Pengaruh Ionosfer Pada Sistem Penentuan Posisi Berbasis Satelit GPS

Buldan Muslim, Bidang Ionosfer dan Telekomunikasi, PUASFATSAINSA, LAPAN

Jl. Dr. Junjunan 133 Bandung 40173

Hasanuddin Z.A., dan Wedyanto KuntjoroKelompok Keilmuan Geodesi, Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian

The Houw Liong Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi BandungJl. Ganesha 10 Bandung

SEMINAR NASIONAL ANTARIKSA IV

Lapisan atmosfer dan ionosfer

Electron density

¬ ¬ ¬ ¬ ¬ ¬ 0.5 1.0 1.5 1012m-3

ne

EF

DC

Pengaruh Ionosfer Pada Propagasi Gelombang Radio

Komponen-komponen GPS

Metode penentuan posisi GPS

Akurasi Posisi GPS

• Geometric Dilution Of Precission (GDOP) GDOP adalah pengaruh geometri satelit, yaitu

hubungan spasial dari dari satelit terhadap receiver pengguna.

• User Equivalent Range Error (UERE) UERE adalah akurasi pengukuran jarak

individual dari receiver ke satelit. Yang tergantung pada kualitas sinyal, receiver, kondisi ionosfer dan troposfer

Pengaruh Ionosfer pada propagasi sinyal GPS

Keberadaan elektron-elektron di ionosfer keadaan tenang menghasilkan kesalahan pengukuran jarak propagasi sinyal GPS yang tergantung pada frekuensi dan kandungan total elekton

Sebuah elektron / m2 menghasilkan kesalahan pengukuran jarak sebesar 16.24 atto meter

STECf 23.40

TEC : 1017 – 1018 el/m2

1.624 – 16.24 meter

5.413 - 54.13 ns

Mitigasi pengaruh ionosfer pada sistem GPS

• Menggunakan GPS dua frekuensi• Menggunakan model Klobuchar• Menggunakan model global ionosfer lainnya• Menggunakan model ionosfer regional• Menggunakan metode Differential GPS

Mitigasi / koreksi efek ionosfer dengan GPS dua frekuensi

Gambar STEC diturunkan dari data GPS bako 18 Jili 2000, sudut cut off 30 der

Koreksi ionosfer dengan GPS dua frekuensi

Gambar Koreksi Ionosfer (meter) 18 Juli 2000

Koreksi ionosfer model Klobuchar

Koreksi Ionosfer dengan Model TEC Regional Indonesia

Koreksi Ionosfer dengan Metode Differential GPS (DGPS)

Aplikasi DGPS

• Menggunakan dua receiver, satu stasiun referensi, yang satu bergerak.

• Menggunakan GPS single frequency

• Menggunakan data kode

• Jarak dasar (baseline) bisa sampai 1000 km

• Akurasi sampai level meter (tergantung gradien ionosfer)

Asumsi DGPS dan pengaruh gradien ionosfer

• Bias ionosfer antara dua receiver dianggap sama sehingga koreksi ionosfer dapat direduksi dengan pengurangan data jarak kode yang diukur dari dua receiver

• Dalam kondisi tenang asumsi dapat dipakai dengan kesalahan karena gradien spasial ionosfer secara umum sebesar

2 mm / km (20 cm / 100 km)

Model Kesalahan DGPS ionosfer lintang Rendah Indonesia

terhadap stasiun bako

Model Kesalahan DGPS ionosfer

Koreksi Ionosfer yang telah dijelaskan adalah untuk ionosfer tidak terganggu

Lingkungan ionosfer yang dinamis mempengaruhi ionosfer harian (cuaca ionosfer/parameter cuaca antariksa)

• Badai geomagnet -> TID skala besar (badai ionosfer)

• Gelombang gravitasi akustik atm -> TID skala kecil dan menengah dan pada saat tertentu dapat memicu sintilasi ionosfer

• Gempa bumi dan prekursornya dapat menyebabkan anomali ionosfer

Badai ionosfer

TEC 28-31 Oktober 2003

0

20

40

60

80

100

120

140

28 29 30 31

Tanggal

TE

C (

TE

CU

)

MSILRI

Bulanan

Harian

Dst , 25 - 31 Oktober 2003

-325-300-275-250-225-200-175-150-125-100

-75-50-25

0255075

25 26 27 28 29 30 31 32

Dst (n

T)

Anomali ionosfer sebelum gempa bumi Aceh 26 Desember 20064

TEC 20-26 Desember 2004, BAKO

0

10

20

30

40

50

60

70

20 21 22 23 24 25 26

Tanggal

TE

C (

TE

CU

)

MSILRI

Bulanan

Harian

Sintilasi Ionosfer• Setelah matahari terbenam

lapisan D dan E ionosfer semakin menghilang

• Graden kerapatan secara vertikal menjadi positif

• Lapisan bagian atas lebih rapat dari lapisan di bawahnya

• Ionosfer menjadi tidak stabil• Gangguan kecil dapat

menyebabkan irregularitas yang semakin membesar ke seluruh lapisan ionosfer secara vertikal

• Menyebabkan perubahan kerapatan yang cepat dan luas di ionosfer lintang rendah

• Perubahan kerapatan tersebut menyebabkan sintilasi ionosfer linatang magnetik rendah

DSTEC fase / 30 detik

Pengaruh irregularitas ionosfer

Pengaruh Sintilasi Ionosfer pada sinyal GPS

• Sinyal GPS yang melewati ionosfer yang berfluktuasi akan mengalami perubahan kuat sinyal GPS yang diterima di receiver (sintilasi ionosfer).

