gps-5 kesalahan dan bias gps
DESCRIPTION
Kesalahan Dan Bias GPSTRANSCRIPT
Modul-5 : Kesalahan Dan Bias GPS
Lecture Slides of GD. 3211 Satellite SurveyingGeodesy & Geomatics Engineering
Institute of Technology Bandung (ITB)
Hasanuddin Z. AbidinGeodesy Research DivisionInstitute of Technology BandungJl. Ganesha 10, Bandung, IndonesiaE-mail : [email protected]
Version : March 20074
?
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
4
?
SATELIT GPS
PENGAMAT
• Multipath• Imaging
• Kesalahan orbit (ephemeris)• Kesalahan jam satelit
• Kesalahan jam receiver• Kesalahan antena• Derau receiver
• Bias Ionosfir• Bias Troposfir
Kesalahan dan Bias GPS
• Ambiguitas fase• Cycle Slip
Pengaruh Kesalahan dan Bias GPS
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
KESALAHANdan BIAS
Ketelitian Posisi GPS
Ketelitian Data
Geometri Satelit
Strategi Pengamatan
Strategi Pengolahan Data
Kesuksesan Resolusi Ambiguitas
Efek dari Kesalahan dan Bias
Kesalahan dan bias GPS harus diperhitungkan secarabenar dan baik, karena akan mempengaruhi :
Struktur dan tingkat kecanggihan dariperangkat lunak pemroses data GPS akandipengaruhi oleh mekanisme yang digunakandalam menangani kesalahan dan bias.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
• Ketelitian informasi (posisi, kecepatan,percepatan, waktu) yang diperoleh.
• Proses penentuan ambiguitas fase dari sinyal GPS
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Terapkan mekanisme differencing antar data. Estimasi parameter dari kesalahan dan bias
dalam proses hitung perataan. Hitung besarnya kesalahan/bias berdasarkan
data ukuran langsung. Hitung besarnya kesalahan/bias berdasarkan model. Gunakan strategi pengamatan yang tepat. Gunakan strategi pengolahan data yang tepat. Abaikan.
ADA BEBERAPA CARA YANG DAPAT DIGUNAKAN DALAMMENGHADAPI KESALAHAN DAN BIAS GPS, YAITU :
Penanganan Kesalahan dan Bias GPS
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Kesalahan Orbit Satelit (1)
posisi satelitsebenarnya
posisi satelityang
dilaporkan
rad
crt
alt
PusatBumi
Kesalahan orbit adalahkesalahan dimana posisisatelit yang dilaporkanoleh ephemeris satelit
tidak sama dengan posisisatelit yang sebenarnya
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
• Kekurang-telitian pada prosesperhitungan orbit satelit
• Kesalahan dalam prediksi orbituntuk periode waktu setelahuploading.
• Penerapan Selective Availability
Kesalahan Orbit Satelit (2)
posisi satelitsebenarnya
posisi satelityang
dilaporkan
rad
crt
alt
PusatBumi
Kesalahan orbit satelitpada dasarnya
disebabkan olehketiga faktor berikut
secara bersama-sama :
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Kesalahan Orbit Satelit (3)
Efek dari kesalahan orbitPada pengamatan jarak (dr) :
dr = - ’
rad = komponen radialalt = komponen along-trackcrt = komponen cross-track
Secara tipikal besar dari setiapkomponen kesalahan orbit satelitGPS (tanpa adanya SA) :
radial = 2 m,along-track = 5 m,cross-track = 3 m.
posisi satelitsebenarnya
posisi satelityang
dilaporkan
rad
crt
alt
PusatBumi
’
Kesalahan orbit akan mempengaruhi ketelitian dari koordinattitik-titik yang ditentukan, baik secara absolut maupun relatif
Pada penentuan posisi secara relatif, semakin panjang baselineyang diamati maka efek kesalahan orbit satelit akan semakin besar.
Kesalahan Orbit Satelit (4)
orbit yangsebenarnya
orbit yangdilaporkan
dr
r
P
bdb
QPenentuan
Posisi Relatif
orbit yangsebenarnya
orbit yangdilaporkan
dr
r
dpP
PenentuanPosisi Absolut
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Rule of thumb dari efekkesalahan orbit padapanjang baseline :
Semakin panjang baseline yang diamati, semakin besar efek darikesalahan orbit (ephemeris) satelit.
Cara mereduksi efek dari kesalahan orbit :
. Terapkan metode differential positioning.
. Perpendek panjang baseline.
. Perpanjang interval waktu pengamatan.
. Tentukan parameter kesalahan orbit dalam proses estimasi.
. Gunakan precise ephemeris atau rapid ephemeris
dr = besarnya kesalahan orbitdb = besarnya efek kesalahan orbit
pada panjang baselineb = panjang baseliner = jarak rata-rata pengamat ke satelit
(sekitar 20000 km)
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Kesalahan Orbit Satelit (5)
dbb
rdr= .
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Efek Kesalahan Orbit
Jarak pengamat ke satelit (r) = 20000 km
100
10
1
0.1
0.01
10 100 1000
panjang baseline (b) dalam km
kesalahanbaseline (db)dalam cm
0.01 ppm
0.1 ppm
1 ppm
10 ppm
(0.2 m)
(2 m)
(20 m)
(200 m)kesa
lahan
orb
it(d
r)
dbb
rdr= .
