SISTEM INFORMASI DEGRADASI SATELITE GPS UNTUK DETEKSI GANGGUAN NAVIGASI DAN KOMUNIKASI SATELIT

J. Sains MIPA, Agustus 2010, Vol. 16, No. 2, Hal.: 85-93 ISSN 1978-1873

SISTEM INFORMASI DEGRADASI SATELITE GPS UNTUK DETEKSI GANGGUAN NAVIGASI DAN KOMUNIKASI SATELIT Effendy* dan Slamet Supriadi Pusat Pemanfatan Sains Antariksa, LAPAN BANDUNG *E-mail: [email protected] Diterima 17 November 2009, disetujui untuk diterbitkan 23 Maret 2010

ABSTRACT Nowadays, the need of information is very vital in the modern technology era. The result of analysis and physical data information of current situation of global and regional events are very important to be used as an anticipation and mitigation to reduce the effect of natural disasters. The approaching of activity increased of outer space extreme weather, the anomaly information source on the earth is very important contributing factor in the advancement of technology. One of them is information of ionosphere anomaly which is an indicator of disturbance in the radio wave propagation. The development of information system is hoped to produce integrated information system in the real time data monitoring and the data analyzed, where the output will be the corrected ionosphere for single frequency and parameter of GPS satellite such as scintillation index and various TEC fluctuation as well as satellite visibility and the activity level of the sun light and magnetic field of earth. Based on the above analyses, the information of degradation and anomaly which will be useful in the anticipation and mitigation to decrease the outer space weather phenomena that can disturb the navigation and communication of the satellite which are required in this era. The information distribution was done in real time or near real time ways which can be accesed via website, SMS centre or other information media. Keywords: information system, ionosphere anomaly, outer space extreme weather

ABSTRAK Kebutuhan sebuah informasi pada saat ini menjadi penting pada era sistem teknologi modern. Hasil kajian dan informasi data fisis tentang kondisi terkini dari peristiwa global dan regional sangat dibutuhkan untuk antisipasi dan mitigasi mengurangi dampak dari fenomena alam. Menjelang peningkatan aktivitas ekstrim cuaca antariksa, sumber informasi tentang anomali di bumi merupakan kontribusi yang berharga bagi kelangsungan kemajuan teknologi saat ini. Salah satunya adalah informasi tentang anomali Ionosfer yang merupakan indikator gangguan pada media perambatan gelombang radio. Pembangunan sistem informasi ini diharapkan menghasilkan sistem informasi terintegrasi monitoring data secara realtime dan hasil analisis, output dari sistem informasi ini berupa koreksi ionosfer untuk frekuensi tunggal dan parameter dari satelit GPS seperti indeks Sintilasi dan variasi fluktuasi TEC serta visibilitas satelit serta data lainnya berupa level tingkat aktivitas matahari dan medan magnit bumi. Dari kajian parameter diatas diharapkan dapat memberikan sebuah informasi tentang adanya degradasi serta anomali yang berguna untuk antisipasi, mitigasi mengurangi dampak fenomena cuaca antariksa yang dapat mengganggu navigasi dan komunikasi satelit, yang sangat diperlukan bagi pemanfaatan sistem teknologi modern saat ini. Penyebaran informasi dilakukan secara real time maupun near real time yang dapat diakses melalui Website, SMS center maupun media lainnya. Kata kunci : sistem informasi, anomaly ionosfer, cuaca antariksa ekstrim

1. PENDAHULUAN Menjelang aktivitas matahari menuju puncak pada siklus ke 24 antara tahun 2012 - 2013, perlu diantisipasi untuk mengurangi dampak pada kehidupan manusia dari kondisi ekstrim fenomena cuaca antariksa1). Wilayah Indonesia yang terletak disekitar ekuator geografik dan daerah ” Crest region ” ekutor anomali akan mengalami efek rangkaian berawal dari wilayah kutub dengan terjadinya aliran ”ring current”.

