8
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 Konsep Dasar Satelit Altimetri
Satelit altimetri adalah wahana untuk mengukur ketinggian suatu titik terhadap referensi tertentu. Satelit altimetri terdiri atas tiga komponen utama yaitu radar altimeter, radiometer, dan sistem positioning. Radar altimeter berfungsi untuk mengukur jarak dari satelit ke permukaan target dengan menafaatkan informasi waktu tempuh. Radiometer berfungsi untuk mengukur kondisi atmosfer, sedangkan positioning system berfungsi untuk menentukan posisi satelit yang presisi pada bidang orbitnya. Dengan menggunakan kombinasi data ini, satelit altimetri mampu menghasilkan dengan ketelitian hingga beberapa centimeter (Marsh, et al., 1992). Satelit altimetri menggunakan radar dengan frekuensi dual-band untuk mengukur jarak dari satelit ke altimetri yang dikombinasikan dengan teknologi GPS untuk mengukur posisi teliti terhadap bidang referensinya. Frekuensi dual-band yang panjang gelombangnya berbeda ini dimaksudkan untuk mengeliminasi efek ionospheric delay (http://www.aviso.oceanobs.com).
2.2 Sejarah Satelit Altimetri
Sejarah satelit altimetri dimulai ketika pada Kongres Geophysics Williamstown tahun 1969 dimana pada saat itu dibahas rencana pembuatan instrumen radar untuk keperluan space oceanography. Selanjutnya, Amerika Serikat meluncurkan Skylab (1973) dan Geos3 (1975) sebagai satelit dengan fungsi sebagai altimeter untuk menentukan topografi permukaan laut. Kemudian pada 1978 diluncurkan Seasat sebagai satelit pertama yang datanya sudah dapat digunakan. Selain Amerika Serikat dengan NASA-nya, CNES yang merupakan Badan Antariksa Eropa juga meluncurkan satelit altimeter pada tahun 1981 dengan misi Poseidon. Di saat yang sama NASA mengembangkan Seasat dengan misi Topex (Topography Experiment). Pada tahun 1987, untuk alasan efektifitas dan penghematan biaya, CNES dan NASA
9 melakukan kerjasama sehingga Topex dan Poseidon digabungkan dalam satu misi menjadi Topex/Poseidon.
Pengukuran Topex/Poseidon per sepuluh hari menghasilkan data pengamatan skala global yang lebih baik dari pengamatan in-situ sejak ratusan tahun yang lalu. Sejak itu, diluncurkan beberapa satelit hasil kombinasi CNES dan NASA seperti ERS (1998), GFO (1998), Jason-1 (2001) dan Envisat (2002), dan yang terakhir Jason-2 (2008).
Satelit Jason-2 merupakan pengembangan dari satelit Jason-1 dengan menggunakan track satelit Jason-1. Sedangkan Jason-1 sendiri menggunakan interleaved track Topex/Poseidon.
2.2.1 Manfaat Satelit Altimetri
Satelit altimetri dengan berbagai jenisnya telah berkontribusi cukup banyak untuk informasi laut seperti penentuan tinggi muka laut global dan penentuan geoid. Namun selain itu masih banyak pemanfaatan satelit altimetri lainnya. Berikut adalah beberapa pemanfaatan satelit altimetri (Rosmorduc, et al., 2011).
a. Mean sea surface mapping, b. Pembentukan model geoid,
c. Studi pergerakan lempeng tektonik, d. Studi tsunami,
e. Estimasi bathimetri, f. Studi ice sheet dan sea ice, g. Fisheries.
2.2.2 Metode Pengukuran Satelit Altimetri
Konsep dasar dari pengukuran satelit altimetri sebenarnya cukup sederhana. Satelit mengirimkan pulsa microwave dengan frekuensi tertentu ke permukaan laut, lalu sinyalnya kembali ke satelit dengan waktu tempuh yang dihitung dengan akurat di wahana oleh OSU (onboard ultra-stable oscillator) dengan persamaan 2.1 berikut ini (Chelton,et al., 2011) :
10
𝑅 = 𝑐𝛥𝑡2 (2.1)
Dengan c adalah kecepatan cahaya dan Δt adalah selisih waktu tempuh sinyal dari satelit kembali ke satelit.
