Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 305 hal. 305-310 RANCANGAN PEMANFAATAN DATA TEC PADA SISTEM PPP NEAR REAL TIME DENGAN GPS FREKUENSI TUNGGAL Buldan Muslim Peneliti Bidang Ionosfer dan Magnetosferik Instalasi Pengamatan Dirgantara Pusfatsainsa, LAPAN Jl. Dr. Junjunan 133 Bandung, 40173 Email: mbuldan@yahoo.co.id INTISARI Penentuan posisi presisi tinggi (precise point positioning, PPP) telah mendapatkan perhatian yang luas pada beberapa tahun terakhir sebagai salah satu generasi teknologi Real Time Kinematic (RTK) pada masa yang akan datang. PPP merupakan penentuan posisi yang fleksibel dan hemat biaya karena tidak membutuhkan stasiun referensi. PPP dengan alat penerima Global Positioning System (GPS) frekuensi tunggal memiliki kesalahan terbesar dari bias ionosfer. Data total electron content (TEC) dari model Global Ionospheric Map (GIM), orbit presisi dan jam satelit yang akurat telah tersedia secara real time sehingga dapat digunakan untuk pengembangan sistem PPP near real time. Dengan menggunakan GPS frekuensi tunggal, Laptop dan modem dapat dibangun sistem PPP near real time. Makalah ini menjelaskan rancangan pemanfaatan data TEC pada sistem PPP near real time dengan GPS frekuensi tunggal. Kata kunci: Penentuan posisi, GPS, frekuensi tunggal, TEC, bias ionosfer. I. PENDAHULUAN Layanan penentuan posisi dengan GPS dengan single receiver dapat dibagi menjadi dua macam yaitu layanan posisi standard (Standard Positioning Servives, SPS) dan penentuan posisi titik presisi tinggi (Precise Point Positioing, PPP). SPS adalah layanan yang dapat diperoleh oleh pengguna sipil yang didasarkan pada pengamatan jarak kode frekuensi tunggal dengan kode sipil yang disebut Course/Acquisition (C/A) dan data navigasi yang dipancarkan oleh satelit GPS secara real time (ICD, 2000). Pengeporasian GPS genggam di lokasi yang memungkinkan dapat teramati satelit-sateli GPS dengan baik bisa menghasilkan koordinat dengan akurasi sekitar 3-5 meter arah horizontal dan 6 10 meter arah vertikal. Sumber-sumber kesalahan utama adalah dari bias ionosfer dan troposfer serta pengaruh yang tergantung pada lokasi yaitu multipath dan derau pengukuran. Selain itu faktor geomatri satelit yang teramati dapat dipengaruhi oleh adanya bangunan dan pegunungan yang tinggi juga mempengaruhi akurasi posisi GPS. Dalam upaya mengurangi kesalahan-kesalahan pengukuran GPS tersebut digunakanlah metode Differential GPS (DGPS) menggunakan dua receiver GPS atau lebih. Tergantung pada kualitas dari receiver dan model pengamatan yang terpercaya, akurasi posisi sampai meter, sub-meter, desimeter, sentimeter dan sub-sentimeter dapat diperoleh. Estimasi koordinat dapat dilakukan pada proses akhir di mana semua data pengamatan dikumpulkan dalam satu PC pengolah setelah survei. Sebagai alternatif data dari stasiun referensi dapat ditransmisikan ke pengguna GPS selama survei sehinga posisi relatif dapat ditentukan secara real time. Tetapi di daerah yang jauh dari stasiun referensi dan sulit dijangkau oleh komunikasi data sehingga diperlukan stasiun referensi lokal yang temporer beroperasi saat survei saja. Metode ini dikenal dengan metode DGPS (Ovstedal dkk., 2002). Alternatif lain dari metode DGPS yang menggunakan minimal dua receiver adalah penentuan posisi dengan menggunakan satu penerima GPS tetapi dengan mengganti data navigasi dengan yang lebih presisi. Dengan cara ini menggunakan GPS receiver tipe geodetik dan model yang dipercaya, dapat menghasilkan akurasi sampai sentimeter. Metode ini disebut dengan penentuan posisi titik presisi (Precise Point Positioning, PPP). Metode ini dikenalkan oleh Zumberge dkk. (1998), tetapi sekarang
