Hasan Mayditia, Gunawan S. Prabowo
Mechatronics Division, Indonesian Space and Aeronautics Institute, LAPAN Email: [email protected]
ABSTRACT
Bias instability (drift or offset) is one of the m e a s u r e m e n t deviations (error) which must be found in t h e inertial sensors s u c h as rate-gyro. This error value will be different from one to another, so the direct m e a s u r e m e n t s to e a c h sensor have to be done. The aim of this is to get some u n i t s with the best performance. These bias measurements have been done to all six u n i t s of the sensor u s i n g the earth rotation as reference. Furthermore, four unit sensors have been selected from six to be u s e d in LAPAN-A2 satellite.
Keywords: Bias drift, Earth rotation, Data resolution, Data Acquisition ABSTRAK
Bias instability (drift a t a u offset) m e r u p a k a n salah s a t u jenis deviasi (error)
pengukuran yang pasti d i t e m u k a n di dalam sensor-sensor inersial seperti halnya rate-gyro. Nilai error ini berbeda u n t u k setiap unit sensor, sehingga p e n g u k u r a n nilai bias untuk masing-masing unit h a r u s dilakukan. Ini dilakukan u n t u k memperoleh unit-unit sensor d e n g a n performa yang terbaik. P e n g u k u r a n nilai error bias (drift) telah dilakukan p a d a k e e n a m u n i t sensor gyro (tipe uFORS-4) dengan m e m a n f a a t k a n pergerakan rotasi b u m i sebagai nilai referensi. E m p a t dari e n a m unit sensor gyro telah dipilih u n t u k selanjutnya digunakan d a n diterbangkan p a d a satelit LAPAN-A2.
Kata Kunci : Bias drift, Rotasi bumi, Resolusi data, Akuisisi data
1 PBNDAHULUAN k a r e n a d a t a tersebut a k a n sangat
Bias instability m e r u p a k a n dipengaruhi oleh error random walk.
fluktuasi nilai p e n g u k u r a n kecepatan Random walk dapat didefinisikan sebagai sudut yang terjadi p a d a temperatur mlai standar deviasi d a n output kenaikan konstan ketika sensor gyro dalam s u d u t *<*>*&* f u n8s i d a r i Pe r i o d e keadaan tidak berotasi (a = 0) a t a u p e n g u k u r a n . Sehingga, error bias berotasi dengan kecepatan k o n s t a n (co = m e r u p a k a n sifat t e r a k u m u l a s i dari d a t a konstan) yang diketahui. Bias p a d a p e n g u k u r a n sensor, d a n tidak diketahui pengukuran ini sering j u g a disebut bias Ji k a h a nya dengan d a t a tunggal.
drift a t a u bias offset. U n t u k d aPa t m e n g u k u r nilai bias, Nilai error bias berbeda u n t u k a ^1 3 1 d a t a d a l a m s e l a nS w a k t u ^ 8 setiap unit sensor. Hal ini disebabkan P ^ j a n g h a r u s dilakukan, d a n oleh beberapa faktor, a n t a r a lain: dibandingkan dengan d a t a referensi
yang telah diketahui. Ketika waktu
• error p a d a kalibrasi; akuisisi ditingkatkan, m a k a nilai
. variasi bias t e r h a d a p temperatur; p e n g u k u r a n bias yang lebih baik a k a n • switch-on to switch-on; diperoleh.
• mechanical miss-alignment.
2 DASAR TEORI DAN uFORS-4
P e n e n t u a n error bias tidak dapatdilakukan d e n g a n d a t a yang diambil Gyro uFORS-4 m e r u p a k a n sensor dalam w a k t u singkat (< 1 menit) oleh gyro s a t u s u m b u (Gambar 2-1) dengan
k o n t r u k s i lilitan serat optik sebagai m e d i u m pendeteksi kecepatan s u d u t .
Sensor ini bekerja d e n g a n prinsip efek Sagnac, d i m a n a c a h a y a koheren (laser) dibagi menjadi d u a dengan m e n g g u n a k a n beam splitter sehingga m e r a m b a t berlawanan a r a h p a d a lilitan serat optik. Ketika sensor mengalami gerak rotasi p a d a s u m b u sensitifnya, s e t e n g a h bagian dari cahaya yang terbagi tersebut a k a n m e r a m b a t lebih j a u h dari s e t e n g a h bagian lainnya relatif
t e r h a d a p p e n g a m a t di luar lilitan serat optik. Kedua cahaya tersebut a k a n ditangkap oleh s e b u a h foto-detektor, k e m u d i a n dilakukan p e n g u k u r a n t e r h a d a p pe r be d a a n fasa di a n t a r a k e d u a cahaya koheren tersebut. Beda fasa yang t e r u k u r a k a n sebanding dengan kecepatan rotasi yang dialami oleh sistem lilitan itu.
