GPS Buoy System (pengukuran pasut, arus, dll)

Studi Sistem GPS BUOY  
 
GPS adalah sistem radio navigasi dan penentuan posisi yang berbasiskan satelit yang dapat digunakan oleh banyak orang sekaligus dalam segala cuaca, serta didesain untuk memberikan posisi dan kecepatan tiga dimensi yang teliti, dan juga informasi mengenai waktu, secara kontinyu di seluruh dunia (Abidin, 1995). Teknologi GPS mulai dikembangkan sekitar tahun 70-an oleh pihak militer Amerika Serikat melalui Departemen pertahanan USA yang digunakan untuk kepentingan militer negaranya. Seiring dengan perkembangan system ini, GPS telah digunakan secara luas di pelbagai bidang di luar kepentingan militer, dan dikembangkan tidak hanya di negara Amerika Serikat saja, melainkan di seluruh dunia.

Pada lingkup penelitian, GPS dapat digunakan untuk studi Geodinamika, deformasi, studi oseanografi, dan lain-lain. Salah satu hal yang menarik dari penggunaan GPS ini dalam keperluan oseanografi yaitu GPS Buoy System. GPS buoy System digunakan diantaranya untuk penentuan pasut lepas pantai, pasut pantai, studi pola arus, Tsunami EWS, dan lain-lain.  GPS mampu memberikan ketelitian posisi sampai dengan ketelitian sentimeter bahkan milimeter. Untuk mencapai ketelitian yang tinggi dengan menggunakan GPS dalam studi GPS Buoy digunakan metoda kinematik diferensial baik itu secara real time (RTK) maupun kinematic post processing. Untuk beberapa kasus biasa digunakan Differential GPS (DGPS).

—————————————————————————————————————————————————

KONSEP DARI GPS BUOY 

Konsep dari GPS buoy System yaitu menyimpan receiver GPS dan antenna ketika pada saat pengamatan pada sebuah pelampung. Dengan menggunakan metoda diferensial, yaitu satu receiver GPS berada pada pelampung dan satu lagi  di titik referensi (di darat) yang letaknya beberapa kilometer dari buoy, kemudian (untuk kasus real time) titik referensi tersebut memberikan koreksi ke receiver di Buoy, maka posisi teliti dari Buoy dapat ditentukan.    
  
Ketelitian dari posisi Buoy sangat bergantung pada system dan desain pengukuran, selain itu ada beberapa hal yang harus diperhatikan sebelum buoy di coba. Kriteria utama untuk pengukuran GPS buoy yaitu menentukan syarat ketelitian posisi buoy dan peralatan yang menghasilkan data yang bagus untuk ketelitian yang diinginkan. Dari hal tersebut memunculkan pertanyaan Receiver GPS jenis apa yang harus digunakan, bagaimana metode pengambilan datanya, dan bagaimana cara mengolah datanya. Tipe Receiver GPS sangat penting dalam pengukuran ini karena receiver ini lah yang menghasilkan data untuk diolah, demikian juga  ketelitian pengukuran akan bergantung pada bagaimana strategi pengambilan dan pengolahan datanya. Sebagai contoh, jika ketelitian yang diinginkan pada level sentimeter, maka GPS dual frequency dengan metoda diferensial akan memenuhi sarat ketelitian yang diinginkan tersebut. Pada sisi lain, jika ketelitian posisi yang diinginkan pada level 1-2 meter, maka kira-kira Receiver GPS dual frequency dengan metoda DGPS akan memenuhi ketelitian yang diinginkan.

Secara umum, untuk keperluan sistem GPS buoy,  metode penentuan posisi yang biasa digunakan adalah RTK (yang dapat memberikan ketelitian dalam level sentimeter secara real time), kinematik diferensial post procesing apabila kita tidak memerlukan data real time (contoh pemodelan pasut), atau metode DGPS apabila untuk kasus-kasus tertentu hanya diperlukan ketelitian dalam level 1-2 meter saja.