306 Buldan Muslim / Rancangan Pemanfaatan Data TEC Pada Sistem PPP Near Real Time Dengan GPS ini telah dimodifikasi untuk mengakomodasi keperluan metode kinematik (Kouba dan Heroux, 2001; Ovstedal dkk., 2002). Model yang digunakan dalam PPP adalah merupakan pengembangan model yang digunakan dalam SPS. Modifikasi yang penting adalah dalam hal penggunaan koreksi jam satelit dan orbit GPS dengan produk yang lebih akurat misalnya dari IGS. Termasuk juga pengamatan fase gelombang pembawa. Dengan diberikan geometri satelit yang cukup dalam model, efek troposfer dapat dimitigasi melalui estimasi parameter-parameter tambahan untuk residual bias troposfer arah zenith, dan juga gradient troposfer. Faktor yang mempengaruhi kekuatan geometri adalah jumlah dan distribusi satelit GPS yang teramati dari pengguna, batas sudut elevasi, panjang waktu pengamatan fase secara kontinyu dan dinamika receiver. Dengan GPS frekuensi ganda pengaruh ionosfer dapat dieliminasi sampai 99,9 % melalui kombinasi linier bebas ionosfer (Hofman-Wellenhof dkk., 2001). Ketika menggunakan GPS frekuensi tunggal maka yang paling besar efeknya adalah dari bias ionosfer sehingga perlu dikoreksi. Beberapa model empiris dapat digunakan seperti model Klobuchar, model Klobuchar yang telah dipaskan dengan TEC GIM, dan Global Ionospheric Map (GIM). Karena akurasi model TEC yang tersedia maka akurasi posisi GPS dengan frekuensi tunggal tidak dapat mencapai level di atas submeter (Ovstedal, 2002). Dengan data kualitas tinggi dari pengamatan statik satu hari penuh dengan GPS frekuensi ganda, dan dengan software terkini dapat dicapai akurasi level cm baik vertikal maupun horizontal. Dengan cara kinematik akurasi akan menurun sesuai dengan waktu pengamatannya missal 6 jam pengamatan menghasikan beberapa cm dan untuk 1 jam dapat diperoleh akurasi sampai level dm (Ovstedal, 2006). Pada teknik DGPS memungkinkan mengepaskan ambiguitas gelombang pembawa ke nilai bulat yang benar. Ini mungkin karena selama pemrosesan data bias hardware satelit dan receiver dapat dieliminasi. Tetapi dalam teknik nondifferensial seperti PPP, ambiguitas gelombang pembawa tidak mungkin diselesaikan sehingga nilai tersebut harus diestimasi yang dikenal dengan solusi float (Kouba, 2003). Proses solusi float ini membutuhkan waktu yang relatif lama untuk mendapatkan akurasi posisi yang tinggi. Sebagai contoh pada DGPS solusi float membutuhkan waktu sekitar 150 detik untuk mencapai level akurasi DGPS sampai sentimeter. Koordinat yang diestimasi dengan PPP sama dengan koordinat satelit yaitu dalam kerangka referensi global. Pada saat menggunakan produk orbit IGS, koordinat receiver yang diestimasi adalah dalam kerangka International Terrestrial Reference Frame (ITRF) pada saat pengamatan. Pada aplikasi pemetaan dan navigasi diperlukan transformasi koordinat dari ITRF ke koordinat lokal atau regional. Pada saat memproses data orbit satelit, koreksi jam satelit, dan parameter-parameter orientasi bumi, sejumlah produk yang berbeda telah tersedia secara bebas, seperti yang dapat diperoleh dari http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.htlm. Produk-produk International GPS Serivices (IGS) memiliki perbedaan dalam keterlambatan, akurasi dan interval waktu serta kecepatan updatenya. Untuk PPP akurasi tinggi menjadikan PPP proses akhir sebagai pilihan. Tetapi sekarang ini produk IGS telah tersedia secara real time