Sistem Sensor pada EarthCARE

Tugas Makalah Kuliah ET5182 – Sistem Observasi

Sistem Sensor pada EarthCARE M Reza Kahar Aziz, ST (23210044) Dosen: Prof. Drs. Andriyan Bayu Suksmono, MT, Ph.D Progam Studi Magister Teknik Elektro, Opsi Teknik Telekomunikasi Sekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB Email : [email protected]

Abstrak—Pada makalah ini, penulis menjelaskan misi masa depan EarthCARE yang termasuk pada kuliah dari Sistem Observasi bagian Spaced-Based Remote Sensing slide 32-40. EarthCARE merupakan satelit yang berfungsi untuk mengamati interaksi awan, aerosol dan radiasi bumi agar dapat memperoleh prediksi perubahan iklim yang akurat. Kemudian penulis menjabarkan system dan fungsi empat buah sensor yang dipasang pada satelit ini yang digunakan untuk melakukan pengamatan yaitu CPR, ATLID, MRI dan BBR. I.

PENDAHULUAN

EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) adalah sebuah satelit untuk mengamati Bumi yang dikembangkan secara bersama-sama oleh Jepang dan Eropa. Jepang diwakili oleh dua lembaga yaitu National Institute of Information and Communication Technology (NICT) dan Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), sedangkan Eropa diwakili oleh European Space Agency (ESA). Misi EarthCARE adalah misi keenam untuk menjelajahi bumi pada program planet kehidupan ESA yang direncanakan akan diluncurkan pada tahun 2013 dengan masa hidup 3 tahun. Satelit EarthCARE menggunakan empat sensor yaitu Cloud Profiling Radar (CPR), ATmospheric backscatter LIDar (ATLID), Multi-Spectral Imagery (MSI) dan Broadband Radiometer (BBR). Dibandingkan dengan formasi satelit pesawat NASA (CloudSat, CALIPSO, etc), salah satu keuntungan dari EarthCARE adalah keempat sensor instrument ini akan dimuat pada platform yang sama. Hal ini akan memastikan pengamatan yang sinergi diantara instrument

tersebut. ESA akan mengembangkan tiga sensor (ATLID, MSI dan BBR) dan juga satelit, sedangkan Jepang (JAXA dan NICT) akan mengembangan CPR. CPR pada EarthCARE ini kan menjadi radar Doppler pertama di luar angkasa yang dipasang pada satelit dengan menggunakan W-band millimeter-wave 94GHz.[3] Kemudian keempat sensor ini akan mengamati awan dan aerosol pada sebuah skala global untuk memperbaiki ketelitian dalam melakukan prediksi terhadap perubahan iklim. Misi tersebut fokus kepada awan-awan dan aerosol-aerosol yang berpengaruh kepada flux radiasi bumi. Untuk tujuan ini, struktur vertical awan dan aerosol sangat penting, begitu juga distribusi horizontal awan secara global. Kemudian komputer mengolah data-data yang ada untuk melakukan simulasi yang menghasilkan prediksi terhadap perubahan iklim. Ketelitian dari simulasi ini tergantung pada seberapa akurat data digambarkan dari fenomena alam. Bagaimanapun juga seluruh fenomena alam yang berhubungan dengan perubahan iklim ini sampai sekarang masih juga belum dapat dimengerti, dan bahkan prediksi saat ini mengenai perubahan iklim kadang-kadang masih belum dapat diandalkan. Penyebab terbesar adalah efek dari awan-awan dan aerosol dalam keseimbangan radiasi pada atmosfir bumi. [4] Pada misi EarthCARE ini, pengamatan akan dilakukan terhadap distribusi partikel-partikel awan dan aerosol pada arah vertikal dan juga terhadap pengukuran kecepatan partikel awan yang naik dan turun yang belum pernah diamati secara tuntas. Oleh karena itu, melalui misi ini, mekanisme keseimbangan radiasi di dalam interaksi antara awan-awan dan aerosol-aerosol dapat diselesaikan dan juga diharapkan ada perbaikan dalam melakukan prediksi terhadap perubahan iklim. Distribusi awan global tiga dimensi dan sifatnya adalah informasi yang penting untuk memperkirakan budget radiasi bumi lebih tepat. Interaksi antara partikel awan dan aerosol juga difokuskan untuk meningkatkan ketelitian dari model iklim. Hasil yang diharapkan adalah:[5] -

Profil aerosol vertikal yang alami dan antropogenik pada skala global, sifat radiasi dan interaksi dengan awan.

