Aplikasi model ionosfer dalam penentuan

(1)

Aplikasi model ionosfer dalam penentuan posisi presisi dengan GPS

frekuensi tunggal di daerah lintang rendah Indonesia

Buldan Muslim

1)

1)_{Pusat Sains Antariksa}

Jl. Dr. Junjunan 133 Bandung 40173, Telpon 022-6012602 Email: [email protected]

Abstract – Di daerah lintang tengah, penentuan posisi presisi (PPP ) dengan GPS frekuensi tunggal berpotensi dikembangkan untuk berbagai aplikasi penentuan posisi dengan akurasi dm sampai sub meter dengan biaya yang murah. Tetapi di wilayah Indonesia yang puncak anomali ionisasi bagian selatan ada di atasnya memerlukan kajian tingkat akurasi PPP dengan model ionosfer yang tersedia secara real time. Makalah ini membahas aplikasi model ionosfer untuk PPP frekuensi tunggal di daerah puncak anomalii ionisasi ionosfer ekuator. Dua model ionosfer digunakan dalam kajian ini yaitu model Klobuchar dan GIM. Data pengamatan GPS pada frekuensi L1 stasiun BAKO pada bulan Oktober 2003 telah digunakan untuk melihat perbedaan PPP frekuensi tunggal dengan 3 skenario: 1. tanpa menggunakan model ionosfer, 2. menggunakan model Klobuchar, dan 3. menggunakan model GIM. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan model GIM secara signifikan meningkatkan akurasi PPP antara 38 - 88 % sedangkan model Klobuchar hanya dapat meningkatkan akurasi posisi sekitar 5 - 70 %. Akurasi posisi dengan PPP di daerah lintang rendah Indonesia dapat mencapai akurasi rata -rata sekitar 1-2 meter dalam satu hari pengamatan.

Kata Kunci: GPS, posisi, akurasi, model, ionosfer.

1. PENDAHULUAN

Penentuan posisi dapat dilakukan dengan dua metode. Yang pertama menggunakan satu receiver yang disebut point positioning atau penentuan posisi titik dan yang kedua menggunakan dua atau lebih receiver yang dikenal dengan penentuan posisi differensial. Karena akurasi yang jauh lebih tinggi dapat diperoleh menggunakan metode differensial, secara tradisi dalam bidang survei lokasi telah lama digunakan teknik differensial. Tetapi akhir-akhir ini teknik point positioning telah banyak diteliti karena tersedianya data orbit dan jam satelit yang presisinya tinggi.

Ada dua jenis point positioning yaitu standard point positioning (SPS) dan precise point positioning (PPP). Adapun perbedaan PPP dan SPS adalah digunakannya atau tidak digunakannya data orbit dan jam satelit yang presisi dan model-model koreksi

lainnya yang ada pada pengamatan sinyal GPS selama propagasinya seperti model troposfer dan ionosfer serta model dinamika receiver karena adanya pasut bumi.

El-Rabbany (2003) telah mendapatkan akurasi sentimeter sampai desimeter setelah menerapkan PPP menggunakan kombinasi data kode dan fase dan koreksi-koreksi lainnya diterapkan dan dengan teknik filtering. Bagaimanapun juga akurasi PPP ini bervariasi mulai sentimeter sampai dm bahkan sampai meter tergantung dari data GPS yang digunakan dan akurasi model-model yang diterapkan serta jenis receiver yang digunakan serta teknik yang digunakan (Choy, 2009).

Salah satu model yang dapat meningkatkan akurasi PPP adalah model ionosfer yang memberikan kontribusi terbesar pada kesalahan pengukuran GPS dengan frekuensi tunggal dan satu receiver setelah SA dinonaktifkan. Sejauh mana peningkatan akurasi PPP setelah diterapkan model ionosfer perlu dikaji agar diketahui tingkat kepercayaan posisi dengan koreksi model ionosfer yang digunakan khususnya untuk daerah anomali ionisasi yang terjadi di lintang rendah seperti di atas pulau Jawa dan sekitarnya.

Makalah ini membahas penerapan model ionosfer pada penentuan posisi presisi dengan data kode pada frekuensi L1. Model ionosfer yang dikaji adalah model Klobuchar dan Global Ionospheric Map (GIM). Penerapan model ionosfer dilakukan pada waktu terjadi badai matahari 28 dan 29 Oktober 2003 dan pada beberapa hari sebelum dan sesudah badai matahari untuk mengetahui variabilitas akurasi posisi yang disebabkan oleh cuaca antariksa. Kedua model diterapkan pada penentuan posisi stasiun BAKO yang terletak di daerah lintang rendah bagian selatan ekuator geomagnet di mana puncak anomali ionisasi sering mencapai maksimum di atas stasiun BAKO.

