


LAMPIRAN

(1) (2) (3) (4) (5)

Gb.

Tricula Unidireksional Tricula Omnidrireksional Hexagonal Omnidireksional Septagonal Omnidireksional Catursilang Omnidireksional

VSWR

(

f

(6) (7) (8) (9)

)

Berbagai

136

– Bikonikal Acuan Omnidireksional Kolinear Bikonikal Omnidireksional Kolinier Slot Kupu Unidireksional

Model

Prototipe

Antena


LAMPIRAN DAN TAMBAHAN 1. Tricula Unidireksional 1 : S11 Ref 1 Port 1 2 : Off

0.2 /

SWR

Ref

1 . 000

C

Meas 1 : Mkr 3 2115.088 MHz 1.010

2.8

Mkr 3 = 2115 . 088 MHz

2.6 2.4 2.2

MEAS 1 MHz

MKR 1:

2563.04 1 . 488

2:

2040.09 1 . 474

3:

2115.08 1 . 010

4:

2

off More Markers

1.8

All Off 1.6 2040.09 MHz 1.474 2

1.4 1.2 1:

Marker Functions

2563.04 MHz 1.488

1

Marker Search

2115.08 MHz 3 1.010 0

300 MHz

600 MHz

Start 0 . 300 MHz

900 MHz 1200 MHz 1500 MHz 1800 MHz 2100 MHz 2400 MHz 2700 MHz 3000 MHz

Stop 3000 . 000 MHz

Gb. 1.a. VSWR ( f ) Gain Antena

7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

6.44

6.176

5.969

Gain (dBi)

2040

2115

2550

Frekuensi (MHz)

Gb.1.b.1 Grafik Gain AUT terhadap Frekuensi Polarisasi Antena

0 340 330

3500.00

10

20 30

-2.00

320

40

-4.00

310

50

-6.00

300

60

-8.00 290

70

-10.00

280

80

-12.00 -14.00

270

90

260

100

250

110

240

120

230

130

220

140 210

200

190

170

160

150

180

Gb.1.b.2 Gain & Polarisasi Arah Azim uth

Arah Elevasi

0 5 10 15

350355 0.00 340345 335 330 325 -2.00 320 315 -4.00 310 305 300 -6.00 295 290 -8.00 285 280 -10.00 275 -12.00 270 265 260 255 250 245 240 235 230 225 220 215 210 205 200195 190185

0 20

25

30

0.00 345350355 335340 330 325 -2.00 320 315 -4.00 310 305 300 -6.00 295 290 -8.00 285 280 -10.00 275 -12.00 270 265 260 255 250 245 240 235 230 225 220 215 210 205200 195190185

35

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 175170165

5 10 15

20 25

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160155 175170165 180

180

(a) Arah Azimuth

(b) Arah Elevasi Gb. 1.c. Polaradiasi

2. Tricula Omni Strip

Trafo ferit Inner

Ground

Konektor N-fimale

Gb. 2.a. Tampak Atas

137

Prosiding Seminar Radar Nasional 2007 VS W R

2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1,072 1

1335,96

2023,01

2415,85

Frekuensi (M hz)

Gb.2.b. VSWR ( f )

0

335

340

345

350 355

5

10

15

20

25

330

30 -4,00

325

35

320

40

315

45 -9,00

310

50

305

55

300

60

-14,00

295

65

290

70

-19,00

285

75

280

80

-24,00

275

85

270

90

-29,00

265

95

260

100

255

105

250

110

245

115

240

120

235

125

230

130

225

135

220

140 215

145 210

150 205

200

195

190 185

175 170

165

160

155

180

Gb. 2.c. Polaradiasi Azimuth 0

335

340

345

350 355

5

10

15

20

25

330

30 -4,00

325

35

320

40

315

45 -9,00

310

50

305

55

300

60

-14,00

295

65

290

70

-19,00

285

75

280

80

-24,00

275

85

270

90

-29,00

265

95

260

100

255

105

250

110

245

115

240

120

235

125

230

130

225

135

220

140 215

145 210

150 205

200

195 190 185

165 175 170

160

155

180

Gb. 2.d. Polaradiasi Elevasi 0 350

10

340

20

330

30

-4

-9

310

300

-14

290

-19

280

-24

270

Sumbu Mayor

320

40 50

60

70

80

Sumbu Minor

-29

90

260

100

250

110

240

120

230

130 220

140 210

150 200

160 190

170 180

Gb. .2.e. Polarisasi Gain = G1 = 3,16 dBi pada 1335 MHz G2 = 3,96 dBi pada 2023 MHz G3 = 4,36 dBi pada 2415 MHz

138


Peranan Radar Surveillance (PSR/SSR) dalam Pelayanan Lalu Lintas Udara di Indonesia dan ADS-B sebagai Sistem Alternatif Abdullah Agus Ma’rufi *), Moch. Abdul Azis *) *) Airport and Air Traffic Services Technology PT. DIRGANTARA INDONESIA (PERSERO) INDONESIAN AEROSPACE (IAe) GPT. Lt. 5 - Jl. Pajajaran 154 Bandung – 40174 INDONESIA Phone : 022-6054289; Fax : 022-6054284 e-mail : [email protected], [email protected] Abstract The current status of the global Air Traffic Services (ATS) is evolutionary changing because of air traffic growth that generating development on the CNS/ATM (Communication, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management) technology. This condition has been pushing to the regulations changing in aviation world. The Surveillance Radar system (PSR/SSR) is essential equipments and have an important role in the ATS system. Existing condition of the Indonesian’s surveillance radar is growing old, therefore it is impacting to less optimal of the ATS system. ADS-B (Automatic Dependent Surveillance Broadcast) provide an alternative solution for the surveillance system that complementary with radar, even has potential to radar technology replacement in order to support Air Traffic Services.

