IMPLEMENTASI SISTEM TRACKING OBYEK BERGERAK UNTUK
PENERAPATAN GROUND STATION ROKET/UAV
Joko Suryana1,∗dan Herma Yudhi Irwanto2
1Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa 10 Bandung 40132, Telepon (022) 2501661
2Bidang Kendali LAPAN
Jalan Raya LAPAN Rumpin Bogor, Kode Pos 10340
∗e-Mail: [email protected]
Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Dengan semakin meningkatnya aktivitas pengembangan roket dan missile nasional seperti yang dikembangkan oleh LA-PAN ataupun PINDAD serta kebutuhan akan pengendalian/pemantauan navigasi UAV untuk berbagai keperluan, maka su-dah saatnya dikembangkan juga suatu ground station peluncuran roket/UAV dengan kemampuan penjejakan secara otomatis. Penelitian ini merupakan kelanjutan dari penelitian tahun pertama tentang implementasi sebuah platform penjejakan otomatis untuk mempertahankan hubungan komunikasi yang kontinu antara ground station dengan obyek bergerak berupa roket/UAV serta penelitian antena roket RX-420 bersama dengan LAPAN. Pada tahun kedua ini, telah diimplementasikan sistem tracking dengan antenna multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band berbasis microstrip array untuk mendukung penjejakan roket/UAV dan sekaligus dukungan komunikasi telemetry, command pengendalian roket/UAV serta transmisi video secara simultan. Jangkauan tracking juga akan ditingkatkan sampai 100 km. Selain itu, pada tahun kedua juga dilakukan penyempurnaan algoritma tracking untuk mendukung penjejakan muti-object dengan kemampuan jelajah yang lebih jauh>100 km.
Kata Kunci: Antena, tracking, telemetry, ground station,microstrip array, S-band
I.
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ˙ x ˙ y ˙ φ = " vccosφ−vLc(asinφ+bcosφ) tanα
vcsinφ+vLc(acosφ−bsinφ) tanα vc
L tanα
# (14) Pada peluncuran sebuah roket atau penerbangan suatu UAV (Unmanned Aerial Vehicle) diperlukan sen-sor gerak dinamik untuk mendeteksi trayektori dan at-titude ketika terbang. Dalam hal ini, kemampuan track-ing secara otomatis dari ground station untuk menje-jak roket ataupun UAV sangat berpengaruh kepada pe-ngendalian obyek bergerak tersebut untuk memantau navigasi serta telemetri roket/UAV pada posisi-posisi yang diinginkan secara akurat. Namun demikian, saat ini peluncur roket LAPAN ataupun UAV di Indonesia, masih mengandalkan sistem antena ground station de-ngan pengendalian secara manual. Penjejakan obyek bergerak berupa roket atau UAV secara manual memi-liki kelemahan dalam hal terganggunya keberlangsun-gan komunikasi data/telemetri/image/video karena pengarahan antena ground station yang tidak aku-rat karena mengandalkan kemampuan opeaku-rator dalam
memperkirakan posisi obyek serta perkiraan arah perg-erakannya yang akan semakin menurun bila obyek be-rada pada jarak yang lebih jauh serta dengan kecepatan obyek yang tinggi.
Dengan semakin meningkatnya aktivitas pengem-bangan roket dan missile nasional seperti yang dikembangkan oleh LAPAN ataupun PINDAD serta kebutuhan akan pengendalian/pemantauan navigasi UAV untuk berbagai keperluan, maka sudah saat-nya dikembangkan juga suatu ground station peluncu-ran roket/UAV dengan kemampuan penjejakan secara otomatis.
B. Tujuan Penelitian
Penelitian ini difokuskan pada implementasi sebuah platform penjejakan otomatis untuk mempertahankan hubungan komunikasi yang kontinu antara ground sta-tion dengan obyek bergerak berupa roket/UAV. Plat-form penjejak otomatis ini dirancang memiliki dua der-ajat kebebasan, waktu respon cepat, dan akurasi tinggi. Komponen utama sistem tracking adalah sistem antena yang memiliki kemampuan untuk mengikuti perger-akan target dan posisi target secara akurat.
Implemen-tasi penjejakan target menggunakan teknik monopulse dengan antenna gain tinggi yang sanggup melakukan penjejakan azimuth dan elevasi untuk jarak jangkauan tipikal roket/UAV.
Pada tahun pertama telah dilakukan pengembangan platform tracking dengan teknik monopulse berbasis parabola dengan kemampuan penjejakan minimal 30 km untuk obyek tunggal.