.

2. DATA DAN METODOLOGI

Data GPS dari stasiun BAKO pada tanggal 23 –

31 Oktober 2003 pada frekeunsi L1 digunakan untuk penentuan posisi BAKO dengan data jarak kode dan kooordinat satelit GPS yang presisi dengan format sp3. Kedua jenis data tersebut dapar didownload dari http://sopac.ucsd.edu.

(2)

troposfer Saastamoinen dan model pasut bumi. Untuk model ionosfer digunakan model Klobuchar dan GIM. Peningkatan posisi sebelum dan sesudah koreksi ionosfer dapat diketahui dengan perbandingannya antara posisi sebelum penerapan koreksi ionosfer dan setelah aplikasi model ionosfer.

Posisi GPS yang tidak diketahui posisinya dapat ditentukan dari pengamatan jarak receiver dari empat satelit GPS yang diketahui posisinya. Pengamatan dari tiga satelit digunakan untuk penentuan posisi pada koordinat ECEF dan satu pengamatan satelit GPS untuk penentuan koreksi waktu yang berbeda antara jam satelit dan jam receiver.

Persamaan pengamatan GPS untuk satelit GPS dari data kode dapat ditulis sebagai (Abdel-salam,

P(Li) -pengamatan jarak receiver dari satelit

GPS dari data kode (P) pada frekuensi Li, di mana i = 1 untuk frekuensi 1.57542 GHz dan i = 2 untuk frekuensi 1.22760m GHz.

 -jarak geometri yang sebenarnya

antara receiver dan satelit

c -kecepatan cahaya

dt -kesalahan jam receiver

dT -kesalahan jam satelit

dorb -bias troposfer

dion -bias ionosfer

Dmult[P(Li)] -efek multipath pada pengamatan jarak kode P pada frekuensi Li

[P(Li)] - derau pengamatan kode pada

frekuensi Li

Jika kesalahan orbit dianggap kecil dan dapat diabaikan setelah digunakannya data orbit presisi (dari file igs*.sp3) dan bias troposfer juga dianggap telah direduksi setelah penerapan model troposfer serta kesalahan jam satelit juga dianggap kecil, serta efek multipath dianggap tidak ada dengan memilih sudut elevasi di atas 15 derajat, maka persamaan (2-1)

Jarak geometri dapat ditulis sebagai



 

r



Sehingga persamaan (2-2) dapat diungkapkan menjadi

     

dibutuhkan pengamatan jarak P minimal dari 4 satelit secara simultan sehingga 4 koordinat yang tidak

diketahui yaitu xr, yr, zr , dan c.dt dapat diestimasi.

Posisi GNSS stasiun BAKO yang sudah tepat ditentukan menggunakan dua frekuensi sinyal GNSS dan dengan jaringan pengamatan GNSS lainnya dianggap sebagai posisi referensi untuk mengukur tingkat akurasi posisi GNSS dengan frekuensi tunggal. Posisi GNSS ditentukan dalam koordinat Earth-Centered Earth-Fixed (ECEF) di mana koordinat X pada arah titik potong garis khatulistiwa dengan garis meridional nol derajat, arah Y pada arah titik potong garis khatulistiwa dengan garis meridian 90 derajat, dan arah Z searah dengan arah kutub, dengan pusat sumbu koordinat di pusat bumi.

Akurasi posisi GNSS diukur dengan rata-rata simpangan mutlak (dx, dy dan dz) antara posisi GNSS frekuensi tunggal dengan posisi referensi stasiun BAKO yang dapat ditulis sebagai



a bs

(

x

₀

)



BAKO menggunakan satu frekuensi L1 dan subscript

0 menunjukkan posisi referensi yang presisi.

Penjelasan penentuan posisi GNSS frekuensi tunggal dengan single receiver atau dikenal dengan metode absolut dapat dilihat pada makalah Buldan (2011). Adapun dalam penilitian ini telah digunakan software RTKLIB dengan pilihan posisiton mode dipilih single, orbit satelit digunakan data yang presisi tinggi yaitu data dengan ekstensi sp3 dapat didownload dari http://sopac.ucsd.edu. Untuk melihat pengaruh ionosfer telah digunakan 3 jenis penentuan posisi yaitu 1, tanpa koreksi ionosfer, 2, dengan koreksi ionosfer model klobuchar dan 3, dengan koreksi model Global Ionospheric Map (GIM). Model Klobuchar dapat diperoleh dari http://cddis.nasa.gov, dan GIM untuk tanggal yang sama dengan data GNSS

stasiun BAKO dapat didownload dari

ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE.

