PENINGKATAN KESTABILAN PENGUKURAN FREKUENSI RUBIDIUM DENGAN PEMANFAATAN GLOBAL POSITIONING SYSTEM DISCIPLINED OSCILLATOR Windi Kurnia Perangin-angin 1, A. Mohamad Boynawan 2, Ratnaningsih 3 1 Puslit KIM LIPI, Kompleks Puspiptek Setu Tangerang Selatan, windi@kim.lipi.go.id 2 Puslit KIM LIPI, Kompleks Puspiptek Setu Tangerang Selatan, boy@kim.lipi.go.id 3 Puslit KIM LIPI, Kompleks Puspiptek Setu Tangerang Selatan, ratna@kim.lipi.go.id INTISARI Telah dilakukan pengukuran frekuensi nominal 10 MHz pada GPS-DO dan rubidium. Tingkat kestabilan pada frekuensi merupakan salah satu parameter yang menentukan kualitas hasil pengukuran. Berdasarkan hasil pengukuran, tingkat kestabilan rubidium 1 x 10-10, sedangkan GPS-DO memliki kestabilan 1 x 10-12. Kestabilan osilator rubidium dapat ditingkatkan dengan menghubungkannya ke satelit GPS, sehingga memiliki kemampuan seperti GPS-DO. GPS-DO memiliki performasi yang bagus dan dapat dijadikan sebagai standar waktu dan frekuensi di laboratorium kalibrasi. Kata kunci : pengukuran frekuensi, kestabilan, GPS-DO, rubidium ABSTRACT The 10 MHz nominal frequency of GPS-DO and rubidium has been measured. The level of frequency stability is one of the parameters that determine the quality of the measurement results. Based on the measurement results, the stability of rubidium is 1 x 10-10, while the GPS-DO has the stability of 1 x 10-12. The stability of rubidium oscillator can be improved by connecting to the GPS satellites, so it has the capabilitiy same as GPS-DO. GPS-DO has a good performance and it can be used as a standard time and frequency in the calibration laboratories. Keywords : frequency measurement, stability, GPS-DO, rubidium 1. PENDAHULUAN Atomic clock cesium merupakan standar primer waktu dan frekuensi pada saat ini [1]. Sesuai dengan rantai ketertelusuran dan kemampuannya, rubidium merupakan standar sekunder untuk waktu dan frekuensi yang biasa digunakan oleh laboratorium kalibrasi. Pengukuran frekuensi menggunakan rubidium menghasilkan data yang kurang stabil jika dibandingkan dengan cesium. Kestabilan rubidium dapat ditingkatkan dengan menghubungkannya ke Global Positioning System
(GPS) melalui antenna GPS receiver sehingga menjadi Global Positioning System Disciplined Oscillator (GPS-DO). Pada paper ini, dibandingkan hasil pengkuran rubidium yang tidak terhubung ke GPS dan rubidium yang disinkronkan dengan GPS atau disebut sebagai GPS-DO. Pada GPS-DO, hasil pengukuran rubidium akan selalu disesusaikan secara terus menerus dengan sinyal yang dipancarkan oleh satelit GPS. Hal tersebut menjadikan hasil pengukuran lebih akurat dan stabil. Tingkat akurasi dan kestabilan cesium memang lebih bagus daripada rubidium [2], tetapi dengan menggunakan GPS- DO memberikan hasil yang lebih baik dan mendekatai kemampuan cesium. Dengan demikian laboratorium kalibrasi dan industri dapat menggunakan GPS-DO menjadi standar waktu dan frekuensi sebagai alternatif pengganti cesium yang memiliki harga sangat mahal. 2. DASAR TEORI Peralatan yang digunakan sebagai sumber dan alat ukur frekuensi terdiri dari berbagai jenis, sesuai dengan kemampuan dan kebutuhan pengunanya. Secara hierarki peralatan tersebut terdiri dari primary frequency standard, rubidium, quartz, signal generator, universal counter dan lainnya. Pada umumnya, primary frequency standard digunakan oleh lembaga metrologi nasional (national metrology institute), sedangkan peralatan lain seperti rubidium digunakan oleh laboratorium kalibrasi dan industri. Kemampuan rubidium dapat ditingkatkan dengan menghubungkannya ke satelit GPS. Rubidium memiliki port khusus ke antena GPS receiver dan selalu menerima sinyal dari satelit. Peralatan tersebut dikenal dengan istilah GPS-DO. Perangkat GPS-DO dapat dilihat pada gambar 1. (a) Gambar 1. Perangkat GPS-DO [3] (a) Rubidium (b)