Abstrak Sistem pelayanan lalu lintas udara global sedang mengalami perubahan evolutif sebagai akibat dari pertumbuhan lalu lintas udara yang memicu perkembangan teknologiCNS/ATM (Cmmunication, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management. Kondisi ini telah mendorong terjadinya perubahan regulasi di dunia penerbangan. Sistem Radar Surveillance (PSR/SSR) merupakan peralatan yang esensial dan berperan penting dalam sistem pelayanan lalu lintas udara. Kondisi peralatan radar surveillance di Indonesia sudah tua, sehingga berdampak pada pelayanan lalu lintas udara yang kurang optimal. Teknologi ADS-B (AutomaticDependent Surveillance Broadcast) memberikan solusi alternatif sistem surveillance yang komplementer dengan radar bahkan berpotensi menggantikan teknologi radar untuk menunjang pelayanan lalu lintas udara.

Kata Kunci : ATS, Radar, PSR, SSR, ADS-B, Surveillance, CNS/ATM, ruang udara, FIR

sebagai akibat dari pertumbuhan jumlah lalu lintas penerbangan yang cukup pesat namun tidak dapat diakomodasi oleh system pengendalian lalu lintas penerbangan eksisting saat ini. Masalah ini selanjutnya memicu perkembangan teknologi, khususnya yang berkaitan dengan new CNS/ATM(Communication, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management). ICAO mendefinisikan CNS/ATM sebagai sistem komunikasi, navigasi, dan surveillance yang menggunakan teknologi berbasis digital dan datalink, termasuk system satelit dengan berbagai tingkatan otomasi yang digunakan untuk menunjang system manajemen lalu lintas udara secara global dan seamless[2]. Implementasi CNS/ATM menjanjikan sistem manajemen lalu lintas udara yang lebih

1. Pendahuluan Indonesia adalah salah satu negara anggota Organisasi Penerbangan Sipil Internasional (ICAO). Oleh karena itu, berbagai persyaratan yang berhubungan dengan sistem pengaturan penerbangan sipil, sebagaimana tercantum di dalam dokumen Konvensi Chicago 1944 [1] dan Annex-nya, berikut dokumen teknik, dokumen operasional, dan konvensi internasional lain yang terkait harus dipenuhi sesuai dengan kepentingan nasional. Dalam hal ini, system pelayanan manajemen /pengendalian lalu lintas udara yang ditetapkan harus sesuai dengan peraturan / regulasi yang tercantum dalam dokumen ICAO tersebut. Regulasi dunia penerbangan di dunia saat ini sedang mengalami perubahan. Hal ini

139


suatu bentuk generik dari berbagai pelayanan informasi

menjamin tingkat keselamatan dan keamanan penerbangan, efektif, dan efisien. Tulisan di dalam makalah ini hanya membahas masalah surveillance dalam hubungannya dengan pengembangan sistem manajemen lalu lintas udara (ATM) khususnya di Indonesia. Dalam hal ini adalah yang berkaitan dengan peranan sistem radar PSR/SSR (Primary SurveillanceRadar/SecondarySurveillance Radar) dan ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast).

Gambar-2.1 Pembagian FIR di Indonesia

2. Ruang Udara dan Pelayanan LaluLintas Udara Indonesia

penerbangan, pelayanan alerting, pelayanan advisory lalu lintas udara, dan pelayanan pengendalian lalu lintas udara yang mencakup Area Control Service, Approach Control Service, atau Aerodrome Control Service. Area Control Service adalah pelayanan pemanduan kawasan yang diberikan kepada lalu lintas udara yang sedang melakukan penerbangan JELAJAH sejak dari keberangkatan hingga di bandara tujuan. Approach Control Service adalah pelayanan pemanduan TRANSISI yang diberikan kepada lalu lintas udara pada saat meninggalkan tahapan en-route menuju tahapan pendaratan di bandara, dan sebaliknya dari tinggal landas menuju jalur penerbangan en-route yang direncanakan. Sedangkan Aerodrome ControlService adalah pelayanan pemanduan yang diberikan kepada lalu lintas udara yang berada di kawasan pergerakan bandar udara (runway,taxiway) serta yang berada di ruang udara di sekitar bandar udara (Aerodrome Traffic Zone). Sistem ATS memiliki 5 (lima) sasaran utama, sesuai dengan dokumen ICAO Annex11[4], yaitu : • Untuk mencegah tabrakan antar pesawat di udara. • Untuk mencegah tabrakan antar pesawat di maneouvering area dan obstacles di daerah tersebut. • Untuk memelihara ketertiban dan keteraturan aliran lalu lintas udara. • Untuk memberikan saran dan informasi yang diperlukan kepada pesawat dalam upaya untuk mendukung tingkat keselamatan dan efisiensi penerbangan.

