IMPLEMENTASI SISTEM TRACKING OBYEK BERGERAK UNTUK PENERAPATAN GROUND STATION ROKET/UAV

Transkripsi

1 0050: Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto HK-25 IMPLEMENTASI SISTEM TRACKING OBYEK BERGERAK UNTUK PENERAPATAN GROUND STATION ROKET/UAV Joko Suryana 1, dan Herma Yudhi Irwanto 2 1 Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa 10 Bandung 40132, Telepon (022) Bidang Kendali LAPAN Jalan Raya LAPAN Rumpin Bogor, Kode Pos joko.suryana@stei.itb.ac.id Disajikan 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 sudah 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 ẋ ẏ φ = [ vc cos φ vc L v c sin φ + vc L (a sin φ + b cos φ) tan α (a cos φ b sin φ) tan α v c L tan α ] (14) Pada peluncuran sebuah roket atau penerbangan suatu UAV (Unmanned Aerial Vehicle) diperlukan sensor gerak dinamik untuk mendeteksi trayektori dan attitude ketika terbang. Dalam hal ini, kemampuan tracking secara otomatis dari ground station untuk menjejak roket ataupun UAV sangat berpengaruh kepada pengendalian 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 dengan pengendalian secara manual. Penjejakan obyek bergerak berupa roket atau UAV secara manual memiliki kelemahan dalam hal terganggunya keberlangsungan komunikasi data/telemetri/image/video karena pengarahan antena ground station yang tidak akurat karena mengandalkan kemampuan operator dalam memperkirakan posisi obyek serta perkiraan arah pergerakannya yang akan semakin menurun bila obyek berada pada jarak yang lebih jauh serta dengan kecepatan obyek yang tinggi. Dengan semakin meningkatnya aktivitas pengembangan roket dan missile nasional seperti yang dikembangkan oleh LAPAN ataupun PINDAD serta kebutuhan akan pengendalian/pemantauan navigasi UAV untuk berbagai keperluan, maka sudah saatnya dikembangkan juga suatu ground station peluncuran 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 station dengan obyek bergerak berupa roket/uav. Platform penjejak otomatis ini dirancang memiliki dua derajat kebebasan, waktu respon cepat, dan akurasi tinggi. Komponen utama sistem tracking adalah sistem antena yang memiliki kemampuan untuk mengikuti pergerakan target dan posisi target secara akurat. Implemen-

2 HK-26 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 sistem tracking multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band untuk mendukung penjejakan roket/uav dan sekaligus dukungan komunikasi telemetry, command pengendalian 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 untuk mempertahankan hubungan komunikasi yang kontinu antara ground station dengan obyek bergerak berupa roket/uav. Platform penjejak otomatis ini dirancang 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 deteksi pergerakan target serta algoritma tracking untuk mengikuti pergerakan target dan posisi target secara akurat. Implementasi penjejakan target menggunakan teknik monopulse dengan antenna gain tinggi yang sanggup melakukan penjejakan azimuth dan elevasi untuk jarak jangkauan tipikal roket/uav. II. METODOLOGI Pada tahun kedua, diimplementasikan sistem tracking multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band untuk mendukung penjejakan roket/uav dan sekaligus dukungan 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 antenna multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band. 2. Mengembangkan sistem tracking dengan kemampuan secara simultan untuk komunikasi telemetry, command pengendalian roket/uav serta transmisi video secara simultan. 3. Meningkatkan jangkauan tracking sampai minimal 50 km dan ditingkatkan sampai jarak 100 km. 4. Pengembangan algoritma tracking untuk mendukung penjejakan oyek bergerak secara mutiobject 0050: Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto 5. Melakukan evaluasi kinerja platform penjejak di lingkungan indoor (uji manuver terbatas) dan lingkungan outdoor untuk penjejakan roket/uav dilapangan 6. Menyusun laporan riset dan melaksanakan diseminasi 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 GHz dengan Gain Besar Suatu ground station roket/uav selain harus memiliki 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 menggunakan band 900 MHz dan S-band 2.2 GHz. Sedangkan untuk transmisi video, roket dan UAV lebih sering 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 Secara Simultan Pada kegiatan ini, selain mendesain dan mengimplementasikan 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 mendukung link komunikasi baik telemetry maupun transmisi video. Dalam hal ini, antena parabola quad beam yang telah dikembangkan di tahun pertama akan dimanfaatkan kembali di tahun kedua ini dengan mengganti 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 untuk penggunaan tracking, telemetry, control dan transmisi video berturut-turut dengan kecepatan penggiliran yang sangat cepat sehingga secara sistem akan terasa sebagai operasi simultan tracking, telemetry, control 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-

