Konfigurasi GPS (Global Positioning Sistem)

          Setelah kita bicarakan tentang sejarah perkembangan GPS, pada pertemuan kali ini akan kita bahas tentang konfigurasi GPS. Untuk tetap semangat dan simak uraian berikut ini. Sobat blogger konfigurasi GPS meliputi tiga segmen yaitu : 

1. Segmen ruang orbit satelit di bumi (semua fungsi dijalankan satelit), 

2. Segmen kontrol posisi pemancar di equator bumi untuk mengontrol satelit. (semua stasiun bumi yang berkaitan dengan pemantauan sistem, stasiun master kontrol, stasiun monitor, dan stasiun kontrol ground),

3. Segmen pemakai yaitu siapapun yang menerima dan menggunakan sinyal GPS (pemakai sipil maupun militer).

          Baiklah berikut ini merupakan penjelasan dari segmen-segmen yang telah dikemukakan tersebut di atas.

A. Segmen Ruang

          Segmen ruang dirancang terdiri dari 24 satelit yang mengorbit di bumi sekitar 20180 Km selama 12 jam. Pada waktu menulis terdapat 26 operator satelit yang mengorbit di bumi. Kumpulan satelit tersebut dalam konfigurasi ditunjukkan pada gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1. Segmen ruang

1. Gerakan Satelit

          Segmen ruang dirancang minimum 4 satelit yang dapat melihat ke atas dengan sudut 15 derajat dibanyak titik permukaan bumi dalam satu waktu. Minimum 4 satelit tersebut harus dapat melihat untuk banyak aplikasi. Pengalaman menunjukan bahwa biasanya terdapat sekurang-kurangnya 5 satelit yang dapat melihat ke atas dengan sudut 15 derajat dalam waktu yang lama bahkan seringkali terdapat 6 sampai 7 satelit.

Gambar 2. Posisi satelit

Satelit mengorbit pada ketinggian 20.180 Km di atas permukaan bumi dan pada posisi 55 derajat equator. Satelit mengelilingi bumi dengan kecepatan 7000 mil/jam selama 12 jam dua putaran. Satelit akan kembali mengawali posisinya dalam waktu hampir 24 jam (tepatnya 23 jam 56 menit), perjalan rotasinya ditunjukkan seperti pada gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Cakupan efektif perjalanan satelit

Untuk dapat melihat obyek setidaknya dilakukan oleh 4 sampai 5 lebih satelit. Gambar penempatan satelit dapat dilihat seperti pada gambar 4 di awah ini..

Gambar 4. Posisi 28 satelit pada jam 12 UTC tanggal 14 april 2001

Satelit GPS menggunakan sumber daya dengan energy solar cell. Sebagai energi cadangan digunakan baterai yang dipasang pada papan untuk menjalankan satelit bila matahari terhalang gerhana, bila tidak ada daya solar cell pendorong roket kecil pada masing-masing satelit mempertahankannya terbang pada alur yang benar.

2. Konstruksi GPS Satelit

          Kontruksi satelit ditunjukkan seperti pada gambar 5, sedangkan diagram rangkaian GPS dasar ditunjukkan sepert pada gambar 6a yang terdiri dari antene, filter frekuensi tinggi, mixer, osilator, filter IF, AGC, Kristal sebagai acuan frekuensi, timing, IF digital dan sinyal prosesor. Masing-masing mempunyai fungsi yang berbeda seperti diuraikan di bawah ini. Namun demikian selain yang ditunjukkan seperti pada gambar 6, diagram rangkaian GPS banyak macamnya antara lain seperti yang ditunjukkan pada gambar 6b dan 6c berikut ini.

Gambar 5. Konstruksi satelit

Gambar 6. Macam-macam diagram rangkaian dasar GPS

Filter HF : Lebar sinyal GPS sekitar 2 MHz. Filter HF mengurangi dampak interferensi. HF Stage dan Sinyal prosesor sebenarnya menampilkan rangkaian khusus GPS.

HF Stage : Menguatkan sinyal GPS untuk selanjutnya dicampur dengan frekuensi dari osilator. Sinyal IF difilter untuk menjaga kestabilan amplitude dan hasil digitalisasi melalui pengatur penguatan amplitude (Amplitude Gain Control / AGC).

Filter IF : Frekuensi menengah difilter keluarannya dengan menggunakan lebar band 2 MHz.

Sinyal prosesor : Membedakan lebih dari 16 sinyal satelit yang berhubungan dengan pengkodean pada waktu yang bersamaan. HF Stage dan sinyal prosesor secara serentak disaklar pada sinyal sinkronisasi. Sinyal prosesor ini memiliki basis waktu (time base) sendiri untuk memastikan semua data yang dipancarkan dan direferensikan sebagai sumber data. Sinyal prosesor dapat dioffset oleh kontroler melalui jalur control untuk difungsikan dalam mode operasi yang bervariasi.

Kontroler : Menggunakan sumber data, mengontrol perhitungan posisi, waktu, kecepatan. Ini mengontrol sinyal prosesor dan relay, harga dihitung dan diperagakan. Informasi penting seperti posisi saat itu dikodekan dan disimpan dalam RAM. Algoritma program dan perhitungan disimpan dalam ROM.