Sistem pelayanan lalu lintas udara (ATS) di Indonesia diatur oleh Direktorat Jendral Perhubungan Udara Departemen Perhubungan yang secara administrasi berada di bawah Direktorat Keselamatan Penerbangan. Namun demikian secara operasional sistem ATS di Indonesia dilakukan oleh penyelenggara pelayanan seperti. PT. (Persero) Angkasa Pura I, PT. (Persero.) Angkasa Pura – II, dan fasilitas ATS yang dikelola oleh Ditjen Hubud Pelayanan Lalu Lintas Udara diberikan terhadap seluruh wilayah teritorial Indonesia; termasuk perairan teritorial dan juga ruang udara di atas laut bebas di dalam ruang udara. Untuk menjamin kelangsungan pelayanan keselamatan penerbangan di atas wilayah Indonesia, ruang udara Indonesia dibagi menjadi 2 (dua) FIR (Flight Information Region), yaitu FIR Jakarta dan FIR Makassar. FIR adalah suatu wilayah ruang udara yang diberikan pelayanan informasi penerbangan dan pelayanan alerting. Dalam hal ini FIR Jakarta meliputi wilayah udara Indonesia bagian barat mulai Semarang sampai Kalimantan Utara, di barat berbatasan dengan FIR Colombo dan FIR Madras; di utara berbatasan dengan FIR Malaysia, FIR Singapura, dan FIR Kinibalu; sedangkan di selatan berbatasan dengan FIR Melbourne. Selanjutnya FIR Makassar meliputi Jawa bagian timur, Kalimantan bagian timur,Sulawesi, Nusa Tenggara, Maluku, dan Papua. Gambar-2.1 menunjukkan ilustrasi FIR yang dimaksud. Dokumen ICAO No. 4444[3] menyebutkan definisi dari pelayanan Lalulintas udara (Air Traffic Services-ATS), yaitu

140


•

surveillance akan memberikan fungsi tambahan untuk monitoring konfirmasi lintasan dalam arah lateral dan vertikal, serta untuk melakukan pengecekan otomatis antara path intent versus path clearances. b. Tingkat Keyakinan Separasi Jangka Menengah Surveillance saat ini berfungsi memberikan informasi keadaan untuk perencanaan ruang udara berdasarkan sektor dan load management. Di masa depan, surveillance akan memberikan fungsi otomatis untuk melihat trend conflict probe pada jangka menengah (sekitar 20 menit) ke depan (lookahead). Hal ini berguna untuk mendeteksi potensi tabrakan antar pesawat di ruang udara. Fungsi otomasi ini akan memerlukan peningkatan kemampuan surveillance dalam upaya untuk memberikan prediksi lintasan yang akurat dan dapat dipercaya untuk perioda lookahead jangka menengah. c. Perencanaan Ruang Udara Jangka Menengah Di masa depan, fungsi surveillance harus dapat mendukung perencanaan aliran lalu lintas udarajangka menengah dan sistem manajemen keberangkatan dan kedatangan bandar udara pusat penyebaran (hub) yang padat dimana beban lalu lintas udara dapat menyebabkan aliran lalu lintas udara menjadi tidak efisien dan jenuh. d. Manajemen Aliran dan Perencanaan Jangka Panjang / Strategis Salah satu tujuan dari sistem manajemen aliran ruang udara masa depan adalah transisi dari sistem keberangkatan yang di-managed kepada sistem kedatangan yang di-managed. Fungsi surveillance untuk mendukung manajemen aliran ruang udara yang strategis adalah dengan memberikan status yang akurat dan informasi intent untuk melakukan prediksi jangka panjang. Kendali otomatis aliran lalu lintas en-route seperti sektor dinamis memerlukan prediksi lintasan yang akurat untuk analisis beban sektor dan manajemen aliran. Pada intinya, sistem surveillance merupakan suatu elemen yang esensial dalam setiap-operasi manajemen lalu lintas udara yang terintegrasi (Integrated Air Traffic Management - ATM). Sistem surveillance yang diinginkan di masa depan adalah sistem yang mampu untuk melakukan ekstraksi berbagai parameter penerbangan yang akan meningkatkan kinerja ATM dan mampu

Untuk memberikan pengarahan kepada pesawat yang terlibat di dalam operasi Search and Rescue.

Dalam hal ini, negara harus dapat memberikan keyakinan bahwa tingkat pelayanan lalu lintas udara, dan sistem komunikasi, navigasi, surveillance, serta prosedur ATS yang diaplikasikan pada ruang udara atau lingkungan bandar udara yang dimaksud, adalah tepat dan sesuai untuk mempertahankan tingkat keselamatan (level ofsafety) yang dapat diterima. Untuk memberikan keyakinan bahwa tingkat keselamatan di daerah pelayanan lalu lintas udara sudah dipertahankan, maka pihak otoritas ATS harus mengimplementasikan program manajemen keselamatan yang formal dan sistematik untuk pelayanan lalu lintas udara di bawah koridor hukum. Bahkan jika dipandang perlu sesuai dengan regulasi ICAO, maka program manajemen keselamatan ATS harus ditetapkan berdasarkan pada perjanjian navigasi udara tingkat regional.