 2010 FMIPA Universitas Lampung

85

Effendy dan S. Supriadi… Sistem Informasi Degradasi Satelite GPS

Matahari merupakan sumber energi dan sumber gangguan memancarkan radiasi partikel energetik, sinar ultra violet dan flare ke bumi, transfer energi tersebut memodifikasi profil kerapatan ionosfer sehingga mengganggu kestabilan di ionosfer secara global2,3), dimana ionosfer berperan penting terhadap komunikasi terestrial maupun groundbase, ketika peningkatan aktivitas berlangsung propagasi melalui ionosfer baik uplink maupun downlink dari sinyal satelit akan terganggu.tingkat keberhasilan komunikasi radio mengalami penurunan, demikian pula dengan akurasi navigasi berbasis satelit menjadi rendah4-6). Salah satu kontributor bagi penelitian efek ekstrim cuaca antariksa ini adalah TEC dan sintilasi ionosfer7,8), perubahan kerapatan ionosfer dapat mengakibatkan perubahan amplitudo dan fasa menyebabkan ”lost of lock ” sinyal propagasi gelombang radio melalui media ionosfer, demikian pula untuk koreksi ionosfer bagi pengguna frekuensi tunggal diperlukan agar dapat meningkatkan akurasi pengukuran berdasarkan aplikasi model yang telah diakui oleh pengguna GPS yaitu model Klobuchar7). Untuk mengetahui respon dari ionosfer menjelang peningkatan aktivitas matahari menuju puncak dilakukan telaah kondisi regional ionosfer Indonesia saat perioda tenang hingga meningkat ke level lebih aktif. Pembangunan sebuah sistem sumber informasi untuk mempelajari dampak yang telah terjadi pada siklus-siklus sebelumnya untuk antisipasi kedepan agar supaya social risk dapat dikurangi9-11). Manfaat sebuah sistem informasi dapat memberikan layanan kepada masyarakat umum maupun ilmiah, tentang anomali ionosfer yang terkait dengan penelitian TEC (Total Electron Content) dan sintilasi sehingga dapat memberikan warning maupun koreksi bagi pengukuran GPS dan mengantisipasi adanya gangguan pada komunikasi satelit. Informasi disampaikan melalui website, sms center ataupun media lainnya.

2. METODE PENELITIAN Secara umum salah satu definisi Sistem Informasi adalah proses yang menjalankan fungsi mengumpulkan, memproses, menyimpan, menganalisis, dan menyebarkan informasi untuk kepentingan tertentu baik secara real time maupun off line yang dapat diakses oleh pengguna baik melalui website maupun SMS center ataupun media cetak dan elektronik , prototip dari blok diagram digambarkan seperti pada Gambar 1a.

Real time Data analysis Sumber data

Data Prosesing

Forcasting/ model

Issue/ warning

U S E

Data base Internal server

Scientific community

R

Data storage Distributed computation

Off line Knowledge base

Pengguna lain

Gambar 1a. Blok diagram system informasi Pada blok data prosesing didalamnya terdiri dari sejumlah perhitungan yang digambarkan dalam system informasi anomali TEC dan sintilasi sumber data berasal dari stasiun berupa raw data, setelah melalui konversi menjadi bentuk Ascii data diolah sesuai dengan kebutuhan, data setengah jadi disimpan pada interal server untuk dimodifikasi dan validasi , kompilasi model digunakan untuk prediksi yang

86


J. Sains MIPA, Agustus 2010, Vol. 16, No. 2

memberikan informasi secara real time pada user dengan eror yang telah diketahui sedangkan proses lainnya secara off line untuk verifikasi dan pemanfaatan untuk penelitian lainnya biasanya disampaikan untuk komunitas saintifik maupun keperluan lainnya. Blok diagram berikut merupakan alur diagram untuk memperoleh besaran parameter yang dibutuhkan oleh pengguna terdiri beberapa parameter yang terkait dengan kebutuhan dan aplikasi penelitian seperti di gambarkan pada Gambar 1b . Rinex, Orbits,

2 activations

Data acquisition

DCB ISM data

Ancilliary data

Once per hour (1s obs. Rate) Permanent ftp

Once per day (other obs)

Preparation

Management

Preprocessing Scintillation index (f,1) subiono observation ti

Phase fluctuations

Power losses - SNR budget link

Maps

TEC & gradients

TIDs detection

GPS system errors

Alarms

(f,1) receiver Statistics tj (ground, on flight)

Web distribution

Web Station performance plot

Gambar 1b. Blok diagram system informasi anomali TEC dan Sintilasi Hasil untuk system informasi TEC dan sintilasi terdiri dari beberapa gabungan penelitian simultan dan data asimilasi seperti koreksi ionosfer pengguna frekuensi tunggal mengadopsi model Klobuchar, indeks sintilasi, visibilitas satelit, perioda waktu sintilasi dan data aktivitas matahari dan indeks medan magnet bumi