• Jika perubahan kuat sinyal yang diterima melebihi batas sensitifitas alat maka pengamatan GPS akan terputus.

• Sehingga jumlah satelit yang teramati berkurang yang dapat mengurangi akurasi penentuan posisi GPS

• Pada penentuan posisi RTK dengan data fase menyebabkan nilai ambiguitas tidak dapat diselesaikan atau memberikan harga yang salah sehingga mengurangi akurasi posisi RTK

Pengaruh TID pada DGPS

• TID skala besar yang bergerak dengan kecepatan mencapai 1000 km / jam menyebabkan peningkatan gradien TEC di atas normal sehingga akan mengurangi akurasi DGPS

• Akivitas TID sebanding dengan aktivitas matahari

Gradien Ionosfer karena TID

Jumlah kejadian TID

Rencana Pelayanan Koreksi Ionosfer Bagi Pengguna GPSPelayanan efek cuaca antariksa pada sistem navigasi berbasis satelit GPS

• Perbedaan prediksi Klobuchar dengan pengamatan real tiap jam di lokasi tertentu

(Pengguna GPS metode absolut)• Kesalahan DGPS rata-rata tiap jam dari stasiun referensi tertentu

(bako, band, itbb) [pengguna DGPS]• Informasi pengaruh gangguan ionosfer skala kecil pada penentuan

posisi metode RTK Hijau : aktivitas ionosfer rendah – tidak pengaruh Kuning: ionosfer sedang – mengurangi kinera RTK Merah : ionosfer aktif – pengaruh kuat ke akurasi RTK Hitam : ionosfer sangat aktif – pengaruh sangat ke akurasi RTK bahkan tidak mungkin bisa dikoreksi

Stasiun GPS

Stasiun pengamat ionosfer

Sistem navigasi pesawat terbang masa depan

Segmen Pengguna

Faktor-faktor yang mempengaruhi ketelitian pengukuran GPS

GDOP

Pengaruh Ionosfer Pada Sinyal GPS

Dinamika Ionosfer Lintang Rendah

Adanya medan listrik arah ke timur dan medan magnet arah utara menyebabkan drift vertikal siang hari

Plasma ionosfer mengalami gravitasi bumi sehingga terdifusi ke bawah sepanjang arah garis-garis gaya medan magnet bumi

Terjadi penumpukan elektron di sisi – sisi ekuator magnetik pada lintang magnetik sekitar +/- 15 derajat.

Kerapatan elektron tertinggi terjadi pada sore hari di sekitar lintang – 5 -8 derajat geografi di atas Indonesia

TEC tinggi menyebabkan kesalahan pengukuran jarak satelit.

Akan mengurangi akurasi posisi GPS

Model TEC Global

Sintilasi ionosfer

Sintilasi ionosfer yang besar akan menyebabkan receiver tidak dapat mendeteksi sinyal GPS karena diluar batas sensitifitas alat terhadap perubahan kuat sinyal yang diterima

Sehingga terjadi loss of lockSemakin besar sintilasinya semakin banyak satelit yang

tidak dapat diamatiPengurangan jumlah satelit yang diamati akan

memperbesar DOP.DOP yang besar akan mengurangi akurasi posisi GPS

Indek sintilasi ionosfer S4

Mitigasi pengaruh ionosfer pada sistem navigasi

• Pengaruh TEC dapat direduksi menggunakan model TEC regional atau lokal yang akurat

• Semakin akurat model TEC semakin dapat meningkatkan akurasi posisi GPS

• Sintilasi ionosfer merupakan gangguan yang tidak dapat direduksi tetapi informasi adanya sintilasi dapat memberikan prediksi akurasi posisi GPS

• Dengan receiver yang modern yang dapat menerima sinyal GPS dan Galileo serta satelit lainnya akan dapat mereduksi GDOP sehingga dapat meningkatkan akurasi posisi

DGPS

• Peningkatan akurasi GPS single frequency dapat dilakukan dengan metode differensial GPS (DGS) yang dapat mereduksi kesalahan ionosfer sampai level cm.

• Tetapi pada saat ada gradien ionosfer yang besar misalnya pada saat terjadi gangguan ionosfre mnejalar (TID, traveling ionospheric disturbances) kesalahan DGPS akan menjadi besar karena gradien ionosfer yang besar dan bergerak dengan cepat arah horisontal

Rencana Pelayanan informasi ionosfer yang akan diberikan dari

MSILRI• TEC regional Indonesia (update bulanan

ditingkatkan menjadi harian, jaman sampai resolusi 5 menitan)

• Gradien TEC regional (bulanan regional ditingkatkan menjadi jaman, 5 menitan dan lokal di atas Bandara di seluruh Indonesia

• Sintilasi ionosfer di atas Indonesia• Prediksi kondisi awal kejadian spread F harian

(untuk prediksi sintilasi ionosfer)

Tambahan ilustrasi, gambar dan contoh data sedang disiapkan