SUMBER KESALAHAN PADA GNSS ATAU GPS GEODETIC

SUMBER KESALAHAN PADA GNSS ATAU GPS GEODETIC

PERLU GNSS? HUBUNGI: 0812-2652-2324 (satria)

Selama sinyal GPS dari satelit ke pengamat, itu tidak dapat dibedakan dari pengamat berbagai kesalahan dan prasangka. Kesalahan dan anomali GPS ini dapat dikaitkan [Sumber:Abidin, 2005]:

1. Satelit seperti kesalahan ephemeris, jam satelit, dan Selective Availability (SA).
2. Medium propagasi seperti bias ionosfer dan bias troposfer.
3. Receiver GPS seperti kesalahan jam receiver, kesalahan yang terkait dengan antena, dan noise (derau).
4. Data pengamatan seperti ambiguitas fase dan cycle slips.
5. Lingkungan sekitar GPS receiver seperti multipath dan imaging

Berikut ini akan dijelaskan karakteristik dari kesalahan dan bias yang umum terjadi.

1. Kesalahan Yang bersumber pada Satelit.

Kesalahan ephemeris adalah kesalahan dalam pelaporan orbit Satelit ephemeris tidak sama dengan orbit satelit yang sebenarnya, jadi akan demikian mempengaruhi ketepatan koordinat titik-titik yang ditentukan. Efeknya sebanding dengan besarnya baseline yang diukur. Untuk mereduksi kesalahan: 

• Terapkan metode differential positioning;
• Perpendek panjang baseline;
• Perpanjang interval waktu pengamatan;
• Tentukan parameter kesalahan orbit dalam estimasi;
• Gunakan ephemeris teliti dari lain sumber (internet).

1. Kesalahan Medium Propagasi

Cara sinyal satelit melewati atmosfer ionosfer dan troposfer. Masing – masing lapisan tersebut menimbulkan bias Ionosfer dan Bias Troposfer.

1. Bias ionosfer

Ion bebas (elektron) di ionosfer mempengaruhi hamburan sinyal GPS. Dalam hal ini, ionosfer mempengaruhi kecepatan, arah, polarisasi dan aktivitas GPS melewati mereka. Ionosfer memperlambat kecepatan sinyal (besarnya jarak bertambah) dan mempercepat fase (ukuran jarak bertambah pendek) dengan simpangan jarak yang sama (dalam satuan panjang). kemudian

Secara umum, aberasi ionosfer dapat menyebabkan pengukuran jarak yang dihasilkan tidak peduli Ionosfer, bagian atas atmosfer (60-1000 km jauhnya di permukaan bumi) beberapa ion bebas (elektron) bekerja. propagasi gelombang radio. Efek ionosfer terbesar adalah kecepatan Sinyal yang secara langsung mempengaruhi nilai jarak:

• memperlambat rentang semu (C/A) sehingga ukuran rentang meningkat lebih lama dan
• Naikkan level (L1, L2, L2C, L5) untuk menambah ukuran pendek

Besarnya simpangan jarak ini bergantung pada konsentrasi dan frekuensi electron Tangan kedua Kandungan elektron sangat dipengaruhi terutama oleh aktivitas matahari dan medan magnet bumi tergantung pada letak geografis, musim dan waktu Dengan demikian, efek ionosfer memiliki variasi regional dan temporal. Terlihat Variasi Spasial:

• Di ekuator, deviasi ionosfer biasanya besar dan relatif stabil.
• Nilai kecil di kutub, tetapi cukup tidak stabil.
  • Pada garis lintang tengah, nilai bias dan variabilitas sedang. Dalam variasi temporalnya:
    • dinamika tinggi (gemerlapan) 
    • menengah (variasi harian dan musiman)
    • rendah (variasi 11 tahunan)

Skintilasi yaitu variasi temporal berdinamika tinggi pada amplitudo dan fase sinyal akibat ketidakteraturan lapisan ionosfer. Fenomena skintilasi umumnya terjadi di daerah sepanjang ekuator magnetik hingga lintang 300 dan mempunyai efek yang maksimum dari satu jam setelah matahari terbenam hingga tengah malam. (Untuk pengamatan sangat teliti disarankan STOP). Fenomena skintilasi akan meningkatkan cycle slip dan menyulitkan penentuan ambiguitas fase. Untuk variasi ionosfer yang bersifat harian, aktivitas ionosfer sesuai dengan aktivitas matahari sehingga pada tengah hari sekitar jam 2 siang sebaiknya pengamatan dihentikan, kecuali menggunakan receiver 2 frekuensi. Aktivitas matahari ditengarai dengan bitnik matahari yang mempunyai siklus 11 tahun. Pada tahun 2013 aktivitas ini mencapai maksimum.

