## METODE TRACKING KECEPATAN ROKET MENGGUNAKAN TRANSPONDER DOPPLER DUA-FREKUENSI (ROCKET SPEED TRACKING METHOD USING TWO-FREQUENCY DOPPLER TRANSPONDER)
Wahyu Widada Peneliti Bidang Telemetri dan Muatan Roket, Lapan e-mail: w_widada@yahoo.com

## ABSTRACT
Radio Doppler racking system for rocket usually only use one carrier frequency. This paper discusses a method of radio Doppler for tracking rocket using two-frequency radio  waves.  The  system  uses  Doppler  frequency  transponder  on  465  MHz  and  2400 MHz  simultaneously.  Low  frequency  radio  used  to  measure  high-speed  rocket  and conversely  higher  frequency  radio  waves  are  used  to  measure  the  low-speed  rocket. Results  obtained  using  this  method  are  5.4  times  more  accurate  at  speeds  less  than Mach  0.7  compared  with  the  results  of  the  Doppler  system  that  uses  only  one  radio frequency. This method is suitable for measuring rocket speed up to Mach 3.8.
Keywords: Doppler tracking, Rockets, Two-frequency, High-resolution, Transponder

## ABSTRAK
Sistem Doppler  tracking untuk  roket  biasanya  hanya  menggunakan  satu frekuensi pembawa. Tulisan ini membahas sebuah metode Doppler radio pelacak roket dengan  menggunakan  dua  frekuensi  gelombang  radio.  Sistem  ini  menggunakan transponder Doppler pada  frekuensi  465  MHz  dan  2400  MHz  secara  simultan.  Radio frekuensi  rendah  digunakan  untuk  mengukur  kecepatan-tinggi  roket  dan  sebaliknya gelombang radio frekuensi lebih tinggi digunakan  untuk mengukur kecepatan rendah roket. Hasil yang diperoleh dari metode ini lebih akurat 5.4 kali pada kecepatan kurang dari  0.7  Mach  dibandingkan  dengan  hasil  dari  sistem Doppler yang  menggunakan hanya satu frekuensi radio. Metode ini cocok untuk mengukur kecepatan roket hingga 3.8 Mach.
Kata kunci: Doppler tracking, Roket, Dua-frekuensi, Resolusi tinggi, Transponder

## 1  PENDAHULUAN
LAPAN  sedang  mengembangkan roket dengan diameter besar seperti tipe RX550.  Roket  tipe  ini  dirancang  untuk jarak  jauh  hingga  jangkauan  ratusan kilometer.  Untuk  mengetahui  performa roket  tersebut,  maka  sangat  diperlukan sistem  instrumentasi  pengukur  jarak jangkau dan kecepatan roket. Pengukuran
jarak jangkau dapat menggunakan sistem Radio  Detecting  and  Ranging (RADAR) tipe  transponder,  yaitu  penggunaan muatan  transponder  pada  roket  untuk menerima sinyal beacon dan memancar- kannya  kembali  (Wahyu  Widada,  2012). Sistem  tersebut  telah  dikembangkan sejak  tahun  2009,  dan  saat  ini  sudah dipergunakan  pada  setiap  uji  peluncuran
roket,  serta  terus  dikembangkan  agar semakin modern dan akurat. Sedangkan untuk  mengukur  kecepatan  roket,  di Lapan  juga  telah  mulai  dikembangkan sistem Doppler radio  sejak  tahun  2013 (Wahyu  Widada,  2012;  Wahyu  Widada, 2013). Sistem ini secara langsung dapat mengukur  kecepatan  roket  berdasarkan perubahan frekuensi radio yang diterima di  stasiun  pengamatan,  dan  perubahan ini dapat dikonversikan menjadi kecepatan roket (Bjelland,B., 1963; Martin-Loef, J., 1967;  Seddon,  J.  C.,  1963).  Prototipe sistem  ini  telah  dibuat  dan  sudah diujicoba  di  laboratorium,  akan  tetapi belum diuji dalam peluncuran roket, dan telah  direncanakan  pada  peluncuran roket  akhir  tahun  2013.  Seperti  sistem intrumentasi yang lain, maka ada faktor sensitivitas  terhadap  kecepatan  roket, dalam hal ini adalah perbedaan frekuensi radio pemancar. Semakin tinggi frekuensi radio  pemancar,  maka  akan  semakin sensitif  terhadap  perubahan  kecepatan roket  (semakin  mudah  berubah).  Jika terlalu  tinggi  frekuensinya,  maka  akan lebih  sensitif,  tetapi  batas  pengukuran menjadi  terbatas,  atau  hanya  pada kecepatan  tertentu  yang  lebih  rendah. Sebaliknya  semakin  rendah  frekuensi pemancar,  akan  semakin  lebar  batas kecepatan  roket  yang  dapat  diukur, tetapi  semakin  kurang  sensitif  terhadap kecepatan  roket.  Oleh  karena  itu  perlu dipikirkan metode agar sistem ini selalu sensitif  dan  jangkauan  pengukuran kecepatan tetap lebar.
Tulisan ini membahas metode dua frekuensi  pada  sistem Doppler untuk mengukur kecepatan roket agar menjadi tetap sensitif dan akurat pada kecepatan rendah hingga kecepatan tinggi.
Integrasi  dua  buah  frekuensi,  frekuensi 465  MHz  untuk  mengukur  kecepatan lebih  tinggi  dan  frekuensi  2400  MHz untuk  mengukur  kecepatan  yang  lebih rendah,  dilakukan.  Kedua  frekuensi dipancarkan  secara  bersamaan  dan kemudian  diterima  di  stasiun  pengamat secara kontinyu.

