7

BAB 2

DASAR TEORI

2.1 Global Positioning System (GPS)

2.1.1 Konsep Penentuan Posisi Dengan GPS

GPS (Global Positioning System) merupakan sistem satelit navigasi dan penentuan

posisi menggunakan satelit. GPS dapat digunakan oleh banyak pengguna sekaligus

dalam segala cuaca. GPS didesain untuk memberikan posisi dan kecepatan tiga

dimensi yang teliti serta informasi mengenai waktu secara kontinyu di seluruh dunia.

Pada dasarnya GPS terdiri atas tiga segmen utama, yaitu segmen angkasa (space

segment) yang terdiri dari satelit-satelit GPS, segmen kontrol (control system

segment) yang terdiri dari stasiun-stasiun pemonitor dan pengontrol satelit, dan

segmen pemakai (user segment) yang terdiri dari pemakai GPS termasuk alat-alat

penerima dan pengolah sinyal dan data GPS [Abidin, 2006].

Pada dasarnya penentuan posisi dengan GPS adalah reseksi (pengikatan ke belakang)

dengan jarak, yaitu dengan pengukuran jarak secara simultan ke beberapa satelit GPS

yang koordinatnya telah diketahui. Pada pengamatan dengan GPS, yang bisa diukur

hanyalah jarak antara pengamat dengan satelit dan bukan vektornya. Penentuan

posisi pengamat dilakukan dengan melakukan pengamatan terhadap beberapa satelit

sekaligus secara simultan (tidak hanya terhadap satu satelit). Prinsip penentuan posisi

dengan GPS dapat diimplementasikan dalam bentuk beberapa metode penentuan

posisi [Abidin, 2006].

8

Posisi yang diberikan oleh GPS adalah posisi tiga dimensi (X, Y, Z atau L, B, h)

yang dinyatakan dalam datum WGS (World Geodetic System) 1984. Dengan GPS,

titik yang akan ditentukan posisinya dapat berupa titik yang diam (static positioning)

maupun bergerak (kinematic positioning). Posisi titik dapat ditentukan dengan

menggunakan satu receiver GPS terhadap pusat bumi dengan menggunakan metode

absolute positioning ataupun terhadap titik lainnya yang telah diketahui koordinatnya

(stasiun referensi) dengan menggunakan metode differential positioning yang

menggunakan minimal dua receiver GPS. Di samping itu, GPS dapat memberikan

posisi secara instan (real-time) ataupun sesudah pengamatan setelah data

pengamatannya diproses secara lebih ekstensif (post processing) yang biasanya

dilakukan untuk mendapatkan ketelitian yang lebih baik [Abidin, 2006].

2.1.2 Pseudorange dan Carrier Phase

Ada dua kode pseudo-random noise (PRN) yang dikirimkan oleh satelit GPS dan

digunakan sebagai penginformasi jarak, yaitu kode-P (P = Precise atau Private) dan

kode-C/A (C/A = Coarse Acquisition atau Clear Access). Setiap satelit GPS

mempunyai struktur kode yang unik dan berbeda dengan satelit-satelit GPS lainnya.

Hal ini memungkinkan receiver GPS mengenali dan membedakan sinyal-sinyal yang

datang dari satelit-satelit GPS yang berbeda. Dengan mengamati kode-P (Y) atau

kode-C/A jarak dari pengamat ke satelit dapat ditentukan. Prinsip pengukuran jarak

yang digunakan adalah dengan membandingkan kode yang diterima dari satelit

dengan kode replika yang diformulasikan di dalam receiver [Abidin, 2006].

Gambar 2.1 Prinsip penentuan jarak (pseudorange) dengan kode [Abidin, 2006]

9

Pada sinyal GPS terdapat dua gelombang pembawa (carrier wave) yang digunakan

dalam membawa kode-kode. Gelombang pembawa tersebut meliputi L1 dan L2.

Gelombang L1 membawa kode-kode P (Y) dan C/A beserta pesan navigasi,

sedangkan gelombang L2 membawa kode P (Y) dan pesan navigasi. Pada awalnya

sinyal L1 dan L2 didesain hanya untuk membawa data kode dan pesan navigasi dari

satelit ke pengamat, tetapi pada saat ini data fase dari sinyal-sinyal tersebut juga

digunakan untuk menentukan jarak dari pengamat ke sateli GPS. Untuk aplikasi-

aplikasi yang menuntut ketelitian posisi yang tinggi, data fase lebih baik digunakan

daripada data kode. Dalam pengukuran fase, saat receiver GPS dihidupkan (t0) hanya

dapat mengukur fraksi dari satu gelombang (0 sampai 360). Selanjutnya, receiver

tersebut mengamati zero crossing dari sinyal (dari ke +, atau dari + ke -) atau

dengan kata lain mengamati jumlah setengah ataupun satu gelombang penuh yang

diterima setelah pengukuran fraksi gelombang tersebut [Abidin, 2006].

Pada suatu epok pengukuran tertentu (ti), receiver GPS hanya dapat merekam fraksi

fase GPS yang diukur pada epok tersebut ditambah sejumlah gelombang penuh yang

terhitung sejak epok awal t0 sampai epok pengukuran ti. Oleh karena itu, hasil ukuran

fase sinyal GPS (dalam unit jarak) bukanlah merupakan jarak absolut dari pengamat

ke satelit seperti halnya pseudorange, tetapi merupakan jarak yang ambiguous

[Abidin, 2006].

