SLR (SATELLITE LASER RANGING)

Oleh:

Muhammad Irsyadi Firdaus 3512100015

Joko Purnomo 3512100037

Rakhmaniar Farlisa Puteri 3512100093

Jurusan Teknik Geomatika

Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Surabaya

1. Pendahuluan

Satelit laser ranging atau SLR merupakan teknik yang diguanakan secara luas

untuk menentukan orbit suatu objek yang beredar di luar angkasa dengan tingkat

akurasi yang tinggi. Sistem ini mulai dikembangkan oleh NASA pada tahun 1964

dengan diluncurkannya satelit Beacon Explorer B. SLR juga merupakan teknik yang

paling akurat dalam menentukan posisi geosentrik dari sebuah satelit Bumi, mampu

mengkalibrasi presisi dari altimeter radar dan memisahkan pergeseran instrumentasi

jangka panjang dari perubahan sekuler dalam topografi samudera.

Kemampuan SLR untuk mengukur variasi temporal dalam bidang gravitasi bumi,

memonitor pergerakan jaringan stasiun terhadap pusat bumi, serta kemampuannya

untuk memonitor pergerakan vertikal dalam sebuah sistem absolut, membuat SLR

memiliki keunikan untuk membuat model dan mengevaluasi perubahan musim jangka

panjang.

2. Prinsip Kerja

Secara garis besar cara kerja SLR yaitu teleskop yang berada di stasiun

permukaan bumi, bertindak sebagai pengirim sinar laser kuat ke arah reflektor, dan

sebagai penerima pantulan sinar laser dari reflektor tersebut. Ketika teleskop

memancarkan sinar laser maka detektor photon akan memulai menghitung waktu

yang dibutukan sinar laser sampai ke reflektor dan waktu yang dibutuhkan reflektor

untuk mengembalikan/memantulkan sinar laser tersebut ke permukaan bumi

(teleskop). Waktu yang diperlukan itu dapat digunakan untuk menentukan koordinat

dari stasiun dan orbit satelit relatif terhadap pusat bumi. Keakuratan data pengukuran

30 piko detik, karena kecepatan cahaya sinar laser relatif konstan, sehingga

pengukuran waktu tempuh sama dengan mengukur jarak tempuh. Satelit yang

menggunakan sistem ini ada LAGEOS , Starlette.

Gambar 1. Skema kerja SLR

Sistem SLR ini berbasiskan pada pengukuran jarak dengan laser ke satelit

yang dilengkapi dengan retro-reflektor laser. Pulsa yang sangat pendek dari laser

dikirimkan teleskop dari stasiun bumi, dan terus dipantulkan dengan suatu reflektor

khusus didalam satelit dan memantul kembali ke bumi. Waktu yang diperlukan

gelombang pulsa ini diukur, sehingga dengan demikian kita dapat mengukur jaraknya.

Gambar 2. Prinsip dan Skema Kerja Sistem SLR

Dari proses korelasi ini didapat parameter-parameter yaitu parameter yang memang

diketahui dan parameter yang akan ditentukan. Parameter-parameter tersebut yaitu :

Parameter yang telah diketahui

o panjang gelombang laser

o lintang dan ketinggian dari stasiun pengamat (φ,H)

o koreksi eksentrisitas tanah dan satelit

o koordinat relative stasiun pengamat

Parameter yang akan ditentukan

o frekuensi laser (f(λ))

o tekanan udara

o temperature udara

o tekanan uap air

o elevasi sebenarnya dari satelit

Untuk menentukan Jarak dapat dirumuskan dengan peramaan berikut :

d = c. Δt / 2

c = kecepatan cahaya

dt = waktu tempuh laser dari stasiun bumi ke satelit dan kembali lagi ke stasiun bumi

Faktor koreksi banyak sekali yang harus diperhitungkan sehingga geometri pengamatan

SLR dapat diformulasikan sebagai berikut :

d = c. Δt / 2 + Δ do +Δ ds +Δ db +Δ df +Δ dr +η

Dimana

Δt = data ukuran waktu tempuh pulsa laser

Δdo= koreksi eksentrisitas di tanah

Δds = koreksi eksentrisitas di satelit

Δdb = delay sinyal di sistem tanah (ground system)

Δ dr = koreksi refraksi

η= kesalahan random dan bias yang tersisa.