-

Distribusi vertikal cairan pada atmosfer dan es pada skala global, transportasinya oleh awan dan dampak radiasi.

-

Awan tumpang tindih secara vertikal, interaksi awan dengan curah hujan dan karakteristik pergerakan vertikal di dalam awan.

-

Profil pemanasan dan pendinginan radiasi atmosfer melalui kombinasi sifat aerosol dan awan yang diambil.

Gambar 1. Empat Sensor yang terpasang pada EarthCARE[5] II.

CLOUD PROFILING RADAR (CPR)

CPR mentransmisikan millimeter-waves ke bumi dalam orbit satelit dan menerima gelombang radio yang dihamburkan oleh partikel-partikel awan. Menggunakan antenna terbesar yang pernah dibuat, CPR dapat melakukan observasi dengan sensitivitas sepuluh kali lebih besar dari pada kapal satelit radar awan yang ada saat ini. CPR merupakan sebuah kapal satelit radar pertama yang menggunakan millimeter-wave untuk mendapatkan fungsi sensor kecepatan Doppler. Melalui fungsi ini, kita dapat mengerti bahwa tidak hanya struktur awan vertikal, tapi juga pergerakan awan ketika naik dan turun. [3] CPR sangat peka terhadap partikel awan dari pada radar cuaca meteorologi, sehingga CPR dapat mendeteksi awan penting yang paling bersifat radiatif dalam area global. Bandingkan dengan sensor optik, radar millimeter wave dapat menembus awan tebal bagian atas dan mengamati awan atau lapisan hujan dibawahnya. Kekuatan efektifitas dari CPR telah ditampilkan oleh CloudSat (satelit yang dibuat oleh NASA) yang pertama kali memakai milimiter di luar angkasa. Mengikuti kesuksesan ini, CPR pada EarthCARE diharapkan membawa informasi penting yang baru pada berbagai macam awan di atas bumi.[3] Frekuenasi millimeter-wave yang dipakai oleh EarthCARE CPR sama dengan CloudSat CPR yaitu 94 GHz. Untuk mencapai sensitifitas deteksi awan yang mencukupi, sebuah radar dengan

frekuensi yang relatif rendah (sebagai contoh < 94 GHz) akan membutuhkan antena yang besar dan daya yang tinggi. Pada frekuensi lebih dari 100 GHz sebuah antenna dengan daya yang tinggi juga diperlukan karena peredaman sinyal yang cepat melalui peredaman awan, akan tetapi ternyata teknologi dengan frekuensi ini masih jarang dikembangkan. Oleh karena itu frekuensi 94 GHz dipilih oleh CPR karena menawarkan kompromi terbaik, yang sesuai dengan persyaratan. Pada kenyataannya, ternyat myaoritas radar awan angkasa beroperasi pada 94 GHz, sehingga tersedia warisan yang banyak pada desain dan teknologi CPR, pemrosesan data, dan algoritma pembalik. Alokasi frekuensi 94 GHz untuk satelit penginderaan radar awan secara formal disetujui ketika World Radio Conference pada tahun 1997.[6] Akan tetapi CPR pada EarthCARE jika dibandingkan dengan CloudSat, maka sensitifitas radar lebih baik disebabkan oleh orbit satelit yang lebih rendah dan ukuran antenna yang lebih besar. Minimum reflektifitas radar padar EarthCARE CPR adalah -35 dBZ pada top of atmosphere (TOA) / bagian atas atmosfir dalam kondisi integrasi 10 km. Lebar pulsa pengirim adalah 3,3 mikro detik, sama dengan yang dipakai oleh CloudSat. Sampling interval 100 m, sedangkan CloudSat menggunakan 250 m. Jangkauan vertikal pengamatan adalah 20, 16, 12 km tergantung latitude. Spesifikasi lebih detail bisa dilihat pada Tabel 1.[3]

