9
METODE PENGAMATAN DAN PENGOLAHAN DATA KANDUNGAN
ELEKTRON TOTAL DARI JARINGAN PENERIMA SATELIT
GLOBAL
POSITIONING SYSTEM
UNTUK PENELITIAN LAPISAN IONOSFER
(OBSERVATIONS AND DATA PROCESSING METHOD OF TOTAL
ELECTRON CONTENT FROM GLOBAL POSITIONING SYSTEM
SATELLITE RECEIVER NETWORK FOR IONOSPHERIC RESEARCH)
Dyah Rahayu Martiningrum dan Dessi Marlia Peneliti Pusat Sains Antariksa, Lapan
email: dyah_rm@bdg.lapan.go.id, dyahrm09@gmail.com
ABSTRACT
An important parameter to understand the ionosphere layer is electron density. Many tools are used to derive the value of the electron density and give description of the electron density in the ionosphere region. Besides ionosonde and various others such as radar, radar MF (Medium Frequency), radar VHF (Very High Frequency), MWR (Meteor Wind Radar), and EAR (Equatorial Atmosphere Radar), there is another important tool to study ionospheric region, namely satellite receiver GPS/TEC meter. As the name implies, this GPS satellite receiver can provide information about the total of electron content along a straight line between the transmitter and receiver. This paper presents a step-by-step data processing Total Electron Content (TEC), particularly from stations belonging to the Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) research project, including the Sumatran GPS Array (SuGAr) network. The result can be used to determine the density of the ionosphere region or for further research on the characteristics of the ionosphere layers are both theoretical and modeling.
Keywords: TEC, Sumatran GPS Array (SuGAr) network, ionosphere region
ABSTRAK
Parameter yang penting dipahami untuk penelitian lapisan ionosfer adalah kerapatan elektronnya. Banyak peralatan digunakan untuk menurunkan nilai kerapatan elektron dan memberi gambaran kondisi kerapatan elektron lapisan ionosfer. Selain ionosonda dan berbagai macam radar lain seperti, radar Medium Frequency (MF), radar Very High Frequency (VHF), Meteor Wind Radar (MWR), serta
Equatorial Atmosphere Radar (EAR), ada satu lagi alat yang diperlukan dalam penelitian lapisan ionosfer yaitu alat penerima satelit GPS/TEC. Sesuai dengan namanya, penerima satelit GPS ini dapat memberi informasi tentang kandungan elektron total sepanjang garis lurus yang dibentuk antara pemancar dan penerimanya. Tulisan ini menyajikan langkah demi langkah dalam pengolahan data Total Electron Content (TEC), khususnya dari stasiun-stasiun yang tergabung dalam proyek penelitian Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC), termasuk jaringan penerima GPS Sumatran GPS Array (SUGAR). Hasilnya dapat digunakan untuk mengetahui kondisi kerapatan lapisan ionosfer ataupun untuk penelitian lebih lanjut mengenai karakteristik lapisan ionosfer baik bersifat teori maupun pemodelan.
10
1 PENDAHULUAN
Salah satu data yang digunakan dalam kegiatan penelitian tahun 2012 adalah Total Electron Content (TEC) yang diperoleh dari SUGAR yang merupakan bagian dari proyek SOPAC dan hasil kerjasama antara Earth Observing System (EOS) Singapura dan Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI).
SOPAC berlokasi di Cecil H. and Ida M. Green Institute of Geophysics and Planetary Physics (IGPP), Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California, San Diego (UCSD) in La Jolla, California, Amerika Serikat. Proyek SOPAC ditujukan untuk memberikan dukungan terhadap pengukuran geodetik dan geofisika menggunakan satelit-satelit
Global Positioning System (GPS) yang presisi, terutama untuk penelitian gempa bumi, pergerakan lempeng tektonik, deformasi batas lempeng, dan proses-proses meteorologi.