1. Bias troposfer

Saat melewati troposfer, sinyal GPS terputus, yang mana menyebabkan kecepatan dan arah sinyal GPS berubah. Distorsi troposfer ini adalah mempengaruhi kecepatan dan menghasilkan pengukuran jarak yang kurang akurat. Lapisan troposfer ini memperlambat data waktu dan fase.

Ketebalan troposfer adalah 9-16 km dari permukaan bumi. Di troposfer Suhu menurun dengan bertambahnya ketinggian. sinyal akan yang mengalami pembiasan menyebabkan perubahan kecepatan dan arah. Jika kecepatan berubah, hasil pengukuran jarak akan dipalsukan. Luasnya distorsi troposfer ini tidak dapat diestimasi menggunakan pengamatan 2 frekuensi karena datanya adalah jarak semu dan troposfer memperlambat data fase. Strategi untuk mengurangi efek pada troposfer:

• Lakukan differencing hasil pengamatan;
• Perpendek panjang baseline;
• Kedua stasiun pengamat pada ketinggian & kondisi meteorologis yang relative sama;
• Gunakan model koreksi standar troposfer;
• Gunakan model koreksi lokal troposfer;
• Diamat kandungan uap air di udara;
• Diestimasi besarnya parameter bias troposfer untuk tiap satelit yang diamat.

Untuk model koreksi standar, bias troposfer dihitung dengan pengamatan terhadap temperatur, tekanan, dan kelembaban udara di permukaan bumi. Selanjutnya digunakan dalam pengolahan data GPS.

1. Kesalahan Yang Bersumber Pada Lingkungan Sekitar

• Multipath

Multipath merupakan fenomena dimana sinyal dari satelit tiba di antena GPS melalui dua atau lebih lintasan yang berbeda [Abidin, 2006]. Dalam hal ini, satu sinyal merupakan sinyal langsung dari satelit ke antena, sedangkan yang lainnya merupakan sinyal-sinyal tidak langsung yang dipantulkan oleh benda-benda (seperti: gedung, jalan raya, mobi, pepohonan, dll) di sekitar antena sebelum tiba di antena. Perbedaan panjang lintasan menyebabkan sinyal-sinyal tersebut berinteferensi ketika tiba di antena yang mengakibatkan kesalahan pada hasil pengamatan. Kesalahan akibat multipath akan menghasilkan ukuran jarak yang kurang teliti. Multipath akan mempengaruhi hasil ukuran pseudorange dan carrier phase. Efek multipath dapat diestimasi menggunakan kombinasi data pseudorange dan data fase 2 frekuensi L1 & L2.

Dalam menghadapi multipath ada 2 metode :

• metode mitigasi spasial
• metode pemrosesan dalam receiver.

Metode mitigasi spasial bersifat preventif dalam penanggulangan multipath:

• Hindari lingkungan pengamatan yang reflektif;
• Gunakan antena yang relatif tahan multipath;
• Jangan mengamat satelit berelevasi rendah;
• Gunakan bidang dasar antena yang bersifat mengabsorbsi sinyal, untuk menahan sinyal pantulan dari bawah horison antena;
• Waktu pengamatan yang panjang.

Metode pemrosesan dalam receiver terhadap penanggulangan multipath secara real time.

• Imaging

Imaging merupakan suatu fenomena yang melibatkan suatu benda konduktif (konduktor) yang berada dekat dengan antena GPS, seperti reflektor berukuran besar maupun groundplane dari antena itu sendiri [Abidin, 2006]. Efek dari imaging ini adalah akan memunculkan antena ‘bayangan’ (image) atau dengan kata lain fenomena imaging ini akan mendistorsi pola fase antena yang seharusnya. Hal ini mengakibatkan perubahan titik pusat fase antena sehingga akan menyebabkan terjadinya kesalahan pada ukuran jarak.