Gambar 3. Geometri Pengamatan SLR

Kesalahan-kesalahan akibat eksentrisitas ( ∆do dan ∆ds ) disebabkan pada saat

pembuatan oleh pabrik. Untuk menghilangkan kesalahan tersebut terlebih dahulu

harus dilakukan kalibrasi.

Kesalahan yang diakibatkan oleh refraksi diakibatkan jalan yang ditempuh

oleh sinyal melalui lapisan-lapisan atmosfir yang dapat menyebabkan penamabahan

atau pengurangan jarak sebenarnya antara satelit dengan ground station. Kesalahan

akibat refraksi ini dapat direduksi dengan menggunakan formula dari Marrini dan

Murray, yaitu:

∆d r = f(λ) / f(φ,H) . A+B / { sin E + [ B / (A+B)] / sin E + 0,01 }

Dimana :

o A=0.002357 P0 + 0.000141 e0

o B=1.084x10-8 P0 T0 K + 4.734x10-8 (P02/T0)(2/(3-1/K))

o K=1.163 – 0.00968 cos 2φ – 0.00104 T0 + 0.00001435 P0

o Parameter frekuensi laser f(λ)=0.9650 + (0.0164/λ2) + (0.000228/λ4)

o Fungsi lokasi f(φ,H)=1 – 0.0026 cos 2φ – 0.00031 H

Kesalahan akibat delay sinyal (∆db) merupakan kesalahan sistematik. Untuk

menghilangkannya, alat laser harus dikalibrasikan terlebih dahulu.

Tingkat Ketelitian data ukuran jarak dengan SLR, dari tahun ke tahun semakin teliti,

seperti yang ditunjukkan gambar 4. Yang memperlihatkan bahwa tingkat ketelitian

jarak SLR meningkat dari level beberapa meter pada tahun 1964 hingga mencapai

beberapa millimeter pada saat ini.

Gambar 4. Ketelian Jarak SLR

3. Sistem SLR

Pada dasarnya suatu system SLR terdiri dari stasiun pengamat SLR dan satelit-satelit

SLR.

Gambar 5. Contoh Bentuk Stasiun Pengamat SLR

Komponen utama dari pengamat di bumi (ground station) merupakan :

1. Pembangkit dan pemancar pulsa laser; yang terdiri dari suatu sistem optik.

2. Detektor dan analyzer pulsa yang kembali; yang terdiri dari teleskop penerima.

3. Unit pengukur waktu tempuh sinyal.

Laser pulsa pendek (short laser pulse) dibangkitkan di stasiun bumi dan dikirim

melalui sistem optik menuju sistem satelit. Sebagian dari pulsa laser yang dikirimkan

digunakan untuk menghidupkan alat penghitung selang waktu elektronik. Satelit

target membawa “recto-reflector” yang sesuai/memadai. Pulsa yang direfleksikan

diterima oleh stasiun bumi, dideteksi, diperkuat, dianalisa dan digunakan untuk

menghentikan alat penghitung elektronik.

Waktu yang dibutuhkan oleh sinyal untuk pulang-pergi diperoleh dari dua

pembacaan alat penghitung waktu yang digunakan, dan direduksi ke dalam jarak d

dengan kecepatan perambatan sinyal c. Pengoperasian sisem laser dikelompokkan

sebagai berikut :

Generasi Pertama : Panjang pulsa 10-40 ns, dengan ketelitian berkisar 1-6 meter,

biasanya menggunakan “ruby laser” dengan saklar-Q (Q-switch).