Gambar 2.2 Penetuan jarak ke satelit dengan data ukuran fase [Abidin, 2006]

10

Pada gambar 2.2 dapat dilihat bahwa untuk mengubah data fase menjadi data jarak,

ambiguitas fase (cycle ambiguity) N harus ditentukan terlebih dahulu nilainya.

Seandainya nilai ambiguitas fase dapat ditentukan secara benar, maka jarak fase

tersebut akan menjadi ukuran jarak yang sangat teliti (tingkat presisi dalam orde mm)

dan dapat digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang menuntut ketelitian posisi yang

tinggi (orde mm cm). Tetapi perlu ditekankan bahwa penentuan nilai ambiguitas

fase yang benar bukanlah suatu pekerjaan yang mudah [Abidin, 2006].

2.1.3 Broadcast Ephemeris

Disamping berisi kode-kode, sinyal GPS juga berisi pesan navigasi (navigation

message) yang berisi informasi tentang koefisien koreksi jam satelit, parameter orbit,

almanak satelit, UTC, parameter koreksi ionosfer, serta informasi spesial lainnya

seperti status konstelasi dan kesehatan satelit. Pesan navigasi tersebut ditentukan oleh

segmen kontrol dan dikirimkan (broadcast) ke pengguna menggunakan satelit GPS.

Salah satu informasi yang terkandung dalam pesan navigasi GPS adalah ephemeris

(orbit) satelit yang biasa disebut broadcast ephemeris [Abidin, 2006].

Broadcast ephemeris ditentukan oleh sistem kontrol GPS dalam dua tahap [Seeber,

1993]. Pada tahap pertama, ephemeris referensi ditentukan berdasarkan data

pengamatan GPS (pseudorange dan fase) selama 7 hari dari semua stasiun monitor

(proses off-line), dengan menggunakan program perhitungan orbit yang canggih.

Pada tahap kedua yang merupakan proses on-line, perbedaan-perbedaan antara hasil

pengamatan yang terbaru dari stasiun monitor dengan ephemeris referensi

diturunkan, dan kemudian diproses dengan menggunakan metode kalman filtering

untuk mempredisksi besarnya koreksi-koreksi bagi ephemeris referensi [Abidin,

2006].

11

Dalam broadcast ephemeris, informasi tentang posisi satelit tidak diberikan langsung

dalam bentuk koordinat, tetapi dalam bentuk elemen-elemen keplerian dari orbit GPS

yang dapat digunakan untuk menghitung posisi satelit dari waktu ke waktu. Pada

dasarnya, broadcast ephemeris berisi parameter waktu, parameter orbit satelit, dan

parameter pertubasi dari orbit satelit. Parameter waktu terdiri dari 6 parameter, yaitu

referensi untuk parameter ephemeris, waktu referensi untuk parameter jam satelit, 3

koefisien untuk koreksi jam satelit, dan IOD (Issue of Data). Parameter satelit terdiri

dari 6 parameter, yaitu akar dari sumbu panjang ellips, eksentrisitas, inklinasi, right

ascension of the ascending node, argument of perigee, dan anomali menengah.

Parameter pertubasi dari orbit satelit terdiri dari 9 parameter. Dari parameter-

parameter yang diberikan oleh broadcast ephemeris, selanjutnya dapat ditentukan

koordinat satelit pada setiap epok pengamatan [Abidin, 2006].

2.1.4 Precise Ephemeris

Informasi orbit pada precise ephemeris berdasar kepada data pengamatan satelit GPS

yang diambil oleh tracking station (jaringan penjejak satelit) secara kontinyu. Semua

tracking station telah memiliki koordinat dalam sistem koordinat geosentrik yang

terikat bumi, sehingga koordinat suatu satelit dapat dihitung dari banyak tracking

station yang melihat satelit tersebut. Data ini kemudian dihitung lalu disajikan dalam

format file SP3 dimana interval epok dalam file tersebut adalah setiap 15 menit

dengan informasi berupa posisi satelit dalam sistem koordinat yang geosentrik terikat

bumi beserta kecepatannya, serta koreksi jam satelit. Precise ephemeris ini

menggunakan sistem referensi ITRF (International Terrestrial Reference Frame).

Badan yang menghasilkan precise ephemeris antara lain IGS (International GNSS

Service), IAG (International Association of Geodesy), NGS (U.S.National Geodetic

Survey). Pelayanan IGS ini dilakukan oleh jaringan global stasiun-stasiun penjejak

yang secara kontinyu mengoperasikan receiver dua frekuensi [Abidin, 2006].

12

Untuk keperluan realtime maka bisa menggunakan produk ultra rapid untuk

mendapatkan parameter orbit dari estimasi prediksi untuk informasi pada waktu yang

dibutuhkan. IGS hasil prediksi tersebut mempunyai tingkat keakurasian ~10 cm.

Berdasarkan waktu ketersediaanya, informasi orbit terbagi menjadi beberapa jenis.

Berikut adalah tabel perbandingan ketelitian dari informasi satelit :

Tabel 2.1 Estimasi kualitas informasi orbit [Dach, Rolf et al., 2007]

Jenis Orbit Akurasi Ketersediaan Keberadaan Data

Broadcast Orbits ~ 2 m Realtime Broadcast message

CODE Ultra Rapid

Orbits < 10 cm Realtime CODE via FTP

CODE Rapid Orbits