Tabel 1. Spesifikasi utama dari CPR. Komponen Kunci CPR pada EarthCARE Membuat reflektor antena yang besar dengan ukuran 2,5 m adalah hal yang menantang. Ketelitian dan keringanan pada antena yang besar diperlukan untuk radar millimeter-wave untuk dipasang pada satelit. Reflektor antena ini terbuat dari Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) untuk mendapatkan keakuratan, kekuatan dan fitur thermal. Quasi Optical Feeder (QOF) yang digunakan sama dengan yang dipakai oleh CloudSat CPR, yang bekerja sebagai sirkulator yang

menjaga isolasi antara port penerima dan pengirim sekarang. Polarisasi yang dipakai adalah polarisasi sirkular yang lebih baik dari pada polarsasi linier karena mengurangi loss pada QOF. Extended Interaction Key (EIK) digunakan untuk tabung transmisi daya, sama dengan yang digunakan oleh CloudSat. Low Noise Amplifier (LNA) adalah komponen kunci untuk mendapatkan sensitifitas yang baik dengan noise figure (NF) yang kecil.[3] Kemampuan Pengukuran Doppler Fitur yang unik pada EarthCARE CPR adalah kamampuan pada fungsi pengukuran Doppler vertikal. Pengukuran Doppler vertikal adalah fungsi yang sangat atraktif dalam sudut pandang keilmuan, karena pergerakan vertikal partikel awan berhubungan dengan mikrofisik dan dinamis pada awan. Bagaimanapun juga dalam sudut pandang engineering, pengukuran Doppler dari satelit merupakan tantangan teknologi. Metoda sepasang pulsa akan digunakan untuk pengukuran Doppler. Koherensi dan SNR yang tinggi diperlukan untuk mendapatkan pengukuran Doppler yang teliti.[3] Kecepatan satelit sangat tinggi yaitu 7,2 km/detik, sudut beam dari nadir seharusnya tetap dipertahankan sangat kecil. Ketelitian dan pengertahuan dalam pointing antenna adalah teknologi kunci untuk mendapatkan pengukuran Doppler yang akurat. Pengurangan erorr bias Doppler dipertimbangkan untuk menggunakan informasi Doppler echo pada permukaan. Beam yang tidak uniform juga akan berakibat terhadap pengukuran Doppler karena bias kedepan dan kebelakang di dalam beam akan membuat bias Doppler. [3] III.

ATMOSPHERIC LIDAR (ATLID)

ATmospheric LIDar yang juga disebut dengan Backscatter lidar ATLID bertujuan untuk mengukur, secara sinergi dengan CPR, profil vertikal dari awan tipis dan lapisan aerosol secara optik, dan juga ketinggian dari batas awan. Karena cahaya Ultra Violet (UV) lidar teredam kuat oleh awan yang tebal, hasilnya akan dianalisis bersama dengan hasil radar yang menyediakan bagian atas, bawah awan, dan muatan es pada awan es.[2] ATLID dirancang untuk menyediakan pengukuran ketinggian bagian atas awan pada malam dan siang hari.[7] Gagasan untuk menjalankan sebuah sistem lidar pada satelit yang mengorbit Bumi berasal dari kebutuhan untuk secara terus menerus menyediakan profil dari struktur atmosfir dengan resolusi

tinggi dan skala global. Minat informasi ini untuk klimatologi, meteorologi dan ilmu atmosfer secara umum sangat besar. Area jangkauan aplikasi ini dimulai dari dari penentuan pemanasan global dan efek rumah kaca, untuk pemantauan transportasi dan akumulasi polutan di atmosfer yang berbeda daerah (seperti kebakaran baru-baru ini di Asia Tenggara), sampai dengan penilaian terhadap sebagian besar sifat mikro-fisik yang tidak diketahui danjuga

dinamika

struktural atmosfir itu sendiri.[7] ATLID beroperasi pada UV dengan panjang gelombang 355 nm, menyediakan echo dengan resolusi vertikal sampai dengan 100m dengan rentang dari atas tanah sampai dengan ketinggian 40 km. Dengan spektral yang tinggi ini, lidar dapat memisahkan kontribusi relatif dari aerosol (Mie) dan molecular (Rayleigh) scattering, yang memberikan akses untuk kedalaman optic aerosol.[2]

Gambar 2. Arsitektur ATLID Arsitektur lidar terdiri dari empat fungsi utama, yang dinamakan dengan pengirim, teleskop penerima, penerima, unit pengendali yang disebut sebagai ATLID control dan Management (ACDM) unit.