Pada tahun kedua, telah diimplementasikan sis-tem tracking multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band un-tuk mendukung penjejakan roket/UAV dan sekaligus dukungan komunikasi telemetry, command pengenda-lian roket/UAV serta transmisi video secara simultan. Jangkauan tracking juga akan ditingkatkan minimal 50 km dan maksimum 100 km.
C. Pendekatan Pemecahan Masalah
Sehingga masalah utama pada penelitian ini adalah implementasi sebuah platform penjejakan otomatis un-tuk mempertahankan hubungan komunikasi yang kon-tinu antara ground station dengan obyek bergerak berupa roket/UAV. Platform penjejak otomatis ini di-rancang memiliki dua derajat kebebasan, waktu respon cepat, dan akurasi tinggi.
Oleh karena itu, pendekatan yang dipakai dalam penelitian ini adalah perancangan dan implementasi sistem dan yang terdiri pada dua komponen utama sistem tracking, yaitu sistem antena dan sensor de-teksi pergerakan target serta algoritma tracking un-tuk mengikuti pergerakan target dan posisi target se-cara akurat. Implementasi penjejakan target menggu-nakan teknik monopulse dengan antenna gain tinggi yang sanggup melakukan penjejakan azimuth dan el-evasi untuk jarak jangkauan tipikal roket/UAV.
II.
METODOLOGI
Pada tahun kedua, diimplementasikan sistem track-ing multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band untuk men-dukung penjejakan roket/UAV dan sekaligus dukun-gan komunikasi telemetry, command pengendalian roket/UAV serta transmisi video. Kemampuan jarak tracking akan ditingkatkan menjadi>50 km.
Secara garis besar metodologi tahun kedua adalah: 1. Mengimplementasikan sistem tracking dengan
an-tenna multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band. 2. Mengembangkan sistem tracking dengan
kemam-puan secara simultan untuk komunikasi telemetry, command pengendalian roket/UAV serta trans-misi video secara simultan.
3. Meningkatkan jangkauan tracking sampai minimal 50 km dan ditingkatkan sampai jarak 100 km. 4. Pengembangan algoritma tracking untuk
men-dukung penjejakan oyek bergerak secara muti-object
5. Melakukan evaluasi kinerja platform penjejak di lingkungan indoor (uji manuver terbatas) dan ling-kungan outdoor untuk penjejakan roket/UAV di-lapangan
6. Menyusun laporan riset dan melaksanakan disem-inasi hasil riset dengan publikasi konferensi/jurnal internasional dan nasional.
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Rencana Kegiatan Tahun ke II
A-1. Desain Sistem Antena Multiband 1.7-2.5 GHz dengan Gain Besar
Suatu ground station roket/UAV selain harus memi-liki kemampuan tracking terhadap obyek bergerak, juga harus mampu melakukan fungsi-fungsi TT&C lainnya yaitu fungsi telemetri dan command. Selain itu, untuk kebutuhan transmisi video, pita frekuensi lain juga akan menjadi pertimbangan.
Dari hasil diskusi dengan rekan-rekan di LAPAN diperoleh data bahwa telemetry roket dan UAV meng-gunakan band 900 MHz dan S-band 2.2 GHz. Sedang-kan untuk transmisi video, roket dan UAV lebih se-ring menggunakan band ISM 2.4 GHz. Sehingga dalam penelitian ini, didesain dan diimplementasikan antena dengan pita operasi 900 MHz, 2.2 GHz serta 2.4 GHz dengan persyaratan VSWR 2:1.
A-2. Pengembangan Sistem Tracking dan TT&C Se-cara Simultan
Pada kegiatan ini, selain mendesain dan mengim-plementasikan antena multiband, tim peneliti juga mengembangkan konfigurasi yang optimal dari sistem antena agar bisa dipergunakan secara simultan untuk tracking, telemetry dan command serta transmisi sinyal video secara simultan. Sistem antena pada dasarnya terdiri dari 4 kuadran beam untuk teknik monopulse serta satu elemen antena di titik pusat untuk men-dukung link komunikasi baik telemetry maupun trans-misi video. Dalam hal ini, antena parabola quad beam yang telah dikembangkan di tahun pertama akan di-manfaatkan kembali di tahun kedua ini dengan meng-ganti feeder antena sebelumnya yang hanya bekerja pada S-band menjadi antena multiband 900 MHz/ 2.2 GHz/2.4 GHz.
Selain konfigurasi di atas, tim peneliti juga akan mengusulkan teknik sharing antena yang digilir un-tuk penggunaan tracking, telemetry, control dan trans-misi video berturut-turut dengan kecepatan penggili-ran yang sangat cepat sehingga secara sistem akan terasa sebagai operasi simultan tracking, telemetry, con-trol dan transmisi video.
