BAB III
PERANCANGAN SISTEM
3.1. Konfigurasi Dasar GPS Tailbuoy Tracking System
Konfigurasi dasar dari GPS Tailbuoy Tracking system terbagi menjadi dua bagian yaitu: konfigurasi di kapal dan konfigurasi di laut. Untuk konfigurasi sistem di kapal terdiri dari dua buah stasiun induk VCU yang beroperasi pada frekuensi yang berbeda. Lalu setiap stasiun induknya dihubungkan pada sebuah low loss RF kabel dan antena omnidirectional.
Gb.3.1. Konfigurasi Sistem
masing stasiun induk melayani 6 buah seatrack. Seperti yang disebutkan di bab sebelumnya bahwa dalam suatu survey seismik, sebuah kapal bisa menggunakan sampai 12 buah Seatrack 220. Beban jumlah Seatrack yang ditanggung oleh sebuah stasiun induk dibagi rata dengan stasiun induk lainnya.
3.1.1. Stasiun Induk VCU 200
Stasiun induk VCU 200 mempunyai kemampuan untuk berkomunikasi dengan beberapa buah Seatrack dan mengunakan jenis komunikasi half-duplex. Stasiun induk VCU 200 dengan menggunakan sebuah prosessor Motorola MC 68332 , power supply, dan UHF transceiver. Inilah data teknis dari VCU 200.
Data fisik
Lebar:…...482 mm (19-inch rack) Tinggi:...44.5 mm (1 U) Panjang : ... 350 mm Berat :... 3 kg Warna :... Hitam : Input voltage: ...100-240 V AC Data catu daya
Temperatur kerja:... 0ºC to +55ºC Data lingkungan
Tipe:...Wood & Douglas RSX 450U Modem: ...9600 GMSK Frekuensi (programmable):...450 - 470 MHz Channel separation:...25 kHz Transmission power: ...0.5 W Jarak :...Max. 15 km (line of sight) Data radio
Gb.3.2. Gambar depan VCU 200 RS232 port 1 RS232 port 3 Clock IN UHF Power Plug
Gb.3.3. Gambar belakang VCU 200
Gb.3.4. Gambar komponen dalam VCU 200.
Stasiun induk VCU 200 meng-collect data secara bergantian dengan time slot yang telah ditentukan. Update rate-nya adalah 0.5 Hz atau 2 detik. Karena dalam TDMA diperlukan clock yang sangat presisi maka sebuah unit VCU akan dihubungkan dengan Truetime recevier ( Sebuah GPS receiver yang bisa menyediakan GPS clock dengan tingkat keakuratan yang tinggi ) yang menyediakan sinyal 1 pulse per second ( 1 pps ). Dalam 1 siklus ( 2 detik ) sebuah VCU bisa
gbr.3.5. 24 slot TDMA.
Setiap unit seatrack membutuhkan 2 slot waktu untuk dapat mengirimkan data GPS-nya dalam satu siklus. Bila salah satu seatrack telah ditentukan untuk menggunakan slot 0 maka unit tersebut juga akan membutuhkan slot 1 , sehingga barulah slot 2 yang bisa digunakan oleh unit lainnya. Jadi dalam 1 siklus bisa menyediakan slot-slot waktu untuk maksimum 12 unit Seatrack.
3.1.2. Seatrack 220
Seatrack 220 unit berfungsi sebagai penerima sinyal GPS dan juga sebagai transmitter data GPS yang diterimanya ke stasiun induk untuk disimpan dalam bagian dari data seismik. Unit ini didesain untuk penggunaan di luar ruangan dan telah diuji di berbagai kondisi lingkungan. Unit ini juga anti air dan tahan goncangan. Seatrack 220 sistem operasi dikendalikan oleh sebuah mikroprosesor Motorola MC 68332. Data Fisik Berat :... 5 kg Diameter:... 150 mm Overall diameter:... 190 mm Panjang: ... 800 mm Warna:...Putih :
Data catu daya
Input voltage: ...9-36 V DC Power consumption (not transmitting):...6 W Power consumption (transmitting):...13 W
.
Operating temperature range:...-10ºC to +55ºC Data lingkungan
Tipe:...Wood & Douglas RSX 450U Modem: ...9600 GMSK Frekuensi (programmable):...450 - 470 MHz Channel separation:...25 kHz Transmission power: ...0.5 W Jarak :... Max. 15 km (line of sight)
Antena:………..…….Procom FLX 70/h-N
Data Radio
Tipe:...Thales DG14, 12 channels Data penerima GPS
Frekuensi (reception only): 1575.42 MHz ±10 MHz Position accuracy: ... 3 m (2D, 95%) Update rate: ………...0.5 Hz Antena:…..…..………...Trimble Hardmount
gbr.3.6. gambar depan Seatrack 220
Gbr.3.7. Gambar bagian dalam Seatrack 220
3.2. Propagasi Sinyal Radio Pada GPS Tailbuoy Tracking System
Perambatan gelombang radio pada GPS tailbuoy tracking system terjadi antara Seatrack 220 sebagai unit yang berada di luar kapal dan stasiun induk yang berada di kapal. Jarak diantara unit tersebut berjarak 300-600m untuk unit di depan streamer dan 3-6km untuk seatrack 220 yang berada di ujung streamer.