Generasi Kedua : Panjang pulsa 2-5 n, dengan ketelitian 30-100 cm, pada umumnya

digunakan untuk Metode analisis pulsa.

Generasi Ketiga : Panjang pulsa 0,1 - 0,2 ns, dengan ketelitian 1-3 cm,

berkemampuan untuk mendeteksi foton tunggal (single photon).

Perkembangan yang dilakukan pada generasi sistem laser yang baru

menghasilkan kemampuan ketelitian jarak sampai 3 mm. Laser Ranging hanya

mungkin dilakukan bagi satelit-satelit yang diperlengkapi dengan reflektor yang

sesuai. Sinar laser yang datang pada satelit harus benar-benar dikirimkan kembali

pada arah yang sama pada saat datangnya sinar tersebut. Jenis reflektor yang seperti

itu disebut juga “recto-reflector”; reflektor-reflektor ini pada umumnnya dibuat dari

prisma kaca.

Reflektor merupakan alat yang pasif dan dapt dipasang dengan cukup mudah

pada satelit, inilah sebabnya mengapa sejumlah besar kendaraan ruang angkasa

membawa susunan relektor laser. Dalam banyak hal Teknik SLR digunakan untuk

menyediakan informasi orbit secara presisi untuk misi peluncuran satelit (sebagai

contoh satelit altimeter). Beberapa satelit yang diluncurkan hanya digunakan sebagai

target yang presisi pada orbitnya. Kendaraan-kendaraan ruang angkasa ini desain dan

parameter orbitnya telah dioptimasikan dengan baik. Satelit-satelit laser yang telah

dihasilkan dari jenis ini diantaranya STARLETTE, LAGEOS, AJISAI, dan ETALON.

Komponen yang paling penting dari sistem Laser Ranging merupakan osilator

laser. Dalam Geodesi Satelit dua jenis pembangkit pulsa laser padat telah secara luas

digunakan, yaitu ruby laser dan neodinium-YAG laser.

Komponen-komponen lainnya

Telescope Mount

Elemen-Elemen Receiver dan Paket Pendeteksi

Analisis Impulse (Impulse Analysis)

Basis Waktu (Time Base)

Sistem Komputer

Detektor Pesawat (Airplane Detector)

Dalam banyak kasus, Metode SLR banyak digunakan untuk memperoleh informasi

mengenai orbit satelit secara teliti untuk keperluan misi suatu satelit, misalnya satelit

altimetri. Beberapa satelit seperti STARLETE, LAGEOS, AJISAI, dan ETALON

dirancang dan diluncurkan dengan tujuan sebagai target yang teliti pada orbitnya.

Ada 2 ( dua ) macam / jenis ground station SLR, yaitu :

1. Ground station yang tidak bergerak ( fixed ); dan

2. Ground station yang dapat dipindahkan ( transportable ).

Satelit laser ranging merupakan sebuah Metode Two way-ranging. Komponen

utama dari peralatan di bumi merupakan :

Pembangkit dan pemancar dari pulsa laser, termasuk sistem optik dan bantalan;

Detektor dan analiser untuk pembalikan pulsa, termasuk teleskop penerima;

Unit pengukuran jarak waktu.

4. Aplikasi SLR

Kontribusi-Kontribusi SLR dalam Ilmu Bumi

Selama tiga dekade terakhir, jaringan SLR global telah menjadi sumber data yang

bermanafaat untuk studi Bumi daratan, samudera, dan sistem atmosfernya. Dengan

kata lain, SLR menyediakan determinasi orbit yang teliti untuk misi pemetaan

permukaan samudera yang digunakan untuk membuat model sirkulasi samudera

global. Untuk pemetaan perubahan volume pada daratan es atau topografi daratan. Hal

ini menyediakan alat untuk transfer waktu global subnanosecond dan sebuah basis

untuk tes khusus Teori relatifitas umum.

