BLOG TEKNIK & VOKASI: Sumber Kesalahan Perhitungan Posisi GPS (Global Positioning Sistem)

Masih seputar pembahasan GPS sobat blogger, pertemuan kali ini kita bahas tentang sumber-sumber kesalahan dalam perhitungan posisi GPS. Dari awal telah diasumsikan bahwa posisi yamg diturunkan dari GPS sangat akurat dan bebas dari kesalahan, tetapi ada beberapa sumber kesalahan perhitungan posisi GPS, yaitu pada waktu menurunkan persamaan teoritis dari beberapa meter sampai puluhan meter. Sumber kesalahan tersebut adalah Penundaan lapisan ionosphere dan atmosphere, Ketinggian satelit dan receiver, Kesalahan clock satelit dan receiver, Kesalahan Multipath, Pelemahan ketelitian, Ketersediaan selektivitas (S), dan Anti spoofing (A-S). Berikut ini merupakan penjelasan dari masing-masing sumber kesalahan tersebut.

1. Penundaan Inosphere dan Atmosphere

Sebagaimana sinyal yang dilewatkan melalui lapisan ionosfer akan mengalami perlambatan, pengaruhnya seperti cahaya yang dibelokkan pada suatu kaca penghalang. Penundaan atmosfer ini menyebabkan kesalahan dalam perhitungan pada kecepatan sinyal (dalam ruang hampa kecepatan cahaya tetap). Ionosfer tidak menyebabkan konstanta penundaan pada sinyal. Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi penundaan yang disebabkan oleh lapisan ionosfer.

Gambar 1. Rambatan gelombang dari lapisan ionosfer

2. Ketinggian Satelit dan receiver

Sinyal dari elevasi satelit yang rendah akan lebih banyak dipengaruhi, dari pada sinyal yang berasal dari elevasi satelit yang lebih tinggi. Hal kedua akan menambah jarak yang harus dilalui sinyal ke atmosfer. Kepadatan lapisan ionosfer dipengaruhi oleh matahari. Pada malam hari, pengaruh lapisan ionosfer ini sangat kecil dan sinyal turun perlahan. Jumlah kepadatan ionosfer meningkat bervariasi sesuai dengan siklus penyinaran (aktivitas matahari). Sebagai tambahan nyala api matahari terjadi secara acak dan juga mempunyai pengaruh pada kesalahan lapisan ionosfer Kesalahan lapisan ionosfer dapat dikurangi dengan menggunakan satu dari dua metoda berikut ini :

a. Metode pertama melibatkan pengambilan rerata pengaruh pengurangan kecepatan cahaya yang disebabkan oleh lapisan ionosfer. Faktor koreksi ini kemudian diaplikasikan dalam perhitungan. Oleh karena itu, diambil harga rerata dan sebelumnya pengambilan rerata ini tidak dilakukan semua sesuai waktunya. Oleh karena itu metode bukan solusi yang optimum untuk mengurangi kesalahan.

b. Metode kedua melibatkan pemakaian frekuensi ganda pada receiver GPS. Pengukuran penerima yang demikian melibatkan frekuensi L1 dan L2 dari sinyal GPS. Diketahui bahwa bila sinyal radio berjalan melalui lapisan ionosfer kecepatan turun perlahan berbanding terbalik terhadap frekuensi. Oleh karena itu waktu dating kedua sinyal diperbandingkan untuk mendapatkan nilai penundaan. Hal ini hanya dimungkinkan pada receiver GPS dengan frekuensi ganda. Kebanyakan receiver dibangun untuk navigasi frekuensi tunggal. Uap air juga mempengaruhi sinyal GPS. Uap air dalam lapisan atmosfer dapat juga mempengaruhi hasil posisi, penurunan diperkecil oleh pemakaian model atmosferik.

Gambar 2. GPS dengan frekuensi ganda

3. Kesalahan clock Satelit dan Receiver

Sungguhpun clock dalam satelit akurat (sekitar 3 ns), kadang mengalami sedikit hanyutan dan menyebabkan sedikit kesalahan, yang dapat mempengaruhi ketelitian posisi. Departmen Pertahanan Amerika Serikat memonitor clock satelit menggunakan segmen kontrol dan hanyutan yang ditemukan dapat dibetulkan.

4. Kesalahan Multipath

Multipath terjadi bila posisi antenna penerima pada posisi terbuka pada permukaan refleksi yang sangat besar seperti danau atau bangunan. Sinyal satelit tidak berjalan langsung ke antenna namun membentur dahulu obyek yang ada didekatnya dan direfleksikan ke dalam antena yang menyebabkan kesalahan pengukuran. Multipath dapat dikurangi dengan menggunakan antenna GPS khusus yang menyertakan ground plane (lingkaran piringan metalik) dengan diameter sekitar 50 cm, untuk mencegah terjadinya penurunan sinyal yang mencapai antena.