• Kesalahan Yang Bersumber Pada Receiver

• Ambiguitas fase (cycle ambiguity)

Ambiguitas fase dari pengamatan fase sinyal GPS merupakan jumlah gelombang penuh yang tidak terukur oleh receiver GPS [Abidin, 2006]. Jumlah gelombang penuh berupa bilangan bulat yang tidak mudah ditentukan atau diselesaikan. Dalam merekonstruksi jarak ukuran antara satelit sampai receiver dengan metode pengukuran jarak fase jumlah gelombang penuh ini jika tepat dalam penentuan bilangan ambiguitas fase, akan sangat membantu memperoleh data ukuran jarak yang sangat teliti. Untuk dapat merekonstruksi jarak ukuran antara satelit dengan antenna maka harga ambiguitas fase tersebut harus ditentukan terlebih dahulu. Secara umum ada 3 aspek yang harus diperhitungkan dalam proses resolusi

ambiguitas:

1. Eliminasi kesalahan dan bias dari data pengamatan.
2. Geometri satelit.
3. Teknik resolusi ambiguitas.

Hal ini diperlukan pada saat pengubahan data fase menjadi hasil ukuran jarak sehingga dihasilkan ketelitian yang sangat presisi. Nilai ambiguitas fase akan selalu tetap selama pengamatan tidak terjadi cycle slip. Penentuan ambiguitas fase ini dilakukan dengan cara pemberian koreksi terhadap nilai ambiguitas fase yang mengembang (float) sehingga diperoleh nilai ambiguitas fase yang integer.

• Cycle slips

Cycle slips merupakan ketidak-kontinuan dalam jumlah gelombang penuh dari fase gelombang pembawa yang diamati, karena sinyal ke receiver terputus pada saat pengamatan sinyal. Jika dilakukan plotting data pengamatan fase terhadap waktu, maka cycle slip dapat dideteksi dari terdapatnya loncatan mendadak kurva grafik. Dalam proses pengolahan data untuk perhitungan posis, pengkoreksian cycle slips bisa dilakukan sebagai suatu proses tersendiri sebelum proses estimasi posisi, ataupun secara terpadu dengan proses pengestimasian posisi.

Penyebab cycle slips:

1. memati-hidupkan receiver.
2. kerusakan komponen receiver.
3. adanya obstruksi di lingkungan sekitar pengamatan.
4. rendahnya rasio signal to noise akibat faktor : dinamika receiver yang tinggi, aktivitas atmosfer atau multipath.

Pengoreksiannya dengan algoritma sewaktu prosesing data.

• Kesalahan jam

Kesalahan jam ini dapat berupa kesalahan jam satelit maupun kesalahan jam receiver. Bentuk kesalahannya dapat berupa bentuk offset waktu, offset frekuensi, maupun frequency drift. Kesalahan jam ini akan langsung mempengaruhi ukuran jarak, baik pseudorange maupun jarak fase.

• Pergerakan dari pusat antenna

Pada umumnya pusat fase antena GPS akan berubah-ubah tergantung pada elevasi dan azimuth satelit, serta intensitas sinyal, dan lokasinya akan berbeda untuk sinyal L1 dan L2 [Tranquilla et al. 1987]. Hal ini disebabkan oleh sulitnya merealisasikan sumber radiasi yang ideal pada antena GPS. Karena perbedaan tersebut bersifat variatif terhadap waktu, maka besar efek kesalahan karena adanya pergerakan pusat fase antena pada ukuran jarak juga akan bervariasi secara temporal.

1. Kesalahan Yang Bersumber Pada Kebijakan Pemilik Satelit

• Selective Availability

Selective Availability (SA) merupakan metode yang pernah diaplikasikan untuk memproteksi ketelitian posisi absolut secara real-time yang tinggi dari GPS hanya untuk pihak militer Amerika Serikat dan pihak-pihak yang berwenang. Tetapi sejak 2 Mei 2000, kebijakan SA sudah dinonaktifkan.

• Anti-Spoofing

Anti-Spoofing (AS) merupakan suatu kebijakan dari Departemen Pertahanan Amerika Serikat, dimana kode-P dari sinyal GPS diubah menjadi kode-Y yang bersifat rahasia, yang strukturnya hanya diketahui oleh pihak militer Amerika Serikat dan pihak-pihak yang berwenang.

Sumber: MODUL “Survey Satelit Pertanahan” SEKOLAH TINGGI PERTANAHAN NASIONAL YOGYAKARTA Tahun 2019