Tugas Aplikasi Geodesi Satelit - Resume GOCE Dan CHAMP - Nabil Amirul Haq - 6016202002 [PDF]

Citation preview

TUGAS APLIKASI GEODESI SATELIT



“Resume Tentang Satelit Altimetri GOCE, CHAMP dan GRACE”



Dosen: Dr. Eko Yuli Handoko, S.T., M.T.



Disusun Oleh: Nabil Amirul Haq



(6016202002)



PROGRAM MAGISTER TEKNIK GEOMATIKA FAKULTAS TEKNIK SIPIL, PERENCANAAN, DAN KEBUMIAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2021



I.



PENDAHULUAN



1.1 Satelit Gravimetri Satelit gravimetri merupakan satelit yang bertugas untuk mengukur bidang gaya berat bumi, termasuk variasinya terhadap waktu. Dalam bidang Geodesi, selain menentukan bentuk dan ukuran bumi, para ahli geodesi juga menentukan medan gaya berat bumi dalam dimensi ruang dan waktu. Pengukuran gaya berat yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui nilai Undulasi Geoid, di mana nilai undulasi geoid tidak sama di setiap tempat, karena diakibatkan oleh ketidakseragaman sebaran densitas masa bumi. Jika nilai undulasi didapatkan, para ahli geodesi juga dapat menentukan bentuk permukaan Geoid, atau yang bisa disebut model fisik yang mendekati bentuk bumi yang sebenarnya (Rapp dan Balasubramania, 2019).



Gambar 1. Satelit Graya Berat Menurut Rummel (2002) pada Seeber (2003) menyatakan bahwa penentuan besar nilai gaya berat bumi menggunakan satelit dapat dilakukan dengan dua teknik yaitu:  satellite-to-satellite tracking- SST (pengukuran jarak dan rata-rata jarak antar satelit)  satellite gravity gradiometry- SGG (pengukuran anomali gaya berat dengan satelit). Teknik satelit gravimetri secara prinsip sederhananya yaitu dengan melakukan penjejakan terhadap satelit, maka kita dapat menentukan seberapa besar penyimpangan orbit satelit dan kemudian dapat dihitung seberapa besar perbedaan medan gaya berat bumi dibandingkan dengan massa sebuah titik. Ini merupakan cara yang baik untuk mendapatkan kenampakan gelombang panjang (long wavelength) dari medan gaya berat. Untuk menentukan derajat (degree) yang lebih tinggi maka kita memerlukan data gaya berat terestris. Selain itu, berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Zhang dkk (2017), pengukuran gaya berat juga dapat dilakukan dengan memanfaatkan satelit altimetri dengan GPS. Teknik kombinasi dari satelit altimetri dengan satelit GPS secara prinsip sederhananya yaitu dengan membandingkan jarak yang diperoleh dari satelit altimetri dengan tinggi yang diperoleh dari GPS dalam fungsi waktu. Pada era sekarang, penentuan medan gaya berat dan serta geoid menggunakan satelit gravimetri mulai banyak dikembangkan, diantaraya adalah satelit GOCE dan CHAMPS yang akan dibahas pada resume kali ini.



II.



SATELIT GOCE



2.1 Overview GOCE Satelit GOCE atau bisa disebut dengan Gravity fieldand steady-state Ocean Circulation Exploler, merupakan misi satelit dari ESA yang bertujuan untuk memetakan medan gaya berat bumi. Sistem akuisisi gaya berat pada satelit ini berupa kombinasi dari SGG (Satellite Gravity Gradiometry) dan SST (Satellite-to-Satellite Tracking). GOCE diluncurkan pada tanggal 17 Maret 2009, pada ketinggian orbit 254,9km, inklinasi 96,7o, periode orbit 90 menit dan repeat cycle 61 hari.



