konsep sistem navigasi
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
1/12
Sistem Penentuan Posisi dan Navigasi
DISKUSI KELOMPOK: KONSEP SISTEM NAVIGASI
Program Pascasarjana Teknik Geomatika Fakultas Teknik
Universitas Gadjah Mada (UGM) Yogyakarta
2014
Anindya Sricandra Prasidya
Dany Puguh Laksono
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
2/12
2
KONSEP SISTEM NAVIGASI
Anindya Sricandra P, Dany Laksono
I. Pengertian Navigasi
Farrel (2008) merujuk pada banyak literature tentang autonomous vehicle menyebutkan bahwa
navigasi terbagi menjadi dua pengertian:
1. Penentuan secara akurat kondisi/keberadaan kendaraan (vehicle state), antara lain posisi,
kecepatan, dan sikap (attitude) nya.
2. Merencanakan dan melaksanakan maneuver yang berguna untuk perpindahan menuju lokasi
yang diinginkan.
Istilah navigasi sendiri dipakai untuk merujuk pada proses estimasi berbasis kinematik vehicle state
(posisi, kecepatan, dan attitude) secara realtime sebagai acuan untuk menentukan manuver
(pergerakan) kendaraan sepanjang trayektori. Vehicle state berguna untuk control otomatis, realtime
planning, data logging, Simultaneous Location and Mapping (SLAM), atau komunikasi operator yang
dipakai pada navigasi. Navigasi sering digunakan untuk memandu suatu objek, baik manusia,
kendaraan maupun robot, untuk melewati suatu daerah yang belum dikenali sebelumnya.
Pendekatan klasik pada estimasi vehicle state adalah dengan melengkapi kendaraan dengan sensor
inersia yang mampu mengukur percepatan dan kecepatan sudut kendaraan. Dengan kalibrasi dan
inisialisasi yang sesuai, integrasi kecepatan sudut menyediakan sebuah estimasi bagi attitude, ketika
diintegrasikan dengan percepatan maka akan menyeridkan estimasi kecepatan dan posisi.
Lingkungan integrasi pada pendekatan ini memiliki aspek positif dan negative. Pada aspek positif,
integrasi akan memperhalus kesalahan frekuensi tinggi (sensor noise). Pada aspek negatifnya,
integrasi kesalahan frekuensi rendah karena adanya bias, kesalahan faktor skala, atau ketidaklurusan
akan menyebabkan peningkatan kesalahan antara vehicle state terestimasi dan vehicle state
sebenarnya. Estimasi vehicle state dihitung dengan integrasi data dari sensor high-rate yang
dikoreksi menggunakan pengukuran dari sensor low rate yang sesuai.
II.
Karakteristik Navigasi
Beberapa karakteristik navigasi yang bisa diperoleh dari pengertian mengenai navigasi di atas
setidaknya ada 5 hal:
1.
Vehicle state
Vehicle state adalah kondisi dan lokasi kendaraan atau suatu benda dalam suatu skala waktu
tertentu, terkait pada posisi, kecepatan, dan attitudenya. Posisi adalah letak suatu benda dalam
suatu datum/kerangka referensi dan hanya dalam satu titik waktu (epoch) saja, sedangkan
kecepatan adalah turunan dari posisi yang menyatakan perubahan posisi suatu
benda/titik/kendaraan terhadap satuan waktu tertentu. Attitude/sikap kendaraan adalah kondisi
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
3/12
3
benda/titik saat berada pada satu titik terhadap sumbu tertentu pada satu waktu, biasanya
dinyatak dalam putara pada sumbu x (roll ), pada sumbu y ( pitch), dan pada sumbu z ( yaw).
2. Estimasi
Estimasi adalah perhitungan prediksi dan interpolasi suatu nilai pada suatu satuan waktu tertentu(bisa waktu maju atau mundur), dalam navigasi estimasi dipakai untuk mengestimasi posisi,
kecepatan, dan attitude sepanjang trayektori benda/kendaraan.
3.
