EDUKASI | GLOSARI | AKRONIM

EDUKASI

Pengenalan GPS Meteorologi

Global Positioning System (GPS) adalah satu-satunya sistem navigasi satelit yang berfungsi dengan baik. Sistem ini menggunakan 24 satelit yang mengirimkan sinyalgelombang mikro ke Bumi. Sinyal ini diterima oleh alat penerima di permukaan, dan digunakan untuk menentukan posisi, kecepatan, arah, dan waktu. Sistem yang serupa dengan GPS anatara lain GLONASS Rusia, Galileo Uni Eropa, IRNSS India. Aplikasi instrument GPS untuk riset atmosfer bumi ini telah dilakukan oleh misi Mini Satelit ‘Champ’ milik jerman dan mikro satelit The Argentine Satelite de Aplicaciones Cientificas-C (Scientific Applications Satellite), dimana instrumen GPS ini dilengkapi oleh antenna khusus yang memfokuskan deteksinya pada Horison bumi untuk melacak pancaran sinyal radio sejumlah 24 satelit GPS saat satelit-satelit tersebut muncul di horison dan saat tenggelam melintasi horison (ScienceDaily.com, 2002). Proses ini disebut ’limb sounding’ atau GPS Okultasi. Kemudian misi-misi satelit mikro seperti FedSat1 dan Formosat-3 juga mengadaptasi ini untuk misi ilmiahnya.

Gambar1. Satelit GPS yang terletak pada 6 bidang orbit
di ketinggiam 20.180 km dengan inklinasi 55 derajat

Satelit GPS memiliki banyak aplikasi, antara lain untuk penentuan waktu, posisi, navigasi, pemetaan dan sebagainya. Namun, error dalam sinyal GPS juga dapat memberikan informasi mengenai kandungan uap air di dalam atmosfer. Bahkan, dengan teknik okultasi, GPS dapat memberikan informasi mengenai profil vertikal suhu dan kelembaban atmosfer. Dengan jaringan penerima GPS, pergerakan kandungan uap air di dalam atmosfer di atas wilayah Indonesia dapat dimonitor. Informasi ini sangat bermanfaat dalam pemantauan pergerakan uap air di dalam atmosfer, menentukan awal musim hujan atau kemarau, memperkirakan potensi intensitas curah hujan, mengawasi potensi gangguan atmosfer untuk sistem peringatan dini dan sebagainya. Informasi ini juga sangat bermanfaat untuk prediksi melalui sistem asimilasi data ke dalam model-model operasional, Oleh karena itulah disebut juga GPS Meteorologi yang mana bisa mengkaji hal-hal yang berkaitan dengan meteorologi.

Penentuan posisi dengan GPS

Untuk menentukan posisi di bumi, GPS  receiver memanfaatkan sinyal yang dikirimkan satelit GPS. Penerima GPS menghitung waktu tempuh sinyal satelit , dari informasi waktu tempuh dapat diketahui jarak antara receiver dan satelit. Dalam penentuan posisi pada permukaan dibutuhkan minimal tiga satelit GPS.

Berikut ini contoh dari pengamatan posisi dari 3 satelit. Misalkan waktu tempuh sinyal satelit pertama adalah 4 detik,satelit kedua adalah 5 detik dan yang ketiga adaalh 6 detik. Dari informasi tersebut kita dapat menentukan jarak antara satelit dengan receiver. Peporongan antara ketiga lingkaran tersebut menunjukkan posisi suatu benda du permukaan bumi.

Gambar 2: Penentuan posisi pada GPS

GPS untuk Pengamatan Atmosfer

Sistem GPS menggunakan 24 satelit yang mengorbit 22.000 km di atas permukaan bumi dengan mengirimkan sinyal gelombang mikro ke bumi. Sinyal ini diterima oleh alat penerima di permukaan (GPS receiver), dan digunakan untuk menentukan posisi, kecepatan, arah, dan waktu. Sinyal-sinyal dari setiap satelit GPS akan diterima oleh GPS receiver dengan sebelumnya melalui lapisan atmosfer. Sinyal tersebut berupa gelombang elektromagnetik. Sinyal yang dikirimkan ke GPS receiver akan mengalami hambatan (delay) terbesar di lapisan Ionosfer dan Troposfer. Hambatan (delay) tersebut disebabkan oleh kondisi fisis dari atmosfer sehingga dengan mengetahui nilai dari hambatan tersebut maka kondisi fisis atmosfer dapat diketahui. Salah satu kondisi fisis atmosfer yang dapat di ketahui adalah pricipitable water vapour. (PWV). Nilai PWV merupakan fungsi dari  delay waktu.

