Pengaruh gangguan Ionosfer pada pengukuran GPS Effendy fendy@idola.net.id Bidang Ionosfer dan telekomunikasi Pusat pemanfaatan sains Antariksa LAPAN BANDUNG

GPS Jaringan satelit yang terus menerus memancarkan informasi kode ,dimana memungkinkan untuk identifikasi lokasi presisi di bumi dengan mengukur jarak dari satelit. Bagaimana prinsip kerjanya? 6 orbital planes 60o apart 24 satellites 4 per plane 56o inclination Cadangan di orbit Pada lintang kurang dari 60o 6 satellites 98% of the time; 8 satellites 95% of the time

GPS Satellite (Satellite Vehicles(SVs)) GPS Satelit pertama diluncurkan 1978 Konstelasi lengkap dicapai pada thn.1994 Satellite direncanakan untuk jangka waktu10 tahun Sekitar 2,000 pounds,17 feet across Transmitter power hanya 50 watts bahkan kurang.

History dari GPS System navigasi berbasis radio yang dikembangkan oleh DoD Awal Pengoperasian 1993 System dinamakan NAVSTAR NAVIgation with Satellite Timing And Ranging Merefer pada satelit GPS Terdiri dari 24 satelit, 6 bidang orbit, teridirI dari 4 satelit masing masing bidang. Beroperasi diseluruh tempat di dunia selama 24 jam perhari, dengan kondisi segala cuaca. Meliputi : Lokasi atau posisi tetap Kecepatan Arah perjalanan. Akurasi waktu

Tiga Segmen dari GPS Space Segment User Segment Control Segment Ground Antennas Master Station Monitor Stations

Master Control Station Monitor Station Ground Antenna Control Segment US Space Command Cape Canaveral Hawaii Kwajalein Atoll Diego Garcia Ascension Is. Master Control Station Monitor Station Ground Antenna

Space segment System terdiri dari satelit GPS, space vehicles ini mengirimkan sinyal radio dari angkasa. Nominal konstelasi operasional GPS terdiri dari 24 satelit, mengelilingi bumi dalam 12 jam, terdapat lebih dari 24 satelit operasional sebagai pengganti satelit lama yg masih operasional. Fungsi dasar dari satelit “ Menerima dan menyimpan data yg dipancarkan oleh kontrol segment Pemeliharaan akurasi waktu dari beberapa frekeuensi atomik standar on board. Memancarkan informasi dan sinyal kepada user baik satu frekuensi maupun kedua L band

Control segment Fasilitas yang diperlukan untuk : Monitoring health satelit Telemetry Tracking Command dan control Perhitungan ephemeris Up linking

User segment GPS user equipment kombinasi dari : - hardware ( signal tracking) - software ( algoritma posisi, user interface ). GPS user segment terdiri dari GPS receiver dan user komuniti, GPS receiver mengkonversi sinyal SV terhadap waktu,,kecepatan dan estimasi waktu, empat satelit diperlukan untuk menghitung 4 dimensi seperti x,y,z dan waktu. GPS receiver digunakan untuk navigasi,posisi, time dissemination dan research lainnya.

User Segment Militer Search and rescue. Disaster relief. Surveying. Marine, aeronautical and terrestrial navigation. Remote controlled vehicle and robot guidance. Satellite positioning and tracking. Shipping. Geographic Information Systems (GIS). Recreation. dll.

T T + 3 Posisi berdasarkan waktu Signal meninggalkan satellite at time “T” T Signal diterima oleh receiver pada saat “T + 3” T + 3 Jarak antara satellite dan receiver = “3 kali kecepatan cahaya”

Pseudo Random Noise Code Perbedaan waktu Satellite PRN Receiver PRN

Time of Arrival GPS menggunakan konsep time of arrival (TOA) dari sinyal untuk menentukan posisi. Mengukur waktu dari sinyal pancar yang diketahui lokasinya menuju receiver pengguna. Interval waktu pada dasarnya signal propagation time. Interval waktu dikalikan dengan kecepatan cahaya, diketahui jarak dari sumber pancar dengan penerima. Dengan pengukuran propagation time of signals broadcast dari lokasi pemancar yang telah diketahui posisinya, dapat dihitung lokasi posisi penerima.