Trajectory
Trayektori adalah lintasan pergerakan suatu benda yang berpindah pada satuan waktu tertentu,
dalam setiap titik pada trayektori terdiri dari nilai posisi, kecepatan, dan attitude, yang bisa
menghasilkan akselerasi atau percepatan. Trayektori bisa berlaku pada benda yang memiliki
kecepatan seperti satelit kendaraan di darat, kapal laut, pesawat, dan lain-lain. Contoh trajektori
yang banyak dijumpai dalam dunia pemetaan adalah flight-path atau jalur penerbangan pesawat
yang diperlukan pada saat pemetaan dengan menggunakan pesawat udara.
Gambar 1: Trayektori pesawat dalam bentuk flight path
4. Realtime
Pada system navigasi, posisi, kecepatan, dan attitude diukur dan dihitung secara langsung padakondisi kendaraan/benda masih bergerak.
5. Kinematik
Pada system navigasi benda yang diukur posisinya adalah suatu benda yang tidak statis atau
terus mengalami pergerakan dalam waktu tertentu. Sehingga proses perhitungan untuk
penentuan kecepatannya akan berbeda dan harus dipertimbangkan sikap saat benda tersebut
bergerak juga.
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
4/12
4
III. Akuisisi Data untuk Navigasi
Berdasarkan metode akuisisi data yang digunakan untuk keperluan navigasi, sistem navigasi dapat
dibagi menjadi beberapa jenis. Diantaranya:
a.
Outdoor/Satellite NavigationMetode navigasi ini merupakan yang paling populer dan paling banyak digunakan saat ini.
Prinsip dasar sistem navigasi berbasis satelit adalah point-positioning , yaitu penentuan posisi
dengan menghitung jarak antara titik pengamat dan beberapa buah satelit secara simultan
(terus-menerus).
Navigasi berbasis satelit mempersyaratkan pengamatan secara langsung antara pengamat dan
satelit. Demikian pula, jumlah satelit yang tersedia untuk menyelesaikan parameter posisi
objek yang diamat (x,y,z dan t) harus memenuhi persyaratan, yaitu tersedia minimal 4 buah
satelit.
Variasi dari penentuan posisi berbasis satelit murni adalah GNSS-Augmentation (A-GNSS).
A-GNSS merupakan penentuan posisi berbasis satelit dengan menggunakan bantuan
pemancar sinyal lain untuk mempercepat proses atau membantu penentuan lokasi objek pada
saat satelit yang diamat kehilangan sinyal. Pemancar sinyal tersebut dapat berasal dari satelit
(Satellite Based Augmentation System/SBAS) lain maupun menara pancar yang berada di
permukaan bumi (Ground Based Augmentation System/GBAS). Metode Augmentasi GNSS
ini sering digunakan pada area yang terbatas untuk meningkatkan akurasi navigasi dengan
menggunakan satelit. Gambar berikut menunjukkan beberapa cakupan Satellite Based
Augmentation System yang ada di dunia saat ini:
Gambar 2: Cakupan Satellite-based Augmentation System
Pada perangkat genggam mobile, digunakan variasi lain dari GNSS Augmentation system
yang disebut dengan Assisted GPS (aGPS). Pada sistem navigasi ini, menara pancar yang
digunakan untuk membantu menentukan lokasi pengamat adalah menara telekomunikasi
selular (cell-tower ). Dengan menggunakan prinsip triangulasi dari beberapa menara, estimasi
posisi pengamat dapat ditentukan sebagai tambahan dari posisi yang diberikan oleh GPS.
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
5/12
5
Gambar 3: Assisted GPS (aGPS)
b.
Indoor Navigation/Wifi Positioning System
Sistem navigasi berbasis satelit memiliki kekurangan, yaitu keterbatasan dalam menentukan
posisi pada daerah yang terhalang sinyal dari satelit, seperti di bawah kanopi pohon atau di
dalam gedung. Untuk itu, perlu suatu metode penentuan posisi dan navigasi lain yang dapat
digunakan untuk menentukan posisi secara realtime pada kondisi tersebut. Suatu metode
navigasi yang menggunakan prinsip ini adalah metode Indoor Positioning/Indoor Navigation
System.