Keyboard : Dengan menggunakan keyboard pengguna dapat memilih menggunakan system koordinat atau parameter (angka dari satelt yang melihat) diperagakan.

Peraga : Posisi hasil perhitungan (longitude, dan ketinggian) harus dapat disediakan untuk pengguna. Ini dapat diperagakan dengan menggunakan seven segmen atau ditunjukkan pada layar diproyeksikan pada peta. Posisi yang telah ditentukan dapat disimpan.

Sumber arus : Power supply memberikan tegangan yang dibutuhkan.

3. Sinyal Satelit

          Berikut ini merupakan informasi navigasi pesan yang ditranmisikan oleh satelit pada kecepatan 50 bit per detik yaitu :

- Waktu satelit dan sinyal sinkronisasi

- Data orbit tepat

- Informasi koeksi waktu untuk menentukan waktu satelit dengan pasti

- Data orbit pendekatan untuk semua satelit

- Sinyal koreksi untuk menghitung waktu pemindahan sinyal

- Data ionosphere

- Informasi keadaan satelit

          Waktu yang diperlukan untuk mengirim semua informasi adalah 12,5 menit dengan menggunakan navigasi pesan, penerima mampu menentukan waktu transmisi dari masing-masing sinyal satelit dan posisi pasti dari transmisi saat itu. Setiap pemancar satelit ditandai secara unik. Tanda tersebut terdiri dari Pseudo Random Noise, Code, PRN dari 1023, zero dan 1 yang muncul secara acak.

Gambar 7. Pseudo random noise (PRN)

B. Segmen Kontrol

          Segmen kontrol (sistem kontrol operasi ) terdiri dari stasiun master kontrol, bertempat di Colorado dengan lima stasiun pemantau menggunakan clock atomic yang tersebar disekitar belahan bumi di dekat katulistiwa dan 3 stasiun kontrol ground yang mengirimkan informasi ke satelit . Tugas utama dari segemen kontrol adalah :

- Mengamati gerakan satelit dan menghitung data orbit (empiris).

- Memantau jam satelit dan meprediksi performansinya

- Menyerempakkan waktu pada papan satelit

- Menyiarkan data orbit akurat yang diterima dari satelit komunkasi

- Menyiarkan data orbit pendekatan dari semua satelit.

- Menyiarkan lebih jauh lagi informasi yang meliputi keadaaan satelit , kesalahan clock.

          Segmen kontrol juga mengatur distorsi tiruan dari sinyal (SA) dalam susunan bertingkat, sistem penentu posisi pemakaian sipil. Tigkat ketelitian sistem dengan sengaja diturunkan untuk alasan politik dan taktik departemen Pertahanan AS. Segmen kontrol melacak satelit GPS, memperbaharui posisi, mengkalibrasi dan menyerempakkan clock yang digunakan. Lebih jauh lagi fungsi penting segmen kontrol adalah menentukan orbit setiap satelit dan memprediksi jalur untuk diikuti selama 24 jam. Informasi ini di “upload” setiap satelit dan sesudah itu dipancarkannya. Ini memungkinkan GPS menerima untuk diketahui dimana setiap satelit dapat diperoleh. Sinyal satelit dibaca pada Ascension, Diedo Garcia dan Kwajalein. Hasil pengukuran kemudian dikirimkan ke Master kontrol di Colorado dimana sinyal ini diolah untuk menentukan adanya kesalahan di setiap satelit. Informasi hasil olahan dikirim kembali untuk 4 stasiun monitor untuk melengkapi dengan ground antenna dan diupload untuk satelit.

Gambar 8. Posisi lokasi segmen kontrol

C. Segmen Pemakai

          Segmen pemakai terdiri dari para penerima GPS, menerima sinyal GPS dan menentukan posisi dan waktu. Aplikasi tipikal segmen pemakai adalah navigasi tanah untuk pejalan kaki, lokasi kendaraan, pengukuran tanah untuk pemetaan, navigasi kapal, navigasi wilayah, kontrol mesin dan sebagainya.

Gambar 9. Bidang implementasi GPS

          Sinyal ditranmisikan oleh satelit untuk mencapai penerima membutuhkan waktu sekitar 67 ms. Sinyal berjalan dengan kecepatan cahaya waktu pemindahan tergantung pada jarak antara satelit dan pemakai. Empat perbedaan sinyal dibangkitkan dalam penerima, keempat sinyal dari keempat satelit diukur perbedaan waktunya ( t ) untuk menentukan waktu perpindahan sinyal.

 

Gambar 10. Sinyal satelit, sinyal receiver dan tanda waktu receiver

          Dalam menentukan posisi pemakai radio komunikasi diperlukan 4 satelit. Jarak ke satelit ditentukan oleh waktu perpindahan sinyal. Receiver menghitung garis lintang, garis bujur, ketinggian anan ( h ) dan waktu ( t ) dari cakupan serta posisi yang diketahui dari empat satelit. Hubungan ini diekspresikan dalam persamaan matematika bahwa 4 variabel yang tidak diketahui ?, h dan t ditentukan dari jarak dan posisi yang telah diketahui dari ke 4 satelit.