Gambar 2.1 Perjalanan Pulsa Satelit Altimetri dan Koreksi yang Harus Diaplikasikan (Chelton, et.al.,2001)
Pada Gambar 2.1 seharusnya R (range) dapat ditentukan secara sederhana, apabila atmosfer dalam keadaan vacuum dan distribusi gelombang laut juga homogen. Namun karena banyaknya hambatan dari satelit ke permukaan laut, maka nilai R dari satelit ke permukaan laut harus dikoreksi.
Koreksi yang harus digunakan adalah koreksi jarak dan koreksi geofisis. Yang termasuk koreksi jarak adalah koreksi yang berhubungan dengan kecepatan radar dan proses scattering-nya seperti koreksi atmosfer dan sea state bias. Sedangkan koreksi geofisis berhubungan dengan fenomena geofisis seperti pasut dan tekanan atomsfer.
11 2.2.3 Terminologi dalam Satelit Altimetri
Satelit yang digunakan dalam penelitian ini adalah Jason-2 yang beroperasi mulai tahun 2008 dan merupakan misi kerjasama antara Eropa dan Amerika Serikat. Setiap satelit memiliki spesifikasi tersendiri. Satelit Jason-2 sendiri memancarkan dual-frequency yaitu Ku-Band dan C-Band (Altimetry Principle, 2012).
Satelit Jason-2 melewati satu tempat yang sama di permukaan bumi dalam satu periode yang disebut cycle. Satu cycle satelit Jason-2 adalah 10 hari, atau ± 9.91 hari, yang melewati 254 pass. Pass adalah perjalanan satelit dari kutub ke kutub. Yang disebut dengan 1 pass adalah perjalanan satelit dari kutub utara ke kutub selatan untuk pass bernomor genap (descending pass), atau kutub selatan ke utara untuk pass bernomor ganjil (ascending pass).
2.3 Perjalanan Sinyal Satelit Altimetri
Pulsa yang ditransmit oleh satelit tersebar dalam bentuk sferis ke permukaan laut, Pada saat T0<T<T1 pulsa ditransmisikan oleh satelit menuju ke permukaan bumi. T1
adalah waktu ketika pulsa pertama kali menyentuh satu titik, yang kemudian disebut titik nadir, di permukaan bumi. Saat itu pula permukaan bumi mulai memantulkan pulsa kembali ke satelit. Titik nadir ini kemudian membesar membentuk area berbentuk lingkaran dalam interval waktu T1<T<T2. T2 adalah waktu maksimum
pulsa membentuk lingkaran atau dinamakan PLF (Pulse Limited Footprint). Sejak itu pula pulsa membentuk anullar ring yang menandakan bahwa pulsa yang dipancarkan telah maksimum. Gambar 2.2 menunjukkan proses pembentukan waveform.
12 Gambar 2.2 Proses pembentukan waveform (Chelton, 1989)
Banyak informasi yang bisa didapat dan diolah dari perjalanan pulsa microwave ini, diantaranya adalah dari besaran (power) dan bentuk gelombang pantulan (waveform) terkandung karakteristik dari permukaan target. Dari waveform ini juga dapat dihitung tinggi gelombang dan kecepatan angin di lautan, selain itu surface roughness juga dapat ditentukan dari waveform.
Pulsa microwave yang dipancarkan dan dipantulkan kembali oleh permukaan target diterima oleh satelit dengan besaran power yang berbeda-beda sebagai fungsi terhadap waktu (Chelton,et al.,2001). Dari data waveform dapat ditentukan jarak terhadap permukaan target. Selain itu data waveform juga dapat mengindikasikan adanya reflektifitas (dari besarnya power) dan large-scale roughness dari permukaan yang memantulkan sinyal dari slope leading edge (Deng, 2003).
Sinyal dari satelit dipancarkan dengan interval yang teratur oleh PRF (Pulse Repetition Frequency). Sinyal yang terpantul kemudian direkam oleh satelit dalam sabuah tracking window yang terdiri dari 104 gates pada Jason-2.
13 Gambar 2.3 Komponen sebuah Waveform (Rosmorduc, et al., 2011)
Gambar 2.3 menunjukkan komponen sebuah waveform. Menurut (Brown, 1977), terdapat tiga bagian penting dalam sebuah waveform :
1. Thermal Noise (Po), yang merepresentasikan besarnya power sebelum pulsa menyentuh permukaan laut
2. Leading edge, merepresentasikan besarnya power pantulan dalam area PLF. Leading edge ini menyimpan informasi mengenai SWH (Significant wave height) dan range antara satelit dengan permukaan bumi.