Dalam International GPS Service
(IGS), SOPAC adalah penyumbang utama yang berperan penting sebagai Pusat Data Global dan Pusat Analisis Global. SOPAC menyimpan data 250 jaringan stasiun GPS di California Selatan (SCIGN). SOPAC juga melaksanakan penelitian dan menyediakan data yang mendukung operasional Forecast Applications Branch (FAB) dari NOAA untuk keperluan ramalan cuaca. Data yang disediakan oleh SOPAC adalah data yang akurat, cepat, dan mengorbit setiap jam untuk IGS dan NOAA. Format data berupa format RINEX dari 800 titik GPS kontinu 20 jaringan saintifik di dunia.
Tulisan ini dimaksudkan untuk memberikan gambaran tentang metode pengamatan dan pengolahan data TEC dengan memanfaatkan jaringan penerima GPS global yang mencakup lapisan ionosfer wilayah Indonesia bagian barat sehingga diperoleh informasi kondisi kerapatan elektron di wilayah yang diamati.
2 JARINGAN GPS SUGAR (SUMATRAN GPS ARRAY)
Jaringan GPS SUGAR berada di sepanjang pantai barat Sumatera (1300 km). Pada jaringan SUGAR terdapat hampir 40 stasiun pemantau yang secara periodik mengoleksi data TEC kontinu dengan akurasi tinggi, yang kemudian data tersebut dikumpulkan pada suatu server pusat di Singapura (Gambar 2-1).
Gambar 2-1: Jaringan stasiun GPS SUGAR (http://www.tectonics.caltech.edu/)
Sistem komunikasi dalam SUGAR
dirancang menggunakan komunikasi satelit (Garuda-1, yang menyediakan layanan komunikasi The Asian Cellular Satellite System). Hanya dua titik stasiun yang berada dekat dengan pemukiman, dan hanya satu titik yang berjarak beberapa kilometer dari jaringan telepon. Asian Cellular Satellite System (ACeS) melayani sebagian besar wilayah Asia Tenggara. Modem radio yang telah dimodifikasi digunakan untuk keperluan komunikasi data dalam SUGAR. ACeS tidak memerlukan antena yang rumit.
11 Gambar 2-2: Komunikasi data dalam SUGAR dengan sampling data setiap 2 menit (McLoughlin, 2011)
Gambar 2-3: Arsitektur terbaru komunikasi data dalam SUGAR (McLoughlin, 2011)
3 FORMAT HATANAKA DALAM PENGOLAHAN DATA GPS SUGAR
Format data standar adalah kunci untuk manajemen, analisis, dan pertukaran data pada jaringan pengamatan Global Navigation Satellite System (GNSS) tanpa dibatasi oleh format data tertentu pada penerima GPS. Format Receiver Independent Exchange (RINEX) telah lama digunakan secara luas di komunitas pengguna GPS (Gurtner dan Mader, 1990), termasuk IGS dan kemudian mengakomodasi juga data GLONASS tanpa mengubah struktur dasar format RINEX. Seiring berjalannya waktu, format RINEX dikembangkan menjadi lebih fleksibel untuk menangani sinyal-sinyal GNSS (RINEX versi 3.0). Walaupun dikembangkan untuk lebih fleksibel, namun format RINEX versi 3.0 masih memiliki sedikit masalah yaitu berkaitan dengan ukuran file yang
dihasilkan. Ukuran file hasil pengamatan dalam format RINEX menjadi lebih besar dibandingkan dengan format binary dari penerima GPS-nya, meskipun file
tersebut dimampatkan (compress). Oleh karena itu seorang peneliti Geographical Survey Institute, Jepang, Yuki Hatanaka, membuat suatu perangkat lunak untuk menangani masalah tersebut. Dengan memanfaatkan perangkat lunak hasil karya Yuki Hatanaka, maka file data dapat dimampatkan sampai berkurang 38% dari file format RINEX-nya (Hatanaka, 1996).
4 DATA DAN METODE
12
a.Definisi data series yang akan digunakan dalam operasi diferensial. b.Format data perangkat pengamatan
GNSS yang akan dikonversi harus terdiri dari 21 rangkaian/series data. c.Data series didefinisikan sebagai data
kontinu dari epoch ke epoch untuk kategori yang sama.
Tabel 4-1, menunjukkan kategori
data series yang digunakan dalam operasi diferensial dan tipe operasinya. Diferensial dikerjakan untuk keempat kategori, dengan header data RINEX tidak dimasukkan dalam operasi tersebut.