Gambar 3. Terjadinya benturan sinyal satelit pada obyek

Untuk mencapai ketelitian tertinggi, solusi yang lebih disukai adalah menggunakan antena cincin. Cincin antenna memiliki 4 atau 5 cincin yang mengelilingi antenna sebagai perangkap sinyal langsung. Multipath hanya berpengaruh pada ketelitian pengukuran. Pengambil-alihan Navigasi penerima sederhana sebaiknya jangan menerapkan teknik yang demikian.

Gambar 4. Antena cincin

5. Pengurangan/Pelemahan Ketelitian

Pengurangan ketelitian atau Dilutio Of Precision (DOP) adalah mengukur kekuatan geometri satelit yang dikaitkan dengan jarak dan posisi satelit di angkasa. DOP dapat memperbesar pengaruh kesalahan satelit. Secara prinsip dapat diilustrasikan dengan baik melaui diagram Ruang satelit baik ketidak-pastian posisi rendah (lihat gambar 5), dan Ruang satelit dengan kurang baik ketidak-pastian posisi tinggi (lihat gambar 6).

Gambar 5.

Pengukuran DOP dengan digaram ruang satelit baik ketidak-pastian posisi rendah

Gambar 6.

Pengukuran DOP dengan diagram ruang satelit kurang baik ketidak-pastian posisi tinggi

Cakupan satelit dpengaruhi oleh cakupan kesalahan yang telah diuraikan sebelumnya. Bila satelit dalam ruang yang baik posisi dapat ditentukan sebagaimana area yang dinaungi seperti yang ditunjukan dalam gambar 5 di atas dan kemungkinan kesalahan garis tepi kecil. Bila satelit terbuka area yang dinaungi ukurannya bertambah, akan menambah ketidakpastian posisi. Perbedaan jenis DOP dapat dihitung tergantung pada dimensinya. Ketelitian pengukuran tergantung perbandingan nilai DOP. Ini berarti jika nilai DOP dua kali lipat kesalahan penentuan posisi bertambah dengan kelipatan dua.

PDOP dapat diinterpretasikan sebagai harga timbal balik suatu tetrahedron yang dibentuk oleh posisi satelit dan pemakai sebagaimana ditunjukkan pada gambar 7. Situasi geometri terbaik terjadi bila volume maksimum dan PDOP pada harga minimum. PDOP berperan penting dalam perencanaan pengukuran proyek selama awal tahun GPS seperti penyebaran yang terbatas, frekuensi yang dihasilkan, bila peta bintang satelit secara geometris kurang baik. Penyebaran satelit sekarang ini sangat bagus nilai PDOP dan GDOP jaang kurang dari tiga.

Gambar 7. Satelit geometri PDOP

GDOP sangat berguna untuk diketahui karena GDOP merupakan kombinasi dari semua factor. Beberapa receiver melakukan kalkulasi PDOP atau HDOP yang menyertakan komponen waktu. Cara terbaik dari langkah meminimaliser pengaruh GDOP adalah mengobservasi beberapa satelit yang memungkinkan. Oleh karena itu perlu diingat bahwa sinyal yang berasal dari elevasi satelit yang rendah pada umumnya tingkat terpengaruhinya dari sumber-sumber kesalahan cukup tinggi. Sebagaimana pemandu pada umumnya bila mengukur/memetakan tanah menggunakan GPS yang terbaik adalah yang digunakan untuk pengamatan satelit 15 derajat diatas horizon.

Posisi sangat akurat pada umumnya akan diperhitungkan bila GDOP rendah (biasanya kurang dari 8). Oleh karena itu tidak diperlukan pengukuran pesawat yang didasarkan pada harga PDOP atau tingkat ketelitian evaluasi yang dapat dicapai sebagai hasil harga PDOP yang berbeda dapat muncul setelah lewat beberapa menit. Dalam kasus aplikasi kinetic dan proses kecepatan rekaman situasi geometris kurang baik karena secara alami pendek umurnya, Oleh karena itu berkaitan dengan nilai-nilai PDOP meliputi evaluasi criteria pada saat dihasilkan nilai PDOP kritis dapat ditunjukkan dengan semua perencanaan dan evaluasi program yang disediakan oleh peralatan pabrikasi yang telah ada (gambar 8).