dengan akurasi yang cukup tinggi. Dengan adanya produk GPS real time tersebut maka memungkinkan dibangun sistem PPP. Pada makalah ini dijelaskan rancangan pemanfaatan data TEC pada PPP dengan GPS frekuensi tunggal dan beberapa peluang aplikasi PPP di Indonesia. II. RANCANGAN SISTEM PPP NEAR REAL TIME DENGAN GPS FREKUENSI TUNGGAL Dengan perkembangan teknologi informasi dan komunikasi dan produk GPS real time dapat dirancang sistem PPP near real time seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Buldan Muslim / Rancangan Pemanfaatan Data TEC Pada Sistem PPP Near Real Time Dengan GPS 307 INTERNET Antena GPS receiver LAPTOP MODEM Server IGS Gambar 1. Rancangan PPP near real time dengan GPS frekuensi tunggal Sistem PPP terdiri dari antena GPS yang dirancang dapat menerima sinyal yang dipancarkan dari satelit GPS yang mengorbit mengelilingi bumi dengan periode 11 jam 56 menit dan diletakkan di lokasi yang memungkinkan dapat mengamati minimal 4 satelit pada saat pengukuran GPS. GPS receiver yang digunakan adalah GPS frekuensi tunggal yang dapat menerima data kode dan fase sinyal GPS. Receiver ini terhubung dengan LAPTOP melalui USB atau RS 232. LAPTOP dilengkapi dengan modem untuk koneksi internet sehingga dapat digunakan untuk download pengamatan GPS, download produk IGS yang terdiri dari orbit GPS real time, jam satelit real time, informasi koreksi offset antena satelit GPS serta data TEC, kemudian untuk komputasi koreksi kesalahan-kesalahan pengamatan GPS, dan untuk penyelesaian PPP frekuensi tunggal sehingga dapat menghasilkan posisi 3 dimensi yang presisi secara near real time. III. METODOLOGI PEMANFAATAN DATA TEC Mayoritas pengguna GPS adalah dengan frekuensi tunggal. Maka PPP dengan frekuensi tunggal akan menjadi teknik yang menarik dalam aplikasi yang luas. Namun sejauh ini akurasi hanya sampai tingkat beberapa meter dengan PPP frekuensi tunggal. Hal ini disebabkan oleh efek ionosfer yang merupakan efek paling dominan dalam PPP sesudah penerapan koreksi jam dan orbikt GPS yang akurat, tidak dapat dimitigasi secara efektif dengan pengamatan GPS frekuensi tunggal. Dengan demikian bagaimana cara memitigasi efek ionosfer pada pengukuran GPS nondifferensial dengan GPS frekuensi tunggal adalah merupakan kunci utama dalam pengembangan sistem PPP frekuensi tunggal. Secara global metodologi pemanfaatan data TEC pada PPP dapat diilustrasikan dengan Gambar 2. Dari Gambar 2 tersebut dapat diketahui bahwa pemanfaatan data TEC ionosfer pada PPP adalah tergantung dari jenis data TEC yang akan digunakan untuk koreksi ionosfer. Ada 4 jenis data TEC yaitu data TEC GIM yang diturunkan dari jaringan pengamatan GPS stasiun IGS di seluruh permukaan bumi, data TEC keluaran TECMeter atau Global Ionospheric Scintillation and TEC Monitoring (GISTM) dan data TEC yang diturunkan dari data GPS stasiun tetap serta TEC yang diturunkan dari data GPS stasiun referensi yang belum menjadi stasiun IGS. Data TEC GIM berasal dari model TEC global menggunakan fungsi harmonik bola. Resolusi spasial data TEC GIM adalah 2,5 o lintang x 5 o bujur dan resolusi waktu TEC GIM adalah 2 jam. Data TEC GIM ini sudah dikalibrasi dari bias receiver dan satelit sehingga dapat langsung digunakan untuk koreksi pengamatan GPS dari bias ionosfer. Tetapi karena resolusi waktu pengamatan GPS adalah dalam orde puluhan detik (umumnya 30 detik), maka diperlukan interpolasi terlebih dahulu agar sesuai dengan resolusi waktu dan spasial pengamaatan GPS. Data TEC GIM ini dapat diperoleh dari ftp://ftp.unibe.ch/aiub/code/.