Prinsip dasar penentuan posisi dengan satelit

Sinyal dari 1 satelit Penerima berada pada batas lingkaran ini.

Sinyal dari 2 satelit

3 Satelite (2D Positioning)

Triangulating Correct Position

3 Dimensional (3D) Positioning

Faktor yang mempengaruhi GPS performance Faktor Satellite Broadcast ephemeris Clock errors Geometri konstelasi SV anomali dan pemeliharann periodik Faktor Atmosfer Efek Ionosfer Troposphere (weather) Faktor pengguna Sky visibility User motion User environment (urban, heavy foliage, etc.) Signal reflections (multipath) Interference (unintentional or otherwise) Receiver design (noise figure, sensitivity, software bugs, design limitations, etc.)

Sumber Ukuran Eror Sumber eror sinyal GPS Standard Positioning Service (SPS ): Civilian User Sumber Ukuran Eror Satellite clocks: 1.5 to 3.6 meter Orbital errors: < 1 meter Ionosphere: 5.0 to 7.0 meter Troposphere: 0.5 to 0.7 meter Receiver noise: 0.3 to 1.5 meter Multipath: 0.6 to 1.2 meter Selective Availability (lihat penjelasan) User error: Diatas kilometer atau lebih Kumulatip Error dan peningkatan PDOP.

Selective Availability (S/A) Departement pertahanan US mengacaukan pesan waktu satelit agar akurasi posisi menjadi rendah bagi pengguna GPS . S/A didesain untuk mencegah pihak lawan Amerika dari penyalah gunaan GPS. Sejak Mei 2000 Pentagon mereduksi S/A “to zero meters error”. S/A dapat direaktivasi setiap saat oleh Pentagon.

Sumber interferensi sinyal Earth’s Atmosphere Solid Structures Metal Electro-magnetic Fields

Penggunaan GPS Receiver untuk Posisi dan Navigasi

Geometri satelit

GPS Satellite Geometry Geometri Satellite dapat berpengaruh pada kualitas sinyal GPS dan akurasi perhitungan triangulation receiver. Dilution of Precision (DOP) merefleksikan posisi masing masing satelit relative terhadap satelit lainnya yg akan diakses oleh receiver. Terdapat 5 paramater tentang DOP. Nilai dari Position Dilution of Precision (PDOP) biasanya menentukan kualitas dari

Geometri Satelite Konfigurasi satelit di angkasa dapat memperbesar eror. Prinsip Geometric Dilution of Precision (GDOP) digunakan untuk mengukur eror

Satellite Geometry Geometric Dilution of Precision (GDOP) - Position atau spherical (PDOP) - Horizontal (HDOP) - Vertical (VDOP) - Time (TDOP) Nilai DOP rendah menghasilkan akurasi lebih baik. Beberapa GPS receiver dapat menganalisis posisi yang tersedia berdasarkan dataalmanac, dan memilih satellite yg terbaik untuk upaya menghasilkan DOP rendah. Hal yang penting GPS receiver dapat mengabaikan atau eliminasi pembacaan DOP GPS ketika melebihi batas nilai yg ditentukan.

DOP DOP bergantung pada lokasi satellite

DOP Good DOP Poor DOP

Ideal Satellite Geometry N W E S

Good Satellite Geometry

Good Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry N W E S

Poor Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry

Koreksi Ionosfer dengan Diferensial GPS

Differential GPS: Meningkatkan Akurasi Differential correction dapat menghasilkan akurasi antara 1-5 meters, atau lebih dengan tambahan peralatan. Differential correction membutuhkan GPS receiver kedua, sebagai base station, mengumpulkan data pada posisi yg tetap dengan diketahui Posisi yang tepat. Karena posisi base stasion diketahui faktor koreksi dapat dihitung dengan membandingkan lokasi yang telah ditentukan oleh satelit. Proses differential correction memberikan faktor koreksi dan dapat digunakan pada pengumpulan data penerima GPS di lapangan. Differential correction mengeliminasi sejumlah eror. Perbedaan waktu menyatakan eror sinyal satelit. Post-Processing DGPS dapat dilakukan untuk koreksi setelah waktu pengukuran.