3 0050: Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto HK-27 baikan gain antena akan meningkatkan secara signifikan jangkauan tracking yang semula hanya 30 km menjadi minimal 50 km dan bahkan sampai menjangkau target berjarak 100 km. Desain ulang HPA, LNA dan gain antena multiband serta modifikasi parabola memungkinkan terjadinya peningkatan margin daya sehingga dapat dimanfaatkan untuk memperbesar jangkauan platform tracking. A-4. Pengukuran Kinerja Pada penelitian tahap pengukuran kinerja ini, beberapa pengukuran akan dilakukan terkait dengan kinerja sistem antena,baik antena berbasis dish parabola, kinerja receiver 4 kanal serta kinerja algoritma tracking yang telah diimplementasikan. Pengukuran sistem antena multiband meliputi: Gain, Pola Radiasi, Bandwidth, 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 pengembangan sistem tracking dengan antenna multiband 900 MHz/2.4 GHz/S-band untuk: 1. Mendukung penjejakan roket/ UAV 2. Sekaligus dukungan komunikasi telemetry, command pengendalian roket/uav serta transmisi video secara simultan. 3. Jangkauan tracking juga telah ditingkatkan sampai 100 km. 4. Dilakukan penyempurnaan algoritma tracking untuk mendukung penjejakan muti-object dengan kemampuan jelajah yang lebih jauh >100 km. Rancangan riset tahun kedua terdiri dari enam kegiatan riset utama, yaitu pemilihan sistem antena, pemilihan teknik tracking, pemilihan algoritma tracking, pengukuran kinerja modul, dan pengujian di lapangan. B-1. Perancangan Sistem Antena Gain Besar Multiband GHz Kegiatan pada tahapan ini meliputi: pemilihan jenis antena dengan kemampuan multiband GHz dengan 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 Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro (LTRGM). Antena yang dipilih bukan lagi menggunakan parabola seperti tahun pertama tetapi pada tahun kedua menggunakan 5 buah subarray antena cross dipole 4 4 V dan 4 4 H dengan bahan mikrostrip sebagaimana GAMBAR 1, sedangkan masing-masing subarray diperlihatkan GAMBAR 2. B-2. GAMBAR 1: Antena Tracking baru GAMBAR 2: Subarray crossdipole VH GAMBAR 3: Hasil simulasi VSWR Implementasi Sistem Antena Gain Besar Multiband GHz Untuk peningkatan TKDN dan mengurangi kebergantungan import, implementasi antena multiband highgain ini menggunakan material yang terdapat dalam pasar lokal, yaitu FR-4. Implementasi antena didasarkan pada penggunaan crossdipole untuk mendukung operasi polarisasi vertikal dan horizontal. Foto hasil implementasi diperlihatkan pada GAMBAR 5 dan GAMBAR 6.

4 HK : Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto GAMBAR 4: Hasil Simulasi Pola Radiasi GAMBAR 6: Foto Hasil Implementasi Antena 4 4 V dan 4 4 H GAMBAR 5: Foto Implementasi Subarray Antena crossdipole VH B-3. Pengukuran Sistem Antena Gain Besar Multiband GHz Pada tahap pengukuran kinerja ini, beberapa pengukuran akan dilakukan terkait dengan kinerja sistem antena. Pengukuran sistem antena multiband meliputi: Gain, Pola Radiasi, Bandwidth, Beamwidth dan VSWR. GAMBAR 7 dan 8 berikut memperlihatkan set up pengukuran VSWR dan hasil pengukuran 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 menggunakan 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 memerintahkan motor penggerak antena apakah antena harus bergerak secara elevasi maupun azimuth. Berikut ini adalah blok diagram sistem tracking dan implementasi hardware-nya. B-5. GAMBAR 7: Set up Pengukuran VSWR Melakukan realisasi penggerak azimuth dan elevasi 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 menggerakan dua motor tersebut dibutuhkan driver daya yang pengendaliannya dilakukan dengan PWM (Pulse Width Modulation) dengan kendali mikroprosesor. Spesifikasi motor yang dipilih bisa digunakan untuk

5 0050: Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto HK-29 GAMBAR 8: Pengukuran pola radiasi GAMBAR 11: Antena terpasang pada Platform Dual Motor GAMBAR 9: Blok Diagram sistem GAMBAR 10: 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- tor penggerak arah azimuth dan elevasi diubah dengan motor daya yang lebih besar. GAMBAR 11 memperlihatkan 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 implementasi teknik tracking pada sistem antena yang baru beserta penggantian sistem dual motor yang lama dengan yang baru. Teknik tracking yang dipilih menggunakan empat buah antena penerima yang mewakili empat kuadran yaitu atas, bawah, kiri, dan kanan. Masingmasing antena dihubungkan dengan Low Noise Amplifier (LNA) dan berikutnya dihubungkan dengan power detector. Keluaran power detector dihubungkan dengan micro processor yang kemudian akan memerintahkan kepada actuator yang memerintahkan motor penggerak antena apakah antena harus bergerak secara elevasi maupun azimuth. Berikut ini adalah gambar perangkat modul deteksi pergerakan obyek pada kanalkanal kanan, kiri, bawah dan atas. Foto berikut memperlihatkan integrasi subsistem RF dengan antena dan platform dual motor. B-6. Pengujian Fungsi Tracking Untuk melakukan pengujian fungsi tracking dibutuhkan Signal Generator, Antena Pemancar yang mewakili sinyal UAV atau roket serta perangkat Voltmeter 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

6 HK : Joko Suryana & Herma Yudhi Irwanto GAMBAR 12: Foto intergasi modul kendali dan antena GAMBAR 14: 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 [2] Joko Suryana dan Herma Yudhi, Perancangan dan Implementasi Antena Payload/Telemetri/GPS Corformal pada Sistem Roket LAPAN RX-420. Seminar Nasional RADAR IV, LIPI, 2010 di Jogjakarta GAMBAR 13: Foto Pengukuran Kinerja Deteksi Pergerakan Obyek azimuth, sedangkan kanal atas dan kanal bawah untuk deteksi elevasi. Foto pengujian fungsi tracking diperlihatkan sebagaimana GAMBAR 13. 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