"tight hand thumb rule'
Input Axis
G a m b a r 2 - 1 : Nilai output kecepatan s u d u t positif p a d a s u m b u rotasi u-FORS-4
Konfigurasi format d a t a d a n resolusi p e n g u k u r a n d a r i gyro u.FORS-4 d a p a t disesuaikan dengan k e b u t u h a n pengguna. A d a p u n konfigurasi nFORS-4 yang d i g u n a k a n dalam LAPAN-A2 adalah s a m a seperti p a d a LAPAN-TUBSAT, a n t a r a lain:
• Mode Angle Increment:
HFORS-4 a k a n memberikan d a t a p e r u b a h a n s u d u t u n t u k setiap d a t a yang diminta
• Interface komunikasi:
Asynchkronous RS422, baud-rate
7 6 8 0 0 b p s , Odd parity, 1 bit-stop, d a n
Hardware Trigger u n t u k request data
- Resolusi data: 16 bit (2 Byte) - Rentang pengukuran: ± 8°
- Resolusi pengukuran (dari poin 2 d a n 3): 16° / 6 5 5 3 6 = 0.000244°/bit
Dari keterangan di a t a s , diperoleh b a h w a nFORS-4 ini memiliki interface
asynchronous yang beroperasi d a l a m
mode Hardware Trigger. Dalam h a l ini, p e n g g u n a (host system), h a r u s m e m -berikan d u a sinyal diskrit, TRIG A d a n TRIG B, u n t u k inisialisasi transfer d a t a p a d a interface asynchronous, seperti ditunjukan dalam G a m b a r 2-2.
Transfer dari blok d a t a a k a n dimulai setelah 30 s.d 70 us setelah b a t a s tepi t u r u n (falling edge) dari sinyal trigger (TRIG A) p a d a s a a t ^FORS-4 beroperasi, system host h a r u s menjaga line data receive dari interface asynkronous (ASYNC RxA, ASYNC RxB) p a d a kondisi logika " 1 " a t a u kondisi impedansi tinggi. Line t r a n s m i t h a r u s tetap dalam logika " 1 " (ASYNC TxA = high t e r h a d a p ASYNC TxB) setelah t r a n s m i s i d a t a r e q u e s t diberikan. Interface koneksi dari nFORS-4 diberikan dalam Tabel 2 - 1 .
Gambar 2-3: Lokasi pin-pin dari |iFORS-4 S t r u k t u r d a t a d a n perhitungan nilai s u d u t hasil p e n g u k u r a n ber-gantung p a d a resolusi bit d a t a yang dipilih. Dalam hal ini resolusi d a t a yang dipilih a d a l a h 16 bit (2 byte), m a k a d a t a yang a k a n dikirim oleh jiFORS sebanyak 4 byte, a n t a r a lain, d u a byte d a t a s u d u t , satu byte status, dan satu byte checksum seperti d i t u n j u k k a n dalam Gambar 2-4.
3 PENGUKURAN NILAI BIAS
MENG-GUNAKAN ROTASI BUMI
|iFORS-4 memiliki sensitivitas pengukuran kecepatan s u d u t yang sangat tinggi. Dalam h a l ini, dengan resolusi 16 bit d a n r e n t a n g p e n g u k u r a n ± 8° diperoleh nilai p e r u b a h a n s u d u t minimum yang m a m p u d i u k u r a d a l a h 0.000244°. Kuantisasi dari p e m b a c a a n data s u d u t u n t u k tiap detiknya a d a l a h (2.44xl0-4)°, sehingga k u a n t i s a s i pengu-kuran kecepatan s u d u t yang dapat diukur adalah
%_mm=(9.76xl0-4)0/s ((3.5136)°/jam) (3-1) pada sampling rate 4 Hz (250 ms). Sehingga sensor ini d a p a t digunakan pula u n t u k m e n g u k u r kecepatan rotasi dari b u m i p a d a posisi tertentu.
