Pengaruh gangguan Ionosfer pada pengukuran GPS

1. Pengaruh gangguan Ionosfer pada pengukuran GPS Effendy fendy@idola.net.id Bidang Ionosfer dan telekomunikasi Pusat pemanfaatan sains Antariksa LAPAN BANDUNG

2. GPS • Jaringan satelit yang terus menerus memancarkan informasi kode ,dimana memungkinkan untuk identifikasi lokasi presisi di bumi dengan mengukur jarak dari satelit. • Bagaimana prinsip kerjanya? • 6 orbital planes • 60o apart • 24 satellites • 4 per plane • 56o inclination • Cadangan di orbit • Pada lintang kurang dari 60o • 6 satellites 98% of the time; 8 satellites 95% of the time

3. GPS Satellite (Satellite Vehicles(SVs)) • GPS Satelit pertama diluncurkan 1978 • Konstelasi lengkap dicapai pada thn.1994 • Satellite direncanakan untuk jangka waktu10 tahun • Sekitar 2,000 pounds,17 feet across • Transmitter power hanya 50 watts bahkan kurang.

4. History dari GPS • System navigasi berbasis radio yang dikembangkan oleh DoD • Awal Pengoperasian 1993 • System dinamakan NAVSTAR • NAVIgation with Satellite Timing And Ranging • Merefer pada satelit GPS • Terdiri dari 24 satelit, 6 bidang orbit, teridirI dari 4 satelit masing masing bidang. • Beroperasi diseluruh tempat di dunia selama 24 jam perhari, dengan kondisi segala cuaca. Meliputi : • Lokasi atau posisi tetap • Kecepatan • Arah perjalanan. • Akurasi waktu

5. Tiga Segmen dari GPS Space Segment User Segment Control Segment GroundAntennas Monitor Stations Master Station

6. Master Control Station Monitor Station Ground Antenna Control Segment US Space Command Cape Canaveral Hawaii Kwajalein Atoll Diego Garcia Ascension Is.

7. Space segment • System terdiri dari satelit GPS, space vehicles ini mengirimkan sinyal radio dari angkasa. • Nominal konstelasi operasional GPS terdiri dari 24 satelit, mengelilingi bumi dalam 12 jam, terdapat lebih dari 24 satelit operasional sebagai pengganti satelit lama yg masih operasional. • Fungsi dasar dari satelit “ Menerima dan menyimpan data yg dipancarkan oleh kontrol segment Pemeliharaan akurasi waktu dari beberapa frekeuensi atomik standar on board. • Memancarkan informasi dan sinyal kepada user baik satu frekuensi maupun kedua L band

8. Control segment Fasilitas yang diperlukan untuk : • Monitoring health satelit • Telemetry • Tracking • Command dan control • Perhitungan ephemeris • Up linking

9. User segment • GPS user equipment kombinasi dari : - hardware ( signal tracking) - software ( algoritma posisi, user interface ). • GPS user segment terdiri dari GPS receiver dan user komuniti, • GPS receiver mengkonversi sinyal SV terhadap waktu,,kecepatan dan estimasi waktu, empat satelit diperlukan untuk menghitung 4 dimensi seperti x,y,z dan waktu. • GPS receiver digunakan untuk navigasi,posisi, time dissemination dan research lainnya.

10. User Segment • Militer • Search and rescue. • Disaster relief. • Surveying. • Marine, aeronautical and terrestrial navigation. • Remote controlled vehicle and robot guidance. • Satellite positioning and tracking. • Shipping. • Geographic Information Systems (GIS). • Recreation. • dll.

11. Posisi berdasarkan waktu Signal meninggalkan satellite at time “T” T Signal diterima oleh receiver pada saat “T + 3” T + 3 Jarak antara satellite dan receiver = “3 kali kecepatan cahaya”

12. Pseudo Random Noise Code Perbedaan waktu Satellite PRN Receiver PRN

13. Time of Arrival • GPS menggunakan konsep time of arrival (TOA) dari sinyal untuk • menentukan posisi. • Mengukur waktu dari sinyal pancar yang diketahui lokasinya • menuju receiver pengguna. • Interval waktu pada dasarnya signal propagation time. • Interval waktu dikalikan dengan kecepatan cahaya, diketahui • jarak dari sumber pancar dengan penerima. • Dengan pengukuran propagation time of signals broadcast dari • lokasi pemancar yang telah diketahui posisinya, dapat dihitung lokasi • posisi penerima.

14. Prinsip dasar penentuan posisi dengan satelit

15. Sinyal dari 1 satelit Penerima berada pada batas lingkaran ini.

16. Sinyal dari 2 satelit

17. 3 Satelite (2D Positioning)

18. Triangulating Correct Position

19. 3 Dimensional (3D) Positioning

20. Faktor yang mempengaruhi GPS performance • Faktor Satellite • Broadcast ephemeris • Clock errors • Geometri konstelasi • SV anomali dan pemeliharann periodik • Faktor Atmosfer • Efek Ionosfer • Troposphere (weather) • Faktor pengguna • Sky visibility • User motion • User environment (urban, heavy foliage, etc.) • Signal reflections (multipath) • Interference (unintentional or otherwise) • Receiver design • (noise figure, sensitivity, software bugs, design limitations, etc.)

21. Sumber eror sinyal GPS • Standard Positioning Service (SPS ): Civilian User • SumberUkuran Eror • Satellite clocks: 1.5 to 3.6 meter • Orbital errors: < 1 meter • Ionosphere: 5.0 to 7.0 meter • Troposphere: 0.5 to 0.7 meter • Receiver noise: 0.3 to 1.5 meter • Multipath: 0.6 to 1.2 meter • Selective Availability (lihat penjelasan) • User error: Diatas kilometer atau lebih • Kumulatip Error dan peningkatan PDOP.