—————————————————————————————————————————————————

TEKNIK PENENTUAN POSISI PADA SISTEM GPS BUOY

Seperti yang telah disebutkan si atas untuk GPS Buoy, metode penentuan posisinya bisa RTK (Real Time Kinematic), kinematik diferensial post proccesing, dan bisa juga DGPS (Differential Global Positioning System), tergantung kebutuhannya.

Sistem RTK (Real Time Kinematic) adalah suatu akronim yang sudah umum digunakan untuk Penentuan posisi real time secara diferensial yang menggunakan data fase. Sistem ini umumnya digunakan untuk Penentuan posisi obyek-obyek yang bergerak. Untuk merealisasikan tuntuan real-time nya, maka monitor station harus mengirimkan koreksi diferensial (fase) ke pengguna secara real time dengan menggunakan system komunikasi data tertentu. 

Sistem kinematik diferensial post processing prinsipnya sama dengan RTK, hanya beda dalam hal sisi real time-nya. Pada sistem  kinematik diferensial post processing sesuai dengan namanya (post processing) maka data dikumpulkan terlebih dahulu untuk kemudian diolah (secara manual) menggunakan software pengolahan data GPS.

Sistem DGPS adalah suatu akronim yang sudah umum digunakan untuk Penentuan posisi real time secara diferensial yang menggunakan data pseudorange. Sistem ini umumnya juga  digunakan untuk penentuan posisi obyek-obyek yang bergerak. Untuk merelisasikan tuntuan real-time nya, maka monitor station harus mengirimkan koreksi diferensial ke pengguna secara real time dengan menggunakan system komunikasi data tertentu.  Koreksi diferensial ini dapat berupa koreksi jarak (pseudorange) maupun koreksi koordinat. Dalam hal ini, yang umum digunakan adalah koreksi pseudorange. Koreksi koordinat jarang digunakan, karena koreksi ini menuntut bahwa stasiun referensi pengirim koreksi serta pengamat mengamati satelit-satelit yang sama, dimana hal ini tidak selalu dapat direalisasikan dalam operasional lapangannya.  

————————————————————————————————————————————————–

FAKTOR PENGARUH KESALAHAN SIGNIFIKAN PADA SISTEM GPS BUOY

Kesalahan yang cukup signifikan pada GPS Buoy, salah satunya adalah efek ayunan antena.  Efek ayunan antena merupakan kesalahan tinggi yang diakibatklan perubahan-perubahan posisi antena relatif terhadap permukaan laut. Untuk memperoleh tinggi muka air laut yang benar atau diasumsikan benar maka data sudut ayunan antenna harus diperoleh bersamaan dengan saat-saat pengamatan GPS dilakukan. Untuk menangani kesalahan ini maka alat GPS dapat ditambahkan dengan komponen lain yaitu tilt meter, atau GPS Buoy disusun oleh Receiver GPS lebih dari satu.

Dalam perjalanannya dari satelit GPS ke receiver pengamat, sinyal GPS akan dipengaruhi oleh beberapa kesalahan dan bias. Pada dasarnya kesalahan dan bias GPS dapat dikelompokan atas kesalahan dan bias yang terkait dengan satelit (berupa kesalahan jam satelit, ephemeris, dan selective availability), medium propagasi (berupa bias ionosfer dan bias troposfer ), Receiver GPS (meliputi kesalahan jam receiver, kesalahan yang terkait dengan antenna, dan noise), data pengamatan (seperti ambiguitas fase dan cycle slip), dan lingkungan sekitar receiver gps (multipath dan imaging).  Terkait dengan sistem GPS Buoy, hal yang dapat mencolok dari jenis kesalahan dan bias ini (termasuk dalam kesalahan signifikan) adalah kesalahan multipath, karena air (laut) bersifat reflektif.  Untuk menangani kesalahan multipath ini maka alat antena GPS disusun sedemikian rupa sehingga dapat menangkal efek multipath tersebut.