3.2.1. Ragam Rambatan
Mula-mula tinjaulah suatu daya rata-rata PT
(3.1)
, yang dimisalkan terpancar sama ke semua arah (isotropis). Ini akan menyebar dalam bentuk bola ketika daya bergerak menjauhi sumbernya, sehingga pada jarak d , kerapatan daya pada gelombang, akan menjadi: 2 4 d P P T Di = π W/m 2
Ini diperoleh karena 4πd2 adalah luas permukaan bola yang berjari-jari d , dan berpusat pada sumber. PDi berarti kerapatan daya isotropik.
Telah diketahui bahwa semua antenna yang praktis mempunyai karakteristik arah (directional characteristic); yang berarti bahwa antenna memancarkan lebih banyak daya ke beberapa arah, dengan mengurangi pancaran ke arah-arah yang lain. Perolehan directivity gain adalah perbandingan dari kerapatan daya yang sesungguhnya pada arah sumbu utama dari radiasi antenna, dan yang akan ditimbulkan oleh sebuah antenna isotropis pada jarak yang sama, dan yang diumpan dengan daya masukan yang sama. Misalkan bahwa GT
(3.2)
Sebuah antenna penerima dapat ditempatkan sedemikian sehingga akan menangkap daya yang maksimum dari gelombang . bila ditempatkan demikian , misalkan P
adalah gain directivity maksimum dari antenna pemancar; maka kerapatan daya di sepanjang arah dengan radiasi maksimum adalah:
R adalah daya yang diberikan oleh antenna ke beban (penerima) dalam
keadaan sesuai ( matched) maka antenna dapat dianggap sebagai mempunyai suatu luas efektif ( Aeff
(3.3)
Dapat ditunjukan bahwa untuk setiap antenna, perbandingan dari gain directivity maksimum dan luas effektif adalah
) dimana: (3.4) PD = PDi.GT = 2 4 . d G PT T π PR = PD . Aeff = 2 4 . d G PT T π Aeff π λ 4 = G Aeff
Di sini, λ adalah panjang gelombang dari gelombang yang dipancarkan. Dengan memisalkan bahwa GR
(3.5) Ini adalah persamaan dasar untuk transmisi ruang bebas. Biasanya ini dinyatakan dalam frekuensi f , dalam MHz, dan jarak d dalam kilometer. Seperti yang kita ketahui hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah λf = c dimana c adalah kecepatan gelombang di ruang bebas ( 3.10
adalah gain directivity maksimum dari antenna penerima, maka dari persamaan (3.3) dan ( 3.4),
8
(3.6) Dengan menyatakan perbandingan daya dalam decibel, persamaan (3.6) dapat ditulis sebagai:
m/s ). Dan hasil yang diperoleh adalah:
(3.7) Suku ketiga dalam kurung di sebelah kanan dari persamaan (3.7) adalah rugi (loss) dalam decibel, yang disebabkan oleh penyebaran (spreading) gelombang ketika merambat ke luar dari sumber. Ini dikenal sebagai rugi jalur transmisi , L . Jadi:
(3.8) Persamaan diatas (3.8) bisa juga dikatakan sebagai berikut:
(3.9) ( PR / PT) dB = (GT ) dB + (GR) dB – ( 32,5 + 20 log d + 20 log f ) L = ( 32,5 + 20 log d + 20 log f ) ( PR / PT) dB = (GT ) dB + (GR) dB – L 2 2 4 . = d G G P P R T T R π λ
( )
2 3 10 . 57 , 0 . df G G P P R T T R − =3.2.2. Horison Radio
Selain rumus perhitungan propagasi gelombang radio, perlu diperhitungkan juga faktor-faktor lain seperti jarak maksimal yang bisa dicapai dengan keadaan Line of Sight (LOS) . Kondisi di laut merupakan salah satu kondisi yang ideal untuk transmisi radio, dimana tidak adanya halangan atau obstruction antara stasiun induk dan seatrack 220. Sebuah kapal seismik akan menjaga selalu agar tidak ada satupun kapal lain melewati di antara kapal seismik dan tailbuoy di belakangnya.