Gambar 2. Satelit GOCE Misi GOCE yang dilakukan merupakan misi yang melengkapi misi-misi satelit lainnya dalam bidang yang sama yaitu CHAMP (diluncurkan 15 juli 2000) dan GRACE (diluncurkan pada tanggal 17 maret 2002). Misi GOCE ini diharapkan membantu untuk memahami lebih baik proses dinamika bumi yang terjadi dalam interior bumi dan permukaan bumi. Contohnya, pengetahuan akan geoid yang baik akan bermanfaat bagi studi distribusi masa di bumi padat, intepretasi perubahan muka laut (sea level change), studi arus laut, perpindahan panas air laut, studi iklim, dan prediksi dari dinamika bumi (ESA, 2010). Pada satelit GOCE, terdapat tiga konsep utama yang diimplementasikan dalam pengukuran medan gaya berat:  







Penentuan orbit secara presisi dengan sistem SST (Satellite to Satellite Tracking). Gravity gradiometry, yang merupakan sebuah gradiometer untuk mengukur komponen tensor gradien medan gaya berat yang memanfaatkan pendekatan diferensial klasik unruk memperjelas efek dari fitur-fitur berskala kecil. DFACS (Drag-Free and Attitude Control System), untuk mengekstrak komponen medan gravitasi dari orbit serta dari pengukuran gradiometer, gaya non-gravitasi harus secara akurat dikompensasi oleh sistem Drag-Free, dan attitude dari satelit juga harus secara akurat selaras dengan Local Orbital Reference Frame (LORF).



2.3 Tujuan Misi GOCE GOCE memiliki misi yang mencakup multi-disiplin ilmu sebagai berikut:   



Untuk menentukan anomali medan gravitasi dengan akurasi 1 mGal (di mana 1 mGal = 10–5 ms– 2). Untuk menentukan geoid dengan akurasi 1-2 cm dengan resolusi spasial lebih baik dari 100km. Untuk melakukan pengukuran yang akurat dari geoid laut hingga 1cm dengan resolusi spasial lebih baik dari 100km, (pengukuran kombinasi dengan altimetri).



 



Mengestimasi tebal es di kutub melalui kombinasi batuan dasar, yang diturunkan dari pengukuran gravitasi dan elevasi permukaan lapisan es dari altimetri. Menyediakan sistem referensi tinggi global dengan akurasi tinggi.



2.4 Spesifikasi Satelit GOCE merupakan satelit berbentuk oktagonal atau segi delapan yang cukup ramping, memiliki panjang 5m dan diameter 1m dengan berat 1050kg. Satelit ini tidak memiliki komponen yang dapat bergerak (pada satelit pada umumnya, biasanya panel surya atau komponen lain dapat bergerak). Penampang diminimalkan ke arah penerbangan untuk mengurangi hambatan. Sirip ekor bertindak sebagai penstabil pasif. GOCE memiliki berbagai instrumen yang terpasang pada satelitnya, instrumen utama pada GOCE adalah sebagai berikut:    



Gradiometer, 3 pasang akselerometer kapasitif 3 sumbu, servo yang terkontrol, dan kapasitif (masing-masing pasangan dipisahkan sekitar 0,5 m). Penerima GPS dual-frekuensi 12-channel dengan kualitas geodetik. Laser retoreflektor memungkinkan pelacakan dengan laser berbasis darat.



Gambar 3. Instrumen pada GOCE (ESA, 2010)



III.



SATELIT CHAMP



3.1 Overview CHAMP CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) merupakan misi satelit yang bertujuan untuk mempelajari gaya berat dan medan magnet dari bumi, satelit ini merupakan terobosan dari GeoForschungsZentrum atau GFZ di Jerman yang diluncurkan pada tanggal 15 Juli 2000 dan satelit ini berhenti beroperasi tanggal 19 September 2010. Satelit CHAMP merupakan misi pertama pengukuran gaya berat yang mengkombinasi secara global dan berkelanjutan, sebuah satelit dengan GPS dan pengukuran terhadap keseluruhan gaya non gravitasi yang terjadi pada satelit dengan akselerometri presisi. Namun, keterbatasan intrinsik dari satelit gravimetri tetap menjadi pelemahan eksponensial kekuatan medan dengan ketinggian tertentu, seperti halnya yang dijelaskan pada hukum newton mengenai gravitasi. Keterbatasan tersebut menunjukkan bahwa peningkatan resolusi pada data produk memerlukan lintasan orbit yang dekat dengan Bumi, itulah mengapa CHAMP berada di ketinggian berkisar 400 km, inklinasi 87,18 o, dan periode orbit 93,55 menit (Bouman, 2013).