GPS Error Budget Source Uncorrected With Differential Ionosphere 0-30 meters Mostly Removed Troposphere 0-30 meters All Removed Signal Noise 0-10 meters All Removed Orbit Data 1-5 meters All Removed Clock Drift 0-1.5 meters All Removed Multipath 0-1 meters Not Removed Receiver Noise ~1 meter Not Removed SA 0-70 meters All Removed

Real Time Differential GPS x+30, y+60 x+5, y-3 DGPS Site x-5, y+3 DGPS Receiver Receiver DGPS correction = x+(30-5) and y+(60+3) True coordinates = x+25, y+63 True coordinates = x+0, y+0 Correction = x-5, y+3

Hasil penelitian ionosfer berbasis GPS

Standard Positioning Service (SPS) Tersedia untuk semua user Degradasi akurasi oleh Selective Availability sampai 2 May 2000 Horizontal Accuracy: 100m Saat ini menedekati akurasi kasar PPS Precise Positioning System (PPS) Hanya kalangan teretentu U. S. dan semua militer Diperlukan cryptographic equipment, specially equipped receiver Akurasi mencapai 21 meter.

URE2 + UEE2 Accuracy = DOP Example : Dilution of Precision Space Segment Constellation Design User Range Error Control Segment Signal-in-Space Accuracy User Equipment Error User Segment Multipath, ionosphere, troposphere, UE clock errors DOP = Dilution of Precision GPS Space Segment Constellation Design Constellation size (number of satellites) Geometry (location of primary slots) URE = User Range Error GPS Control Segment Availability of Healthy Satellites (keeping primary slots occupied with healthy satellites, managing reserve assets) Accuracy of GPS Signals and Data UEE = User Equipment Error GPS (Military) User Segment Multipath, ionosphere, troposphere, and UE clock errors

GPS Single Frequency Performance Standard Decreasing range error Signal in Space RMS URE: Root Mean Square User Range Error

Pengguna GPS

User Militer Search and rescue. Disaster relief. Surveying. Marine, aeronautical and terrestrial navigation. Remote controlled vehicle and robot guidance. Satellite positioning and tracking. Shipping. Geographic Information Systems (GIS). Recreation. dll.

Perkembangan Satelit GNSS

GNNS: Competetion Russia/Soviet Union GLONASS GPS without SA capability Few satellites and little funding EU GALILEO Lots of internal controversy Expensive Long time to build Still no hardware Interesting “business model”: Subscriptions/fee for services

Future Considerations Galileo (EU) GLONASS GPS COMPASS (China)

Contoh GPS hand held

Power / Backlight Battery Life Rocker (navigation) Pan map or select Garmin GPSmap60-C Power / Backlight Battery Life Rocker (navigation) Pan map or select options on a page Zoom In/Out Page Find (Cities, Waypoints) Menu Mark (Waypoints) Quit (close screen) Enter

Garmin GPSmap60-C Main Screens Time & Date

Satellite Page Accuracy Estimate Location Name Skyplot Symbol Garmin GPSmap60-C Satellite Page Accuracy Estimate Mark Waypoint Location Name Skyplot Symbol Satellite Strength Average

Main Screens Setup Map (GoTo) Profiles Garmin GPSmap60-C Main Screens Setup Map (GoTo) Profiles By default, the GPSmap60 will record a Track (line feature) whenever the unit is turned on.

System Setup Garmin GPSmap60-C GPS On/Off/Demo WAAS On/Off Alkaline or NiMH (rechargeable) battery 1000 Waypoints WAAS Compatible 30 hours of battery life (2 "AA" batteries) (Approximately 20 hours when using WAAS) Alkaline or NiMH (rechargable) batteries Waterproof 56 MB of internal memory for storing map detail (topo maps, etc) Trip computer (odometer, moving average, travel time, max speed... Quad Helix antenna (or connection to remote antenna) Using WAAS decreases the battery life by ~1/3

Perkembangan teknologi GPS