Metode observasi GPS yang akan digunakan untuk mengetahui kondisi fisis atmosfer bumi antara lain adalah :

Pemanfaatan direct signal GPS

Pemanfaatan GPS menggunakan sinyal langsung, maksudnya sinyal dari satelit GPS langsung diterima oleh GPS receiver di permukaan bumi. Kondisi fisis atmosfer terutama di lapisan ionosfer dan troposfer akan mempengaruhi keterlambatan pengiriman sinyal (delay waktu) yang dikirimkan ke GPS receiver. Pemanfaatan direct signal GPS ini biasanya digunakan untuk menentukan kandungan uap air total. Uap air total adalah parameter yang sangat penting di atmosfer karena dengan cara inilah titik air dan panas laten dipindahkan sehingga meneybabkan “cuaca”. Uap air juga dalah gas rumah kaca yang memainkan peran penting dalam system iklim global. Hukum ini tidak melarang terjadinya penyerapan dan energi radiasi dari matahari, tapi memperhitungkan efek yang dimilikinya pada formasi awan dan aerosol dan sifat kimia atmosfer bawah.

Sinyal radio satelit GPS diperlambat oleh atmosfer bumi,yang menghasilkan kelambatan waktu datang sinyal yang terkirim  dari waktu yang diharapkan ,jika tidak ada media yang menghalangi. Hal ini memungkinkan untuk melakuakan koraksi pada kelambatan ionosperik yang bergantung pada frekuensi. Kelambatan oleh karena atmosfer netral tidak bergantung pada frekuensi,tapi bergantung pada unsur pokok atmosfer yang merupakan campuran dari gas kering dan uap air.

Kelambatan sinyal oleh komponen ini dikenal sebagai zenith hydrostatic delay(ZHD)  zenith wet delay (ZWD). Total kelambatan sinyal yang terukur pada GPS dari semua satelit yang dipetakan secara vertikal mengunakan fungsi dimana adalah sudut elevasi dari satelit, dan digabungkan untuk memberikan zenith total delay (ZTD). Pada ketinggian permukaan laut,ZTD mempunyai besar sekitar 250 cm yang terdiri dari 97% komponen hidrostatik dan 3% komponen basah, yang diperkirakan sebanding dengan rasio massa total udara kering terhadap uap air pada atmosfer.

Pemanfaatan teknik GPS Radio Occultation

Metode GPS Radio Occultation memanfaatkan pembiasan sinyal radio yang dipancarkan satelit GPS menuju GPS receiver pada suatu satelit. Pembiasan itu terjadi akibat indeks bias atmosfer yang bervariasi terhadap ketinggian. Dengan memanfaat indeks bias ini maka kita bisa mendapatkan profil suhu,tekanan dan uap aitr terhadap ketinggian.

Gambar 3: Teknik GPS Radio Occultation

Dari data yang didapatkan metode Radio Occulltation akan didapatkan informasi sudut bias α di tiap ketinggian. Untuk mendapatkan nilai indeks bias , kita dapat menggunakan transformasi Abel dengan menggunakan data sudut biasbending angle yang diterangkan pada persamaan dibawah ini

Persamaan berikut ini menjelaskan hubungan antara indeks bias depat parameter-parameter fisika atmosfer

   (1)

Dimana

N = Pembiasan

n = indeks bias

P = tekanan atmosfer (mbar)

T = Temperatur atmosfer (Kelvin)

Pw = Tekanan parsial uap udara (mbar)

ne =  Besar kerapatan electron per meter kubik

f   =  frekuensi transmitter (Hz)

W = Kandungan air (gram / m3)

Keempat suku persamaan diatas berturut-turut menyatakan bagian kering, basah, sifat ionosfer dan hamburan. Pada zona di bawah troposfer maka suku ketiga dan keempat dapat diabaikan,sehingga persamaan diatas akan meluruh menjadi

              (2)

Pada kondisi atmosfer yang lebih kering daripada volume mixing rasion maka suku basah dapat dianaikan sehinnga persamaan diatas hanya mempunyai suku  kering saja,

            (3)

Kombinasi persamaan (3) dengan persamaan gas ideal menghasilkan sutu persamaan menunjukkan profil tekanan pada ketinggian z

Dengan menggunakan persamaan gas ideal maka profil temperature pada ketinggian z dapat ditentukan