22. Selective Availability (S/A) • Departement pertahanan US mengacaukan pesan waktu satelit agar akurasi posisi menjadi rendah bagi pengguna GPS . • S/A didesain untuk mencegah pihak lawan Amerika dari penyalah gunaan GPS. • Sejak Mei 2000 Pentagon mereduksi S/A “to zero meters error”. • S/A dapat direaktivasi setiap saat oleh Pentagon.

23. Earth’s Atmosphere Solid Structures Electro-magnetic Fields Metal Sumber interferensi sinyal

24. Penggunaan GPS Receiver untukPosisi dan Navigasi

25. Geometri satelit

26. GPS Satellite Geometry • Geometri Satellite dapat berpengaruh pada kualitas sinyal GPS dan akurasi perhitungan triangulation receiver. • Dilution of Precision (DOP) merefleksikan posisi masing masing satelit relative terhadap satelit lainnya yg akan diakses oleh receiver. • Terdapat 5 paramater tentang DOP. • Nilai dari Position Dilution of Precision (PDOP) biasanya menentukan kualitas dari

27. Geometri Satelite • Konfigurasi satelit di angkasa dapat memperbesar eror. • Prinsip Geometric Dilution of Precision (GDOP) digunakan • untuk mengukur eror

28. Satellite Geometry • Geometric Dilution of Precision (GDOP) • - Position atau spherical (PDOP) • - Horizontal (HDOP) • - Vertical (VDOP) • - Time (TDOP) • Nilai DOP rendah menghasilkan akurasi lebih baik. • Beberapa GPS receiver dapat menganalisis posisi yang tersedia • berdasarkan dataalmanac, dan memilih satellite yg terbaik • untuk upaya menghasilkan DOP rendah. • Hal yang penting GPS receiver dapat mengabaikan atau eliminasi • pembacaan DOP GPS ketika melebihi batas nilai yg ditentukan.

29. DOP DOP bergantung pada lokasi satellite

30. DOP Good DOP Poor DOP

31. Ideal Satellite Geometry N E W S

32. Good Satellite Geometry

33. Good Satellite Geometry

34. Poor Satellite Geometry N W E S

35. Poor Satellite Geometry

36. Poor Satellite Geometry

37. Koreksi Ionosfer dengan Diferensial GPS

38. Differential GPS: Meningkatkan Akurasi • Differential correctiondapat menghasilkan akurasi antara • 1-5 meters, atau lebih dengan tambahan peralatan. • Differential correction membutuhkan GPS receiver kedua, sebagai • base station, mengumpulkan data pada posisi yg tetap dengan • diketahui Posisi yang tepat. • Karena posisi base stasion diketahui faktor koreksi dapat dihitung • dengan membandingkan lokasi yang telah ditentukan oleh satelit. • Proses differential correction memberikan faktor koreksi dan dapat • digunakan pada pengumpulan data penerima GPS di lapangan. • Differential correction mengeliminasi sejumlah eror. • Perbedaan waktu menyatakan eror sinyal satelit. • Post-Processing DGPS dapat dilakukan untuk koreksi setelah waktu pengukuran.

39. GPS Error Budget Source Uncorrected With Differential Ionosphere 0-30 meters Mostly Removed Troposphere 0-30 meters All Removed Signal Noise 0-10 meters All Removed Orbit Data 1-5 meters All Removed Clock Drift 0-1.5 meters All Removed Multipath 0-1 meters Not Removed Receiver Noise ~1 meter Not Removed SA 0-70 meters All Removed

40. x+5, y-3 x+30, y+60 x-5, y+3 Receiver DGPS Receiver DGPS Site Real Time Differential GPS DGPS correction = x+(30-5) and y+(60+3) True coordinates = x+25, y+63 True coordinates = x+0, y+0 Correction = x-5, y+3

41. Hasil penelitian ionosfer berbasis GPS

42. Standard Positioning Service (SPS) • Tersedia untuk semua user • Degradasi akurasi oleh Selective Availability sampai 2 May 2000 • Horizontal Accuracy: 100m • Saat ini menedekati akurasi kasar PPS Precise Positioning System (PPS) • Hanya kalangan teretentu • U. S. dan semua militer • Diperlukan cryptographic equipment, specially equipped receiver • Akurasi mencapai 21 meter.

43. Example : Accuracy = DOP URE2 + UEE2 • User Range Error • Control Segment • Signal-in-Space • Accuracy • User Equipment Error • User Segment • Multipath, ionosphere, • troposphere, UE clock • errors • Dilution of Precision • Space Segment • Constellation Design

44. GPS Single Frequency Performance Standard Decreasing range error Signal in Space RMS URE: Root Mean Square User Range Error

45. Pengguna GPS

46. User • Militer • Search and rescue. • Disaster relief. • Surveying. • Marine, aeronautical and terrestrial navigation. • Remote controlled vehicle and robot guidance. • Satellite positioning and tracking. • Shipping. • Geographic Information Systems (GIS). • Recreation. • dll.

47. Perkembangan Satelit GNSS

48. GNNS: Competetion • Russia/Soviet Union • GLONASS • GPS without SA capability • Few satellites and little funding • EU • GALILEO • Lots of internal controversy • Expensive • Long time to build • Still no hardware • Interesting “business model”: Subscriptions/fee for services

49. Galileo (EU) GLONASS GPS COMPASS(China) Future Considerations

50. Contoh GPS hand held