Sekali lagi: Pengantar GPS/ Once Again: GPS Introduction

Tulisan mengenai GPS saat ini sudah banyak sekali, dan blog ini juga pernah bebrapa kali memuatnya. dengan pertimbangan untuk memperkaya khasanah keilmuan kita maka saat ini saya postingkan lagi hal ihwal GPS, kali ini dari penulis yang bernama Nugroho(http://nugrohotech.wordpress.com/2007/06/26/pengantar-gps). Terima kasih atas izinnya untuk memposting di blog saya.



Berikut ini tulisannya, silahkan membaca:



Teknologi Global Positioning System (GPS) sebenarnya telah familiar di masyarakat. Kita sering mendengar bagaimana sistim ini sangat membantu dalam melakukan tracking atau penjejakan posisi suatu benda. ” Dengan menggunakan teknologi global navigation satellite systems (GNSS), anda dapat menunjukkan dengan tepat di mana pun lokasi anda di atas bumi dengan tingkat ketelitian kurang dari lima belas meter. Sekarang ini, satu-satunya sistim layanan yang tersedia bagi kalayak ramai adalah American Global Positioning System, yang telah difungsikan sejak pertengahan tahun 1994.”, kiranya begitu bunyi sebuah tulisan dalam sebuah majalah telekomunikasi.Sejarah dari teknologi navigasi satelit dimulai dari zaman perlombaan ruang angkasa. Dengan adanya peluncuran Sputnik I pada tahun 1957, orang – orang Russia harus kembali mempelajari Efek Doppler: Untuk memelihara kontak radio dengan sebuah obyek yang bergerak, kita harus terus menerus mengubah frekuensi gelombangnya. Stasiun pengawasan akan mencari dalam suatu wilayah frekuensi tertentu sampai ia dapat memperoleh hubungan dengan sinyal dari Sputnik. Dengan menghitung perubahan frequency, stasiun pengawasan dapat menentukan kecepatan Sputnik relatif terhadapnya. Dengan begitu, stasiun pengawas dapat menentukan posisi Sputnik dalam orbit (garis edar). Bahkan mereka secara cepat memilih suatu frekuensi yang dapat didengar pada radio transistor yang normal.




Global Positioning System



Sejak tahun 1994, GPS difungsikan secara penuh dengan ke 24 satelit yang ada pada orbit. Amerika Serikat telah berencana untuk mencapai tahap ini pada akhir tahun 1980 an tetapi dikarenakan adanya beberapa keterlambatan - di antara nya bencana Challenger Space Shuttle pada tahun 1986, batas waktu tersebut tidak dapat dipenuhi.



2.1 Konfigurasi Ilmuwan mengembangkan suatu konfigurasi untuk sistim GPS yang dapat menjangkau secara global dengan menggunakan sedikitnya 21 satelit pada medium earth orbit (MEO).



* 21 satelit yang aktif dan 3 satelit cadangan

* Enam bidang orbit. Ketinggian: 20,200 km. Period: 11 jam 58 menit. Kemiringan: 530

* Empat satelit per pesawat

* Lima stasiun pengawasan


Pada awalnya, peneliti berpendapat bahwa sebuah konfigurasi garis edar bumi geostationary (GEO) berada pada 36,000 km. Namun hal ini dibantah karena pendapat tersebut berarti satelit-satelit akan memerlukan pemancar yang lebih kuat dan sarana peluncuran yang lebih tangguh. Selain itu, GEO akan memberikan jangkauan daerah kutub yang lemah. Bahkan konfigurasi test pendahuluan menunjukan bahwa pesawat – pesawat peluncur berada pada kemiringan 630. 24 satelit-satelit GPS yang baru berada pada konfigurasi Block II, dan telah diluncurkan antara tahun 1989 dan 1994. Konfigurasi ini menunjukan bahwa enam pesawat berada pada kemiringan 550. Berada pada posisi garis bujur yang sama yaitu pada 600 garis bujur, kemiringan ini memberikan jangkauan global terbaik, termasuk daerah kutub. Satelit-satelit bahkan dibagi menjadi empat generasi: II, IIA, IIR dan IIF. Perbedaan-perbedaan yang utama ada pada ketelitian dan jumlah maksimum hari tanpa kontak dari stasiun pemantauan dan kendali.



Stasiun pengawasan mengirimkan data yang baru dan telah diperbaiki kepada masing-masing satelit setiap empat jam. Data ini mencakup koreksi terhadap waktu dan posisi yang tepat dari satelit tersebut dan satelit-satelit GPS lainnya yang berada di dalam orbit. Data terbaru mengenai posisi satelit dapat ditentukan dengan melakukan pengukuran GPS terhadap ground antenna di lokasi yang telah diketahui. Stasiun pengawasan ditempatkan di dekat garis katulistiwa untuk mengurangi efek ionospheric.