308 Buldan Muslim / Rancangan Pemanfaatan Data TEC Pada Sistem PPP Near Real Time Dengan GPS Jenis data TEC yang kedua adalah dari hasil pengamatan GISTM yang menghitung TEC secara real time dari data pengamatan GPS frekuensi ganda. Walaupun data TEC GISTM sudah dikalibrasi pada awal instalasi peralatan tetapi dengan bertambahnya usia peralatan GISTM maka data TEC GISTM perlu dikalibrasi sebelum digunakan dalam PPP. Di samping itu data TEC GISTM juga belum dikalibrasi dari bias Differential Code Bias (DCB) satelit yang dalam jangka waktu beberapa bulan sudah ada perubahan sehingga perlu dikalibrasi ulang secara periodik. Sama dengan data TEC GIM, bias DCB satelit dapat didownload dari ftp://ftp.unibe.ch/aiub/code/. Data TEC pengamatan GISTM adalah pengamatan STEC (slant TEC) dengan resolusi waktu 30 detik. Sebelum digunakan untuk koreksi ionosfer pada pengamatan GPS yang terletak pada jarak tertentu dari GISTM perlu dibuat model spasial TEC dari data STEC GISTM. Model spasial TEC regional ini dapat mencakup wilayah yang luas cakupannya tergantung pada sudut elevasi yang digunakan. Semakin tinggi sudut elevasi minimum yang diterapkan akan semakin sempit cakupan model TEC yang dikembangkan. Dari model spasial TEC tersebut dapat ditentukan koreksi ionosfer pada pengamatan GPS. Data TEC GIM TEC GPS Data GPS IGS Data GPS Non IGS Kalibrasi TEC Komputasi TEC Komputasi TEC Kalibrasi TEC Interpolasi spasial dan temporal TEC Model TEC Model TEC Model TEC Posisi awal Receiver Elevasi dan azimuth satelit GPS Interpolasi orbit sesuai pengamatan GPS Data orbit GPS presisi Bias ionosfer / Koreksi ionosfer Satelit Receiver Rinex bebas ionosfer Data rinex terkalibrasi Solusi Pengamatan GPS Posisi 3 dimensi Receiver dan kesalahan jam receiver Data Rinex Estimasi sumber kesalahan lainnya Kesalahan jam satelit GPS Bias troposfer Kesalahan phase windup Kesalahan orbit Bias antara P1 dan C1 Kesalahan penundaan grup saat pemancaran sinyal dari satelit Gambar 2. Diagram alir pemanfaatan data TEC pada PPP dengan GPS frekuensi tunggal
Buldan Muslim / Rancangan Pemanfaatan Data TEC Pada Sistem PPP Near Real Time Dengan GPS 309 Dari data GPS stasiun IGS dapat diturunkan data TEC. Karena semua stasiun IGS telah dihitung bias DCB receivernya oleh pusat analisis GPS maka informasi bias DCB receiver dapat digunakan untuk kalibrasi TEC GPS IGS sehingga langsung dapat digunakan untuk pemodelan regional TEC di sekitar stasiun IGS. Adapun jenis data yang keempat adalah data TEC yang diturunkan dari data GPS stasiun referensi yang belum menjadi stasiun IGS. Terhadap data GPS seperti ini tidak ada informasi bias DCB receiver sehingga data TEC yang diturunkan dari data GPS jenis ini perlu dikalibrasi terlebih dahulu sebelum digunakan untuk pemodelan spasial TEC. Kalibrasi TEC GPS non IGS ini bisa dilakukan menggunakan metode regresi linier antara STEC versus fungsi pemetaan, menggunakan data ionosonda atau menggunakan metode geometri satelit (Buldan dan Septi, 2009). Model TEC regional di sekitar stasiun GPS IGS, non IGS, atau GISTM dapat dibuat menggunakan fungsi harmonik untuk variasi diurnal TEC dan fungsi polinom untuk variasi spasial TEC (Buldan, 2009). Setelah model TEC diperoleh dari data TEC GPS kemudian diperlukan informasi awal posisi GPS yaitu posisi GPS yang diestimasi dari pengamatan GPS yang belum dikoreksi dari kesalahan-kesalahan pengukuran. Dilengkapi dengan informasi orbit satelit GPS yang presisi maka dengan asumsi ketinggian lapisan tunggal ionosfer adalah pada ketinggian sekitar 450 km, dapat ditentukan ditentukan koordinat titik ionosfer pada pengamatan GPS. Dengan diketahuinya koordinat titik ionosfer maka interpolasi TEC GIM dan TEC model regional pada titik ionosfer dapat dihitung yang kemudian dapat dikonversikan ke STEC menggunakan fungsi pemetaan. Bias ionosfer dalam arah propagasi sinyal GPS dapat ditentukan dari STEC menggunakan rumus konversi STEC ke bias ionosfer menggunakan persamaan (1) Bias ionosfer sepanjang lintasan sinyal GPS tersebut digunakan untuk mereduksi efek ionosfer pada pengamatan kode dan fase GPS yang dapat dituliskan sebagai (Chen dan Gao, 2005, dengan tambahan notasi untuk kelengkapan sumber kesalahan) C ( dt dt + Tgd ) orb trop ion 1 rel P1C1 ε 1 = ρ + c + (2) 1 rs C untuk