Hasanuddin Z. Abidin, 2004
Tingkat Ketelitian Informasi Orbit GPS
Jenis InformasiOrbit Satelit GPS :
• Almanak• Broadcast Ephemeris• Ultra Rapid Ephemeris• Rapid Ephemeris• Precise Ephemeris
Ephemeris Kesalahan Ketersediaan
AlmanakBroadcast
Ultra RapidRapid
Precise
beberapa km 2 m
10 cm< 5 cm< 5 cm
Real timeReal time
Sehari dua kaliHarian
Mingguan
http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Kesalahan komponen radial orbit dari satelit PRN 21,dengan SA on (pada hari 177 tahun 1992) dan SA off (pada
hari184 tahun 1992) [Breuer et al., 1993].
Efek SA pada Kesalahan Orbit
0 4 8 12 16 20 24 Waktu (jam)
0
-50
-100
-150
SA off
SA on
Kesa
lahan
radia
lorb
it(m
)
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Bias Ionosfir (1)
Lapisan ionosfir membentangkira-kira dari ketinggian 50 kmsampai 1000 km di ataspermukaan bumi.
Ion-ion bebas (elektron) dalamlapisan ionosfir mempengaruhipropagasi sinyal GPS.
Ionosfir akan mempengaruhikecepatan, arah, polarisasidan kekuatan dari sinyal GPSyang melaluinya.
Efek dari ionosfir yang terbesar adalah pada kecepatan sinyal,dimana akan mempengaruhi jarak ukuran.
Satelit GPS
Ionosfir
Pengamat
Mempengaruhi
dari sinyal GPS.
kecepatan arah polarisasi kekuatan
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Bias Ionosfir (2)
Satelit GPS
Ionosfir
Pengamat
Mempengaruhi
dari sinyal GPS.
kecepatan arah polarisasi kekuatan
Ionosfir memperlambatpseudorange danmempercepat fase darisinyal GPS.
Besarnya efek ionosfirtergantung pada konsentrasielektron sepanjang lintasansinyal serta frekuensi darisinyal yang bersangkutan.
Konsentrasi elektron akan tergantung pada beberapa faktor,terutama aktivitas matahari dan medan magnetik bumi, dimanakeduanya juga akan tergantung pada lokasi geografis, musim,dan waktu.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Satelit GPS
Ionosfir
Pengamat
Besarnya efek ionosfir (orde pertama)dapat dihitung dengan rumus berikut :
dimana f = frekuensi sinyal danSTEC = Slant Total Electron Content.
Besarnya kesalahan jarak maksimum (m)dalam arah vertikal (zenith) akibatrefraksi ionosfir adalah [Wubbena, 1991] :
d =ion40.28
f2. STEC
Bias Ionosfir (3)
FrekuensiEfek
Orde-1Efek
Orde-2Efek
Orde-3
L1 32.5 0.036 0.002
L2 53.5 0.076 0.007
L1/L2 0 0.026 0.006 Untuk menentukan besarnya bias
ionosfir pada jarak ukuran besarandiatas harus dikalikan dengan faktorskala yang tergantung pada elevasi satelit (mapping function).
Pada frekuensi sinyal GPS, bias ionosfir pada jarak ukuran bisa lebihdari 150 m sampai kurang dari 5 m.
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
STEC dan VTEC
LapisanIONOSFIR
Satelit GPS
Silinder miring denganluas penampang = 1 m2
Jumlah elektron didalamnyadinamakan STEC
1000 km
60 km
Permukaan bumi
ReceiverGPS
Silinder tegak dengan luas penampang = 1 m2
Jumlah elektron didalamnya dinamakan VTEC
Re
Pusat Bumi
Pengamat
Satelit GPS
TitikIonosfir
hm
Lapisan Ionosfir
z
z’
VTEC = STEC . cos z’
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
STEC dan VTEC
z sinR
R hsin z1 e
e m' ( )
Efek ionosfir akan mempunyai variasi spasial dan juga temporal.
Variasi spasial dari efek ionosfir umumnya berfrekuensi rendahdan terutama terkait dengan regionisasi dari aktivitas ionosfir :
- daerah ekuator,- daerah lintang menengah, dan- daerah auroral.
Variasi temporal dari efek ionosfir bisa :
- berfrekuensi tinggi (scintillation),- berfrekuensi menegah (variasi harian dan musiman),- berfrekuensi rendah (variasi 11 tahunan).
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Variasi Efek Ionosfir
Regionisasi Aktivitas Ionosfir
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Daerah Auroral
Daerah Tropik
Bias ionosfirbesar tapi stabil
Daerah Auroral
Daerah Lintang Menengah
DaerahLintangMenengah
Bias ionosfir kecil tapi tidak stabil
Bias ionosfir sedangdan kestabilan sedang
Regionisasi Aktivitas Ionosfir
Waktu
Besarnyabias Ionosfir
TROPIK
LINTANG MENENGAH
AURORAL
Hasanuddin Z. Abidin, 2004
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
• Secara empirik didapatkan bahwa harga TEC yang terbesar biasanyaterjadi pada tengah hari (jam 2 siang waktu setempat).
• Pada malam hari harga TEC secara umum relatif lebih kecildibandingkan pada siang hari.
• Atur jadwal pengamatan GPS sesuai dengan fakta empirik tersebut.
Variasi Harian dari Aktivitas Ionosfir
14:00
TEC
Waktu lokalmatahariterbit
matahariterbenam
TEC = Total Electron Content
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Variasi 11-tahunan dari Aktivitas Ionosfir
• Aktivitas ionosfir tergantung pada aktivitas matahari.
• Aktivitas matahari bisa dikarakterisir dengan jumlah sunspot yang nampakpada permukaan matahari. Semakin banyak jumlah sunspot yang adasemakin tinggi aktivitas matahari, dan sebaliknya.