2.2 Konsep GPSHubungan mendasar antara satelit dan receiver digambarkan dalam lima langkah-langkah di bawah ini :

1. Receiver menerima sinyal dari satelit GPS.
2. Hal tersebut menentukan perbedaan antara waktu yang ada dengan waktu yang disampaikan melalui frekuensi yang ada.
3. Sinyal yang dikirimkan juga menghitung jarak satelit dari receiver, dengan memperhitungkan bahwa sinyal tersebut dikirim dengan kecepatan cahaya.
4. Receiver menerima sinyal dari dua satelit yang lain, dan kembali menghitung jarak dari mereka.
5. Dengan mengetahui jarak nya dari tiga lokasi yang berbeda, receiver mentrianggulir (triangulation) posisi nya.


2.3 Positioning


2.3.1 Ideal



Pada Gambar 5a kita dapat melihat bahwa dengan menghitung jarak d0 terhadap satelit A, receiver dapat menempatkan diri sendiri pada suatu permukaan dengan radius d0 dari A. Kita kemudian dapat menentukan radius d1 dari satelit B. Kedua permukaan tersebut harus menyentuh atau beririsan jika pengukuran yang dilakukan berhasil. Jika permukaan itu hanya bersentuhan saja, walaupun tidak mungkin, kita telah dapat menentukan posisi kita. Namun jika permukaan – permukaan itu beririsan, maka kita pasti berada di suatu tempat di sebuah lingkaran di mana setiap titik dari lingkaran itu adalah d0 dari A dan d1 dari B, seperti yang ditunjukkan pada dalam gambar 5b. Yang terakhir, Gambar 5c menunjukkan kepada kita bagaimana pengukuran ketiga akan memposisikan receiver sejauh d2 dari C satelit. Hal ini mempersempit kemungkinan posisi kita pada lingkaran hingga satu kemungkinan posisi (jika lingkaran dan permukaan bersentuhan) atau dua kemungkinan posisi (jika mereka beririsan). Salah satu dari kedua posisi ini dapat diabaikan karena lokasi atau kecepatannya hampir mustahil. Sebagai contoh, posisi tersebut dapat menempatkan kita pada satu ketinggian di atas satelit. 2.3.2 Inaccuracy Karena GPS sepenuhnya bersandar pada pemilihan waktu yang benar untuk membuat sebuah pengukuran yang sukses, receiver dan satelit kedua – duanya harus mengetahui waktu dengan tepat. Jika satelit dilengkapi dengan empat jam atom yang dibaharui setiap empat jam, receiver hanya mempunyai sebuah jam yang sederhana, tidak lebih baik daripada sebuah jam digital yang murah. Untuk menjelaskan hal ini, kita akan menyederhanakan kasusnya kepada dua dimensi. Satu triangulasi ideal hanya akan membutuhkan dua satelit (dengan asumsi kita masih dapat mengabaikan satu lokasi). Namun karena kita sedang menggunakan jam yang tidak akurat, kita memerlukan satu pengukuran tambahan. Situasi yang ideal dengan tiga pengukuran ditunjukkan pada Gambar 6. Pada kenyataannya, ketiga lingkaran-lingkaran ini sama sekali tidak menyatu secara sempurna. Receiver tidak dapat menyimpan waktu se-tepat satelit, sehingga kita sendiri yang harus membuat lingkaran-lingkaran tersebut menyatu. Kita dapat melakukan hal ini, karena kita mengetahui bahwa lingkaran-lingkaran memang seharusnya menyatu. Jika lingkaran-lingkaran tersebut terlalu besar, maka kita lakukan penyesuaian terhadap jam kita dengan menggerakkannya maju pada suatu waktu sehingga lingkaran-lingkaran itu cukup kecil untuk beririsan pada satu titik. Jika lingkaran-lingkaran itu terlalu kecil, kita gerakkan jam kita mundur. Pada intinya, jam receiver tidak perlu mengetahui waktu yang tepat tetapi hanya cukup menentukan waktu-tempuh relatif dari tiap sinyal satelit terhadap satu sama lain. Karena dia hanya mengambil sinyal 63 sampai 70 ribu detik untuk menjangkau receiver, masih ada kemungkinan bahwa jam kehilangan ketelitiannya selama pengukuran, yang mengakibatkan empat permukaan masih tidak menyatu dengan baik. Ini berarti bahwa tidak ada suatu posisi yang tepat di mana receiver tersebut berada. Bahkan hal ini merupakan suatu area tertentu, yang disebut pseudo area. Dalam beberapa kasus, mungkin hanya satu permukaan yang tidak menyatu. Receiver dilengkapi dengan sebuah algoritma untuk menentukan suatu tebakan ilmiah pada pseudo area.