Data

Pengirim terdiri dari kepala laser daya, elektronik dari pengirim laser dan osilator laser. Laser yang digunakan sangat stabil dengan single-mode. Teleskop adalah sebuah afocal Cassegrain bertujuan untuk mengumpulkan cahaya backscattering dan menyediakan rasio pembesaran untuk mengurangi akibat dari kegagalan pensejajaran internal. Teleskom juga digunakan untuk mengirimkan jalan dalam arsitektur monostatis. Bagian penerima terdiri dari diplexer penerima, dan bidang fokus optik, termasuk filter untuk cahaya latar belakang dan filter resolusi spektral yang tinggi. Sebuah laser chopper digunakan untuk mengisolasi dengan tepat detektor pada emisi pulsa laser. Sinya ditransportasikan ke detektor dengan menggunakan perangkat fibre coupler, yang akan mengembalikan seluruh rantai deteksi kepada panel antar muka. Penerima juga terdiri fungsi dari detektor sampai analo-todigital converter ADC. Sedangkan pengendali dan manajemen data memastikan fungsi elektris yaitu sinkronisasi antara emisi laser dan akuisisi data, permrosesan data, peregangan data menuju S/C, mekanisme pergerakan, fungsi regulasi data, TM/TC, dan manajemen pengamatan. [2] IV.

MULTI-SPECTRAL IMAGERY (MSI)

MSI dirancang untuk menyediakan gambar dalam daerah terlihat dan infra merah untuk mendukung perangkat yang aktif. Kemudian menyediakan produk ilmiah tentang awan, aerosl, dan juga informasi kontekstual dari lapisan awan dan aerosol. MSI juga berguna untuk mengkalibrasi BBR.[1] Perangkat akan melihat 150 km lebar petak dengan 7 saluran dari terlihat (0,6 µm) sampai dengan termal inframerah (12,0 µm) dan resolusi 500 m. Hasil yang disediakan adalah tipe awan, fasa es/air, ketebalan optik pada awan, radius efektif, ketebalan optik pada awan, reflektansi permukaan dan suhu permukaan.[5] Kemudian membuat penggunaan konsep push-broom dengan tiga buah kamera yang saling bebas, beroperasi pita VNIR, SWIR dan TIR. List pita bisa dilihat pada tabel 2 dengan resolusi radiometrik yang dibutuhkan.Detektor VIS/NIR adalah tipe Si CCD, dimana sebuah MCT array yang didinginkan akan digunakan untuk pita SWIR (Short Wave Infrared). Micro-bolomenter yang tidak dingin akan digunakan untuk mendeteksi TIR. Detektor akan dilengkapi oleh

komponen elektronik bagian ujung depan yang terdiri dari elektronik read-out, pre-amplifier, dan ADC.[1]

Tabel 2. Pita Spektral MSI[1] Gambar 3. Konfigurasi Mekanikal MSI[1] Kalibrasi penting untuk memenuhi persyaratan performansi radiometrik. Untuk VIS/NIR dan SWIR akan dilakukan oleh perangkat solar diffuser. Untuk pita TIR yang akan dicapai dengan perangkat cold space view dan blackbody. Konfigurasi instrument bisa dilihat dari gambar 3 dimana kepala optik VNIR/SWIR dan TIR dapat dilihat pada kedua sisi bangku optik.[1] V.