• Dari siklus 11-tahunan ini, sebagai contoh jumlah sunspot adalah minimumpada tahun 1986 dan maksimum pada tahun 1991.
• Pertimbangkan fakta di atas dalam merencanakan strategi pengamatan GPS.
Jum
lah
sunsp
ot
Tahun
± 11 tahun
1986
1991
0
50
100
150
200
250
46 50 80 9048 5452 6056 58 6462 7066 68 7472 76 78 8482 86 88
Smoothed monthly mean sunspot numbers
January 1946 - July 1988
Sunspot
num
ber
Year
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Variasi 11-tahunan dari Aktivitas Ionosfir
http://science.msfc.nasa.gov/ssl/pad/solar/images/zurich.gif
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Scintillation adalah variasi temporal berfrekuensi tinggi pada amplitudodan fase dari sinyal, yang disebabkan adanya ketidak-teraturan(irregularities) pada lapisan ionosfir.
Scintillation umumnya terjadi pada daerah sepanjang garis ekuatorgeomagnetik bumi, yaitu meliputi wilayah 30 derajat pada kedua sisi darigaris ekuator tersebut. Scintillation juga umum terjadi di daerah auroralsekitar kutub.
Scintillation di daerah ekuator umumnya mempunyai efek yangmaksimum dalam selang waktu kira-kira satu jam setelah matahariterbenam sampai tengah malam [Klobuchar, 1991]. Oleh sebab itu untukpengamatan yang sangat teliti di daerah ekuator, selang waktu di atassebaiknya tidak digunakan.
Efek scintillation kurang berarti dari bulan April sampai Agustus padadaerah bujur Amerika, Afrika, dan India; tapi maksimum di daerahPasifik. Dari bulan September sampai Maret, situasinya terbalik.
Scintillation dapat meningkatkan jumlah cycle slip, dan juga akanmempersulit proses penentuan ambiguitas fase dari sinyal.
Ionospheric Scintillation
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Gunakan data GPS dari dua-frekuensi, L1 dan L2.
Lakukan differencing hasil pengamatan.
Perpendek panjang baseline.
Lakukan pengamatan pada pagi atau malam hari.
Gunakan model prediksi global ionosfir (untukdata GPS satu frekuensi) seperti model Bent danKlobuchar.
Gunakan parameter koreksi yang dikirmkan olehsistem Wide Area Differential GPS (WADGPS).
Pereduksian Efek Ionosfir
Ada beberapa cara yang dapat diterapkanuntuk mereduksi besarnya efek ionosfir :
Satelit GPS
LapisanIonosfir
Pengamat Beberapa metode di atas dapatditerapkan sekaligus secara simultan
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Memerlukan data pada dua-frekuensi (L1 dan L2)
Bebas dari efek ionosfir orde-pertama
Efek ionosfir yang tersisa umumnya dalam level beberapa cm,tapi bisa juga mencapai level 1-2 desimeter.
Level noise dari kombinasi linear ini meningkat sekitar 3 kali darilevel noise hasil pengamatan one-way.
Kombinasi linear ini ‘menghancurkan’ sifat bilangan bulat dari ambiguitas fase.Dengan kata lain ambiguitas fase dari sinyal L3 ini bukanlah bilangan bulat.
Pengkombinasian ini tidak merubah magnitude dari kesalahan dan bias yangbesarnya tidak tergantung pada frekuensi (seperti kesalahan orbit dan biastroposfir). Magnitude dari kesalahan dan bias yang besarnya tidak tergantungpada frekuensi sinyal (seperti multipath, bias ionosfir, dan noise) akan berubah.
Kombinasi Linear Bebas-Ionosfir
Pf .P f . P
f f312
1 22
2
12
22
L
f .L f . L
f f312
1 22
2
12
22
pseudorange fase
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Model Klobuchar
Model ionosfir untuk pengguna GPS satu frekuensi.
Dikarakterisir dengan 8 koeffisien (i dan i) yang dapat diperoleh dalamNavigation Message GPS.
Mengkoreksi sekitar 50% efek bias ionosfir untuk kawasan lintangmenengah.
Formulasinya :
dtion = bias ionosfir dalamarah vertikal (ns)
DC = konstanta bias malam hari= 5 ns
A = Amplitudo = konstanta fase
= jam 14:00t = waktu lokalP = Periode
Siang
Malam
: dtion DC A.cos(2 (t ) / P)
: dtion DC
dimana :
A , P n
nn n
nn. .
0
3
0
3
a0 = 1.397E-08a1 = 2.235E-08a2 = -1.192E-07a3 = -1.192E-07b0 = 1.044E+05b1 = 9.830E+04b2 = -1.966E+05b3 = -3.932E+05
Dikumpulkan pada tanggal 18 April 1995, jam 21:36:00.Diekstrak dari Subframe 4, Halaman 18 dari GPS Data Bit Frames
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Contoh Parameter Model Klobuchar
Disebabkan oleh refraksipada lapisan atmosfir netralyang dinamakan troposfir.
Lapisan troposfir berkisardari permukaan bumisampai ketinggian 9-16 km,dan tebalnya bervariasidengan tempat dan waktu.
Pseudorange dan fase,kedua-duanyadiperlambat oleh troposfir.
Pada frekuensi sinyal GPS (< 30 GHz), besarnya bias troposfir tidaktergantung pada frekuensi (non-dispersif).
Jadi besarnya tidak dapat diestimasi dengan pengamatan pada 2 frekuensi.