pengamatan jarak kode. Untuk pengamatan fase dapat diungkapkan sebagai Φ = ρ ( dt dt + Tgd ) + λ1n1 orb trop d ion + + ε 1 rel d wl 1 + c (3) 1 rs Φ Untuk penentuan posisi dengan akurasi sampai sub-meter menggunakan PPP dengan produk jam satelit dan orbit yang presisi yang dapat diperoleh dari IGS atau Jet Propulsion Laboratory (JPL), kesalahan orbit d orb dan kesalahan jam satelit dt dapat dieliminasi. Bias troposfer d trop dapat diestimasi sampai level desimeter atau bahkan sampai level sentimeter menggunakan model troprosfer dan pengukuran meteorologi. Efek relatifitas d rel dan kesalahan phase windup d wl dapat dimodelkan dengan akurasi sentimeter. Seperti halnya koreksi jam satelit yang kosisten untuk pengamatan P1 dan P2, kesalahan dari penundaan sinyal grup dari satelit T gd dapat diestimasi dari data navigasi. Antara P1 dengan C1 juga ada bias yang perlu juga dikoreksi. Dengan demikian maka persamaan (2) dan (3) menjadi lebih sederhana setelah koreksi bias ionosfer yang dispersif dan bias-bias lainnya yang nondispersif sehingga dapat ditulis dalam bentuk Persamaan (4) dan (5) merupakan persamaan pengamatan yang telah dikalibrasi. Tetapi dalam persamaan tersebut diketahui masih adanya kesalahan dari jam receiver. Kesalahan jam receiver ini menjadi parameter ke empat yang harus diestimasi sebagai tambahan tiga parameter koordinat posisi (4) (5)
310 Buldan Muslim / Rancangan Pemanfaatan Data TEC Pada Sistem PPP Near Real Time Dengan GPS receiver. Oleh karena itu diperlukan minimal 4 pengamatan jarak satelit untuk penyelesian persamaan bola dengan pusat di koordinat sateli dan dengan jari-jari sama dengan jarak pengamatan GPS. IV. KESIMPULAN Telah dibangun rancangan pemanfaatan data TEC pada sistem penentuan posisi presisi (PPP) near real time menggunkan penerima GPS frekuensi tunggal. Pemanfaatan data TEK dapat dilakukan secara real time atau proses akhir di Indonesia. PPP real time dapat dilakukan di sebagian besar wilayah Indonesia yang telah terjangkau sinyal GPRS untuk mendukung koneksi internet untuk download produk GPS presisi dari IGS seperti jam satelit, orbit GPS dan model TEC GIM atau data TEC lainnya yang telah tersedia di server ftp yang dapat didownload secara real time. V. REFERENSI Buldan, M., (2009), Pemodelan TEC ionosfer di atas Sumatra dan sekitarnya mendekati real time dari data GPS NTUS, Prosiding Seminar Nasional Revitalisasi Data dan Informasi Keruangan (Geospasial) untuk Meningkatkan Efisiensi Pengelolaan Potensi Sumber Daya Daerah, Yogyakarta, 26 Juni 2009. Buldan, M. dan Septi, P., (2009), Komputasi TEC ionosfer mendekati real time dari data GPS, Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapannya, FMIPA UNY, Yogyakarta, 16 Mei 2009. Chen, K. and Gao, Y., (2005), Real-Time Precise Point Positioning Using Single Frequency Data, Proceedings of ION GNSS, Long Beach, California, September 13-16, 2005. Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H. & Collins, J., (2001), GPS - Theory and Practice, Fifth edition, Springer, Wien - New York ICD, (2000), Interface Control Document - Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces, ICD-GPS-200C. Kouba J., (2003), A Guide to Using International GPS Service (IGS) Products. http://igscb. jpl.nasa.gov/ igscb/resource/pubs/ GuidetoUsingIGSProducts.pdf. Kouba, J., and Héroux, P., (2001), GPS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products, GPS Solutions, Vol.5, No.2, pp. 12-28. Ovstedal, O., (2002), Absolute Positioning with Single Frequency GPS Receivers, GPS Solutions, 5(4): 33-44. Ovstedal, O., Ofstad, A.E., Haustveit, K.T., Kristiansen, O., (2002), A Comparison between Absolute Positioning Methods and Differential Methods in a Maritime Environment. Proceedings of the 15th International Technical Meeting of the Satellite Division of the cinstitute of Navigation (ION GPS-2002). Institute of Navigation, USA, pp. 2304-2310. Obstedal, O., Kjorsvik, N. S., Gjevestad, J. G. O., (2006), Surveying using GPS Precise Point Positioning, Shaping the Change, XXIII FIG Conggress, Munich, Germany, October 8-13. Zumberge, J.F., Heflin, M.B., Jefferson, D.C., Watkins, M.M. and Webb, F.H., (1998), Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks. Journal of Geophysical Research, Vol. 102, 5005-5017.