BROADBAND RADIOMETER (BBR)

BRR akan memberikan perkiraan pantulan (gelombang pendek / shortwave (SW), 0,2-4 µm) dan pancaran (gelombang panjang / lonwave (LW), 4-50 µm), SW, LW. fluks pada bagian atas atmosfer . Sebagai instrumen yang hanya dapat mengukur cahaya, konversi ke fluks akan dilakukan secara analitis dengan menggunakan angular dependence models (ADM). Oleh karena itu, tiga teleskop pandangan pada sepanjang arah jalur yang digunakan, yaitu nadir, maju dan mundur dengan observation zenith angles (Oza) sebesar 55 derajat. Ukuran dari tiga footprint sejauh 10 km x 10 km. Co-registrasi untuk 10% ukuran footprint dari semua pandangan yang dibutuhkan.

Table 3. Performansi BBR

Gambar 4. Konfigurasi BBR

Instrumennya adalah radiometer dua saluran, di mana LW saluran diperoleh dengan mengurangkan SW komponen dari saluran melingkupi seluruh jangkauan spektral. Teleskop digunakan untuk semua pandangan.[1] VI.

SINERGI ANTARA CPR, ATLID, MSI AND BBR

Keempat instrumen sensor ini, yaitu dua sensor aktif CPR dan ATLI serta sensor lain yaitu MSSI dan BBR bekerja secara sinergi untuk mendapatkan data-data geofisika: -

CPR akan menghasilkan curah hujan

-

CPR, ATLID dan MSI secara sinergi akan menghasilkan produk geofisikal yaitu awan es dan air

-

ATLID dan MSI akan menghasilkan aerosol

-

MSI dan BBR akan menghasilkan TOA flux

Kemudian produk geofisika ini diolah sehingga menghasilkan: -

Curah hujan, awan es dan air menghasilkan awan dan curah hujan

-

Curah hujan, awan es dan air, dan aerosol serta TOA flux akan menghasilkan profil fluks radiatif

-

Awan es dan air, serta aerosol menghasilkan aerosol dan awan

-

Gambar 5. Sinergi CPR, ATLID, MSI, BBR pada EarthCARE

Radar lebih sensitif terhadap partikel yang besar seperti es, sedangkan lidar lebih sensitive terhadap partikel yang lebih kecil seperti droplet dan aerosol. Radar dan lidar bekerja mengamati vertikal, MSI mengamati bagian horizontal dan BRR mengamati tiga titik nadir, depan, dan belakan yang semua itu bisa dilihat pada Gambar 5. KESIMPULAN Misi EarthCARE yang akan diluncurkan pada tahun 2013 merupakan kerja sama antara Eropa (ESA) dan Jepang (NICT dan JAXA) merupkan misi masa depan untuk prediksi pada perubahan iklim. EarthCARE memenggunakan empat buah sensor yang bekerja secara sinergi yaitu CPR, ATLID, MSI, dan BBR untuk mengamati interaksi antara awan, aerosol dan radiasi sehingga menghasilkan data yang bisa diolah sehingga diharapkan dapat menghasilkan prediksi pada perubahan cuaca, seperti global warming, yang lebih akurat REFERENCES

[1] A. Hélière, J. L. Bézy, A. Lefebvre, W. Leibrandt, C. C Li, T. Wehr, T. Kimura, H. Kumagai. “The ESA EarthCARE Mission: Mission Concept and Lidar Instrument Pre-Development”. IEEE International. Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2007. IGARSS 2007. [2] L. Le Hors, Y. Toulemont, A. Hélière.“Design and Development of The Backscatter Lidar ATLID for EarthCARE”. http://www.icsoconference2008.com [3] H. Nakatsuka, K. Okada, H. Horie, T. Kimura, Y. Iida, M. Kojima, K. Sato, Y. Ohno, N. Takahashi, and H. Kumagai, “System Design Of Cloud Profiling Radar For EarthCare”, http://www.igarss08.org/ [4] http://www.jaxa.jp/projects/sat/earthcare/index_e.html [5] Handout Presentation in Earth Explorer User Consultation Meeting 19 and 20 April 2004. http://esamultimedia.esa.int/ [6] http://www.nasa.gov/mission_pages/cloudsat/spacecraft/index.html [7] A.E. Marini.” ATLID: The Technology Development Programme for ESA’s Satellite-borne Atmospheric Lidar”. http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet95/MARINI.pdf