Besarnya bias troposfir :sekitar 2.3 m di arah zenith,sekitar 20 m pada 10 di atas horison.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Bias Troposfir (1)
Satelit GPS
Lapisan Troposfir
Pengamat
kecepatan arah
Mempengaruhi
dari sinyal GPS
Satelit GPS
LapisanIonosfir
Pengamat
LapisanTroposfir
Bias troposfir biasanya dipisahkan menjadikomponen kering (sekitar 90% dari bias total)dan komponen basah.
Besarnya komponen kering dapat diestimasidengan baik berdasarkan data meteorologi(temperatur, tekanan, dan kelembaban) dipermukaan bumi; sedangkan besarnyakomponen basah tidak.
Dengan menggunakan data meteorologi dipermukaan bumi, besarnya komponen keringdapat diestimasi sampai dengan ketelitiansekitar 1%. Sedangkan besarnya komponenbasah dapat di model sampai ketelitian 3-4 cm[Wells et al., 1986].
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Bias Troposfir (2)
• Lakukan differencing hasil pengamatan.
• Perpendek panjang baseline.
• Usahakan kedua stasion pengamat berada padaketinggian serta kondisi meteorologis yang relatifsama.
• Gunakan model koreksi standar troposfir sepertimodel Hopfield, Sastamoinen, Marini, dll.
• Gunakan model koreksi lokal troposfir.
• Gunakan pengamatan Water Vapour Radiometer(WVR) untuk mengestimasi besarnya komponenbasah.
• Estimasi besarnya parameter bias troposfir,biasanya dalam bentuk zenith scale factor untuksetiap lintasan satelit.
• Gunakan parameter koreksi yang dikirmkan olehsistem Wide Area Differential GPS (WADGPS).
Pereduksian Efek TroposfirAda beberapa cara yang dapat diterapkanuntuk mereduksi besarnya efek troposfir :
Beberapa metode di atasdapat diterapkan sekaligus
secara simultan
Satelit GPS
LapisanIonosfir
Pengamat
LapisanTroposfir
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Bias Troposfir : dtrop = ddry + dwet
KOMPONEN KERING KOMPONEN BASAH
ddry = mfd. ddryz dwet = mfw. dwet
z
ddryz = (10-6/5). Ndry,o . hd dwet
z = (10-6/5). Nwet,o . hw
Ndry,o = (77.64) . (p/T) N wet,o = - (12.96)(e/T)
+ (3.718 .105)(e/T2)
hd = 40136 + 148.72(T-273.16) hw = 11000 m
mfd = 1 / [ sin (E2 + 6.25)0.5 ] mfw = 1 / [ sin (E2 + 2.25)0.5 ]
p = tekanan atmosfir (mbar),
e = tekanan parsial dari uap air (mbar),
T = temperatur (oK) .
E = sudut elevasi (derajat) .
mfd dan mfw = mapping function untuk komponen kering dan basah.
hd dan hw = ketinggian lapisan kering dan basah.
Ndry,o dan Nwet,o = refraktivitas kering dan basah di permukaan bumi.
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Model Hopfield
dtrop = 0.002277cosz
p1255
T0.05 .e tan z2.
dtrop = 0.002277cosz
p1255
T0.05 .e B.tan z R2.
Model Saastamoinen (1)
Ketinggian (km) B (mbar)
0.00.51.01.52.02.53.04.05.0
1.1561.0791.0060.9380.8740.8130.7570.6540.563
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
0 1 2 3 4 5
Tinggi (km)
Nilai B (mbar)
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Modified Model :
Sudut Ketinggian stasion di atas permukaan laut (km)
Zenith 0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0
60o 00’
66o 00’
70o 00’
73o 00’
75o 00’
76o 00’
77o 00’
78o 00’
78o 30’
79o 00’
79o 30’
79o 45’
80o 00’
0.003
0.006
0.012
0.020
0.031
0.039
0.050
0.065
0.075
0.087
0.102
0.111
0.121
0.003
0.006
0.011
0.018
0.028
0.035
0.045
0.059
0.068
0.079
0.093
0.101
0.110
0.002
0.005
0.010
0.017
0.025
0.032
0.041
0.054
0.062
0.072
0.085
0.092
0.100
0.002
0.005
0.009
0.015
0.023
0.029
0.037
0.049
0.056
0.065
0.077
0.083
0.091
0.002
0.004
0.008
0.013
0.021
0.026
0.033
0.044
0.051
0.059
0.070
0.076
0.083
0.002
0.003
0.006
0.011
0.017
0.021
0.027
0.036
0.042
0.049
0.058
0.063
0.068
0.001
0.003
0.005
0.009
0.014
0.017
0.022
0.030
0.034
0.040
0.047
0.052
0.056
0.001
0.002
0.004
0.007
0.011
0.014
0.018
0.024
0.028
0.033
0.039
0.043
0.047
Nilai faktor koreksi R pada model Sastamoinen
Model Saastamoinen (2)
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Input Untuk Model Troposfir
Hasanuddin Z. Abidin, 2004Ref. : Mayer et al., 2000
INTERMEZZO ……
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Multipath (1)
Satelit GPS
4
reflektor antena
L = Sinyal Langsung
P = Sinyal Pantulan
Efek multipath = resultan (L + P) - L
Multipath adalah fenomena dimana sinyal dari satelit tiba diantena GPS melalui dua atau lebih lintasan yang berbeda.
Perbedaan jarak tempuh menyebabkan sinyal-sinyal tersebutberinterferensi ketika tiba di antena
kesalahan hasil pengamatan.
