Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61

## Simulasi Dinamika dan Uji Penerimaan Komunikasi Antena Penjejak Satelit POES
(Polar-orbiting Operational Environmental Satellites)
Joga Dharma Setiawan a* , Ismoyo Haryanto a , Andhieka Rizky Kurnianto a
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jalan Prof. H. Soedarto, SH. Tembalang, Semarang *E-mail: joga.setiawan@ft.undip.ac.id

## Abstract
This study aims to validate the low earth orbit (LEO) satellite tracking motion with Systems Tool Kit (STK)  software  and  compare  the  azimuth  and  elevation  movements  with  data  from  satellite  tracking provider  websites  such  as  www.n2yo.com,  then  create  an  animated  model  in  Matlab/  Simulink  uses simulation  data  from  STK  software  and determines  the  desired  azimuth  angle  trajectory  and  ensures antenna movement within the limits of the actual available space. Next, the satellite tracking antenna control  system  is  implemented  to  determine  the  relationship  between  the  duration  of  data communication  and  the  maximum  elevation,  power  received,  and  produce  an  image  of  the  earth's surface from the results of data communication reception. This research uses facilities provided by the LEO  POES  (Polar-Orbiting  Environmental  Satellites)  satellites,  namely  NOAA-15,  18  and  19.  In particular,  the  results  of  trials  receiving  image  transmissions  from  NOAA-18,  have  succeeded  in obtaining several images for display, namely original images. black and white, contrast A, MSA (multi spectral analysis), sea surface temperature, and thermal.
Keywords: LEO Satellite, NOAA, STK, TLE, Tracking Antenna.

## Abstrak
Studi  ini  bertujuan  untuk  memvalidasi  gerak  penjejak  satelit  orbit  bumi  rendah  (LEO)  dengan perangkat lunak Systems Tool Kit (STK) dan membandingkan gerakan azimuth dan elevasi dengan data dari website penyedia  penjejak  satelit  seperti  www.n2yo.com,  lalu  membuat  model  animasi  dalam Matlab/Simulink  menggunakan  data  simulasi  dari software STK  dan  menentukan  lintasan  sudut azimuth yang  diinginkan  serta  memastikan  gerakan  antena  dalam  batas-batas  ruang  yang  tersedia secara  aktual.  Selanjutnya  sistem  kontrol  antena  penjejak  satelit  ini  diimplementasikan  untuk menentukan  hubungan  antara  durasi  komunikasi  data  dengan  maksimum  elevasi,  daya  yang  diterima dan  menghasilkan  gambar  permukaan  bumi  dari  hasil  penerimaan  komunikasi  data.  Penelitian  ini menggunakan  fasilitas  yang  disediakan  oleh  satelit  LEO  POES  ( Polar-Orbiting  Environmental Satellites ) yaitu NOAA-15, 18 and 19. Secara khusus hasil uji coba penerimaan transmisi gambar dari NOAA-18, telah berhasil didapatkan beberapa gambar untuk ditampilkan, yaitu gambar asli berwarna hitam dan putih, contrast A, MSA (multi spectral analysis), suhu permukaan laut , dan thermal.
Kata kunci: LEO Satellite, NOAA, STK, TLE, Tracking Antenna.

## 1. PENDAHULUAN
Satelit  adalah  benda  langit  atau  mesin  buatan  manusia  yang  berputar  mengelilingi  planet  atau  benda  langit. Satelit ada dua jenis, alami dan buatan. Satelit alam adalah benda langit yang berputar mengelilingi planet atau bintang. Misalnya,  bulan  adalah  satelit  alami  bumi,  demikian  pula  Titan  adalah  salah  satu  satelit  Saturnus[1].  Satelit  buatan adalah objek yang diproduksi yang didedikasikan untuk terus mengorbit  bumi, atau benda lain di luar angkasa. Tujuan awal  dari  satelit  buatan  adalah  untuk  melayani  komunikasi  berbiaya  rendah  dan  memberikan  peluang  baru  dalam penyelidikan dan pengembangan radio[2]. Satelit buatan mempunyai berbagai kegunaan seperti prakiraan cuaca, siaran radio  dan  televisi,  satelit  militer,  satelit  navigasi,  telepon  global,  daerah  terpencil  dan  komunikasi  seluler  global[3]. Satelit  berdasarkan  ketinggian  orbitnya  terbagi  menjadi  tiga,  yaitu Geostationary  Orbit (GEO), Medium  Earth  Orbit (MEO) dan Low Earth Orbit (LEO)[1].