## 2  MULTI FREKUENSI DOPPLER RADIO
Secara  umum  metode  radio Doppler multi  frekuensi  seperti  terlihat pada  Gambar  2-1  di  bawah.  Pada muatan roket terdiri dari dua buah radio transponder  dengan  frekuensi  penerima yang sama dan frekuensi pemancar yang berbeda.  Frekuensi  penerima  (170  MHz) ini  digunakan  sebagai trigger radio transponder  agar  hanya  pada  saat menerima  sinyal  saja  radio  akan memancarkan  sinyal  secara  kontinyu (Jackson, J. E., 1965). Hal ini digunakan agar  pasokan  daya  tetap  bertahan  lama dan radio juga tidak menjadi panas dan tidak stabil jika terus-menerus memancar. Berdasarkan  prinsip Doppler ,  maka kecepatan  roket  dapat  dihitung  dari perubahan  frekuensi  antara  pemancar dan  frekuensi  yang  diterima  di  stasiun pengamat dengan persamaan berikut ini
f C f V    (2-1)
Disini C adalah  kecepatan  rambat gelombang radio di udara sebesar 3×10 8 m/detik 2 , sedangkan  f adalah perbedaan antara  frekuensi  pemancar  dan  frekuensi yang diterima di stasiun pengamat. Dari persamaan di atas, maka parameter yang mempengaruhi  perubahan  frekuensi adalah  kecepatan  roket  (m/detik)  dan nilai frekuensi pemancar radio transponder (Hz).  Semakin  tinggi  frekuensi f yang digunakan,  maka  perubahan  frekuensi  f terhadap  kecepatan  juga  semakin tinggi dan sensitif.
Frekuensi radio yang dipancarkan adalah  dua  buah  seperti  terlihat  pada Tabel 2-1, yaitu 465 MHz dan 2400 MHz dengan  menggunakan  antena  yang sesuai frekuensi gelombang radio. Batas perubahan  frekuensi  yang  dapat  diukur oleh mixer yang  digunakan  dalam prototipe percobaan ini adalah 2500 Hz, maka  dengan  menggunakan  persamaan (2-1) di atas, batas kecepatan roket yang dapat diukur oleh masing-masing transponder  adalah  seperti  pada  Tabel 2-1.
Gambar 2-1: Metode radio Doppler dua frekuensi untuk tracking kecepatan roket
Tabel 2-1: FREKUENSI DOPPLER DAN BATAS PENGUKURAN KECEPATAN
No Frekuensi Batas Kecepatan A f A = 2400 MHz V A = 0 – 0.7 Mach B f B = 465 MHz V B = 0 – 3.8 Mach Masing-masing
persamaan kecepatan  untuk  frekuensi  radio  yang berbeda adalah sebagai berikut.
A A A f C f V   
(2-2)
dan
B B B f C f V    (2-3)
Masing-masing  frekuensi  mempunyai batas  pengukuran,  frekuensi  yang  lebih tinggi f A (2400  GHz)  hingga  0.7  Mach, sedangkan  frekuensi  yang  lebih  rendah f B (465  MHz)  sekitar  3.8  Mach,  hal  ini menunjukkan  radio  dengan  frekuensi tinggi  lebih  cocok  dan  lebih  akurat untuk  pengukuran  kecepatan  rendah. Penggunaan sensor berdasarkan kecepatan  roket  dapat  diilustrasikan
seperti  terlihat  pada  Gambar  2-2, algoritma  tersebut  menunjukkan  bahwa saat  kecepatan  rendah  menggunakan radio Doppler A dan saat kecepatan lebih tinggi dari 0.7 Mach menggunakan radio B.
Gambar 2-2: Ilustrasi pemilihan frekuensi Doppler pada pengukuran kecepatan roket
Jika kecepatan roket yang diujicoba  kurang  dari  0.7  Mach,  maka cukup hanya menggunakan radio tipe A. Tetapi  jika  diperlukan  pemantauan kecepatan  yang  lebih  akurat,  maka diperlukan  penambahan  radio Doppler dengan  frekuensi  yang  lebih  tinggi, misalnya  4.8  GHz  dengan  maksimum kecepatan roket hanya 0.38 Mach. Akan tetapi  hasil  pengukuran  menjadi  lebih akurat  terhadap  kecepatan  rendah tersebut.  Radio  yang  digunakan  pada sistem  ini  frekuensinya  dapat  dirubah- rubah  sesuai  dengan range masing- masing, oleh hal tersebut untuk mencari frekuensi yang bersih tanpa gangguan.