————————————————————————————————————————————————–
  
APLIKASI GPS BUOY SYSTEM

Aplikasi dari GPS Buoy System yang sekarang ini banyak kita jumpai, yaitu diantaranya untuk pengamatan pasut lepas pantai, pengamatan pasut pantai, GPS Buoy untuk koreksi radar altimetry, penentuan pola arus laut, Tsunami EWS, dan lain-lain.

buoy_sistem.jpg   gps_bu2.jpg   gps_bu3.jpg   image030.gif

Baru baru ini setelah terjadinya tsunami akibat gempa Aceh 2004, sistem GPS Buoy untuk Tsunami EWS banyak diperbincangkan, kemudian setelah itu juga bahkan banyak dibangun dibeberapa tempat sebagai bagian komponen system dari keseluruhan sistem EWS (Early Warning System).  GPS Buoy menurut hasil percobaan, dapat mendeteksi sinyal gelombang tsunami yang muncul akibat terjadinya suatu gempa bumi di laut.

————————————————————————————————————————————————–

APLIKASI GPS BUOY PADA PENGAMATAN PASUT LEPAS PANTAI 
 
Pengamatan pasang surut (pasut) laut umumnya dilakukan dipinggir pantai dengan menggunakan palem pasut ataupun peralatan tide gaug lainnya. Patut diingat disini bahwa karakteristik pasut yang diamati ditepi pantai umumnya hanya valid untuk kawasan dengan radius tertentu dari titik pengamatan. Diluar kawasan tersebut, seperti dilepas pantai, karakteristik pasut biasanya ditentukan secara tidak langsung, yaitu dengan melakukan prediksi menggunakan cotidal chart.

Dengan menggunakan GPS Buoy, pengamatan pasut dapat dilakukan secara langsung. Dalam hal ini, satu receiver GPS ditempatkan di pelampung yang dijangkarkan di dasar laut,  dan satu reveiver lainnya ditempatkan di satu titik (bench mark) dipinggir pantai. Pada metoda ini, GPS digunakan untuk menentukan beda tinggi antara pelampung dengan benchmark tersebut dari waktu kewaktu.

————————————————————————————————————————————————–
  
APLIKASI GPS BUOY PADA PENGAMATAN PASUT PANTAI 
 
Pengamatan pasang surut dengan tide gaug biasanya dilakukan dalam selang waktu tertentu (menit atau jam). Dalam selang waktu pengamatan tersebut mungkin saja dapat terjadi kehilangan informasi dari komponen high frekuensi-nya.  GPS mampu mengamati posisi secara high rate (1 Hz), (posisi ditentukan tiap detik) sehingga dapat mengakomodasi sinyal high frekuensi yang mungkin ada di dalam komponen pasut yang akan kita amati, kemudian selanjutnya kita buatkan bentuk model pasutnya.    
  
Dengan menggunakan GPS Buoy dalam pengamatan pasut yang dapat dilakukan secara high rate, dan bahkan secara real time, mungkin merupakan keunggulan dari sistem GPS Buoy ini apabila dibandingkan dengan pengamatan pasut biasa, atau setidaknya menjadi alat pelengkap (complementary) dari sistem pengamatan pasut yang ada, sehingga pemodelan pasut nantinya yang akan kita cari, akan lebih baik lagi kita dapatkan model akhirnya. 

—————————————————————————————————————————————————
 
APLIKASI GPS BUOY UNTUK KOREKSI RADAR ALTIMETER

GPS Buoy dapat diaplikasikan untuk koreksi radar altimeter.  Contohnya dibawah ini adalah koreksi radar altimeter yang dilakukan di Crosica. Radar yang akan dikoreksi/dikalibrasi yaitu TOPEX/Poseidon altimeter.

Sejak februari 2000, untuk setiap T/P overflight (seharian) sebuah GPS buoy berada pada track sekitar 10 km di lepas pantai. Perbandingan tinggi muka laut dengan GPS dan altimetry menghasilkan kesalahan altimetry. Dengan adanya GPS Buoy ini maka kesalahan nantinya dapat dikoreksi. Kontrol yang sistematik juga dilakukan dengan pengukuran menggunakan 3 tide guage sebelum dan sesudah overflight. 