P a d a Gambar 3-1 diberikan ilustrasi dari rotasi b u m i p a d a s u m b u p u t a r n y a (COB). Periode waktu yang d i b u t u h k a n u n t u k s a t u rotasi p e n u h didefinisikan sebagai s a t u hari a t a u
sekitar 23 j a m : 56 Menit : 4.1 detik a t a u 86164.1s, sehingga nilai kecepatan s u d u t n y a adalah
COB = 3 6 0 ° / 8 6 1 6 4 . 1 = 0 . 0 0 4 2 ° / s
= 15.041°/jam (3-2)
Gambar 3 - 1 : Ilustrasi dari rotasi b u m i d a n beberapa projeksi di beberapa lokasi di p e r m u k a a n b u m i
Untuk kecepatan rotasi di beberapa lokasi d a n orientasi di p e r m u k a a n bumi, dapat diperoleh dengan mencari komponen vektor (tangensial) dari kecepatan s u d u t yang b e r s e s u a i a n dengan a r a h vektor rotasi bumi. Besar vektor t e r s e b u t bergantung dari posisi di p e r m u k a a n b u m i a t a u bergantung l a n g s u n g p a d a posisi latitudenya. Sebagai contoh, u n t u k proyeksi vektor COB p a d a posisi normal t e r h a d a p Universitas Teknik Berlin (TU-Berlin/fi>Ein/B), d a p a t dituliskan
COEITVB = COB • s i n a
= (15.041o/hr) . Sin 52.3° = 11.9 ° / h r
(3-3)
dengan a adalah posisi latitude dari TU-Berlin.
Nilai COBITUB ini d a p a t dijadikan nilai referensi d a n a k a n t e r u k u r oleh (iFORS-4 sebagai nilai kecepatan s u d u t dengan m e n e m p a t k a n sensor di p e r m u k a a n normal t e r h a d a p b u m i sehingga s u m b u rotasi sensor berhimpit dengan s u m b u n o r m a l b u m i seperti d i t u n j u k k a n dalam G a m b a r 3 - 1 . Nilai ini dapat dikatakan sesuai u n t u k pengukuran p.FORS-4, oleh k a r e n a nilai COBITUB m a s i h j a u h lebih besar dibanding dengan nilai
k u a n t i s a s i m i n i m u m kecepatan s u d u t yang d a p a t d i u k u r oleh nFORS-4.
Dengan cara yang sama, nilai referensi Ini p u n d a p a t diperoleh di LAB Mekatronika, R a n c a b u n g u r n o r m a l t e r h a d a p p e r m u k a a n b u m i
(OEIRB = G>E . Sin /? (3-4) = (15.041°/hr) . Sin (-6.32°)
= -1.65574 ° / h r
d e n g a n /? a d a l a h posisi posisi latitude dari LAB Mekatronika, R a n c a b u n g u r .
Besar nilai \COEIRB\ < |<Wg_mm| sehingga tidak d a p a t d i g u n a k a n sebagai referensi d a l a m p e n g u k u r a n nilai bias gyro. Oleh sebab itu, h a r u s diper-t i m b a n g k a n mediper-tode lainnya u n diper-t u k m e n c a r i nilai referensi.
Dengan m e n e m p a t k a n s u m b u gyro normal t e r h a d a p p e r m u k a a n bumi, yang m e r u p a k a n cara paling m u d a h , dengan a s u m s i bahwa permukaan normal yang d i g u n a k a n u n t u k m e n e m p a t k a n gyro telah d i u k u r dengan baik sehingga vektor n o r m a l n y a berhimpit dengan vektor normal p e r m u k a a n bumi. Selain itu, metode lainnya a d a l a h dengan memposisikan s u m b u rotasi gyro parallel t e r h a d a p s u m b u rotasi bumi. N a m u n oleh k a r e n a posisi R a n c a b u n g u r , Bogor tidak tepat tegak l u r u s dengan s u m b u rotasi bumi, m a k a perlu diperhitungkan komponen proyeksi COE (COE//RB)
yang digunakan adalah 2 5 0 m s s e l a m a selang waktu tidak k u r a n g dari s a t u j a m p a d a temperatur r u a n g k o n s t a n . Selain itu p e n g a m a t a n j u g a d i l a k u k a n t e r h a d a p k o n s u m s i daya dari m a s i n g - m a s i n g u n i t |xFORS-4. Hasil-hasil p e n g u k u r a n diberikan dalam b e n t u k d a t a tabel, grafik, d a n perhitungan nilai bias drift. SN: 2519 (Rotasi Positif)
Temperature: 26 °C Power Consumption: 1.435 Watt
Time
Actual
11:22:00 11:32:00 11:54:00 12:05:00 12:17:00 12:22:00 S ec on d 0 600 1920 2 5 8 0 3300 3600 Angle 0 2.296943 7.467376 10.065020 12.934010 14.125080 Measured Angular R a t e : 1 4 . 0 9 8 ° / h r Bias error: - 0 . 8 5 2 ° / h r SN: 2519 (Rotasi Negatif) Temperature: 26 °C Power Consumption: 1.435 WattTime Actual 12:23:00 12:33:00 12:43:00 12:58:00 13:09:00 13:23:00 S eco n d 0 600 1200 2100 2760 3600 Angle 0 -2.602900 -5.136340 -9.024920 -11.793900 -15.335900 COE//RB dapat didefinisikan sebagai b e s a r
vektor kecepatan rotasi b u m i tegak l u r u s vektor n o r m a l b u m i p a d a a r a h u t a r a . Nilai ini d i g u n a k a n sebagai nilai referensi p a d a p e n g u k u r a n nilai bias dari uFORS-4.