Gambar 4: Keterbatasan Metode Navigasi berbasis Satelit
Prinsip navigasi berbasis wifi adalah triangulasi, yaitu penentuan posisi berdasarkan jarak
antara beberapa pemancar sinyal dengan pengamat. Dalam hal ini, pemancar sinyal adalah
router yang berfungsi untuk memancarkan sinyal wifi, sedangkan pengamat adalah perangkat
genggam (handheld device) yang menerima sinyal dari pemancar sinyal. Dengan
menggunakan konsep Signal to Noise Ratio (S/R ratio), maka jarak antara pemancar sinyal
dan penerima sinyal dapat diestimasi dan ditentukan posisinya menggunakan triangulasi.
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
6/12
6
Berdasarkan metode yang digunakan, wifi positioning system dapat dibagi menjadi dua
macam, yaitu:
1) Wifi Trilateration
Wifi trilateration menggunakan prinsip S/N Ratio untuk menentukan posisi pengamat
berdasarkan jarak antara pengamat dan router wifi. Persamaan yang digunakan untukmenentukan jarak adalah dengan menggunakan Free-space Path Loss (FSPL), yaitu
sebagai berikut:
Dimana dB adalah kekuatan sinyal yang diterima oleh pengamat, d adalah jarak antara
pengamat dan router, serta f adalah frekuensi sinyal yang diterima pengamat. Angka
92.45 merupakan konstanta penambah untuk sinyal wifi. Dengan menghitung jarak
sebagai fungsi dari frekuensi dan kekuatan sinyal, maka trilaterasi dapat dilakukan untuk
menentukan posisi pengamat yang dicari.
Gambar 5: Wifi Trilateration
2) Wifi Fingerprinting
Apabila metode trilaterasi menghitung jarak antara pengamat dan beberapa router untuk
menentukan jarak dan perpotongan lingkaran, maka wifi fingerprinting menggunakan
fungsi jarak antara pengamat dan router, kemudian menyimpannya dalam suatu sistem
basisdata untuk digunakan ketika pengamat melewati daerah yang sama. Perbedaan yang
substansial antara metode trilateration dan fingerprinting adalah jumlah router yang
digunakan. Pada metode trilateration, setidaknya 3 buah router diperlukan untuk
menentukan posisi pengamat menggunakan fungsi trilaterasi, sedangkan metode
fingerprinting dapat dilakukan hanya dengan menggunakan satu buah router.
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
7/12
7
Gambar 6: Metode Wifi Fingerprinting
Metode wifi fingerprinting memetakan kekuatan sinyal wifi pada suatu bangunan. Untuk
itu, perlu dilakukan training terlebih dahulu agar data kekuatan sinyal pada seluruh
bangunan tersebut diketahui sehingga ketika pengamat melewati daerah tersebut kembali,
estimasi posisi pengamat dapat diketahui dengan membandingkan kekuatan sinyal yang
diamati dengan basisdata yang telah diperoleh melalui training.
Wifi fingerprinting menghasilkan akurasi yang lebih rendah dibandingkan metode wifi
trilateration. Akan tetapi, metode ini memberikan estimasi posisi yang lebih cepat dan
dapat digunakan untuk keperluan tertentu yang menuntut penentuan posisi indoor yang
tidak terlalu teliti.
3) Inertial Navigation
Inertial navigation merupakan metode navigasi yang menggunakan sensor inersial
internal (accelerometer, gyrometer dan gravity sensor). Inertial navigation menggunakan
prinsip dead-reckoning untuk menentukan posisi relatif secara simultan dari posisi awal.
Metode ini awalnya digunakan secara luas untuk navigasi pesawat, namun dalam
perkembangannya digunakan juga dalam penentuan posisi terestris, seperti pada
kendaraan maupun pejalan kaki.
Gambar 7: Diagram Inertial Navigation System
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
8/12
8
4) Visual Odometry
Visual odometry merupakan metode navigasi untuk mengestimasi egomotion (posisi,
orientasi dan kelajuan) suatu objek melalui metode pengolahan citra. Visual odometry
memiliki prinsip dasar yang sama dengan metode inertial navigation, yaitu menghasilkan posisi relatif secara simultan dengan dead-reckoning.
