Global Positioning System (GPS) adalah sistem navigasi berbasis satelit yang dibangun oleh Departemen Pertahanan Amerika Serikat, terdiri dari 24 satelit yang ditempatkan pada orbitnya masing-masing. Pada awalnya GPS diperuntukkan bagi kepentingan militer, namun pada tahun 1980-an, pemerintah Amerika Serikat membuka kesempatan bagi khalayak umum untuk menggunakannya perangkat ini. GPS mampu bekerja dalam setiap kondisi cuaca, di seluruh tempat di dunia, selama 24 jam sehari. Pemerintah Amerika Serikat tidak mengenakan biaya berlangganan atau biaya pemasangan peralatan berkaitan dengan penggunaan fasilitas GPS.
Bagaimanakah Cara Kerja GPS?
Satelit GPS mengitari bumi sebanyak 2 (dua) kali sehari dan mentransmisikan informasi berupa sinyal ke bumi. GPS receiver menerima informasi ini dan menggunakan metode triangulasi untuk menghitung dimana lokasi pemakai. Secara umum, metode yang digunakan receiver GPS dalam melakukan kalkulasi lokasi adalah dengan cara membandingkan waktu dari sinyal saat ditransmisikan dari satelit dengan waktu saat sinyal diterima oleh receiver. Selisih waktu akan menggambarkan seberapa jauh jarak antara satelit dengan GPS receiver. Dengan triangulasi dari beberapa jarak antara GPS receiver terhadap beberapa satelit lainnya, maka GPS receiver dapat menentukan posisi pemakai dan menampilkannya pada peta elektronik.
Untuk dapat menentukan lokasi pemakai, maka GPS receiver harus menerima sinyal minimal dari 3 (tiga) buah satelit untuk kalkulasi posisi 2 dimensi (latitude dan longitude) serta deteksi pergerakan. Apabila didapat sinyal dari 4 satelit, maka receiver dapat menentukan posisi pemakai dalam 3 dimensi (latitude, longitude, dan altitude). Apabila posisi pemakai telah didapat, maka unit GPS mampu mengkalkulasi informasi lain, seperti kecepatan, jejak, jarak perjalanan yang ditempuh, jarak posisi tujuan, waktu matahari terbit dan tenggelam, dsb.
Seberapa Akuratkah Perangkat GPS?
Perangkat GPS masa kini sangatlah akurat, karena telah didesain secara multi kanal paralel. Salah satu contoh adalah receiver 12 kanal paralel yang sangat cepat dalam menangkap dan mengunci sinyal yang didapat dari satelit, walaupun dalam lingkungan yang tertutup seperti di tengah-tengah gedung pencakar langit. Beberapa faktor cuaca di atmosfir dan sumber kendala lainnya dapat mempengaruhi tingkat akurasi GPS receiver. Namun, beberapa receiver telah didesain dengan toleransi kesalahan jarak maksimal rata-rata sebesar 15 meter. Beberapa desain terbaru dilengkapi dengan perangkat WAAS (Wide Area Augmentation System) yang mampu meningkatkan akurasi hingga rata-rata kurang dari 3 meter. Pemakai GPS juga dapat meningkatkan akurasi dengan menggunakan Differential GPS (DGPS), yang berfungsi mengkoreksi sinyal GPS rata-rata mencapai 3 hingga 5 meter. Penjaga pantai Amerika Serikat mengoperasikan perangkat DGPS ini, yang terdiri dari jaringan antena yang menerima sinyal GPS, kemudian mentransmisikan sinyal yang telah dikoreksi melalui sebuah transmitter khusus. Agar dapat menangkap sinyal hasil koreksi tersebut, pemakai GPS harus memiliki perangkat differential receiver dan antena khusus sebagai tambahan bagi perangkat GPS yang sudah ada.
Sistem Satelit GPS
24 satelit yang membentuk ruang segmen GPS di angkasa mengorbit pada lintasan yang mengelilingi bumi pada ketinggian 12.000 mil diatas permukaan laut. Satelit-satelit ini mengorbit secara konstan, membuat dua orbit penuh dalam waktu kurang dari 24 jam, dan dengan kecepatan 7.000 mil per jam. Seluruh satelit GPS ini menggunakan tenaga matahari, di-back up dengan baterai terpasang untuk menjaga agar mereka tetap beroperasi kendati terjadi gerhana matahari. Disaat tidak terdapat cahaya matahari, maka sebuah roket kecil yang terdapat pada setiap satelit akan beroperasi untuk menjaga satelit-satelit ini bergerak pada orbit dan kecepatan tetap.