A-3. Peningkatan Jangkauan Tracking 100 km Pada bagian riset ini, dengan melakukan rekayasa link budget dan desain ulang modul RF serta
per-baikan gain antena akan meningkatkan secara sig-nifikan jangkauan tracking yang semula hanya 30 km menjadi minimal 50 km dan bahkan sampai men-jangkau target berjarak 100 km. Desain ulang HPA, LNA dan gain antena multiband serta modifikasi parabola memungkinkan terjadinya peningkatan mar-gin daya sehingga dapat dimanfaatkan untuk mem-perbesar jangkauan platform tracking.
A-4. Pengukuran Kinerja
Pada penelitian tahap pengukuran kinerja ini, be-berapa pengukuran akan dilakukan terkait dengan ki-nerja sistem antena,baik antena berbasis dish parabola, kinerja receiver 4 kanal serta kinerja algoritma track-ing yang telah diimplementasikan. Pengukuran sistem antena multiband meliputi: Gain, Pola Radiasi, Band-width, Beamwidth dan VSWR. Sedangkan pengukuran RF terdiri dari pengukuran Bandpass filtering, HPA, LNA, G/T dan Sensitivitas penerimaan
B. Hasil dan Pembahasan Penelitian tahun Kedua Pada penelitian tahun kedua telah dilakukan pe-ngembangan sistem tracking dengan antenna multi-band 900 MHz/2.4 GHz/S-multi-band untuk:
1. Mendukung penjejakan roket/ UAV
2. Sekaligus dukungan komunikasi telemetry, com-mand pengendalian roket/UAV serta transmisi video secara simultan.
3. Jangkauan tracking juga telah ditingkatkan sampai 100 km.
4. Dilakukan penyempurnaan algoritma tracking un-tuk mendukung penjejakan muti-object dengan ke-mampuan jelajah yang lebih jauh>100 km. Rancangan riset tahun kedua terdiri dari enam kegi-atan riset utama, yaitu pemilihan sistem antena, pemil-ihan teknik tracking, pemilpemil-ihan algoritma tracking, pe-ngukuran kinerja modul, dan pengujian di lapangan.
B-1. Perancangan Sistem Antena Gain Besar Multi-band 1.7-2.5 GHz
Kegiatan pada tahapan ini meliputi: pemilihan jenis antena dengan kemampuan multiband 1.7-2.5 GHz de-ngan gain lebih besar untuk mendapatkan jangkauan dari 50 km menjadi 100 km. Kemudian dilakukan desain dan realisasi antena, serta pengujian antena dengan menggunakan fasilitas yang ada di Labora-torium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro (LTRGM).
Antena yang dipilih bukan lagi menggunakan parabola seperti tahun pertama tetapi pada tahun ke-dua menggunakan 5 buah subarray antena cross dipole 4×4 V dan 4×4 H dengan bahan mikrostrip seba-gaimana GAMBAR1, sedangkan masing-masing subar-ray diperlihatkanGAMBAR2.
GAMBAR1: Antena Tracking baru
GAMBAR2: Subarray crossdipole VH
GAMBAR3: Hasil simulasi VSWR
B-2. Implementasi Sistem Antena Gain Besar Multi-band 1.7-2.5 GHz
Untuk peningkatan TKDN dan mengurangi keber-gantungan import, implementasi antena multiband highgain ini menggunakan material yang terdapat dalam pasar lokal, yaitu FR-4. Implementasi antena didasarkan pada penggunaan crossdipole untuk men-dukung operasi polarisasi vertikal dan horizontal. Foto hasil implementasi diperlihatkan pada GAMBAR5dan GAMBAR6.
GAMBAR4: Hasil Simulasi Pola Radiasi
GAMBAR5: Foto Implementasi Subarray Antena crossdipole VH
B-3. Pengukuran Sistem Antena Gain Besar Multi-band 1.7-2.5 GHz
Pada tahap pengukuran kinerja ini, beberapa pengu-kuran akan dilakukan terkait dengan kinerja sistem an-tena. Pengukuran sistem antena multiband meliputi: Gain, Pola Radiasi, Bandwidth, Beamwidth dan VSWR. GAMBAR7dan 8 berikut memperlihatkan set up pengu-kuran VSWR dan hasil pengupengu-kuran pola radiasi.
B-4. Penyerpurnaan Prosesor Tracking
Pada kegiatan ini telah dilakukan pemilihan teknik tracking yang akan digunakan pada tracking roket/UAV. Teknik tracking yang dipilih menggu-nakan empat buah antena penerima yang mewakili empat kuadran yaitu atas, bawah, kiri, dan kanan. Masing-masing antena dihubungkan dengan Low Noise Amplifier (LNA) dan berikutnya dihubungkan dengan power detector. Keluaran power detector dihubungkan dengan microprocessor yang kemudian akan memerintahkan kepada actuator yang memerin-tahkan motor penggerak antena apakah antena harus bergerak secara elevasi maupun azimuth. Berikut ini adalah blok diagram sistem tracking dan implementasi hardware-nya.