3. Sistem Surveillance “Radio Technical Commission for Aeronautics” (RTCA)[5] mendifinisikan “surveillance” sebagai proses deteksi, tracking, mengetahui karakteristik pesawat, dan mengobservasi pesawat, wahana, serta fenomena cuaca untuk digunakan sebagai penuntun operasi-operasi penerbangan agar aman dan efisien. Surveillance adalah fungsi kunci pada sistem manajemen ruang udara karena secara taktis dapat memberikan dukungan tingkat keyakinan separasi antar pesawat dan secara strategis dapat melakukan perencanaan aliran lalu lintas udara. Tujuan utama dari surveillance yang diinginkan di masa depan adalah untuk memberikan dukungan fungsi manajemen ruang udara sebagai berikut[6] : a. Tingkat Keyakinan Separasi Jangka Pendek Surveillance memberikan informasi mengenai status keadaan pesawat saat ini pada display controller sebagai input pada fungsi separasi otomatis, misalnya : sistem Minimum Safe Altitude Warning (MSAW) untuk melakukan deteksi dini jika ada potensi pesawat akan menabrak gunung (potential flight into terrain). Selanjutnya, di masa depan

141


prinsip sinyal-sinyal pantul yang aktif. Unit Secondary radar mentransmisikan dan menerima impuls berfrekuensi tinggi yang disebut interrogation. Dalam hal ini sistem target di pesawat memiliki transponder yang menerima interogasi dari unit radar dan memprosesnya. Setelah itu, sistem target akan menghasilkan dan mentrasnmisikan response sinyal digital dengan frekuensi yang lain. Dalam hal ini radar PSR memberikan informasi mengenai arah, tinggi dan jarak target dengan radar PSR, sedangkan radar SSR memberikan informasi tambahan, seperti identifikasi sinyal dan altitude dari target. Di Indonesia terdapat 12 buah radar PSR yang terpasang menjadi satu dengan radar SSR, dan 8 SSR tanpa PSR (total 20 stasiun radar). Di antara 20 SSR tersebut, empat set adalah MSSR (Mono pulse Secondary Surveillance Radar). Lihat Gambar-4.1. Tabel 4.1 memberikan informasi mengenai distribusi dan lokasi radar di Indonesia[7].

melakukan modus baru dalam pengendalian ruang udara, seperti pendelegasian tingkat keyakinan separasi. Hal ini akan memfasilitasi koordinasi dan memonitor pengembangan solusi surveillance yang aman efektif, dan efisien dalam menungjang sistem manajemen lalu lintas udara(ATM) masa depan.

4. Teknologi Radar dalam Pelayanan Lalu-Lintas Udara Teknologi radar merupakan bagian yang tak terpisahkan dari sistem pelayanan lalu lintas udara saat ini. Wilayah lalu lintas padat di ruang udara Indonesia saat ini telah dapat dijangkau oleh peralatan radar en-route jarak jauh. Radar seperti itu terpasang di Medan, Banda Aceh, Pekan Baru, Palembang, Tanjung Pinang, Natuna, Pontianak, Semarang, Jakarta, Denpasar, Surabaya, Waingapu, Ujung Pandang, Banjarmasin, Balikpapan, Manado, Kendari, Ambon, Biak dan Yogyakarta. Radar untuk bandar udara (airport radars) digunakan di beberapa daearah terminal untuk pengendalian pendekatan dan keberangkatan pesawat udara. Tetapi beberapa wilayah, walaupun bukan wilayah lalu lintas padat, belum dijangkau oleh pelayanan radar. Saat ini masih banyak pesawat yang terbang menggunakan alat bantu navigasi penerbangan konvensional. Namun seiring dengan jumlah lalu lintas udara yang semakin meningkat, maka di masa yang akan datang akan diperlukan kemampuan surveillance dan pelayanan ATS yang lebih lengkap untuk semua ruang udara di Indonesia. Ada dua macam radar yang digunakan untuk sistem surveillance, yaitu radar PSR (Primary Surveillance Radar) dan SSR (Secondary Surveillance Radar). Radar PSR (Primary Surveillance Radar) bekerja dengan sistem passive echoes. Dalam arti bahwa impulse frekuensi tinggi yang ditransmisikan oleh unit radar dipantulkan oleh target dan diterima kembali oleh unit radar yang sama. Peralatan ini mengukur jarak suatu pesawat dengan cara menghitung waktu tempuh transmisi dari radar station ke pesawat dengan pantulan dari pesawat ke radar station. Beberapa efek pantul tersebut diterima/dideteksi oleh radar penerima. Biasanya radar penerima menjadi satu kesatuan sistem dengan radar pemancar. Sedangkan Radar SSR (Secondary Surveillance Radar) bekerja berdasarkan