Gambar 8: Metode Visual Odometry
Visual odometry menggunakan metode visual motion tracking dengan melacak
pergerakan objek-objek yang direkam oleh kamera (baik stereo maupun monocular
camera), kemudian membuat estimasi pergerakan objek berdasarkan pergeseran benda-
benda disekitarnya. Metode ini sangat bergantung pada analisis citra untuk
mengidentifikasi titik dan melakukan pemantauan gerakan titik tersebut (optical flow)
sehingga secara terus-menerus dapat ditentukan posisi relatif objek yang dicari tersebut.
Pada prakteknya, metode navigasi tersebut tidak digunakan secara terpisah, akan tetapi
seringkali dikombinasikan untuk memperoleh posisi yang akurat pada berbagai kondisi.
Misalnya sistem navigasi yang menggabungkan sistem satelit, inersial dan indoor positioning
untuk menentukan posisi objek di dalam dan di luar ruangan sekaligus.
IV. Mengapa Navigasi Diperlukan?
Navigasi merupakan salah satu komponen penting dalam perkembangan teknologi modern. Dengan
perkembangan moda transportasi yang beragam, diperlukan suatu sistem yang dapat memberikan
posisi secara realtime. Sebagai contoh, sistem navigasi diperlukan untuk keperluan monitoring traffic
udara pada dunia penerbangan. Tanpa adanya sistem navigasi secara teliti dan realtime, maka akan
terjadi kekacauan pada traffic penerbangan sehingga dapat menyebabkan kecelakaan atau kejadian
lain yang tidak diharapkan.
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
9/12
9
Gambar 9: Navigasi untuk monitoring pesawat secara realtime
V. Aplikasi Navigasi
Sistem navigasi satelit GPS mampu menyediakan data secara realtime setiap waktunya, sehinga
memudahkan estimasi posisi, kecepatan, dan juga attitude benda bergerak. Tantangan pada
penentuan posisi benda bergerak dengan GPS adalah penentuan ambiguitas fase secara on-thr-fly ,
yaitu penentuan ambigutias fase pada saat receiver sedang bergerak dalam waktu sesingkat mungkin.
Penerapan navigasi dengan sensor GPS telah banyak ditemui, di darat, di laut, maupun di udara
hingga keluar angkasa.
a. Aplikasi navigasi pada perhubungan udara
Pada penentuan posisi pesawat di udara, khususnya pada fase-fase navigasi pesawat mulai
dari en-route/terminal (oceanic, domestic, terminal, remote areas, special helicopter
operations) dan approach and landing (non-precision & precision). Kemudian memberikan
informasi posisi 3 Dimensi pesawat (termasuk parameter tinggi) dari waktu ke waktu secara
teliti, GPS juga dapat digunakan untuk memberikan informasi tentang kecepatan, arah
terbang, serta attitude (roll, pith, and yaw) dari pesawat yang bersangkutan. Penggunaan GPS
dalam perhubungan udara tidak hanya mempengaruhi system kokpit, tapi juga system ATC
( Air Traffic Control ) dan ground base system. Pelacakan pesawat pun bisa dilakukan dengan
adanya penentuan posisi GPS dan waktunya. Gambaran system navigasi pada aplikasi
perhubungan udara sebagai berikut :
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
10/12
10
Gambar 10: Sistem navigasi pada perhubungan udara
b. Aplikasi navigasi pada perhubungan laut
Pada perhubungan laut, GPS pun telat dimanfaatkan untuk banyak keperluan yang terkait
kelautan. Pada dasarnya suatu proses navigasi di laut bertujuan memandu pergerakan suatuwahana laut secara benar, efektif, dan efisien, sehingga wahana laut tersebut dapat selamat
tiba di tempat tujuan ataupun mampu selesai mengemban tugas. Pada navigasi kapal di
lautan, bisa memakai metode absolut kinematic positioning (ketelitian rendah : 5-10 m)
maupun memakai metode DGPS dengan data pseudorange (ketelitian menengah : 1-3 m).