GAMBAR6: Foto Hasil Implementasi Antena 4×4 V dan 4×4 H
GAMBAR7: Set up Pengukuran VSWR
B-5. Melakukan realisasi penggerak azimuth dan el-evasi dengan Daya yang Lebih Besar
Pada kegiatan ini, telah dilakukan perancangan mekanik sistem penggerak azimuth dan elevasi dengan dua motor listrik dan sistem gearnya. Untuk meng-gerakan dua motor tersebut dibutuhkan driver daya yang pengendaliannya dilakukan dengan PWM (Pulse Width Modulation) dengan kendali mikroprosesor.
GAMBAR8: Pengukuran pola radiasi
GAMBAR9: Blok Diagram sistem
GAMBAR10: Modul-modul Tracking
pengendalian beban seberat antena parabola/reflektor yang akan dipakai sebagai sistem monopulse.Untuk mendukung beban antena baru, pada tahun kedua ini dilakukan perbaikan platform tracking dengan melakukan penyesuaian kemampuan mengendalikan beban antena yang lebih besar. Oleh karena itu,
mo-GAMBAR11: Antena terpasang pada Platform Dual Motor
tor penggerak arah azimuth dan elevasi diubah dengan motor daya yang lebih besar. GAMBAR11 memperli-hatkan platform tracking dengan dual motor.
f.Integrasi Modul Kendali Tracking dengan Modul Antena Pada kegiatan ini telah dilakukan intergrasi dan adjustment ulang setting parameter untuk implemen-tasi teknik tracking pada sistem antena yang baru be-serta penggantian sistem dual motor yang lama dengan yang baru. Teknik tracking yang dipilih mengguna-kan empat buah antena penerima yang mewakili empat kuadran yaitu atas, bawah, kiri, dan kanan. Masing-masing antena dihubungkan dengan Low Noise Ampli-fier (LNA) dan berikutnya dihubungkan dengan power detector. Keluaran power detector dihubungkan de-ngan micro processor yang kemudian akan memerin-tahkan kepada actuator yang memerinmemerin-tahkan motor penggerak antena apakah antena harus bergerak secara elevasi maupun azimuth. Berikut ini adalah gambar pe-rangkat modul deteksi pergerakan obyek pada kanal-kanal kanan, kiri, bawah dan atas. Foto berikut mem-perlihatkan integrasi subsistem RF dengan antena dan platform dual motor.
B-6. Pengujian Fungsi Tracking
Untuk melakukan pengujian fungsi tracking di-butuhkan Signal Generator, Antena Pemancar yang mewakili sinyal UAV atau roket serta perangkat Volt-meter sebanyak 2 buah untuk pengamatan kanal kanan dan kanal kiri atau kanal atas dan kanal bawah. Sistem monopulse didasarkan pada deteksi pergerakan obyek dengan menggunakan selisih sinyal terima Kanan-Kiri dan Atas-Bawah. Kanal kanan dan kiri digunakan oleh sistem tracking untuk deteksi pergerakan dalam arah
GAMBAR12: Foto intergasi modul kendali dan antena
GAMBAR13:Foto Pengukuran Kinerja Deteksi Pergerakan Obyek
azimuth, sedangkan kanal atas dan kanal bawah untuk deteksi elevasi. Foto pengujian fungsi tracking diperli-hatkan sebagaimanaGAMBAR13.
IV.
KESIMPULAN
Dari paparan hasil riset di atas, dapat disimpulkan bahwa telah tercapai target kegiatan riset untuk bulan 1 sampai dengan bulan 10 dengan anggaran 100% dari
GAMBAR14: Foto Hasil Deteksi Obyek
total anggaran. Gambaran mengenai target dan capaian Tahun II diperlihatkan dalam tabel berikut ini:
DAFTAR PUSTAKA
[1] Joko Suryana dkk, ”Laporan Akhir SINAS 2012”, Riset Insentif Nasional 2012, Kemenristek h ISTS), Kanazawa Jepang, 4-11 Juni 2006.
[2] Joko Suryana dan Herma Yudhi,
”Peran-cangan dan Implementasi Antena
Pay-load/Telemetri/GPS Corformal pada Sistem Roket LAPAN RX-420.” Seminar Nasional RADAR IV, LIPI, 2010 di Jogjakarta