Untuk melihat sejauh mana peningkatan akurasi posisi setelah aplikasi model ionosfer, penentuan posisi dilakukan pada tiga solusi yang berbeda. Solusi pertama tanpa menggunakan model ionosfer, yang kedua menggunakan model ionosfer Klobuchar dan terakhir menggunakan model GIM.

Peningkatan akurasi setelah penerapan model

diperoleh dengan perbandingan antara posisi

(3)

yang tidak dikoreksi dengan model ionosfer.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Simpangan posisi stasiun BAKO dari hasil perhitungan posisi dari data kode terhadap posisi yang tepat untuk 3 jenis posisi yang ditentukan tanpa koreksi ionosfer, dengan koreksi ionosfer model Klobuchar dan dengan model GIM ditunjukkan pada Gambar 3-1 untuk koordinat X dan Y. Dan setelah dihitung nilai rata-rata simpangan mutlak dalam satu hari diperoleh variasi harian simpangan posisi BAKO seperti pada Gambar 2. Gambar 3 dan Gambar 3-4 masing-masing adalah perbandingan rata-rata harian simpangan mutlak setelah koreksi dengan model Klobuchar dan GIM terhadap simpangan posisi yang belum dikoreksi dengan model ionosfer. Gambar 3-5 menunjukkan rata-rata harian simpangan posisi sebelum dan sesudah koreksi ionosfer menggunakan model Klobuchar, dan model GIM.

Gambar 3-6 lebih khusus lagi menunjukkan variasi jaman simpangan mutlak rata-rata pada tanggal 30 Oktober 2003 pada saat terjadi simpangan terbesar seperti dapat dilihat pada Gambar 3-1 sampai 3-5.

Gambar 3-1. Simpangan posisi stasiun BAKO yang diestimasi dengan data kode pada frekuensi L1 dalam arah X (atas), dan arah Y (bawah).

Aplikasi model ionosfer pada penentuan posisi dengan data GPS pada L1 stasiun BAKO tanggal 23-31 Oktober 2003, dan data orbit presisi dapat meningkatkan akurasi posisi sekitar 5-70 % dengan koreksi ionosfer model Klobuchar sebagaimana dilihat pada Gambar 3-3. Dari Peningkatan akurasi tersebut bervariasi cukup besar dari hari ke hari yang disebabkan oleh variasi akurasi model ionosfer yang digunakan dari hari ke hari yang disebabkan oleh gangguan ionosfer yang bersumber dari aktivitas matahari.

23 24 25 26 27 28 29 30 31

0 2 4 6 8 10

tanggal

MAD

(me

te

r)

Mean Absolute Deviation, X, BAKO, Oktober 2003

Tanpa koreksi ionosfer Koreksi ionosfer Klobuchar Koreksi ionosfer GIM

23 24 25 26 27 28 29 30 31

0 5 10 15

tanggal

M

A

D

(

m

e

te

r)

Mean Absolute Deviation, Y, BAKO, Oktober 2003

23 24 25 26 27 28 29 30 31

0 2 4 6 8 10

tanggal

M

A

D

(

m

e

te

r)

Mean Absolute Deviation, Z, BAKO, Oktober 2003

Gambar 3-2. Mean Absolute Deviation (MAD) posisi BAKO arah X (atas) arah Y (tengah) dan arah Z (bawah).

Pada tanggal 28 dan 29 Oktober telah terjadi badai matahari CME yang mengarah ke bumi dan menimbulkan badai geomagnet yang diikuti badai ionosfer. Saat badai ionosfer terjadi, aplikasi model Klobuchar tidak dapat meningkatkan akurasi posisi disebabkan oleh karena kesalahan model Klobuchar yang semakin besar pada saat tersebut sehingga penerapan model Klobuchar pada 30 Oktober justru menurunkan akurasi posisi. Ini bisa terjadi jika terjadi badai ionosfer negatif sangar besar sehingga Model Klobucar memprediksi bias ionosfer lebih besar dari bias ionosfer yan sebenarnya.

