Konsep Sistem Navigasi

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


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


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.


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.


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.


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.


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


8/12

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.


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 :


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


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


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

Konsep Sistem Navigasi

Documents

Transcript of Konsep Sistem Navigasi