SLR Menunjang Study Tentang Sistem Atmosfer-Hidrosfer-Cryosperesolid

Bumi

Dari perubahan berkala bidang gravitasi, SLR mengukur efek redistribusi massa di

dalam sistem bumi secara keseluruhan.

Gambar 6. temporal changes in the gravity field

SLR menunjang Penginderaan Langsung Ketinggian Permukaan

SLR menyediakan hasil ukuran secara langsung dan tidak membingungkan dari tinggi

satelit altimeter dan membolehkan pemisahan efektif dari hanyutan sistem altimeter

dari perubahan topografi samudera yang lama periodenya dalam tingkat sub-cm.

Kalibrasi ini sangat tepat untuk pengukuran perubahan tinggi laut rata-rata secara

global dalam beberapa mm/tahun dan dalam pemetaan topografi dataran es digunakan

untuk memperkirakan perubahan volume es. Satelit altimeter juga digunakan untuk

menghitung peta cotidal dari bulan utama M2 pada waktu pasang. Dengan memahami

alam tentang pasang surut dan pergeseran dasar samudera membutuhkan ilmu

pengetahun yang lebih detil tentang pasang surutnya samudera. Model pasang yang

lebih baik juga dibutuhkan dalam mendukung model pengisian naiknya pasang untuk

menganalisa ketelitian gravimetri.

Kontribusi SLR Dalam Memonitor Ketinggian Laut Dan Es

Kontribusi SLR dalam memonitor perubahan ketinggian laut ada dua cara. Pertama,

dengan menyediakan data untuk penentuan orbit. SLR menjamin orbit radial yang

bagus dari satelit altimetri. Kedua, dengan meningkatkan pengetahuan perubahan

sekuler tingkat mm/tahun. Variasi dalam tinggi permukaan laut rata-rata dari TOPEX/

Poseidon mengukur temperatur pertemuan permukaan air laut yang mengindikasikan

el-nino. “The topography (and its changes) of the EarthÕs ice sheets are mapped

using satellite altimeters and precision orbits based on SLR and SLR-based force

models.”

Gambar 7. Perbandingan Antara Global Mean Anomalies dan Suhu Permukaan Laut

SLR Mengukur Dinamika Jangka Panjang Bumi, Samudera, dan Atmosfernya.

SLR menentukan rotasi bumi dan perubahan orientasi dalam distribusi masa dan

pergantian momentum sudut dalam sistem bumi keseluruhan. SLR menentukan

perubahan tinggi geosentrik dari sepasang stasiun dengan menentukan pergerakan tiap

jaringan stasiun terhadap geosenter pada bebarapa tingkatan mm. Munculnya

perubahan pada komponen X dan Y dari geosenter dapat di lihat pada tingkatan

milimeter ini.

Gambar 8. Pergerakan Kutub dari SLR

Gambar 9. Variasi Pusat Bumi

SLR Menunjang Studi Pergerakan Tektonik.

SLR menyediakan keakuratan penentuan mm/yr pergerakan stasiun pada skala global

dalam lingkup referensi geosentrik. Dikombinasikan dengan model gravitasi dan

perubahan puluhan tahun dalam rotasi bumi.

Gambar 10. Vektor Pergesaran Titik Dari SLR

Referensi:

Hazanuddin Z, Abidin. 1997. geosat-6-upd. Bandung: ITB

Hazanuddin Z, Abidin. 2001. Geodesi Satelit. Jakarta : Pradnya Paramita.

Nn. 2014. Satellite Laser Ranging. http://www.ga.gov.au/earth-monitoring/geodesy/geodetic-

techniques/satellite-laser-ranging-slr.html. Diakses pada tanggal 28 April 2014.

Nn. 2010. Satellite Laser Ranging and Earth Science. USA : Nasa

Nn. 2012. Satellite Laser Ranging. http://www.ga.gov.au/earth-monitoring/geodesy/geodetic-

techniques/satellite-laser-ranging-slr.html. Diakses pada tanggal 28 April 2014.