Gambar 4. Satelit CHAMP Selama menjalankan misi, CHAMP menghasilkan pengukuran gaya berat dan medan magnet secara simultan dan presisi untuk pertama kalinya di bumi. Pengukuran dari satelit ini memungkinkan ilmuwan untuk mendeteksi variasi spasial dari kedua bidang serta variabilitas mereka terhadap waktu. 3.2 Tujuan Misi CHAMP Misi CHAMP yang utama adalah sebagai berikut:    



Membuka era baru dalam penelitian di bidang geopotensial. Melakukan pemetaan medan gravitasi atau gaya berat gelombang panjang dan gelombang menengah global serta variasi temporalnya. Pemetaan medan magnet global serta variasi temporalnya. Pengukuran pada lapisan atmosfer/ionosfer.



Dari keempat misi yang disebutkan, dapat diturunkan lagi untuk aplikasi yang lebih luas mencakup aplikasi pada studi iklim global, oseanografi, prakiraan cuaca, penelitian bencana, geofisika dan geodesi. Data turunan CHAMP berfungsi sebagai dasar yang ideal untuk penyempurnaan lebih lanjut metode survei satelit modern. Data-data tersebut juga dapat dimanfaatkan dalam aplikasi penginderaan jauh dan kartografi, seperti dalam pembuatan DTM atau Digital Terrain Model yang mencakup wilayah daratan dan es yang luas. Evaluasi ketiga jenis sinyal diamati oleh CHAMP memungkinkan permodelan struktur dan dinamika inti serta mantel Bumi yang lengkap dan terintegrasi. Peningkatan tersebut dapat berimplikasi positif



terhadap peningkatan studi mengenai struktur dan komposisi interior Bumi serta akan membuka aplikasi baru dalam geodesi, fisika bumi yang solid dan oseanografi (Reigber dkk, 2003). 3.3 Spesifikasi Satelit Satelit CHAMP terdiri dari badan utama yang kuat dan dua panel surya tetap. Desain utama terdiri dari lapisan panel alumunium dengan lapisan busa Kapton tambahan pada panel luar. Bentuk luar dari satelit didesain berdasarkan aerodinamika rudal, persyaratan fisik untuk penempatan instrumen dan subsistem, serta karakteristik struktural peluncur. CHAMP memiliki panjang 8,3m, lebar 1,6m, dan tinggi 75cm dengan bobot 522kg. Berikut ini adalah instrumen utama pada CHAMP yang berperan dalam akuisisi data gaya berat dan medan magnet:    



STAR (Space Three-axis Accelerometer for Research Mission) MIAS (Magnetometer Instrument Assembly System) yang dilengkapi Gradiometer. Penerima GPS dual-frekuensi 16-channel dengan kualitas geodetik. laser retoreflektor memungkinkan pelacakan dengan laser berbasis darat.



Gambar 5. Instrumen pada CHAMP (GFZ, 2010)



IV.



SATELIT GRACE



4.1 Overview GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) merupakan sistem satelit gravimetri hasil kerjasama antara NASA (National Aeronautics and Space Administration) dengan DLR (Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt). Tujuan pertama dari misi satelit GRACE ini yaitu, untuk menyediakan informasi model medan gaya berat bumi selama 5 tahun dengan variasi temporalnya. Sedangkan tujuan kedua dari misi satelit GRACE yaitu, menyediakan informasi mengenai besaran bias ionosfer dan troposfer yang dapat memperlambat sinyal pengukuran GPS dan memprediksi perubahan iklim secara global (NASA, 2012).