Contoh kalibrasi  absolut yang terdapat di croscia, disitu mereka bisa melakukan perhitungan dengan GPS buoy dan membandingkannya dengan suatu pendekatan klasik. Di dalam study tersebut, data GPS telah diperoleh dengan receiver Sercel dan diolah dengan menggunakan software Geogenius, GDR dari PODAAC digunakan untuk pengolahan data altimetry.

————————————————————————————————————————————————–
 
APLIKASI GPS BUOY UNTUK STUDI POLA ARUS LAUT 
 
Sistem GPS Buoy dapat digunakan untuk menentukan pola arus laut di suatu kawasan perairan. Caranya yaitu dengan menempatkan Receiver GPS pada suatu buoy (alat pelampung) yang bergerak bebas, bersama dengan perangkat pemancar data (transmiter) yang berfungsi mengirimkan data posisi.  Karena adanya arus laut maka pelampung yang membawa receiver GPS, dan transmiter akan bergerak mengikuti arah pergerakan arus yang bersangkutan ( Ilustrasi dapat dilihat pada gambar disamping.    
 
Dengan menentukan posisi pelampung dari waktu ke waktu menggunakan GPS, maka trajektori pelampung, yang mewakili arah pergerakan arus laut dalam selang waktu tertentu dapat di ketahui.  
Untuk menentukan arah pergerakan arus laut yang relatif teliti dan memadai untuk keperluan praktis, yaitu dengan orde ketelitian posisi titik-titik sepanjang trajektori sebesar 1 – 5 meter, maka metoda penentuan posisi secara diferensial dengan menggunakan data pseudorange dapat digunakan. Seandainya ketelitian yang lebih tinggi diinginkan maka data fase-lah yang  harus digunakan.  

—————————————————————————————————————————————————

Studi GPS BUOY yang dilakukan  KK GEODESI

Studi GPS Buoy oleh KK Geodesi bekerjasama dengan BPPT dilaksanakan di teluk Jakarta, sekitar 10 kilometer di lepas pantai kawasan Dadap, Tanggerang.  Pengamatan dilaksanakan dalam periode 15 sampai dengan 25 april 2000, menggunakan dua receiver GPS tipe geodetik dual frekuensi Trimble 4000 SSE dan Trimble 4000 SSI, dimana satu receiver ditempatkan di stasiun referensi di darat dan satunya di pelampung.  Stasiun referensi berada di halaman Laboraturium lapangan UPT Baruna Jaya BPPT di daerah Dadap.

Dalam pengamatan satelit GPS, kedua receiver menggunakan interval data pengamatan sebesar 0.5 detik.  Koordinat stasiun referensi ditentukan secara diferensial dari stasiun IGS BAKOSURTANAL yang berada di Cibinong Bogor.  Sementara itu antena GPS dari sistem pelampung GPS di lepas pantai ditambatkan dengan tali pada suatu bagan penangkap ikan di lepas pantai.  Sedangkan receiver GPS dan batere yang digunakan ditempatkan di atas bagan tersebut.

Untuk mengecek hasil pengamatan variasi muka laut dengan sistem pelampung GPS ini, digunakan juga data pasut dari stasiun pasang surut pemanen milik PERUM PELABUHAN II yang terletak sekitar 10 kilometer dari lokasi pelampung GPS.

Pengolahan data GPS dilakukan dengan menggunakan software GPS, dimana hasil pengolahannya berupa koordinat antena pelampung GPS dalam lintang, bujur, dan tinggi ellipsoid dari epok per epok, relatif terhadap stasiun referensi di Dadap.  Penentuan koordinat antena GPS ini menggunakan data fase yang ambiguitas fasenya ditentukan dengan metode on the fly [Abidin, 1993].  Hasil pengolahan data GPS dengan data Pasut memperlihatkan pola yang relatif sama.  Perbedaannya terdapat dalam komponen frekuensi tinggginya (riak dan gelombang) yang hanya diperoleh dari GPS, dan tidak teramati pasut.