Satelit LEO memiliki orbit melingkar (atau elips) pada ketinggian 250–2000 km dari permukaan bumi. Periode orbit,  terutama  tergantung  pada  ketinggian,  bervariasi  dalam  kisaran  90-120  menit.  Karena  ketinggian  satelit  LEO rendah,  kecepatannya  sangat  tinggi  (>25.000  km/jam)  dan  dapat  mengitari  bumi  dalam  12–16  putaran  per  hari.  Ini berarti bahwa satelit LEO mengalami setidaknya 12 hingga 16 periode siang dan malam dalam 24 jam[4]. Namun jika dibandingkan dengan satelit geostasioner, orbit ini mempunyai umur yang sangat pendek. Meskipun demikian, sistem LEO umumnya menawarkan tautan komunikasi berkualitas tinggi dengan memastikan ketinggian yang tinggi di setiap tempat di planet ini. Satelit LEO juga terlihat dari bumi hanya sekitar sepuluh menit[5].
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
Polar-orbiting  Operational  Envirnomental  Satellite (POES)  adalah  konstelasi  satelit  cuaca  yang  mengorbit kutub  yang  didanai  oleh  Administrasi  Kelautan  dan  Atmosfer  Nasional  (NOAA)  dan  Organisasi  Eropa  untuk Eksploitasi Satelit Meteorologi (EUMETSAT) dengan tujuan meningkatkan akurasi dan detail analisis dan peramalan cuaca[6].  Untuk  satelit-satelit  tersebut,  beberapa  satelit  dapat  dilacak  secara  gratis,  seperti  NOAA[7].  Hingga  kini, satelit NOAA yang tergabung dalam POES yang masih beroperasi hanya berjumlah 3, yaitu NOAA-15, NOAA-18, dan NOAA-19[8].
Untuk  memiliki  stasiun  bumi  yang  menggunakan  sistem  antena  penjejak  satelit  LEO  yang  ketersediaan komponen rotatornya terbatas di dalam negeri serta kondisi tempat peletakkan antena yang tersedia cukup sempit maka diperlukan pembuatan animasi serta simulasi yang terperinci dan lengkap serta tepat agar kualitas komunikasi dengan satelit LEO bisa berjalan dengan baik. Simulasi pergerakan satelit terhadap orbit membutuhkan TLE ( Two-line orbital elements )  dalam  operasinya.  TLE  adalah  format  data  yang  dikeluarkan  oleh  NORAD  ( North  American  Aerospace Defense Command ) yang mengkodekan daftar elemen orbit dari objek yang mengorbit bumi untuk titik waktu tertentu. TLE  menggunakan  dua  baris  teks  ASCII  yang  diformat  menjadi  80  kolom,  dan  harus  dipasangkan  dengan  algoritma yang sesuai yang berisi Standard General Perturbation models , seperti SGP, SGP4, atau SGP8. Perturbation models ini berfungsi  sebagai propagator ,  atau  mesin  matematika,  yang  menerjemahkan  orbit  satelit  menjadi  arah  sudut  lokasi satelit tersebut[9].