PBGambar-4.2 Lokasi Radar di Indonesia Tabel 4.1 Distribusi dan Lokasi Radar

5. Kelemahan Sistem Radar pada ATS

Sistem surveillance berbasis teknologi radar mempunyai beberapa kekurangan, sebagaimana tertuang dalam konsep Global Air Navigation Plan[8] untuk sistem CNS/ATM. Beberapa kekurangan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut: a) Terbatasnya jangkauan dan adanya daerah yang tidak terliput akibat dari terbatasnya fungsi yang ada pada sumber

142


b)

c)

d)

e)

f)

g)

sensor(Primary and Secondary Surveillance Radar). Termasuk di dalamnya adalah tidak terliputnya area antar Trans Oceanic, tidak terliputnya pesawat dalam kondisi terbang rendah, tidak terliputnya wahana Surface Movement, munculnya efek Silence Cones, dan efek Blind Area, dsb. Dimana pada beberapa kasus, seperti misalnya pada daerah Trans Oceanic, keputusankeputusan pada Air Traffic Control membutuhkan informasi-informasi untuk pengendalian lalu-lintas udara hanya berdasarkan laporan-laporan dengan menggunakan Voice Report lewat radio komunikasi dari dan ke ATC. b)Adanya penggunaan Mechanical Rotation pada antenna radar, serta adanya periode Scanning Antenna yang tidak sesuai dengan kebutuhan, serta ketidakmungkinan mengadaptasi Reporting Rate yang dibutuhkan oleh ATC. Terjadinya efek Garbling, sehingga hasilnya tidak optimal dan kurang bagus, atau pada kasus tertentu bahkan dapat juga kehilangan target pesawat. Tidak tersedianya data dan informasi yang ada di pesawat melebihi data yang ditransmisikan, yaitu hanya Mode A and Mode C (Mode Identifikasi dan Altitude). Tidak adanya kemampuan untuk dioperasikan secara bersama dengan sistem lain, karena peralatan yang beroperasi sekarang mempunyai kemampuan dan performansi yang berbeda antar peralatan tersebut. Kekurangan jumlah kemungkinan fungsi pengkodean Mode-A (hanya 4096 kemungkinan) dan sering terjadinya penggantian kode selama terbang akibat peraturan-peraturan di wilayah tersebut, serta kemungkinan terjadinya duplikasi pengkodean dengan pesawat lain. Kurang mampunya sistem untuk mendukung aplikasi-aplikasi penerbangan ke depan, karena tidak tersedianya data “surveillance” pada cockpit “aircrew” dalam bentuk direct monitor. Kurang mampunya sistem untuk mendukung aplikasi “Surface Surveillance”.

ditambah pula dengan dibutuhkannya berbagai persyaratan yang menyangkut tingkat kapasitas, fleksibilitas, dan efisiensi untuk mengantisipasi kemungkinan pertumbuhan lalu-lintas udara, yang tidak cukup hanya mengandalkan kemampuan sistem surveillance yang ada sekarang. Maka untuk menanggulangi berbagai keterbatasan dan kekurangan tersebut, Indonesia harus memikirkan langkah-langkah strategis untuk pengembangan dan implementasi teknologi surveillance di masa depan. Ada beberapa strategi pengembangan teknologi surveillance, antara lain SSR ModeS dengan “enhanced services”, Automatic Dependent Surveillance-Addressed (ADSAddressed - ADS-A) atau ADS – Contract (ADS-C), dan ADS - Broadcast (ADS-B). Dengan adanya strategi pengembangan teknologi ini diharapkan dapat menutupi dan menanggulangi keterbatasan-keterbatasan fungsi ATS yang berbasis pada sistem surveillance yang sudah ada.

6. Implementasi Teknologi ADS-B Sistem surveillance baru, ADS-B memberikan alternatif terhadap potensi investasi teknologi radar yang bernilai jutaan dolar. Penggunaan teknologi ADS-B memungkinkan penghematan sampai sekitar 90% dalam pembelian dan ongkos pemeliharaan. Hal ini akan secara signifikan mereduksi tekanan pada penambahan biaya pelayanan lalu lintas udara. “Automatic Dependent Surveillance” (ADS) didefinisikan sebagai[8] proses pengolahan dan pengiriman pesan, termasuk pesan posisi dari pengirim dan berbagai informasi surveillance lainnya seperti : kecepatan, tujuan dan identitas terbang. Informasi ini digunakan oleh pesawat terbang untuk mengatur dan merubah informasi penuh penggunaan teknologi ADS-B sebagai komponen penunjang sistem CNS/ATM di masa depan. Berdasarkan RTCA DO-242[5], ADS-B dipergunakan di pesawat atau wahana darat (surface vehicle) dengan menggunakan wilayah ruang udara dan permukaan darat untuk pergerakannya. Dalam hal ini pesawat dan wahana darat tersebut memancarkan sinyal yang berisi data-data state vector (posisi horisontal/vertikal, dan kecepatan horisontal/

Akibat dari berbagai permasalahan tersebut di atas dan adanya kendala biaya untuk pengadaan peralatan radar baru, serta