(b) GPS receiver GPS-DO adalah peralatan kombinasi antara GPS receiver dengan osilator rubidium, dimana keluaran dari rubidium tersebut dikendalikan oleh satelit GPS [4]. GPS-DO merupakan sumber frekuensi yang memiliki kemampuan mendekati primary frequency standard. Osilator pada GPS- DO selalu disesuaikan (adjusted) dengan sinyal yang dipancarkan oleh satelit. Sehingga setiap hasil pengukuran rubidium selalu dikoreksi oleh GPS. GPS clock dapat mensinkronkan sistem waktu dan frekuensi pada rubidium atau quartz [5]. Fungsi dasar dari GPS-DO adalah menerima sinyal dari satelit GPS dan menggunakan informasi yang terdapat dalam sinyal tersebut untuk mengontrol frekuensi osilator pada rubidium atau quartz. Sinyal satelit GPS dapat dijadikan sebagai referensi disebakan antara lain oleh dua hal yaitu sinyal tersebut dihasilkan dari atomic oscillators. Selain itu tingkat akurasi sinyal GPS juga sangat akurat karena digunakan sebagai penentu posisi dan sistem navigasi. Konstelasi satelit GPS dapat dilihat pada gambar 2 yang terdiri dari 24 satelit. Sebuah perangkat GPS-DO hanya menerima sinyal dari 8 sampai 12 satelit GPS [6]. Gambar 2. Konstelasi satelit GPS [6] 3. PENGUKURAN FREKUENSI PADA GPS-DO DAN RUBIDIUM Pengukuran frekuensi dilakukan di laboratorium waktu dan frekuensi Puslit KIM-LIPI pada kondisi ruangan dengan suhu 22 ± 2 ºC dan kelembaban 47 ± 5 %. Proses pengukuran berlangsung selama lima hari secara terus menerus. Perangkat menjalani warming-up selama satu hari sebelum melakukan pengukuran. Set up peralatan yang digunakan dalam proses pengukuran terlihat pada gambar 3. GPS-DO merupakan peralatan yang diukur (device under test). Pada pengukuran ini, digunakan alat ukur universal time counter yang tersinkron dengan primary frequency standard.
No. Peralatan Tabel 1. Kestabilan pengukuran frekuensi Frekuensi Nominal (MHz) Frekuesi Terukur (MHz) Kestabilan 1. GPS-DO 10 9.999999999998 7.71E-12 2. Rubidium 10 9.9999999996 5.99E-10 Dari tabel 1, secara numerik terlihat penunjukkan nilai frekuensi GPS-DO lebih mendekati frekuensi nominal dibandingkan rubidium. GPS-DO juga memiliki kestabilan di atas rubidium. GPS-DO memiliki kestabilan mendekati primary frequency standard yang mempunyai atomic clock, hal tersebut dikarenakan pada satelit GPS sendiri terdapat atomic clock. Dilihat dari kestabilannya GPS-DO dapat digunakan sebagai standar waktu dan frekuensi, tetapi tidak tertelusur. Laboratorium kalibrasi dapat menjadikan GPS-DO sebagai standar waktu dan frekuensi di instansinya. Peralatan tersebut memiliki harga yang jauh lebih murah dibandingkan primary frequency standard yang digunakan oleh lembaga metrologi. GPS-DO tersebut harus tetap dikalibrasi di lembaga metrologi nasional untuk menjaga rantai ketertelusuran. Kestabilan rubidium yang terdapat di laboratorium kalibrasi dapat ditingkatkan dengan menghubungkannya dengan satelit GPS. 5. KESIMPULAN GPS-DO memiliki kinerja yang baik dan dapat meningkatkan kestabilan pengukuran frekuensi. Tingkat kestabilan GPS-DO sebesar 7.71E-12 di atas kestabilan rubidium yaitu 5.99E-10. Osilator rubidium dapat ditingkatkan kemampuannya dengan menghubungkan peralatan tersebut ke satelit GPS. GPS-DO memiliki kemampuan mendekati atomic clock cesium sehingga laboratorium kalibrasi dapat menggunakannya sebagai standar waktu dan frekuensi dengan tetap melakukan kalibrasi ke lembaga metrologi nasional. 6. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Puslit KIM-LIPI sebagai lembaga metrologi nasional yang telah memfasilitasi dalam melakukan pengukuran terhadap GPS-DO.
7. DAFTAR PUSTAKA [1] BIPM Annual Report on Time Activities. 2007. Primary Frequency Standard. Volume 2, pp 8. [2] E.Blair, Byron. Time and Frequency : Theory and Fudamentals. U.S Department of Commerce. Washington. [3] Global Positioning System Disciplined Oscillator (GPS-DO) : http://us.flukecal.com. [4] Kuykendall, Peter and Loomis, Peter V. W. GPS Clocks for the Wireless Infrastructure, Trimble Navigation. [5] Lombardi, Michael A., Novick, Andrew N. and Victor S. Zhang. Characterizing the Performance of GPS Disciplined Oscillators with Respect to UTC(NIST). National Institute of Standards and Technology (NIST). Colorado. [6] Lombardi, Michael A. 2008. The Use of GPS Disciplined Oscillators as Primary Frequency Standards for Calibration and MetrologyLaboratories, Vol. 3 No. 3 : www.ncsli.org. [7] Riley, W. J. 2003. Techniques for Frequency Stability Analysis. IEEE International Frequency Control Symposium. Beverly.