Bidang reflektor yang menyebabkan multipath bisa berupa bidanghorisontal, vertikal, maupun miring, seperti jalan, bangunan dangedung, permukaan air, dan kendaraan.
Tidak ada model umum untuk menentukan besarnya efek darimultipath.
Besarnya efek dari multipath tergantung pada beberapa faktor sepertijenis dan posisi reflektor, posisi relatif satelit, jarak reflektor keantena, panjang gelombang sinyal, kekuatan sinyal, dll.
Sinyal dari satelit berelevasi rendah lebih mudah mengalami multipath.
Efek multipath mempunyai ‘signature’yang bersifat sinusoidal.
Efek multipath pada pseudorange lebihbesar dari pada efeknya pada data fase.
Efek multipath pada satelit tidak terlalukritikal dan biasanya dapat diabaikan.
Waktu
Resid
ual
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Multipath (2)
10
5
0
-5
-100 100 200 300 400 500
Waktu (detik)
Kesa
lahan
pse
udora
nge
(m)
Contoh efek multipathpada data pseudorange kode-C/A
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
-1
-.5
0
.5
1
1.5
11 11.2 11.4 11.6 11.8 12-2
-1.5
-1
-.5
0
.5
1
11 11.2 11.4 11.6 11.8 12
HAMILTON - UNB, SV#12 - SV#9 HAMILTON - UNB, SV#14 - SV#6
rawraw
time average
time average
Local time of the day (hours) Local time of the day (hours)
Am
big
uit
yv
aria
tio
ns
(nar
row
-lan
ecy
cles
)
Contoh efek multipathpada data fase
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Hindari lingkungan pengamatan yang reflektif.
Gunakan antena GPS yang baik dan tepat.
Gunakan bidang dasar antena (ground plane) sebagai penghalangdan pengabsorbsi sinyal pantul.
Gunakan receiver yang secara internal(pada pemrosesan data) mempunyaikemampuan untuk ‘melawan’ multipath.
Jangan gunakan satelit yangberelevasi sangat rendah.
Ratakan data pengamatan(kadang-kadang berhasil).
Pereduksian Efek Multipath
Ada beberapa cara yang dapat diterapkan untukmereduksi besarnya efek multipath :
4
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Multipath pada Fase
arctan sin
cos
1
Besarnya kesalahan maksimum pada data pengamatan faseakibat multipath (untuk = 1) adalah :
= 900 = 0.25 panjang gelombang
sekitar 5 cm untuk sinyal L1, dan 6 cm untuk L2
maks
Besarnya efek multipath pada data pengamatan fase () dapatditentukan berdasarkan rumus berikut ini :
= faktor kekuatan sinyal pantul0 : tidak ada pantulan1 : sinyal pantul sekuat sinyal langsung
= perbedaan fase (fase shift) dari sinyalpantul terhadap sinyal langsung.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Multipath pada Fase
Disebabkan oleh perubahan dalam geometri satelit, efek multipathpada data pengamatan fase (kalau ada), mempunyai periode tipikalsekitar 30 menit [Seeber, 1993].
Pada survai statik, efek multipath pada hasil estimasi posisi dapatdiminimalkan dengan menggunakan data yang periodepengamatannya lebih besar dari periode multipath. Tapi hal ini sulituntuk dilakukan pada metode-metode kinematik, rapid-static, stop-and-go ataupun pseudo-kinematic.
Beberapa investigasi menunjukkanbahwa kesalahan pada komponen tinggi,yang disebabkan oleh multipath, dapatmencapai besar sekitar 15 cm[Georgiadou & Kleusberg, 1988, 1990;Seeber, 1992].
Waktu
Resid
ual
sekitar 30 menit
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Ambiguitas Fase (N)
Merupakan bilangan bulat (kelipatan panjang gelombang).
Setiap satelit mempunyai harga ambiguitas fase yangberbeda-beda satu sama lainnya.
Sepanjang receiver mengamati sinyal secara kontinyu(tidak terjadi cycle slips), maka ambiguitas fase akanselalu sama harganya untuk setiap epok pengamatan.
Pada pengamatan one-way dan single-difference, ambiguitasfase sulit untuk dipisahkan dengan efek kesalahan jamreceiver dan jam satelit, dan oleh sebab itu sifat kebulatanharganya sulit untuk dieksploitasi.
Pada pengamatan double-difference, efek kesalahan jamreceiver dan jam satelit tereliminir, dan oleh sebab itusifat kebulatan harganya dapat dieksploitasi.4
?N
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
4
?N
Resolusi Ambiguitas
Ambiguitas fase pada umumnya ditentukan padapengamatan double-difference
Penentuan harga bilangan bulat dari ambiguitas fase(resolusi ambiguitas) bukanlah suatu tugas yangmudah untuk diselesaikan, terutama kalau dilakukansambil bergerak (on-the-fly ambiguity resolution).
Dikenal beberapa metode resolusi ambiguitas.
Ada 3 aspek yang harus diperhitungkan secara baik :
. eliminasi kesalahan dan bias
. geometri satelit-pengamat
. teknik resolusi ambiguitas
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Variasi dari Ambiguitas Fase Sinyal L1
4 minutes of Rogue receiver data
-3-2-1012345
-.04
-.02
0
.02
.04 Zero baseline, California, day 324 of 1991
One hour of Trimble Geodesist-P receiver data
Algonquin-Yellowknife ( 3000 km ), day 60 of 1991
SV#23 - SV#6
SV#21 - SV#6
l 19 cm )
4.5 minutes of Rogue receiver data-2
-1
0
1
2Algonquin-Ottawa ( 200 km ), day 60 of 1991
SV#23 - SV#3
SV#11 - SV#6
SV#2 - SV#18
Cycle slip adalah fenomenadimana receiver GPS karenasesuatu hal, ‘terputus’dalam pengamatansinyal GPS.