143


UANO

vertikal) dan informasi-informasi lainnya dalam interval waktu tertentu. ADS-B berfungsi secara “Automatic” karena tidak adanya persyaratan stimulus/ perangsang untuk memperoleh tanggapan pemancaran sinyal state vector tersebut. ADSB juga berfungsi secara “Dependent”, karena sistem ini meneruskan informasi sumber navigasi yang ada di aircraft dan mentransmisikan informasi ”Surveillance” ke berbagai user yang lain - Broadcast. Dengan adanya berbagai kelemahan pada tekonologi radar tersebut di atas, maka strategi konsep implementasi ADS-B dapat dilakukan secara bertahap. Untuk implementasi awal fungsi penerima ADS-B ground station dapat digunakan sebagai pendamping yang komplementer dengan radar sekunder (SSR), sampai semua sistem peralatan yang ada di pesawat maupun sistem wahana di darat menyesuaikan dengan sistem ADS-B. Sedangkan sistem radar primer (PSR) masih dibutuhkan, baik pada fase pendampingan maupun penggunaan total sistem ADS-B, karena radar primer menggunakan kaidah noncooperative surveillance. Dalam hal ini radar masih dapat menerima sinyal state vector tanpa adanya signal transponder akibat dari tidak terpasangnya transponder atau apabila system transponder di pesawat tidak berfungsi. Strategi konsep tahapan implementasi ADS-B untuk mendukung sistem manajemen lalu lintas udara (ATM) ditujukkan secara ilustrasi pada Gambar-6.1 dan Gambar-6.2. Ilustrasi pertama, menggambarkan konsep ADS-B sebagai fungsi pendamping radar SSR, sebelum adanya kesiapan untuk implementasi teknologi CNS/ATM secara penuh..Ilustrasi kedua, menggambarkan konsep konfigurasi penuh penggunaan teknologi ADS-B sebagai komponen penunjang sistem CNS/ATM di masa depan.GD

Gambar-6.1. Konsep Implementasi ADS-B sebagai Pendamping SSR pada Masa Transisi

W Gambar-6.2 Konsep Implementasi ADS-Buntuk Menunjang Sistem CNS/ATM di Masa Depan

Konsep future surveillance system tidak hanya melibatkan Primary Surveillance Radar(PSR) dan Secondary Surveillance Radar (SSR), tetapi juga berbagai sistem sensor surveillance yang lain, seperti : Noncooperative Surface Surveillance, Cooperative Surface Surveillance, dan Automatic Dependent Surveillance-Broadcast. Bahkan dalam perkembangannya nanti, parameter cuaca (weather) juga akan dimasukkan sebagai elemen surveillance yang akan diambilkan dari Ground Weather Radar maupun Airborne Weather Radar. Di sinilah pentingnya penggunaan ADS-B sebagai system penyampai data-data FIS (Flight Information Service) dan TIS (Traffic Information Service). FIS berisi data-data Flight Information dan data cuaca, sedangkan TIS berisi data kolektor dari satu atau beberapa sumber surveillance sensor dan ATC. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar-6.3, Gambar-6.4, dan Gambar6.5 berikut.

144


secara periodik ke petugas pengontrol wilayah udara (lihat Gambar-6.6). Jika menggunakan ADS-B, pesawat dan wahana lain yang sudah mempunyai system terpasang akan secara terus menerus (broadcast)mengirimkan pesan yang berisi posisi, arah, kecepatan dan tujuan. Selanjutnya pesawat, ADS-B ground station, dan pengguna lain yang memonitor dan menerima informasi ini akan menggunakannya untuk memberikan dukungan pada sistem manajemen lalu lintas udara dan bandara.(lihat Gambar-6.6).

Gambar- 6.3 Blok Diagram konsep ICAO Surveillance

Gambar 6.6. Implementasi Teknologi ADS-A/C dan ADS-B Gambar-6.4 ADS-B Ground Segment Phase-1

Penggunaan ADS-B yang difungsikan sebagai Ground Based Surveillance Receiver hanya memanfaatkan ADS-B transmitter yang tersedia di pesawat. Dengan menambahkan sistem receiver pada peralatan ADS-B di pesawat, akan memungkinkan pemanfaatan perkembangan teknologi ADS-B yang lebih signifikan. Beberapa peralatan pelengkap dan pendukung pengoperasian sistem ADS-B adalah sebagai berikut: 1. Cockpit Display of Traffic Information (CDTI) Merupakan peralatan display yang ada di pesawat yang berfungsi untuk mengetahui kondisi lalu-lintas udara yang ada di sekitar pesawat berdasarkan ADS-B signal report dari pesawat lain dan fasilitas ADS-B Ground Based Surveillance.Gambar-6.7 menunjukan ilustrasi CDTI yang ada di cockpit pesawat.