Berikut gambaran navigasi ketelitian menengah.
Gambar 11: Aplikasi navigasi pada kapal laut (Abidin, 2007)
Berikut ada beberapa dampak penggunaan GPS ketika dikombinasikan dengan peta navigasi laut,
antara lain (Abidin, 1995):
- Penggunaan GPS dapat digunakan untuk memperkecil jarak minimum yang diperlukan antara
dua alur pelayaran kapal.
- Dengan memanfaatkan GPS yang dapat memberikan informasi yang relative teliti, jarak
minimum yang harus dijaga terhadap sumber bahaya pelayaran dapat diperkecil, sehingga
kapal dapat berlayar melalui jalur-jalur pelayaran sulit yang sebelumnya bisa dihindari. Pada
kasus tertentu dapat memperpendek jalur pelayaran dan penghematan bahan bakar.Disamping itu larangan terhadap kapal-kapal yang dilarang masuk ke dalam suatu pelabuhan
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
11/12
11
karena keterbatasan maneuver yang dapat dilakukannya juga bisa ditiadakan seandainya
kapal tersebut dilengkapi oleh GPS.
- Pengunaan GPS sebagai system navigasi untuk tahap harbor approach and harbor dapat
meningkatkan kapasitas perapatan kapal di banyak pelabuhan disamping juga dapat
meningkatkan faktor keamanannya- Karena GPS memberikan pelayanan dengan cakupan wilayah yang global, maka penggunaan
GPS memberikan penggunaan wilayah perairan yang lebih fleksibel bagi pelayaran,
penentuan rute pelayaran yang lebih bervariasi, dan juga membuka kemungkinan pembukaan
pelabuhan-pelabuhan baru di tempat-tempat terpencil sekalipun.
Dalam keperluan ilmiah di wilayah laut, GPS juga cukup berperan, antara lain dalam penentuan
posisi titik perum pada survey hidrografi, pengamatan pasang-surut di lepas pantai, studi pola
arus, dan penentuan attitude kapal.
(a)
(b)
(c)
Gambar 12: (a) Pengamatan Pasut di lepas pantai dengan GPS, (b) Studi pola arus dengan GPS, dan (c) penentuan attitude kapal
dengan data GPS
c. Aplikasi navigasi pada perhubungan udara
Pada perhubungan darat, system navigasi juga berguna dalam mengendalikan lalu lintas
kendaraan dengan menginstal suatu system untuk memberikan komunikasi informasi lalu lintas
pada kendaraan dengan mengirimkan suatu data posisi kendaraan kepada sebuah system pengontrol. Sistem ini telah banyak dikembangkan di Amerika Utara, dan termasuk paling
-
8/18/2019 Konsep Sistem Navigasi
12/12
12
banyak dipakai disana dari beberapa system navigasi kendaraan di darat lainnya. Sistem ini
disebut dengan fleet management ITS Navigation System. ITS adalah singkatan dari Intelligent
Transportation System. Dalam system ini kendaraan yang bersangkutan dilengkapi dengan
system penentuan posisi, dan umumnya dilengkapi dengan system peta elektronik. Kendaraan
tersebut melaporkan posisinya ke pusat pengontrol, sehingga pusat pengontrol mudah dalammengontrol mengelola pergerakan dari kendaraan tersebut. Disamping memberikan instruksi-
instruksi serta pengarahan, pusat pengontrol juga bertanggung jawab dalam memberikan
informasi lainnya yang diperlukan oleh pengguna kendaraan yakni tentang cuaca dan keadaan
lalu lintas.
VI. Referensi
Abidin, H.Z., 1995, Penentuan posisi dengan GPS dan Aplikasinya. PT. Pradnya Paramita,Jakarta
Abidin, H.Z., 2007, Lecture Slide of GD. 3211 Satellite Surveying . Geodesy &Geomatics
Engineering Department, ITB, Bandung.
Farrel, J.A., 2008, Aided Navigation: GPS with High Rate Sensors. McGraw-Hill Companies,
New York