Cycle slip dapat disebabkan oleh beberapa hal seperti :
. mematikan dan menghidupkan receiver,
. obstruksi dari sinyal GPS yang disebabkan oleh bangunan, pohon,jembatan, dll.,
. dinamika receiver yang tinggi,
. rendahnya rasio signal-to-noise, yang bisa disebabkan olehaktivitas ionosfir yang tinggi, multipath, dll.
. receiver failure.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Cycle Slips (1)
cycle slip
waktu
fase
Cycle slips akan menyebabkanketidak-kontinyuan dalamjumlah gelombang penuh darifase gelombang pembawa yangdiamati.
Ambiguitas fase (N) sebelumdan sesudah cycle slips akanberbeda nilainya.
Pendeteksian cycle slip lebih mudah dibandingkan pengkoreksiannya.
Cycle slip lebih mudah ditangani pada data dua-frekuensi, ketimbangpada data satu-frekuensi.
Cycle slip lebih mudah ditangani pada data statik, ketimbang pada datakinematik.
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Cycle Slips (2)
cycle slip
waktu
fase
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Penggunaan polinomial berorde rendah yangdicocokkan (fitting) ke time series dari variabelyang di uji. Ini adalah metode yang cukup umumdigunakan.
Penggunaan model dinamik untuk memprediksidata ukuran dengan menggunakan Kalmanfiltering. Perbandingan antara data ukuran hasilprediksi dengan hasil ukuran sebenarnya,digunakan sebagai basis pendeteksiancycle slips.
Penggunaan skema differencing data ukuranantar epok berorde satu, dua, tiga, dan empat.Terjadinya cycle slips akan nampak pada hargadifferencing berorde tinggi yang relatif besar.
Metode Pendeteksian Cycle Slips
cycle slip
waktu
variabel uji
polinomial
cycle slip
waktu
variabel uji
21 22 2
3
31 32
41
METODE-METODE PENDETEKSIANCYCLE SLIPS ANTARA LAIN :
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Variabel Uji untuk Pendeteksian Cycle Slips
DATA YANGDIPERLUKAN
VARIABEL UJI
SATU TITIK DUA TITIK
Fase satu-frekuensi
(L1 atau L2)Fase one-way
Single-Difference
Double-Difference
Triple-Difference
Fase dua-frekuensi
(L1 dan L2)
Kombinasi fase
(Residual Ionosfir)
Fase satu-frekuensi
(L1 atau L2) dan pseudorange
Kombinasi fase
dan pseudorange
Pendeteksian cycle slips pada saat receiver bergerak(kinematik), lebih sulit dibandingkan pada saat receiverdiam (statik).
Dalam hal ini metode-metode pendeteksian yang dapatdigunakan :
. metode penentuan ambiguitas fase secara on-the-fly.
. metode Kalman filtering.
. metode integrasi dengan sistem eksternal seperti INS.
Dalam hal ini pendeteksian biasanya sekaligus dilakukandengan pengkoreksian cycle slips yang bersangkutan.
PendeteksianPendeteksian dandan PengkoreksianPengkoreksianCycle SlipsCycle Slips secarasecara KinematikKinematik
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Pengkoreksian cycle slips bisa dilakukan sebagai suatu prosestersendiri sebelum proses estimasi posisi, ataupun secara terpadudengan proses pengestimasian posisi.
Dalam metode pengkoreksian yang bersifat terpadu denganproses estimasi posisi, terjadinya cycle slips dapat dikarakterisirdengan penambahan parameter ambiguitas fase yang berbedadengan parameter sebelum terjadinya cycle slips.
Keberhasilan proses pengkoreksian cycle slips sangat tergantungpada level kesalahan dan bias dari data ukuran, geometri satelit,dan kecanggihan dari algoritma yang digunakan.
PENGKOREKSIAN CYCLE SLIPS
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Anti Spoofing (AS), 1
Untuk menghindari pengelabuan (spoofing) dari pihak musuh,pihak DoD Amerika Serikat menerapkan kebijaksanaan Anti Spoofing (AS).
Kebijaksanaan ini diterapkan agar pihak musuh tidak dapat mengelabuipihak militer AS dengan mengirimkan kode-P yang ‘palsu’ yang bisamengakibatkan pengunaan informasi yang salah oleh pihak militer AS,yang umumnya memang diperlengkapi dengan receiver kode-P.
Kode-P Kode-YAnti Spoofing
koderahasia
Kode-C/A Pihak Sipil
tidak bisaakses
bisa akses
Hanya sinyal L1
Hasanuddin Z. Abidin, 1995
Anti Spoofing (AS), 2
Untuk itu kode-P dienkrip(encrypted), dengan jalanmengkombinasikannyadengan kode-W yang rahasia,sehingga menjadi kode-Y.
Receiver sipil secara umumtidak dapat mendekrip kode-Y,sehingga tidak dapat mengakses kode-P. Hanya receiver dari pihak militerUSA dan authorized users saja yang punya kemampuan untuk mendekripkankode-Y menjadi kode-P.
Kebijaksanaan AS ini telah diterapkan pada semua satelit Blok-II, sejak 31Januari 1994 jam 00:00 UTC.