(4)

23 24 25 26 27 28 29 30 31

Arah X, BAKO, Oktober 2003, Klobuchar

23 24 25 26 27 28 29 30 31

Arah Y, BAKO, Oktober 2003, Klobuchar

23 24 25 26 27 28 29 30 31

Arah Z, BAKO, Oktober 2003, Klobuchar

Gambar 3-3. Peningkatan akurasi posisi setelah koreksi ionosfer model Klobuchar diterapkan, arah X (atas), arah Y (tengah) dan arah Z (bawah)

Peningkatan terbesar aplikasi model GIM pada arah Y mulai 59 sampai 88 %, karena stasiun BAKO dalam arah Y mendekati vertikal dengan sudut zenith sekitar 15 derajat. Peningkatan akurasi posisi dengan GIM bervariasi dan paling kecil saat terjadi badai geomagnet yang hanya dapat mencapai 59 % lebih akurat dibandingkan posisi tanpa koreksi model GIM. Dari Gambar 3-5 diketahui adanya peningkatan yang nyata setelah penerapan model GIM dalam penentuan posisi BAKO dengan hanya menggunakan data kode pada frekuensi L1. Di mana akurasi posisi GPS BAKO yang terletak di daerah lintang rendah, besarnya dalam orde sekitar 1 meter dan yang terbesar

simpangannya adalah pada arah Y walupun

peningkatan akurasi posisi dibandingkan tanpa koreksi ionosfer adalah terbesar yaitu dari sekitar 8.8 meter

Arah X, BAKO, Oktober 2003, GIM

23 24 25 26 27 28 29 30 31

Arah Y, BAKO, Oktober 2003, GIM

23 24 25 26 27 28 29 30 31

Arah Z, BAKO, Oktober 2003, GIM

Gambar 3-4. Peningkatan akurasi posisi BAKO setalah model TEC GIM diterapkan

(5)

1 2 3 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3

1: tanpa model ionosfer 2: model Klobuchar 3: Model GIM

Si

mp

a

n

g

a

n

(m)

X, 23-31 Oktober 2003

1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Si

mp

a

n

g

a

n

(m)

Y, 23-31 Oktober 2003

1 2 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

R

a

ta

-ra

ta

si

mp

a

n

g

a

n

(m)

Arah Z, 23-31 Oktober 2003

Gambar 3-5. Rata-rata simpangan mutlak selama pengamatan posisi BAKO 23-31 Oktober 2003, 1= tanpa koreksi ionosfer, 2=dengan koreksi model Klobuchar dan 3= dengan koreksi model GIM.

29 29.25 29.5 29.75 30 30.25 30.5 30.75 31 0

5 10 15 20 25

Simpangan posisi BAKO arah Y

ra

ta

-ra

ta

si

mp

a

n

g

a

n

(m)

Tanggal (Oktober 2003)

Gambar 3-6. Rata-rata jaman simpangan mutlak satsiun BAKO setelah penerapan model GIM pada 30 Oktober 2003.

4.KESIMPULAN DAN REKOMENDASI

Telah dilakukan penerapan model ionosfer pada penentuan posisi presisi di daerah lintang rendah. Antara dua model ionosfer yang digunakan diketahui bahwa peningkatan akurasi posisi GPS dapat dicapai sampai 88 persen menggunakan model GIM. Selama

pengamatan 23 – 31 Oktober model GIM dapat

meningkatkan akurasi sampai 58 - 88 % sedangkan model Klobuchar antara 5 - 70 %. Walaupun demikian pada hari terjadinya badai ionosfer tanggal 30 Oktober 2003 aplikasi model GIM hanya dapat dapat mereduksi kesalahan ionosfer sampai 59 %. Rata-rata akurasi PPP dengan data kode GPS frekuensi tunggal antara 1 - 2 meter.

Walaupun pada saat terjadi gangguan ionosfer yang ekstrim tetapi dengan mengambil rata-rata simpangan posisi dengan PPP menunjukkan akurasi tetap sekitar satu sampai dua meter. Oleh karena itu pengukuran dengan GPS frekuensi tunggal hendaknya dilakukan minimal dalam satu hari untuk mereduksi pengaruh gangguan ionosfer saat aktifitas matahari sedang tinggi.

Penentuan posisi presisi dengan GPS frekuensi tunggal menggunakan data kode dan menerapkan model GIM cocok untuk navigasi laut dan darat dan keperluan lain yang hanya membutuhkan akurasi sekitar 1-2 meter pada saat aktivitas matahari tinggi.

5. DAFTAR REFERENSI

Abdel-salam M. , Precise Point Positioning Using

Un-Differenced Code and Carrier Phase

Observations, PhD thesis, The University of Calgary, Canada, 2005.

Buldan M., Pengaruh ionosfer pada akurasi penentuan posisi GPS single frequency pada saat terjadi badai matahari, Jurnal Sains Dirgantara, Vol. 9 No. 1, Desember 2011. Choy, 2009, ACCURACY OF SINGLE FREQUENCY

PRECISE POINT POSITIONING (PPP ) , PhD

Thesis, MRIT University, 2009.