Gambar 6. Satelit GRACE Satelit GRACE merupakan satelit kembar yang berada pada orbit yang sama, dan terbang beriringan dengan jarak berkisar 220km pada ketinggian 460km. Variasi jarak di antara dua satelit itu diukur dengan instrumen Bernama KBR atau K/Ka-Band Ranging dengan presisi yang tinggi, pengukuran jarak tersebut dapat memungkinkan untuk mengukur diferensial pertubasi diantara orbit kedua satelit tersebut. Teknik dari satelit GRACE mendeteksi medan gaya berat bumi dengan cara memonitor perubahan jarak yang terjadi antara 2 buah pasang satelit GRACE pada orbitnya. Untuk melihat precise attitude dan pergerakan akibat gaya non-gravitasi dari satelit, keduanya dilengkapi dengan starcamera yang digunakan untuk mempertahankan posisi kedua satelit pada posisi orbitnya dan akselerometer untuk menghilangkan efek dari gaya-gaya lain selain gaya berat. 3.3 Spesifikasi Satelit Satelit GRACE memiliki panjang 3,1m, lebar 1,9m, tinggi 72cm, dengan massa 487kg per satu buah satelit. GRACE di desain untuk bisa bertahan selama 5 tahun, dan menariknya, satelit ini dapat bertahan hingga 15 tahun, dengan masing-masing satelit berhenti beroperasi pada tahun 2018 untuk GRACE-1, dan 2017 untuk GRACE-2. Satelit GRACE terdiri dari berbagai komponen. Komponen-komponen utama peralatan Satelit GRACE diantaranya : 1.



K-band Ranging System (KBR) : mengukur perubahan jarak antara dua buah satelit GRACE (dengan tingkat ketelitian sampai 10 µm) yang digunakan untuk mengukur nilai medan berat bumi yang berubah-ubah.



2.



Ultra Stable Oscillator (USO) : membangkitkan frekuensi yang digunakan pada K-band Ranging System. 3. SuperSTAR Accelorometer (ACC) : untuk mengukur secara presisi percepatan nongravitational yang bekerja pada dua buah satelit GRACE. 4. Star Camera Assembly (SCA) : menentukan secara presisi dengan tepat kedua buah satelit GRACE yang berorientasi dengan cara mengikuti posisi mereka relatif terhadap bintang. 5. Coarse Earth and Sun Sensor (CES) : digunakan untuk menjaga satelit GRACE beroperasi dalam keadaan Safe Mode. 6. Center of Mass Trim Assembly (MTA) : untuk mengukur secara tepat jarak antara kedua buah satelit GRACE dengan pusat massanya dan juga percepatan selama terbang serta menyesuaikan badan satelit GRACE dengan pusat massanya. 7. Black-Jack GPS Receiver and Instrument Processing Unit (GPS) : untuk mengukur perubahan jarak relatif satelit GRACE terhadap konstelasi satelit GPS yang berhubungan langsung dengan efek bias atmosfir. 8. Globalstar Silicon Solar Cell Arrays (GSA): sumber tenaga satelit dari matahari (menyelimuti seluruh badan bagian luar satelit GRACE) sekaligus sebagai pelindung bagian dalam komponen peralatan satelit GRACE. 9. Three-axis Stabilized Attitude Control System : untuk mengkoreksi posisi keadaan orbit satelit GRACE yang dilengkapi dengan star camera dan sensor gyro dan juga sistem gas dingin nitrogen dengan kumparan magnet. 10. 1750-A Microprocessor for Flight Computer : untuk perhitungan keadaan satelit GRACE saat terbang dan telemetry processing.



Gambar 7. Instrumen GRACE (NASA, 2012)



DAFTAR PUSTAKA Bouman, J dkk. 2013. More than 50 Years of Progress in Satellite Gravimetry. Jurnal Ilmiah: Eos, Vol. 94, No.31 ESA. 2010. European Space Agency-Living Planet Programme, The Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE) mission website. http://www.esa.int/SPECIALS/GOCE/index.html. Diakses pada 18 Juni 2021 Pukul 19:00. NASA. 2012. GRACE Spacecraft Specification. https://www.nasa.gov/mission_pages/Grace/spacecraft/index.html. Diakses pada 19 Juni Pukul 5:00. Rapp, RH., Nalasubramania, N. 1992. A Conceptual Formulation of a World Height System: Report of the Department of Geodesy Science and Survey, Vol 421. Ohio: Columbus University. Reigberg, C., dkk. 2003. First CHAMP Mission Results for Gravity, Magnetic and Atmospheric Studies. Berlin: Springer. Seeber, G. 2003. Satellite Geodesy. Berlin: Walter de Gruyter. Zhang, Xinggang,. dkk. 2017. Global Surface Mass Variations from Continous GPS Observations and Satellite Altimetry Data. Remote Sensing. 2017, 9, 1000.