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Secara terpadu telah dilakukan kajian tentang pemahaman fisis dari fenomena anomali ekuator untuk paramater ionosfer seperti TEC dan indek amplitudo maupun perubahan fasa serta efek terhadap penerima GPS dari sinyal propagasi trans-ionosfer satelit, review dari beberapa journal maupun referensi12-15). Output dari penelitian ini berupa penyebaran informasi tentang penelitian koreksi ionosfer untuk pengguna frekuensi tunggal wilayah Indonesia, TEC dan Sintilasi Ionosfer di wilayah Indonesia, substansi informasi yang ditunjukan level indeks Sintilasi berupa indek amplitudo maupun indek perubahan fasa serta perubahan TEC secara global mapun output setiap satelit12,16). Untuk koreksi ionosfer bagi pengguna frekuensi tunggal melakukan kompilasi model Klobuchar dengan input data alpha dan beta dari konstanta ionosfer yang di upload dari data Navigasi secara real time, hasil berupa peta koreksi ionosfer untuk wilayah Indonesia pada contoh ini ditunjukan dengan perioda waktu 3 jam tanggal 9 Nopember 2009 mulai jam 00 lokal time diperlihatkan Gambar 2. Informasi berikutnya adalah tentang visibilitas satelit GPS untuk mengetahui level dari GDOP untuk wilayah Indonesia seperti di perlihatkan Gambar 3. sebagai contoh jam 12.00 , 13.00 dan jam 16.00 LT.


87


2.) 1

2.) 2

2.) 3

2.) 4

2.) 5

2.) 6

Gambar 2. Peta koreksi ionosfer hasil ploting model Klobuchar untuk wilayah Indonesia ( 9 Nop 2009 )

88



3.) 1

3.) 2

3.) 3 Gambar 3. Peta GDOP untuk wilayah Indonesia ( 10 Nop 2009)


89


4.) 1

4.) 2 Gambar 4. Peta visibilitas satelit GPS wilayah Indonesia

Gambar 5a. Ploting S4 dan Sphi siang dan malam untuk satelit visibel.

90



Gambar 5a menunjukan informasi tentang pengamatan harian indeks sintilasi baik amplitudo dan fasa dikelompokan pada pengamatan siang dan malam hari gambar sebelah kiri pengamatan siang hari dan sebelah kanan malam hari warna menunjukan untuk semua satelit visibel , pada Gambar 5. atas distribusi S4 dan gambar bawah distribusi Sphi.. Hasil ploting data pengamatan S4 dan Sphi dibedakan peristiwa pada siang dan malam hari terlihat fluktuasi yang acak dari sejumlah satelit yang diterima , pengolahan dilakukan dengan pembatasan indek S4 > 0.2 dan indek Sphi > 0.1 , sebagai study kasus diambil bulan pengamatan yang sama yaitu Januari 2008 dan Januari 2009, diamati di Bandung sumbu horizontal adalah waktu sedangkan sumbu vertikal menunjukan jumlah prosentase jumlah kejadian seperti diperlihatkan Gambar 5b. dan Gambar 5c. Dari kedua Gambar5b dan c terlihat perbedaan yang signifikan antara pengamatan dari tahun yang berbeda terjadi fluktuasi sintilasi pada bulan Januari 2008 lebih dominan dibandingkan dengan Januari 2009, hasil tersebut perlu divalidasi dengan kondisi aktivitas matahari mengingat saat ini relatif tenang.

Gambar 5b. Prosentase jumlah kejadian S4 dan Sphi untuk siang dan malam Januari 2008.

Gambar 5c. Prosentase jumlah kejadian S4 dan Sphi untuk siang dan malam Januari 2009. Dari kedua ploting terlihat pada Januari 2008 prosentase jumlah kejadian dibawah sekitar 3% dari sejumlah data yang terekam sedangkan Januari 2009 prosentasenya sekitar 2.5 % dari jumlah data , hal ini menunjukan karakteristik berbeda dari variasi bulanan maupun tahunan. Untuk aplikasi dan melengkapi hasil pengukuran indek amplitudo telah dilakukan pula perhitungan untuk memberikan informasi hubungan antara indeks sintilasi dengan degradasi decibel sinyal satelit seiring dengan terjadinya sintilasi seperti diperlihatkan Gambar 5.d untuk pengamatan harian S4 ataupun satelit tertentu, ditunjukan bahwa ketika fluktuasi S4 bervariatif terjadi pula fluktuasi degradasi pada sinyal


91


dipenerima akibat mekanisme fisis di ionosfer, menyebakan terjadinya fading sehingga kinerja dari penerima menjadi kurang optimum ,dari beberapa referensi penurunan pada perioda tenang kurang dari 10 dB tetapi pada kondisi ekstrim aktivitas matahari bisa mencapai melebihi dari 20 dB. Penjabaran dari flkutuasi harian S4 dapat menginformasikan waktu waktu kapan saja sering terjadi sintilasi sehingga pengguna satelit GPS menghindari pemakaian ataupun pengukuran perioda waktu tertentu. Hasil ini, merupakan sebuah layanan informasi parameter TEC dan sintilasi yang menggambarkan terjadinya anomali ionosfer sejalan dengan peningkatan aktivitas matahari dan medan magnit mempengaruhi semua satelit visibel yang melintas diatas wilayah Indonesia, terjadi reduksi satelit secara simultan akan menurunkan kinerja dalam hal pengukuran posisi untuk kepentingan navigasi. Diharapkan dari beberapa informasi ini dapat bermanfaat bagi potensial user seperti komunitas pengguna GPS dan para operator satelit serta masyarakat ilmiah untuk kontribusi penelitian global.