TLE ini setiap hari bisa berubah–ubah dikarenakan menyesuaikan dengan pengubahan data dari radar NORAD, apakah  perubahan  TLE  tersebut  bisa  setiap  jam,  setiap  hari,  atau  tiga  hari,  dan  lain  sebagainya.  Sehingga  perlu  diuji apakah  dengan  perubahan  TLE  tersebut  mempengaruhi  keakuratan  data  dari  pergerakan  orbit  satelit  orbit  rendah. Dalam penelitian ini, digunakan salah satu instrumen transmisi yang terdapat pada satelit NOAA yaitu APT ( Automatic Picture  Transmission ).  APT  merupakan  transmisi  mode  sederhana  yang  menggunakan  sinyal  analog  untuk mentransmisi gambar, dengan transmisi sekitar 137 MHz agar mudah diterima[10]. Untuk frekuensi APT satelit yang diteliti  pada  penelitian  ini  untuk  NOAA-18  yaitu  137.9125  MHz[8].  Publikasi  dari  usaha  untuk  mengambil  dan menganalisis  hasil  sinyal  APT  sudah  pernah  dilakukan  yaitu  penelitian  oleh Nordin  dan  Aziz  yang  berisi  tentang pengambilan data suhu menggunakan satelit NOAA untuk daerah pesisir daerah Sabah Malaysia[10], serta skripsi dari Rizkinia menggunakan data APT NOAA untuk melihat SST untuk meningkatkan efektifitas penangkapan ikan[11].

## 2. MATERIAL DAN METODE PENELITIAN
Studi  literatur  pembuatan  animasi,  simulasi  menggunakan  Systems  Tool  Kit  (STK).  Uji  coba  sistem  kontrol stasiun bumi UNDIP dilakukan di suatu kota di  Provinsi Jawa Tengah dengan keterangan latitude -7,32528°, longitude -7,32528°, altitude 594,2  m  diatas  permukaan  laut,  dan  ketinggian tower antena  sebesar  10  meter.  Berikut  adalah diagram alir penelitian yang dapat ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Diagram alir penelitian
Proses pemodelan antena stasiun bumi pada penelitian ini menggunakan Matlab Simscape. Tampilan diagram physical modeling dapat dilihat pada gambar 2.2.
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
Gambar 2.2 Physical modeling dalam Matlab Simscape untuk antena penjejak satelit LEO pada stasiun bumi
Proses  simulasi  pergerakan  satelit  menggunakan  aplikasi  AGI  STK  12.0  dengan  propagator  SGP4 menggunakan  TLE  sebagai  basis  dari  simulasi  satelit.  Satelit  bisa  dimasukkan  kedalam  simulasi  menggunakan  TLE. Dari  TLE  akan  otomatis  menentukan  parameter  –  parameter  dari  satelit  seperti  bentuk  orbit, major  axis ,  dan  lain sebagainya. Berikut adalah parameter yang didapat dari TLE yang ditunjukkan di Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Contoh data TLE  untuk simulasi dalam STK
Setelah  semua  ditentukan  kita  dapat  mengakses  data  dari  satelit  dengan  menggunakan  fitur Access .  Hasil simulasi  berupa  laporan  dalam  berbagai  format  data  seperti AER  (Azimuth,  Elevation,  Range),  LLA  (Latitude, Longitude,  Altitude)  Position ¸dan  masih  banyak  lagi,  yang  kesemuanya  dapat  disimpat  dalam  bentuk  .txt  atau  .csv.
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
Berikut  adalah  salah  satu  contoh  laporan  AER  untuk  satelit  NOAA-18  dengan place diatas  yang  ditujukkan  pada Gambar 2.4.

## Gambar 2.4 Laporan AER NOAA-18
Perangkat  keras  stasiun  bumi  dalam  penelitian  ini  secara  garis  besar  terdiri  dari  rangka,  rotator,  bearing penghubung,  dan  antena  UHF  dan  VHF.  Rotator  yang  digunakan  untuk  pengujian  ini  yaitu  YAESU  GX800DXA. Antena UHF dan VHF dapat dilihat pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Antena UHF dan VHF untuk penjejak satelit orbit bumi rendah di stasiun bumi UNDIP

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi  STK  dilakukan  dengan  menggunakan  parameter updated TLE  untul  satelit  NOAA-18.  Setelah  itu, untuk  validasi  hasil  simulasi  maka  dilakukan  perhitungan  seberapa  besar  eror  dari  azimut,  elevasi  dan  keterlambatan waktunya jika dibandingkan dengan data dari website www.n2yo.com. Seperti terlihat pada gambar 3.1, trajektori yang sangat mendekati dapat dihasilkan dari simulasi STK maupun dari data dari N2YO dimana maksimum deviasi azimuth sebesar 5,6º dan  elevasi sebesar 2,45º.  Hasil simulasi ini kemudian digunakan untuk verifkasi kebutuhan ruang gerak dari  konfigurasi  antena  penjejak  yang  dimodelkan  dalam  Simscape  seperti  yang  terlihat  pada  gambar  2.2  untuk mewakili kondisi aktual yang ditunjukkan dalam gambar 2.5.