Untuk tinggi antenna sebuah Seatrack 220 yang terpasang pada tailbuoy adalah 1,2 m sedangkan tinggi antena stasiun induk yang terpasang pada menara kapal adalah 25 m. Dengan keadaan lurus tanpa halangan dan faktor kelengkungan bumi adalah k = 4/3 . Maka jarak d akan dituliskan sebagai berikut
(3.10) Dimana d adalah jarak dalam kilometer dan h adalah tinggi antena dalam satuan meter.
3.2.3. Antena Omnidirectional
Antena pemancar gelombang radio ini memancar ke segala arah. Antena ini digunakan di sisi stasiun induk dan di sisi seatrack 220 yang mobil ( bergerak ). Antena ini dikenal juga sebagai antena Marconi, yang dibuat dari sebatang tiang atau batang tegak, yang merupakan penghatar utama yang beradiasi. Batang ini mungkin berdiri bebas, atau ditopang oleh kawat-kawat penyangga yang diisolasi, dan ditempatkan pada suatu lokasi dimana terdapat tanah dengan sifat listrik yang baik. Dikarenakan antena ini bisa mengalirkan arus listrik berdaya tinggi maka radiator antena ini biasanya dilapisi dengan isolator-isolator yang berkualitas tinggi fiberglass atau teflon.
Antena tegak yang ditanahkan bersama-sama dengan bayangannya berkerja dengan cara yang persis sama seperti sebuah antena dipole, dengan radiator yang terletak tegak pada permukaan tanah. Pola radiasi di bidang mendatar adalah berbentuk lingkaran.Sedangkan pada bidang vertikal, pola radiasi akan ditentukan
d = 2,9 2.h
panjangnya λ akan mempunyai 4 buah lobe, dengan 2 buah nyata lobe dengan sudut 45˚ dan 2 buah imajiner lobe.
Le=λ/2
Le= λ
Le=λ/2 Le=λ
Gb.3.8. Pola radiasi vertikal antena
Di sisi stasiun induk menggunakan antena whip yang mempunyai data-data teknis sebagai berikut: • Penguatan 7 dBi • Impendansi 50 Ω • Panjang 1870 mm • Rentang frekuensi 440-470 MHz • Manufaktur Kathrein-werke KG.
Gb.3.9. pola vertikal Kathrein antena
Di sisi seatrack 220 sebagai unit bergerak mempunyai antena whip yang jauh lebih kecil. Inilah data-data teknis antena di sisi seatrack 220:
• Penguatan 0 dBi
• Impendansi 50 Ω • Panjang 319 mm
3.3. Modulasi Sinyal Digital Gaussian Minimum Shift Keying
(GMSK)
Pada Seatrack 220 ( unit bergerak ) akan diterima data GPS melalui penerima GPS. Data GPS tersebut sudah merupakan informasi digital dan akan diteruskan ke modul radio Seatrack 220 untuk dimodulasikan sebelum dikirimkan ke stasiun induk. Teknik modulasi yang digunakan oleh modul radio sistem ini adalah Gaussian Minimum Shift Keying ( GMSK ). Teknik ini juga lazim digunakan pada teknologi GSM, yang memerlukan ketahanan terhadap noise dan mempunyai bandwidth yang cukup besar.
Teknik modulasi ini mempunyai tujuan yang sama dengan teknik yang telah kita kenal sebelumnya seperti Frequency Shift Keying ( FSK), Amplitude Shift Keying (ASK) , Phase Shift Keying (PSK), ataupun Quardrature Phase Shift Keying (QPSK). Modulasi-modulasi tersebut bertujuan untuk membawakan sinyal informasi digital ke sebuah sinyal carrier (pembawa) yang berfrekuensi lebih tinggi agar dapat ditransmiskan secara efisien dan cepat.
Dibawah ini merupakan blok diagram dari teknik modulasi GMSK yang melewati beberapa proses sebelum sinyal ditransmisikan.
1. Proses Pertama : Sinyal informasi digital harus melewati Gaussian Low Pass Filter(LPF) sebelum diumpankan ke GMSK baseband signal Processor. Gaussian LPF mempunyai persamaan sebagai berikut:
(3.11) Dimana Q(t) adalah (3.12) Bb = Bandwidth LPF T = periode bit
Gb.3.11. Sinyal input digital a(t) gb.3.12. Sinyal output LPF g(t) 2. Proses Kedua : Sinyal output dari gaussian LPF kemudian diumpankan ke
baseband signal processor, dimana sinyal g(t) intergralkan menjadi fungsi c(t) dan kemudian dibagi menjadi dua fungsi yaitu Q(t) yang merupakan fungsi sinus dari c(t) dan I(t) yang merupakan fungsi cosinus dari c(t).
Gb.3.13. Sinyal fungsi g(t) Gb.3.14. Sinyal fungsi c(t) = ∫ g(t) dt
C(t)=∫ g(t) dt
Lalu sinyal fungsi dari c(t) dibagi menjadi dua fungsi Q(t) dan I(t).