Untuk dapat mengakses kode-P, setiap kanal receiver harus diperlengkapidengan Auxiliary Output Chip (AOC).
Kode-P Kode-YAnti Spoofing
koderahasia
Kode-C/A Pihak Sipil
tidak bisaakses
bisa akses
Hanya sinyal L1
Hasanuddin Z. Abidin, 2004
Selective Availability (SA)
SA adalah metode yang diaplikasikan oleh DoD Amerika Serikat untukmemproteksi ketelitian posisi yang relatif tinggi dari GPS hanya untukpihak militer Amerika Serikat dan pihak-pihak yang diizinkan.
SA diimplementasikan dengan menerapkan secara sengaja memanipulasi :
. data ephemeris satelit (proses-e), dan
. frekuensi jam satelit (proses-d),
yang koreksinya hanya diketahui oleh pihak militer A.S. dan pihak-pihakyang diizinkan saja.
SA (ketika ada) adalah sumber kesalahan terbesar dalam absolutepositioning dengan GPS.
Efek dari SA dapat direduksi dengan menerapkan teknik differentialpositioning dengan baseline yang relatif tidak terlalu panjang.
SA diterapkan pada semua satelit Blok-II, sejak 25 Maret 1990,DAN DI OFF KAN SEJAK 2 MEI 2000
Hasanuddin Z. Abidin, 2004
Efek dari SA (ketika masih ada)
kesalahan pada hasilhitungan posisi satelit
kesalahan jarak pseudorange(kode-C/A maupun kode-P)
kesalahan data fase
manipulasidata ephemeris
satelit (proses-e)
manipulasifrekuensijam satelit(proses-d)
SA
SA DI OFF KAN SEJAK 2 MEI 2000 !!
Setiap satelit GPS yang beroperasi membawa beberapa buah jamatom dimana jam-jam atom tersebut digunakan untuk mendefinisikansistem waktu satelit.
Jam-jam atom yang bersangkutan dengan perjalanan waktu akanmengalami penyimpangan (offset, drift, dan drift-rate) darisistem waktu GPS.
Dalam pesan navigasi GPS, yaitu pada sub-frame 1 diberikanparameter-parameter untuk mengkoreksi penyimpangan jam satelittersebut, yaitu ao , a1 , dan a2 , yang masing-masing merepresentasikan :
- offset waktu,- offset frekuensi, dan- frequency drift
dari jam satelit.Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Kesalahan Jam Satelit (1)
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Kesalahan Jam Satelit (2)
Waktu penunjukan jam satelit dalam sistem waktu GPS :
tGPS = tsv - tsv
dimana koreksi penyimpangan jam satelit Dtsv dapat dihitung sbb. :
tsv = ao + a1.( tsv – toc) + a2.(tsv – toc)2 + tr
dimana toc adalah waktu referensi data jam yang juga diberikan dalamsub-frame 1, dan Dtr adalah komponen koreksi untuk efek relativitas yangdapat dihitung dengan formula berikut :
tr = 2 R.V/c2
dimana R dan V adalah masing-masing vektor posisi dan vektorkecepatan satelit pada waktu yang bersangkutan.
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Ketidakstabilan Osilator
Bias Antarkanal (Interchannel Bias)
Variasi Delai Fase(Phase Delay Variations)
Variasi Pusat Fase Antena
Derau (Noise) Receiver
Kesalahan Sistem Penerima
SUMBER-SUMBER KESALAHAN UTAMADALAM SISTEM PENERIMA SINYAL GPS(RECEIVER DAN ANTENA) ADALAH :
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Kesalahan Jam Receiver (1)
Receiver GPS umumnya dilengkapi dengan jam (osilator) kristal quartz,yang relatif lebih kecil, lebih murah, dan memerlukan daya yang relatiflebih kecil dibandingkan jam atom yang digunakan di satelit.
Untuk melayani beberapa aplikasi khusus, beberapa tipe receiverdiperlengkapi dengan I/O port untuk koneksi ke osilator ekstenalseperti Rubidium, Cesium, dan bahkan Hidrogen Maser.
Dari segi stabilitas dan ketelitian, jam quartz yang digunakan direceiver memang lebih rendah dibandingkan dengan jam atomyang digunakan oleh satelit.
Oleh sebab itu dapat diperkirakan bahwa komponen kesalahan padaukuran jarak ke satelit yang disebakan oleh kesalahan jam receiverakan lebih besar daripada yang disebabkan oleh kesalahan jam satelit.
Jam di receiver GPS disinkronisasikan ke sistem waktu GPS denganproses pengkorelasian kode yang normal dilakukan oleh receiver GPS.
Stabilitas dari sistem waktu yang diperoleh akan tergantung padakualitas osilator kristal quartz yang digunakan, berapa sering osilatortersebut disinkronkan ke sistem waktu GPS, serta jenis kode (P atauC/A) yang digunakan dalam proses sisnkronisasi tersebut.
Karakteristik beberapa jenis jam (osilator) [Leick, 1995] :
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Kesalahan Jam Receiver (2)
Tipe Osilator
Kristal Quartz
Rubidium
Cesium
Hydrogen Maser
Frekuensi osilasi (Hz)
5 000 000 (tipikal)
6 834 682 613
9 192 631 770
1 420 405 751
Stabilitas
perhari (df/f)
10.E-9
10.E-12
10.E-13
10.E-15
Waktu untuk kehilangan
1 detik (dalam tahun)
30
30 ribu
300 ribu
30 juta
dengan mengestimasi parameter-parameter darikesalahan jam receiver (offset, drift, dan drift rate)dalam proses pengestimasian posisi.
dengan melakukan pengurangan jarak ukuran.Dalam hal ini yang perlu dikurangi adalah dua jarakukuran yang diamati pada saat yang sama olehreceiver GPS yang bersangkutan ke dua buah satelityang berbeda.