Setelah  hasil  simulasi  menggunakan  Simscape  menunjukan  bahwa  gerakan  antena  selama  penjejakan  selalu dalam batas-batas ruang yang tersedia maka uji coba sistem aktual pada gambar 2.5 dilakukan. Kemudian dilakukan uji penerimaan sinyal komunikasi dengan satelit POES dengan  melakukan live decoding menggunakan aplikasi WxtoImg yang disambungkan dengan SDR Console V3 melalui aplikasi Virtual Audio Cable. Sinyal NOAA-18 pada tanggal 24 Maret  2021  dengan  waktu  mulai  jam  08.55  WIB  berbentuk  seperti  jarum  –  jarum  dengan  transmisi  yang  dihasilkan yaitu garis lurus dan garis putus – putus, dengan suara transmisi nyaring dan polanya seperti kode morse. Transmisi ini mempunyai  puncak  sinyal  maksimal  -81,6  dBm  pada  elevasi  tertinggi  74º  dengan  frekuensi  berjalan  pada  137,9125 MHz. Komunikasi dimulai pada elevasi 5º dan mengakhiri penerimaan komunikasi pada elevasi 10º. Hasil gambar yang dihasilkan  yaitu  gambar  asli  (hitam  putih),  contrast  A,  MSA  ( multi  spectral  analysis ), Sea  surface  temperature ,  dan thermal . Gambar – gambar tersebut ditunjukkan pada gambar 3.3 sampaai dengan 3.6.

## UHF
VHF
(a)
(b)
(c)                                                                                                  (d)
Gambar 3.1 Plot hasil simulasi STK dibandingkan dengan data dari n2yo.com untuk satelit NOAA-18: (a) Azimut-Waktu, (b) Elevasi–Waktu, (c) Elevasi-Azimut, (d) Skyplot
Tabel 3.1 Data hasil kekuatan maksimum penerimaan sinyal komunikasi dengan beberapa satelit POES
No.
Nama satelit, jam/tanggal mulai Sinyal maks. Maks. elevasi Elevasi mulai komunikasi Elevasi selesai komunikasi 1 NOAA-19, 20/03/2021 17.21 -89,5 dBm 17º 10º 5º 2 NOAA-15, 20/03/2021 18.05 -90,7 dBm 24º 6º 2º 3 NOAA-19, 20/03/2021 19.02 -87,7 dBm 22º 10º 6º 4 NOAA-15, 20/03/2021 19.44 -89,7 dBm 22º 10º 4º 5 NOAA-15, 21/03/2021 06.45 -74,3 dBm 80º 5º 4º 6 NOAA-18 21/03/2021 08.56 -81,6 dBm 74º 5º 10º
Gambar 3.2 Spektrum transmisi NOAA-18 21 Maret 2021 jam 08.56 WIB dimonitor menggunakan SDR Console V3
Gambar 3.3 Pristine image dari satelit NOAA-18
Gambar  3.3  menunjukkan  gambar  murni  ( pristine )  dari  hasil  penerimaan  transmisi. Pristine  image adalah gambar  yang  merepresentasikan  data  digital  yang  asli  dan  digunakan  untuk  proses  yang  lebih  jauh  menggunakan perangkat  lunak  lain.  Menonaktifkan  gamma,  penajaman,  rotasi, despeckling ,  dan  peningkatan  lainnya[12].  Dari gambar bisa terlihat yaitu gambar asli yang menghasilkan dua gambar yang mempunyai dua kontras yang berbeda.