3. Trailing edge, merepresentasikan besarnya power pantulan di luar area PLF.
Pada satelit terdapat sebuah alat yaitu on-board tracker yang fungsinya meng-adjust range window agar posisi leading edge waveform berada di pusat range window. Posisi ini dinamakan ‘tracking gate’ atau ‘tracking point’. Posisi tracking gate selalu tepat di tengah leading edge apabila altimeter tracker bekerja dengan baik. Idealnya, posisi tracking gate pada satelit altimetri Jason-2 selalu berada di gate ke-30 dan angka tersebut sudah ditentukan sejak satelit diluncurkan.
Dari data tracking gate bisa didapat range, kemudian didapat SSH (sea surface height). SSH adalah perbedaan jarak antara posisi satelit terhadap ellipsoid dan range (jarak satelit ke permukaan laut) yang telah dikoreksi. Waktu perjalanan pulsa adalah mid-point dari leading edge sehingga dapat dikatakan bahwa bagian paling penting dalam waveform adalah leading edge karena mid-point dari leading edge adalah
14 waktu tempuh sinyal dari satelit ke permukaan laut yang berhubungan dengan jarak sesuai dengan persamaan 2.1. Mid-point dari leading edge ini selanjutnya akan disebut TLEP (Time of Leading Edge Position).
2.4 Permasalahan Satelit Altimetri di Wilayah Pesisir
Permukaan laut lepas adalah permukaan target yang bentuk gelombang pantulannya (waveform) paling baik karena permukaan laut lepas memiliki karakteristik yang relatif homogen. Sedangkan pada permukaan laut pesisir, hasil gelombang pantulannya mengandung banyak noise dan sulit diinterpretasikan karena adanya pengaruh permukaan laut yang terkontaminasi daratan.
Kenyataatan yang terjadi adalah bentuk pantulan pulsa biasanya tidak sesuai model teoritis yaitu mengikuti pola Brown, terutama ketika satelit memancarkan pulsa ke daratan, pulsa pantulannya terhambat oleh pengaruh refleksi karena adanya air, vegetasi, dan topografi yang tidak beraturan, sehingga waveform yang terpengaruh daratan tidak memiliki bentuk ideal seperti Brown-Like model namun akan lebih kompleks, multi-peaked, dan dapat mempengaruhi penentuan jarak altimetri yang presisi.
Pada kasus ketika satelit altimetri melewati area transisi dari darat ke laut atau sebaliknya, sebagian footprint satelit dapat merekam area laut dan sebagian lainnya merekam area darat. Dapat dikatakan bahwa hal-hal yang berkontribusi terhadap bentuk waveform pesisir adalah geometri dari garis pantai, relief, keadaan garis pantai, dan berbagai macam karakteristik pesisir yang bisa sangat berbeda di berbagai belahan dunia (Deng, 2011). Identifikasi perbedaan karakteristik waveform antara satu daerah pesisir dengan daerah pesisir lain dapat memudahkan proses selanjutnya yaitu algoritma retracking.
Retracking adalah sebuah waveform post-processing untuk menentukan jarak yang sebenarnya. Retracking terdiri atas pengklasifikasian waveform berdasarkan bentuk dan peak-nya, dan pengaplikasian berbagai metode retracking seperti OCOG (Offset of Centre of Gravity), Threshold Retracking, dan lain sebagainya.
15 2.5 Metode 50% Threshold Retracking
Banyak metode yang dapat digunakan untuk melakukan retracking waveform. Penentuan nilai TLEP adalah salah satu usaha retracking yang nantinya dapat memperbaiki nilai jarak dari satelit ke permukaan laut. Untuk menentukan TLEP pada Tugas Akhir ini, digunakan salah satu metode retracking yaitu Threshold, yaitu salah satu metode retracking waveform yang cukup sederhana dan merupakan pengembangan dari OCOG (Offset Centre of Gravity) yang dikembangkan oleh Wingham et.al. (1986). Threshold sendiri dikembangkan oleh Davis (1995, 1997). Prinsip dari Threshold retracker adalah menentukan sebuah batas (threshold), dimana apabila kekuatan dari waveform sudah pada batas ini, maka posisi waveform tersebut dinyatakan sebagai pertengahan posisi leading edge (Khusuma, 2012).