4 HASIL DAN ANALISIS
Pengukuran nilai bias drift dengan m e n g g u n a k a n referensi rotasi b u m i telah dilakukan t e r h a d a p k e e n a m unit gyro nFORS-4. Pengetesan dilakukan pada masing-masing u n i t u n t u k s u m b u rotasi positif d a n negatif. Sampling rate
Time (Second) Measured Angular Rate: - 1 8 . 5 3 8 ° / h r
B i a s error: - 3 . 5 8 8 ° / h r Dari d a t a hasil p e n g u k u r a n
tersebut, diperoleh grafik linier d a n fungsi hasil interpolasi yang bersesuaian. Dari grafik d a n fungsi t e r s e b u t diperoleh nilai kecepatan s u d u t hasil p e n g u k u r a n yang selanjutnya dibandingkan dengan nilai referensi dari p e r h i t u n g a n rotasi b u m i . Dari hasil fungsi interpolasi, diperoleh nilai-nilai ketidakstabilan bias seperti diberikan p a d a Tabel 4 - 1 .
T a b e l 4 - 1 : DATA HASIL PENGUKURAN NILAI BIAS DRIFT MASING-MASING UNIT SENSOR
P.FORS-4-SN: 2519 2572 2571 2568 2513 2582 Power Consumption (Watt) 1.435 1.410 1.410 1.460 1.435 1.410 Bias Error (°/hr) Positive - 0.852 - 0.088 - 1.262 - 0.364 - 0.939 - 2 . 1 6 2 Negative - 0 . 4 1 8 - 0.034 - 0.556 3.665 2.310 - 3.588 Metode ini s e d e r h a n a d a n praktis, n a m u n tetap memperhatikan keakuratan d a l a m p e n g u k u r a n u n t u k m e n e n t u k a n nilai error bias sensor jiFORS-4. Rotasi b u m i yang diambil sebagai referensi, memberikan k e u n t u n g a n dalam hal stabilitas kecepatan rotasi setiap saat, d i m a n a p e r h i t u n g a n t e r h a d a p nilai e k s a k n y a menjadi faktor p e n e n t u u t a m a terhadap kesesuaian nilai yang diperoleh.
Dari Tabel 4-1 di atas dapat dilihat b a h w a ke e n a m u n i t nFORS-4 telah m e m e n u h i p e r s y a r a t a n yang diberikan oleh vendor, yaitu d e n g a n toleransi konsumsi daya (1.1 - 2.36 ) Watt d a n toleransi p a d a nilai bias drift (6.0
-6.0)°/Jam.
5 KESIMPULAN DAFTAR RUJUKAN Dari hasil p e n g u k u r a n d a n
analisis di a t a s m a k a rekomendasi t e r h a d a p pemilihan gyro nFORS-4 yang a k a n d i g u n a k a n p a d a satelit LAPAN-A2 d a p a t diberikan. Dari ke e n a m u n i t s e n s o r (iFORS-4 y a n g sebaiknya dipilih a n t a r a lain u n i t bernomor seri 2 5 7 2 , 2 5 1 9 , 2 5 7 1 , 2513 d e n g a n nilai ketidakstabilan bias terkecil.
Draft of LAPAN - TUBSAT Technical Documentation, Microsatellite for Surveillance. J u n i , 2 0 0 5 .
LITEF GmbH: jxFORS User Manual, Doc No. 140650-2000-311 Rev d. 2 0 0 7 . Mayditia, Hasan, 2 0 0 8 . Technical
Documentation: Functional and Acceptance Test for nFORS-4 Fiber
Optic Gyro, Doc No.