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
Gambar 3.4 Contrast A Image dari satelit NOAA-18
Gambar 3.4 menunjukkan gambar contrast A dari hasil penerimaan transmisi. Contrast A image adalah gambar yang sama dengan gambar murni, tetapi dengan kontras satunya (yang lebih gelap) tetapi ditambahkan kontur  – kontur yang  membedakan  antara  pulau,  lautan,  dan  awan.  Dari  gambar  tersebut  bisa  terlihat  kontur  pulau  Indonesia,  yaitu setengah dari pulau Sumatera, pulau Jawa, Bali, Nusa Tenggara, Kalimantan, dan Sulawesi dengan sedikit bagian dari pulau  Australia.  Tanda  “+”  berwarna  kuning  menunjukkan  koordinat  lokasi  stasiun  bumi  yang  dipakai  pada  saat penerimaan transmisi yaitu pada sebuah kota di Jawa Tengah.
Gambar 3.5 MSA (Multi Spectral Analysis) Image dari satelit NOAA-18
Gambar  3.5  menunjukkan  gambar  MSA  ( Multi  Spectral  Analysis )  yang  merupakan  hasil enhancement dari gambar murni yang sebelumnya ditunjukkan pada gambar 3.4. MSA adalah gambar yang menggunakan gambar saluran NOAA  2-4  dan  menentukan  wilayah  mana  yang  paling  mungkin  menjadi  awan,  darat,  atau  laut  berdasarkan  analisis dari dua gambar tersebut. Hasilnya, menghasilkan gambar false colour yang jelas. Peningkatan ini tidak menggunakan
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
palet dan juga suhu tidak dinormalisasi[12]. Perbedaan gambar 3.4 dengan 3.5 adalah dimana gambar 3.5 (MSA) lebih jelas membedakan antara darat, laut dan awan dikarenakan warna yang lebih jelas untuk gambar MSA.
Gambar 3.6 Sea Surface Temperature Image dari satelit NOAA-18
Gambar  3.6  menunjukkan  gambar sea  surface  temperature yang  merupakan  hasil enhancement dari  gambar murni yang sebelumnya ditunjukkan pada gambar  3.5. MSA ( Multi Spectral Analysis ) adalah gambar yang dibuat dari gambar  APT  NOAA  berdasarkan  suhu permukaan  laut.  Suhu permukaan  laut  diperoleh dari  gambar-gambar  sensor 3 dan 4 untuk mewarnai gambar. Tidak ada upaya untuk membedakan awan atau daratan dari laut. Suhu permukaan laut mungkin salah karena adanya awan tipis atau kecil dalam piksel yang dievaluasi atau dari gangguan pada sinyal[12].
Setiawan, dkk./ ROTASI, Vol. 26  No. 2  (April  2024) Hal. 53-61
Gambar  3.7  menunjukkan  gambar thermal . Thermal  image adalah  gambar  yang  dibuat  dari  gambar  APT  NOAA berdasarkan  suhu  daratan.  Gambar  ini  lebih  berfokus  kepada  suhu  daratan,  sehingga  bisa  terlihat  pada  gambar  yaitu beberapa  daerah  di  pulau  Jawa  dan  pulau  Australia  mempunyai  suhu  yang  tinggi  jika  dibandingkan  dengan  daerah pulau lainnya. Warna biru kekuningan, biru muda hingga biru tua melambangkan awan (karena suhunya rendah) [8].