Gambar-6.5 ADS-B Ground Segment Phase-2

Ada dua tipe ADS yang dikenal untuk aplikasi pesawat, yaitu : ADS – Addressed (ADS-A) atau juga dikenal sebagai ADSContract (ADS-C) dan ADS-Broadcast (ADSB). ADS-A menyediakan surveillance data report dimana pengirimannya dalam bentuk Alamat yang spesifik. ADS-A merupakan bagian dari Future Air Navigation System (FANS) menggunakan Aircraft Communication Addressing and Reporting System (ACARS) sebagai communication protocol. Selama melakukan penerbangan Trans - Oceanic, pesawat mengirimkan report

145


Amerika. 1090 MHz ES akan dipakai sebagai Primary Medium transmisi untuk pesawatpesawat Carrier dan High Performance Commercial, sedangkan UAT dipakai sebagai media transmisi pada pesawat-pesawat General Aviation. Di lain pihak kelompok negara-negara Eropa yang tergabung di dalam Eurocontrol juga telah menentukan 1090 MHz Mode-S ES sebagai “Primary Layer” media transmisi ADSB dan VDL Mode-4 sebagai Second Layer[9] . Ilustrasi mengenai konsep generik sistem arsitektur ADS-B dengan menggunakan medium transmisi ditunjukkan pada Gambar7.1, sedangkan typical ADS-B Ground Segment ditunjukkan pada gambar 7.2 berikut.

Gambar-6.7 CDTI

2. Traffic Information Service – Broadcast (TIS-B) Merupakan peralatan pelengkap sistem ADS-B berdasarkan Ground Based Uplink Report untuk menginformasikan kondisi lalulintas udara yang merupakan data kolektor dari satu atau beberapa sumber surveillance sensor dan Air Traffic Control. 3. Flight Information Services-Broadcast (FIS-B) Merupakan peralatan pelengkap sistem ADS-B berdasarkan Ground Based Uplink Report” untuk menginformasikan Flight Information Services dan data-data cuaca.

Gambar 7.1.Konsep Arsitektur Generik Sistem ADS-B

7. Medium Komunikasi untuk ADS-B Ada tiga alternatif solusi pengiriman datalink ADS-B, yaitu : • 1090 MHz Mode-S Extended Squitter (ES) • Universal Access Transceiver (UAT) • VHF Data Link (VDL) Mode-4

Gambar 7.2. Block Diagram Ground Station ADSBReceiver (Typical)

8. ADS-B Airborne Segment

1090 MHz Mode-S ES adalah teknologi Link pada ADS-B berdasarkan pada teknologi Mode-S yang bekerja pada Frekuensi 1090 MHz, sedang Universal Access Transceiver(UAT) adalah teknologi Link pada ADS-B yang bekerja pada frekuensi 978 MHz. Very High Frequency Digital Link-Mode 4 (VDL) Mode 4 adalah teknologi Link pada ADS-B yang beroperasi pada kanal band VHF Radio Navigasi dengan frekuensi 108 MHz118 MHz. Pada tahun 2005 y.l. FAA telah memutuskan untuk menggunakan 1090 MHz Mode-S ES dan UAT sebagai medium transmisi ADS-B untuk penggunaan di wilayah

Seperti telah dijelaskan di atas bahwa ada dua sistem besar yang diperlukan agar implementasi teknologi ADS-B dapat bekerja, yaitu ground segment. dan airborne segment . Pada airborne segment dibutuhkan beberapa parts tambahan yang harus dipasang di pesawat. Selebihnya merupakan existing parts pada pesawat tersebut. Adapun parts yang dimaksud adalah : • ADS-B Transceiver system • Multi Function Display (Moving Map Data) atau CDTI • ADS-B Control Panel • ADS-B Antenna

146


Adapun existing parts yang ada di pesawat adalah sbb. : • Altitude Source • GPS yang dilengkapi dengan I/O Interface • GPS Antenna Adapun fungsi dari masing-masing part tersebut di dalam sistem ADS-B adalah sebagai berikut: 1. ADS-B Transceiver dan Antenna Merupakan peralatan RF yang ada di pesawat dan berfungsi untuk memancarkan/menerima sinyal radio link dari/ke ADS-B ground station dengan frekuensi 1090 MHz Extended Squitter. Universal Access Transceiver (UAT) atau (VDL) Mode-4. 2. Cockpit Display of Traffic Information (CDTI) Merupakan peralatan display yang ada di pesawat dan berfungsi untuk mengetahui kondisi lalu-lintas udara yang ada di sekitar pesawat berdasarkan ADS-B signal report dari pesawat lain dan fasilitas ADS-B Ground Based Surveillance. 3. ADS-B Control Panel Merupakan peralatan Control di pesawat yang berfungsi untuk memindahkan dan mengatur fungsi yang akan ditransmisikan/diterima pada ADS-B Transceiver dan yang akan ditampilkan pada layar CDTI. 4. Altitude Source Merupakan peralatan sensor altitude pesawat yang berfungsi untuk mengetahui posisi ketinggian dari pesawat dan difungsikan pula sebagai sumber sinyal ketinggian (altitude) pesawat yang akan ditransmisikan oleh ADS-B transceiver sebagai signal report untuk ADS-B ground station maupun peralatan ADS-B airborne yang ada di pesawat lain. 5. GPS dan Antenna Merupakan peralatan sensor latitudelongitude yang ada di pesawat dan berfungsi untuk mengetahui kondisi latitude-longitude dari pesawat dan difungsikan pula sebagai sumber sinyal latitude-longitude pesawat yang akan ditransmisikan oleh ADS-B transceiver sebagai signal report untuk ADS-B ground station maupun ADS-B pesawat lain. Sebagai ilustrasi dari sistem ADS-B airborne segment dapat dilihat pada