Tabel 4-1: KATEGORI DATA SERIES DAN TIPENYA (http://www.gsi.go.jp/)
Kategori A dan B dengan mudah diidentifikasi karena elemennya yang unik dalam setiap data epoch. Data pengamatan (kategori C) ditentukan untuk masing-masing tipe data dan Indicator (LLI) dan kuat sinyal (kategori D) ditentukan untuk masing-masing satelit, tetapi tidak untuk masing-masing tipe data. Kumpulan kategori D untuk semua tipe data menjadi satu data text yang kemudian digunakan untuk data awal operasi diferensial. Operasi diferensial diawali oleh epoch pertama dan diakhiri oleh epoch terakhir.
Secara praktis, cara membaca data format RINEX dan mengkonversikannya ke dalam format Hatanaka dapat dilihat pada Gambar 4-1. Pertama harus disiapkan data yang dapat diperoleh dari
web SOPAC atau SUGAR (http:// sopac. ucsd.edu/cgi-bin/dbDataBySite.cgi).
Kemudian ikuti langkah-langkah seperti yang terdapat pada Gambar 4-1.
Gambar 4-1: Diagram alir pengolahan data TEC dari SUGAR (Muslim, 2009)
5 HASIL PENGOLAHAN DATA DAN PEMBAHASAN
13 Dengan mengikuti tahapan
pengolahan data seperti telah dijelaskan pada bab 4, maka akan diperoleh tabel format RINEX, tabel format Hatanaka, dan data diferensial slant TEC (dSTEC).
Setelah data mentah (raw) diunduh dari web SUGAR dengan alamat http: //sopac.ucsd.edu/projects/sugar.html, maka dilakukan konversi dari format RINEX ke format Hatanaka. Gambar 5-1 dan Gambar 5-2 menunjukkan contoh
file yang masih dalam format RINEX
(Gambar 5-1) dan file yang sudah dikonversi ke format Hatanaka (Gambar 5-2).
Dari Gambar 5-2 terlihat bahwa setelah format RINEX dikonversi ke dalam format Hatanaka, maka susunan datanya akan lebih teratur dan jelas, sehingga akan memudahkan pengolahan lebih lanjut. Satu hal yang perlu diingat bahwa format file data raw mempunyai ekstensi *.xxD sementara file format Hatanaka ber-ekstensi *.xxO.
TABEL 5-1: LOKASI STASIUN-STASIUN PENERIMA GPS SUGAR (http://sopac.ucsd.edu/)
No. Nama Stasiun Lokasi GPS Koordinat
1. ABGS Air Bangis Sumatera 0.22 LU-99.39 BT
2. BSAT Busalat-Sumatera Barat 3.08 LS-100.28 BT
3. BTET Betaet-Sumatera Barat 1.28 LS-98.64 BT
4. LNNG Lunang-Sumatera Barat 2.29 LS-101.16 BT
5. MSAI Muarasaubi-Sumatera Barat 1.33 LS-99.09 BT
6. PKRT Pukarakyat-Sumatera Barat 2.15 LS-99.60 BT 7. PRKB Parak batu-Sumatera Barat 2.97 LS-100.40 BT
8. PSKI P.Sekuai-Sumatera Barat 1.12 LS-100.35 BT
9. SLBU Silabu-Sumatera Barat 2.77 LS-100.01 BT
10. TIKU Tiku-Sumatera Barat 0.40 LS-99.94 BT
11. TLLU Taileleu-Sumatera Barat 1.80 S-99.13 BT
14
(b)
Gambar 5-1: Format data RINEX dari stasiun ABGS (a) dan stasiun Tiku (b)
(a)
(b)
15 Data dengan format Hatanaka,
meskipun sudah teratur tetapi masih bercampur antar berbagai nomor satelit yang terekam oleh penerima GPS. Oleh karena itu diperlukan suatu perangkat lunak untuk membaca data sehingga data yang diperoleh dapat dikelompokkan menurut nomor satelitnya. Header data penerima GPS jaringan SOPAC (termasuk
SUGAR) terdiri dari 13 kolom dari 31 satelit. Header data tersebut meliputi waktu (tahun, hari, jam (UT), menit, detik), posisi geografis (lintang, bujur), ketinggian, nomor satelit, TEC Code, TEC
Fase, dSTEC, TEC Fase + Code. Sebagai contoh, Gambar 5-3 memperlihatkan kontur hasil pengolahan data berupa simpangan rata-rata dSTEC selama bulan Oktober 2003 untuk stasiun Bakosurtanal.