## 4. KESIMPULAN
Setelah  dilakukan  verifikasi  simulasi  STK  dengan  data  N2YO, updated -TLE  mempunyai  hasil  yang  sangat mendekati  dimana  maksimal  deviasi azimuth sebesar  5,6º  dan  deviasi  elevasi  sebesar  2,45º.  Simulasi  dan  animasi menggunakan  Matlab/Simscape  berhasil  memastikan  bahwa  gerakan  sari  sistem  penjejak  antena  secara  aktual  tidak akan  bermasalah  pada  lokasi  dengan  ketersedian  ruang  yang  terbatas.  Dari  hasil  uji  coba  komunikasi ground  station pada tanggal 21 Maret 2021, dimana pada komunikasi berhasil mendapatkan data dapat terlihat bahwa sinyal NOAA-18 mempunyai  transmisi  puncak  sinyal  maksimal  -81.6  dBm  pada  elevasi  tertinggi  74º  dengan  frekuensi  berjalan  pada 137.9125  MHz.  Komunikasi  dimulai  pada  elevasi  5º  dan  mengakhiri  penerimaan  komunikasi  pada  elevasi  10º.  Pada hasil uji coba penerimaan komunikasi pada tanggal 24 Maret 2021, gambar permukaan bumi telah berhasil dihasilkan dan  mempunyai  beberapa  gambar  yang  berbeda.  Untuk  satelit  NOAA,  beberapa  gambar  yang  dihasilkan  adalah  asli (hitam putih), contrast A , MSA ( multi spectral analysis ), Sea surface temperature , dan thermal .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Velayudhan, S. "A Low, Cost Portable Ground Station to Track and Communicate with Satellites in VHF Band". Thesis. Dept of Elec., Comp. and Tele. Eng. Tech. Rochester Institute of Technology. New York. 2017.
[2] Cakaj,  S.  "Practical  horizon  plane  and  communication  duration  for  low  earth  orbiting  (LEO)  satellite  ground stations" in 2009 WSEAS Transactions on Communications [Online]. Available: https://www.researchgate.net/- publication/229022121 .
[3] Gupta, A., Chopra, S.R., " Designing and Testing of Quadrifilar Helix Antenna on NOAA Weather Satellite" in 6th International Conference on Signal Processing and Integrated Networks (SPIN). Noida, India. Mar. 7-8, 2019 pp. 785-790.
[4] Borthomieu, Y. "Satellite Lithium-Ion Batteries" in Lithium-Ion Batteries. Netherlands. Elsevier. pp. 311– 344. 2014.
[5] Alam,  M.  M.,  Islam,  M.  M.,  Mansoor,  A.  T.  "Fully  Automated  Satellite  Tracking  System  for  Directional Antenna". Thesis. Dept. Elec. Eng. BRAC Univ. Bangladesh. 2018.
[6] EUMETSAT.  2007.  "Programme  background"http://www.eumetsat.int/Home/Main/What_We_Do/Satellites /EUMETSAT_Polar_System/Programme_Background/idex.htm?l=en (accessed June 3, 2021).
[7] Anggara,  R.  S.,  Wijanto,  H.,  Prasetyo,  A.D.,  Syihabuddin  B.  "Automated  Ground  Station  with  Customized Rotator  for  Antenna  Pointing  using  Compass  Sensor"  in  IEEE  International  Conference  on  Electrical Engineering and Computer Science, Bali, Indonesia, Nov. 24-25, 2014, pp. 59-64
[8] NOAA.  "POES  Operational  Status."  ospo.noaa.gov. https://www.ospo.noaa.gov/Operations/POES/status.html . (accessed November, 26 th 2023).
[9] Dredge,  K.,  Arx,  M.  V.,  &  Timmins,  I.  "LEO  constellations  and  tracking  challenges."  [Online]  Available: www.satellite-evolution.com (accessed November, 26th 2023).
[10]    Nordin, S, Aziz, A. "Retrieving sea surface temperature using NOAA APT data in Sabah coastal region". 2008 American Institutions of Physics. 2008.
[11]   Rizkinia,  Mia.  "Perhitungan  dan  Penentuan  Lokasi  Perbedaan  Suhu  Permukaan  Laut  Menggunakan  data NOAA/AVHRR-APT". Thesis. Dept. Elec. Eng. Universitas Indonesia. Indonesia. 2008.
[12] Abstract  Technologies  New  Zealand  Limited.  “WXTOIMG  (GUI)  version  2.5.11” https://www.wraase.de/- download/wxtoimg/wxgui.pdf (accessed November, 26 th 2023).