Gambar 5d. Ploting S4, dan lost signal ( dB) untuk harian dan satelit tertentu

4. KESIMPULAN Kebutuhan informasi near real time maupun realtime untuk mitigasi dan antisipasi kondisi ekstrim cuaca antariksa sangat diperlukan, informasi tentang peningkatan aktivitas matahari maupun medan magnit bumi serta dampaknya pada teknologi system, perlu dipahami untuk mengurangi society risk bagi kehidupan manusia di bumi. Telah dilakukan kompilasi model Klobuchar untuk koreksi ionosfer pengguna frekuensi tunggal serta informasi indeks Sintilasi dan variasi fluktuasi TEC secara simultan dari data GPS Ionospheric Scintillation TEC Monitor ( GISTM ) di Bandung, baik pada kondisi matahari relatif tenang maupun menuju aktif. Ploting distribusi statistik jumlah kejadian indek sintilasi memberikan informasi tentang kondisi dinamis ionosfer wilayah Indonesia. Penyebaran informasi ini diharapkan dapat memberikan pengetahuan tentang pembuktian adanya anomaly yang berguna untuk antisipasi kondisi ekstrem cuaca antariksa, yang dapat mengganggu navigasi dan komunikasi, dimana teknologi sistem ini sangat diperlukan bagi kehidupan manusia.

92



DAFTAR PUSTAKA 1.

Wernik, A.; Alfonsi, L. and Materassi, M. 2004. Ionospheric irregularities scintillation and its effect on System, Acta Geophys. Pol., 52, 237-249.

2.

Davies, K. 1990. Ionospheric Radio. Peter Peregrinus, London.

3.

IEEA. 2004. Global Ionospheric Scintillation Model Ver.5, France, RP_257_16/02/2007.

4.

Birsa, R., Essex, E.A, Thomas, R.M. and Cervera, M.A.2002. Scintillation Monitoring Receiver Development and Test result, Workshop on Applications of Radio Science (WARS), Australia

5.

Ionospheric Scintillation Monitor, User Manual GISTM,Ver1.0,2006.

6.

Kelley. M.C. 1989.The Earth Ionosphere Plasma Phys. Electrody., .43, 113 –112.

7.

Klobuchar, J.A. 1990. Ionospheric effect on GPS,Hanson Air Force Base, Massachusetts,1990.

8.

Steenburgh, R.A., Smithtro, C. G.and Groves, K. M. 2008. Ionospheric Scintillation effect on single frequency GPS, Space Weather, 6, S04D02-D14.

9.

Brown, D.W., Kalgren, P.W. , Byington, C.S. and Roemer, M.J. 2007. Electronic prognostics – A case study using global positioning system (GPS). Microelectron. Reliabil., 47 (12), 1874-1881 .

10.

Smith, A.M., Mitchell, C.N., Watson, R.J., Meggs, R.W., Kintner, P.M., Kauristie, K. and Honary, F. 2008. GPS scintillation in the high arctic associated with an auroral arc. Space Weather, 6, S03D01-D07.

11.

Skone, S.H. 2000. GPS receiver tracking performance under Ionospheric scintillation conditions, Unpublished.

12.

Thomas R.M, M.A Cervera, A.Ghaffar Ramli, Effendy, J.Du and P.Totarong, Scintillation on GPS Link during 2000, presented at AIP 2000 Congress, Adelaide, December 2000.

13.

Van Dierendonck, A.J., Fenton, P. and Klobuchar, J. 1996. Commercial Ionospheric Scintillation Monitoring Receiver Development and Test Results, Proceedings of ION 52nd Annual Meeting. Cambridge, MA., June 19-21, 1996.

14.

Meng, X., Roberts, G.W., Dodson, A.H., Cosser, E., Barnes, J. and Rizos, C. 2004. Impact of GPS satellite and pseudolite geometry on structural deformation monitoring: analytical and empirical studies. J. Geo., 77 (12), 109-822.

15.

Theiss, A., Yen, D.C. and Ku, C.Y. 2005. Global positioning systems: an analysis of applications, current development and future implementations. Comp. Stand. Inter., 27 (2), 89-100.

16.

Yu, W., Lachapelle, G. and Skone, S. 2006. PLL Performance for Signals in the Presence of Thermal noise, Phase noise, and Ionospheric Scintillation. Proceeding of ION GNSS 2006, Fort Worth TX, 26-29 September 2006.


93

SISTEM INFORMASI DEGRADASI SATELITE GPS UNTUK DETEKSI GANGGUAN NAVIGASI DAN KOMUNIKASI SATELIT

Recommend Documents