Parameter dSTEC adalah data diferensial dari slant TEC, dengan slant
TEC merupakan data kerapatan elektron total sepanjang garis yang dibentuk antara satelit dan penerimanya. Gambar
5-3, tentu saja dapat diterapkan untuk data parameter TEC lainnya seperti telah disebutkan sebelumnya.
Pengukuran parameter TEC seperti yang terlihat pada Gambar 5-3 akan dapat memberikan informasi tentang dinamika lapisan ionosfer terutama saat terjadi ketidakteraturan pada lapisannya. Gradien TEC skala besar akan mem-pengaruhi kinerja Space Based Augmen-tation Systems (SBAS) yang berperan penting dalam akurasi penentuan posisi. Gradien TEC skala besar juga berkaitan dengan peristiwa Equatorial Spread F (ESF). Sementara fluktuasi TEC dalam skala kecil berkaitan dengan peristiwa sintilasi (Carrano, 2007). Data simpangan rata-rata seperti terlihat pada Gambar 5-3 menjadi indikator peristiwa ketidakteraturan di lapisan ionosfer dengan tambahan informasi periodenya, baik jam-an (untuk gradien atau fluktuasi skala besar) maupun kurang dari 1 jam (untuk gradien atau fluktuasi skala kecil).
16
6 KESIMPULAN
Sampai saat ini telah banyak peralatan yang dibuat untuk memahami karakteristik lapisan ionosfer, terutama yang berbasis pada penginderaan jauh. Salah satu di antaranya adalah dengan suatu penerima GPS. Dengan alat tersebut, salah satu parameter lapisan ionosfer yaitu kandungan elektron total sepanjang garis vertikal antara pemancar dan penerima (VTEC) dapat diperoleh. Selain VTEC, parameter lain yang juga diperoleh adalah data slant
TEC (STEC) yaitu data kandungan elektron total sepanjang garis lurus antara pemancar dan penerima satelit.
Tantangan yang dihadapi dengan perkembangan teknologi penginderaan jauh untuk mendapatkan parameter lapisan ionosfer adalah cara menyiapkan dan mengolah data tersebut sehingga siap dianalisis. Ketersediaan data hasil pengolahan data TEC akan membantu dalam menganalisis kondisi lapisan ionosfer pada waktu tertentu terutama dikaitkan dengan ketidakteraturan lapisannya akibat peristiwa ESF (gradien TEC skala besar) maupun sintilasi (gradien TEC skala kecil).
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada dewan penyunting Majalah Sains dan Teknologi Dirgantara atas saran dan masukan untuk perbaikan tulisan ini.
DAFTAR RUJUKAN
Carrano, C. S., 2007. TEC Gradients and Fluctuations at Low Latitudes Measured with High Data Rate GPS Receivers, ION 63rd Annual Meeting, April 23-25, 2007, Cambridge, Massachusetts.
Gurtner, W., Mader, M., 1990. Receiver Independent Exchange Format Version 2, GPS Bulletin, Vol.3, No.3, 1-8.
Hatanaka, Y. 1996. A RINEX Compression Format and Tools, Proceedings of ION GPS-96, September 17-20. 1996, 177-183.
McLoughlin, I.V., Kai, J.W., Su, L.T., 2011.
Data Collection, Communications and Processing in the Sumatran
GPS Array (SuGAr)”, Proceedings of the World Congress on Engineering 2011, Vol II WCE 2011, July 6-8, 2011, London, U.K. Muslim, B., 2009. Pemodelan TEC Ionosfer di Atas Sumatera dan Sekitarnya Mendekati Real Time dari Data GPS NTUS, Prosiding Seminar Nasional Revitalisasi Data, Yogyakarta.
http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbData BySite.cgi, 5 Maret 2012.