Gambar-8.1 ADS-B Airborne Segment

9. Keuntungan dan Implementasi ADS-B

Strategi

Teknologi ADS-B mempunyai potensi untuk meningkatkan Target Level of Safety di ruang udara yang mendapat pelayanan lalulintas udara. Hal ini karena ADS-B mendukung peningkatan keselamatan penerbangan melalui kombinasi dari peningkatan daerah liputan surveillance untuk pelayanan lalu lintas udara (ATS) dengan teknik yang cos t- effective untuk meningkatkan situational awareness dari pilot pesawat. ADS-B juga memberikan tingkat situational awareness yang sama antara pilot dan petugas yang berada di fasilitas ATS. ADS-B dapat memperluas daerah liputan surveillance dan memberikan pelayanan ATS di ruang udara yang saat ini tidak dapat dilayani oleh sistem surveillance berbasis radar. ADS-B adalah teknologi yang memungkinkan untuk aplikasi CDTI dan sistem deteksi konflik, sehingga memberikan dukungan untuk peningkatan keselamatan penerbangan bagi para pengguna. Semua kemampuan ini dapat menunjang konsep Free Flight di seluruh ruang udara dengan tetap mempertahankan level dari keselamatan penerbangan yang tinggi. Implementasi ADS-B di Indonesia memerlukan strategi untuk penyiapannya. Oleh karena itu, sebelum melakukan implementasi, pihak DGCA harus mengumpulkan semua potensi di kalangan stakeholder dunia penerbangan Indonesia. Kemudian semua duduk bersama untuk mendefinisikan suatu implementation roadmap yang harus disepakati oleh semua pihak terkait sekaligus mempersiapkan draft regulasi baru yang mendukung ke arah sana. Setelah semua disosialisasikan dengan baik, barulah Pemerintah mengeluarkan mandatory statement untuk regulasi baru berbasis ADS-B.

147


kepada Bp. Harjoso (PT. Angkasa Pura I) dan Bp. Wiyono (PT. Angkasa Pura II ) atas update informasi yang diberikan dalam rangka penyusunan tulisan ini.

10. Kesimpulan 1. Lalu lintas udara di ruang udara Indonesia mengalami peningkatan. Oleh karena itu diperlukan sistem manajemen lalu lintas udara yang mengacu pada perkembangan teknologi CNS/ATM. 2. Radar PSR/SSR merupakan peralatan surveillance yang berperanan penting dalam sistem pelayanan lalu lintas udara. 3. Kondisi peralatan radar di Indonesia sudah banyak yang berusia tua. Di samping itu sistem radar juga mempunyai beberapa kelemahan yang akan berpengaruh pada sistem pelayanan lalu lintas udara. 4. ADS-B merupakan sistem alternatif yang dapat digunakan sebagai sistem pendamping yang komplementer atau bahkan berpotensi sebagai sistem pengganti radar SSR di masa depan 5. Implementasi ADS-B memerlukan penyiapan dua sistem besar, yaitu ground segment dan airborne segment. Untuk itu diperlukan strategi dan roadmap implementasi ADS-B yang jelas dengan melibatkan partisipasi aktif dari seluruh stakeholder dunia penerbangan di Indonesia.

12. Daftar Pustaka

[1] ICAO, “Convention on International Civil Aviation“, Doc 7300/8, Eight Edition, 2000. [2] CANSO, ”Demistifying CNS/ATM”, CANSO CNS/ATM Working Group, Final Version, June 1999. [3] ICAO, ”Air Traffic Management”:, Doc. 4444, ATM/501, Fourteenth Edition., 2001 [4] ICAO Doc Annex 11, “Air Traffic Services”. [5] RTCA DO 242, ‘Minimum Aviation System Performance Standards for Automatic Dependent Surveillance Broadcast(ADS-B). [6] Dottir, Aslaug Haralds, ‘Air Traffic Management Concept Baseline Definition, Boeing Commercial Airplane Group’, Nextor Report #RR-97-3, October 31, 1997. [7] JICA Report, Studi Rencana Induk tentang Kebijakan Strategis Sektor Angkutan Udara Indonesia di Republik Indonesia, Departemen Perhubungan, Juli 2004 [8] ICAO doc, ‘Global Air Navigation Plan‘(Chapter 1, Article 1.1.) [9] FAA/Eurocontrol Strategy V05, Joint Eurocontrol and FAA Strategy for Implementing ADS-B Enabled Applications and the ADS-B Datalink Recommendation, 4/3/2007.

11. Ucapan Terima Kasih

Ucapan terima kasih Penulis sampaikan kepada Bp. Andi Alisjahbana yang telah mendorong kami untuk menulis makalah ini. Begitu pun kepada Bp. Rangsang Wiwaswan yang telah memberikan dukungan administratif dalam penyelesaian makalah ini. Penulis pun ingin mengucapkan banyak terima kasih

148

Prosiding SEMINAR RADAR NASIONAL. Gedung Widya Graha LIPI Jakarta, April 2007 PENYELENGGARA :

Recommend Documents