Gb.3.15. Sinyal fungsi I(t)=cos[c(t)] Gb.3.16. Sinyal fungsi Q(t) = sin[c(t)] 3. Proses Ketiga: Kedua sinyal dari fungsi I(t) dan Q(t) diumpankan ke oscillator
I/Q modulator dan keluaran dari modulator tersebut diteruskan ke RF amplifier untuk dipancarkan ke stasiun induk. Fungsi akhir dari modulasi GMSK akan menjadi:
(3.13)
Dan bentuk sinyal GMSK yang ditransmisikan adalah sebagai berikut:
Sistem Kerja GPS Tailbuoy Tracking System
Sistem ini beroperasi secara terus-menerus berkerja dengan metode stasiun induk mem-polling data yang dipancarkan oleh beberapa unit bergerak Seatrack 220.Dengan siklus waktu polling 2 detik sebuah stasiun induk mengambil data yang dikirimkan oleh unit bergerak secara bergantian sesuai slot waktu yang telah ditentukan. Siklus waktu polling ini secara terus-menerus terulang, meskipun data yang dikirimkan oleh stasiun induk ke online komputer mempunyai siklus waktu yang lebih besar ( 6-9 detik tergantung dari waktu tembak seismik).
Bagan Kerja Unit Bergerak Seatrack 220
Cara kerja unit bergerak tidaklah terlalu rumit. Unit ini terdiri 4 bagian penting serta 2 jenis antena. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat dari gambar diagram dibawah ini.
Gb.3.18. Diagram proses pada unit bergerak Seatrack 220
Dari diagram dijelaskan bahwa sinyal GPS yang diterima oleh antena GPS, lalu sinyal tersebut diolah oleh penerima GPS untuk menghasilkan pseudo-range GPS
yang merupakan data posisi dari unit bergerak seatrack 220 tersebut. Data tersebut kemudian diteruskan ke perangkat mikrokontroller untuk diproses supaya semua informasi dipaketkan menurut bandwidth dan slot waktu yang tersedia dalam metode TDMA. Setiap paket data harus diberi informasi tambahan seperti unit ID dari seatrack 220 serta slot ID dari slot waktu TDMA. Informasi tambahan ini akan berguna untuk mengidentifikasi data ketika data tersebut diterima oleh stasiun induk.
Setelah data tersebut diolah oleh mikrokontroller, data tersebut siap untuk diteruskan ke modul UHF radio untuk dimodulasikan dengan menggunakan teknik GMSK. Di dalam modul radio juga terjadi penguatan sinyal dan akan ditransmisikan dengan gelombang radio ke stasiun induk.
Bagan Kerja Stasiun Induk VCU 200
Cara kerja Stasiun induk berbeda dengan unit bergerak, dimana stasiun induk selalu menerima data yang dikirimkan oleh unit bergerak seatrack 220. Data-data yang diterima berdasarkan slot waktu yang telah ditentukan. Teknologi TDMA memerlukan penyedia waktu yang sangat presisi. Sebuah unit Truetime Receiver (sebuah GPS receiver yang bisa menyediakan GPS clock dengan tingkat keakuratan yang tinggi ) yang menyediakan sinyal 1 pulse per second ( 1 pps ). Dengan waktu yang presisi, stasiun induk mem-polling data dengan siklus polling selama 2 detik. Blok diagram cara kerja stasiun induk bisa dilihat pada gambar dibawah ini:
Sinyal yang dikirimkan oleh multiple unit bergerak seatrack diterima oleh UHF antena , lalu melalui kabel low loss RF sampai pada stasiun induk. Lalu UHF modul radio me-demodulasikan sinyal , sehingga dapat dipisahkan antara sinyal pembawa (carrier) dan sinyal informasi. Lalu sinyal informasi diteruskan ke mikrokontroller untuk diproses. Sinyal 1 PPS ( pulse per detik ) juga diumpankan ke mikrokontroller agar bersama-sama sinyal informasi bisa dilakukan pemisahan data berdasarkan slot waktu dan unit bergerak ID.
Selanjutnya informasi ini diteruskan ke keluaran stasiun induk ini dan dihubungkan ke online komputer dengan koneksi serial berkecepatan 19200 bps . Dimana pada online komputer berjalannya piranti lunak Trinav GPS yang berfungsi menyimpan posisi data dari semua unit bergerak yang terhubung dan juga melakukan kalkulasi semua psuedo-range yang diterima dan menambahkan faktor koreksi dari satelit pengamatan. Trinav GPS merupakan piranti lunak Differential GPS (DGPS) yang memproses semua data GPS serta masukan koreksi dari satelit pengamatan, sehingga keluaran dari piranti lunak bisa menghasilkan kualitas posisi dengan tingkat kepresisian 1-3 meter.