PADA PRINSIPNYA ADA DUA CARA YANG DAPAT DIGUNAKANUNTUK MENANGGULANGI KESALAHAN JAM RECEIVER YAITU :
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Kesalahan Jam Receiver (3)
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Pergerakan Pusat Fase Antena (1)
Pusat fase antena adalah pusat (sumber) yang sebenarnya dari radiasi,dan dalam konteks GPS merupakan titik referensi yang sebenarnyadigunakan dalam pengukuran sinyal secara elektronis.
Titik sumber radiasi yang ideal akan mempunyai muka fase gelombangberbentuk bola serta pusat fase yang tetap.
Tapi dalam realitanya, karena sumber radiasi yang ideal tersebutsulit untuk direalisasikan pada antena GPS, maka pusat fase antenaGPS umumnya akan berubah-ubah tergantung pada elevasi dan azimuthsatelit serta intensitas dari sinyal, dan lokasinya akan berbedauntuk sinyal L1 dan L2 [Tranquilla et.al., 1987].
Karena satelit GPS selalu bergerak, maka pusat fase dari antena punakan berubah dari waktu ke waktu.
Dalam pengukuran jarak dari antena GPS ke satelit, jarak ukurandiasumsikan mengacu ke pusat geometris dari antena yang lokasinyatetap dan umumnya telah dispesifikasikan dalam buku petunjuk(manual) alat yang bersangkutan.
Akan tetapi sebenarnya secara elektronis pengukuran jarak tersebutmengacu ke pusat fase antena dan bukan ke pusat geometris antena.
Adanya perbedaan lokasi antara pusat fase dan pusat geometrisantena tersebut akan menyebabkan terjadinya kesalahan padajarak ukuran.
Karena perbedaan tersebut bersifat variatif terhadap waktu ,maka besarnya efek kesalahan pada ukuran jarak juga akanbersifat variatif.
Hasanuddin Z. Abidin, 1996
Pergerakan Pusat Fase Antena (2)
4
Pusatfase
antena
Pusatgeometrik
antena
Jarak Ukuransebenarnya
Yang dianggapJarak Ukuran
Kesalahanukuran jarak
Satelit GPS
Antena GPS
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Pergerakan Pusat Fase Antena (3)
Besarnya perbedaan antara pusat fase dengan fase geometris suatuantena tidak terlalu mudah untuk dimodelkan, karena akan tergantungpada jenis dan tipe dari antena, serta bervariasi secara temporal.
Berdasarkan studi yang dilakukan oleh Tranquilla (1986) terhadapberbagai jenis antena, ditunjukkan bahwa besarnya perbedaantersebut umumnya berkisar antara 1 - 6 cm, tergantung pada jenisantena dan sudut elevasi dari satelit.
Melihat nilai dari perbedaan antara pusat fase dan pusat geometrisantena yang berada pada level beberapa cm, maka efek dari adanyapergerakan pusat fase antena GPS ini perlu diperhitungkan untukaplikasi penentuan posisi yang menuntut ketelitian posisi yangrelatif tinggi, seperti halnya untuk studi geodinamika danpemantauan deformasi yang teliti.
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Pergerakan Pusat Fase Antena (4)
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Imaging (1)
Imaging adalah suatu fenomena yang melibatkan suatu bendakonduktif (konduktor) yang berada dekat dengan antena GPS.
Radiasi dari antena yang sebenarnya akan menimbulkan arusinduksi pada benda konduktif yang reflektif tersebut :
benda tersebut akan membangkitkan pola radiasi tertentu,ia seolah-olah menjadi antena tersendiri ,menjadi ‘bayangan’ (image) dari antena yang sebenarnya.
Pola radiasi dari ‘kedua’ antena ini selanjutnya akan berinteraksi(coupling), dan resultan dari pola fase antena yang dihasilkan akanberbeda dengan pola fase antena GPS yang seharusnya.
Akibatnya fenomena imaging ini akan mendistorsi pola fase antenayang seharusnya.
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Imaging (2)
4
Antena GPS
Coupling antara
antena dan ‘bayangan’ nya
Pola fase antena
yang termasuk bayangannya
Pola fase antena
yang seharusnya
‘Bayangan’ antena
pada benda konduktif
(reflektor)
Hasanuddin Z. Abidin, 1997
Imaging (2)
Imaging akan merubah titik pusat fase antena :menyebabkan terjadinya kesalahan pada ukuran jarak.
Seperti halnya dalam kasus pergerakan titik pusat fase antena,efek dari imaging ini perlu diperhatikan dalam aplikasi penentuanposisi yang menuntut ketelitian tinggi (orde ketelitian mm).
Menurut [Tranquilla, 1986], karena fenomena imaging ini padaprinsipnya terjadi karena adanya penginduksian arus dari antenake suatu konduktor yang berada dekat dengan antena, maka efekimaging ini akan berkurang dengan semakin jauhnya konduktortersebut dari antena GPS.
Meskipun begitu menurutnya, dalam jarak beberapa puluh panjanggelombang (untuk GPS (L1)=19.0 cm dan (L2)=24.4 cm), efek imagingini tidak boleh diabaikan, dan semua ‘bayangan’ (image) antena yangmungkin terjadi harus diperhitungkan.