2.4 Broadcast



Sekarang marilah kita perhatikan penyiaran yang sebenarnya. Kita telah mengetahui bahwa frekuensi bukanlah sesuatu yang penting, frekuensi hanyalah sarana yang digunakan untuk membawa sinyal. Sinyal inilah yang berisi semua informasi penting untuk mengoptimalkan fungsi sistim GPS. Sebenarnya terdapat dua frekwensi yang disiarkan. Keduanya berada dalam jangkauan gelombang mikro (yaitu di atas 1,000 MHz), dan dikenali oleh notasi L.Orang–orang yang mengembangkan teknologi ini memutuskan untuk menggunakan jam atom rubidium untuk menentukan frekwensi. Jam tersebut memiliki suatu nominal frekuensi f0 dari 10.23 MHz yang digunakan secara internal oleh satelit sebagai frekuensi dasar, dan dapat dengan mudah dikalikan untuk menjangkau cakupan gelombang mikro. Frekuensi yang pertama, L1 adalah 1575.42 MHz, yang berasal dari frekuensi dasar f0. Frekuensi tersebut membawa sinyal untuk receiver sipil dan militer. 154 · f0 =157542 MHzFrekuensi yang kedua, L2 adalah 1227.6 MHz, dan hanya digunakan oleh militer.120 · f0 =12276 MHzDi dalam satelit, suatu sinyal data diciptakan dan berisi Navigation Message. Pesan ini berisi semua informasi yang diperlukan oleh receiver, sinyal tersebut diatur pada 50 bits per detik (50 Hz). Satelit ini juga harus mampu mengidentifikasi dirinya sendiri pada frekuensi tersebut. Untuk itu, kode Pseudo Random Noise, atau PRN-code diciptakan. Sinyal ini sepertinya murni sebuah noise walaupun sebenarnya dia adalah n barisan dari bits yang diulangi setelah bits ke n. Masing-masing satelit dibebani salah satu dari 32 PRN-codes yang unik. Ada dua macam yang berbeda dari PRN-codes: yang pertama disebut coarse acquisition code, atau C/A code, yang digunakan untuk receiver sipil, dan yang lain disebut the precise code, atau P-code untuk receiver militer. Panjang C/A-code adalah 10n-1 bits, di mana n adalah banyaknya unsur-unsur pergeseran digital yang dimiliki oleh sebuah alat. Pada satelit GPS ini adalah 10, sehingga panjang kodenya adalah 1023 bit. Setelah itu, kode tersebut dikirim pada tingkat 1.023 megabits per detik, artinya adalah sepersepuluh dari frekuensi dasar. Pada frekuensi ini, diperlukan tepat 1 ms untuk mengirimkan 1023 bit kode C/A. P-code dikirim tepat pada frekuensi dasar f0. Karena frekuensinya 10 kali lebih tinggi, maka datanya pun 10 kali lebih akurat. P-codes tidak terlalu dikenal oleh khalayak umum, oleh karena itu tidak digunakan oleh publik. Dengan mempertimbangan keamanan, P-code tidak pendek seperti C/A codes. Proses tersebut terus diulangi tepat setiap tujuh hari, oleh karena itu pada kenyataannya mustahil untuk melacak kecuali jika kita mengetahui apa yang sedang dicari. Terakhir, PRN-code tersebut dikombinasikan dengan Navigation Message oleh modulo-2 adder, kemudian digabungkan dengan frekuensi, yang kemudian akan dikirim kepada receiver.



Meskipun kita telah membahas sinkronisasi jam secara benar, kita belum membahas perbedaan antara bagaimana waktu dijaga oleh satelit dan bagaimana waktu dijaga di muka bumi ini. Sistim GPS tidak mempertimbangkan lompatan detik, walaupun hal tersebut menjadi persyaratan. Oleh karena itu, Navigation Message menunjukan kepada receiver bagaimana caranya membaharui jam nya untuk mengoreksi koordinat waktu universal ( Coordinated Universal Time, UTC). 7 Bit yang berikutnya berisi data subframe yang umum. Hal ini terdiri ID Subframe (banyaknya subframe, 1 sampai 5), sebuah re- served alert flag dan the Anti-Spoofing flag. Alert flag memberitahukan kepada receiver bahwa satelit kemungkinan memberikan pengukuran yang tidak akurat.



Anti-Spoofing adalah suatu mode khusus pada sistim GPS, di mana P-code dapat digantikan oleh sebuah Y-code telah di enskipsi. Hal ini hanya mempengaruhi P-code pada receiver militer, untuk jika kita ingin memfungsikannya secara penuh diperlukan suatu cryptographic khusus sebagai kuncinya.Sebelum receiver dapat menyimpan data, receiver harus memeriksa kembali bahwa dia benar-benar membaca header, dan bukan beberapa rangkaian dari bit-bit yang sering terjadi dan menyerupai nya. Receiver melakukan hal ini dengan membuat parity lain, dan memeriksanya dengan 6 bit terakhir dari HOW. Jika ini tidak sesuai maka receiver akan melacak kembali untuk mencari preamble yang berikutnya, dan diikuti oleh sisa dari TLM, dan seterusnya.Masing-masing subframe memiliki header yang terpisah sebagai alasan utama agar receiver dapat masuk ke dalam suatu siaran, dan tidak harus menunggu sampai 30 detik sampai siklus berikutnya.