Berikut ini adalah beberapa fakta menarik berkaitan dengan satelit GPS (yang oleh staff Departemen Pertahanan Amerika Serikat dikenal dengan sebutan NAVSTAR) :
- Satelit GPS pertama kali diluncurkan pada tahun 1978.
- Konstelasi penuh yang terdiri dari 24 satelit tercapai pada tahun 1994.
- Pembangunan setiap satelit memakan waktu kurang lebih 10 tahun. Perbaikan dan pergantian perangkat yang mengalami kerusakan hingga saat ini terus dilakukan dengan cara mengirimkan komponen ke orbit satelit.
- Sebuah satelit GPS memiliki bobot kurang lebih 2.000 pounds dan memiliki panjang 17 kaki termasuk extended solar cell panel.
- Daya yang dibutuhkan untuk melakukan transmisi kurang dari 50 watt (sangat efisien bukan?)
Seperti Apa Sinyal yang Dikirim Oleh Satelit?
Satelit GPS mentransmisikan 2 sinyal radio berdaya kecil, dengan sebutan sinyal L1 dan sinyal L2. Masyarakat umum menggunakan sinyal GPS L1 dengan frekuensi 1.575,42 MHz dalam pita UHF. Sinyal yang dipancarkan hanya mampu melintas pada ruang yang dapat tembus cahaya, seperti menembus awan, kaca, maupun plastik, namun tidak dapat menembus sebagian besar objek padat seperti bangunan dan gunung.
Sebuah sinyal GPS terdiri dari 3 bit informasi yang berbeda, yaitu pseudorandom code, ephemeris data, dan almanac data. Secara sederhana, pseudorandom code merupakan kode identitas yang menginformasikan satelit mana yang memancarkan sinyal. Pada setiap receiver, identitas ini dapat dilihat pada bagian unit satelit.
Ephemeris data menginformasikan kepada GPS receiver mengenai posisi dari setiap satelit GPS setiap waktu sepanjang hari. Setiap satelit mentransmisikan ephemeris data untuk menunjukkan informasi orbit dari satelit tersebut dan posisi satelit lain yang berada dalam sistem.
Almanac data, yang secara konstan ditransmisikan oleh setiap satelit, berisi informasi penting tentang status satelit (baik atau rusak), tanggal saat ini, dan waktu. Data ini memiliki arti sangat penting dalam menentukan posisi dari pemakai GPS.
Beberapa Hal yang Menyebabkan Defect Sinyal GPS
Faktor-faktor yang dapat menyebabkan degradasi sinyal dan menyebabkan menurunnya akurasi adalah :
- Delay pada ionosfir dan troposfir. Sinyal dari satelit akan melambat ketika melewati kedua lapisan atmosfir ini. Sistem GPS menggunakan sebuah model built in yang dapat mengkalkulasi jumlah rata-rata delay sehingga dapat mengkoreksi sebagian besar kesalahan yang terjadi akibat delay ini.
- Multipath signal dapat muncul apabila sinyal GPS terpantul pada objek padat seperti bangunan tinggi atau permukaan gunung sebelum mencapai sebuah receiver. Hal ini dapat menambah waktu perjalanan dari sinyal, sehingga akan memperbesar kesalahan yang terjadi.
- Kesalahan pada receiver clock. Sebuah receiver clock yang terpasang pada GPS receiver tidaklah begitu akurat dibandingkan dengan jam atom yang terdapat pada satelit GPS. Hal ini dapat menyebabkan adanya sedikit penyimpangan waktu acuan antara waktu di satelit GPS terhadap waktu di receiver.
- Kesalahan orbit satelit, atau dikenal juga dengan ephemeris errors, yang timbul akibat ketidakakuratan laporan posisi orbit dari satelit.
- Jumlah satelit yang tampak. Semakin banyak receiver “melihat” satelit, maka semakin akuratlah informasi mengenai posisi yang dihasilkan. Bangunan, permukaan bumi, dan interferensi elektronik dapat menyebabkan hambatan penerimaan sinyal satelit, menyebabkan kesalahan posisi hingga bahkan tidak didapatkan informasi posisi sama sekali. Umumnya unit GPS tidak dapat bekerja pada ruangan tertutup, bawah laut, atau bawah tanah.
- Geometri satelit. Ini berarti posisi relatif dari setiap satelit ketika memancarkan sinyal ke receiver. Geometri satelit yang ideal didapat ketika satelit GPS berada di sudut lebar / cekungan lebar dari orbit relatif terhadap posisi satelit lainnya. Geometri yang buruk didapat ketika satelit berada pada lintasan orbit lurus atau mengumpul membentuk suatu kelompok satelit.