## 3  PERCOBAAN DAN ANALISA
Percobaan prototipe ini dilakukan dengan menggunakan dua buah frekuensi, yaitu frekuensi 465 MHz dan 2.400 GHz, transceiver sistem  ini  telah  tersedia prototipenya.  Untuk  transponder  ini, supaya  lebih  mudah  dan  handal,  maka menggunakan dua buah radio transmitter dengan  daya  baterei  yang  berbeda, sehingga  jika  kegagalan  terjadi  hanya sebagian  yang  tidak  berfungsi.  Untuk frekuensi  2.400  GHz,  berdasarkan persamaan  di  atas  maka  perubahan
satu Hz senilai dengan kecepatan sekitar 0.119 m/detik, sedangkan frekuensi 465 MHz  adalah  0.646  m/detik.  Semakin tinggi  frekuensi  yang  digunakan,  maka secara  umum  hasilnya  akan  menjadi lebih akurat sesuai dengan perbandingan frekuensi  pemancar  radio.  Percobaan dilakukan  untuk  mengetahui  kestabilan secara  menyeluruh  pada  sistem Doppler ( transponder , receiver , frequency  counter ). Berdasarkan  percobaan  dengan  prototipe yang sudah ada, ketidakstabilan frekuensi Doppler tercatat maksimum 10 Hz.
Sehingga  parameter  ini  digunakan sebagai random  noise pada  simulasi perubahan frekuensi Doppler  fT dihitung dengan persamaan berikut.
) 10 ( rand ,    
B A T f f (3-1)
Gambar 3-1 berikut adalah bagan Doppler receiver yang  digunakan  untuk uji  kestabilan  pengukuran  frekuensi berbasis mixer .  Frekuensi  referensi adalah  465  MHz  dan  2.400  MHz, sehingga jika frekuensi sinyal radio yang diterima  berbeda,  keluaran  dari mixer adalah  sinyal  sinus  dengan  frekuensi selisihnya.  Sedangkan  prototipe  yang digunakan  dalam  percobaan  ini  adalah seperti terlihat pada Gambar 3-2.
Gambar 3-1: Bagan Doppler receiver untuk uji kestabilan frekuensi
Gambar 3-2: Prototipe Doppler transceiver untuk uji kestabilan pengukuran frekuensi
Hasil  uji  kestabilan  frekuensi ditunjukkan pada Gambar 3-3. Frekuensi referensi  dipilih  pada  500  Hz,  supaya mudah  didengar  dan  masih  ada range 2000  Hz  untuk  perubahan  frekuensi Doppler .
Kestabilan  sistem  secara  kese- luruhan  saat  diam  terlihat  sekitar  kira- kira 10 Hz pada kondisi jarak dekat dan dengan  sampling Analog  to  Digital Converter (ADC)  8  bit,  dengan  algoritma Fast Fourier Transform (FFT) resolusi 1 Hz. Peningkatan kestabilan ini dapat dilakukan dengan menggunakan komponen  yang  lebih  stabil  atau  radio dengan spesifikasi kestabilan yang lebih baik.  Pada  percobaan  ini  disimulasikan kecepatan roket bergerak dari nol hingga 10  meter/detik  dan  kembali  ke  nol  lagi, pada  frekuensi  2.4  GHz  (warna  hijau) terlihat  perubahan  frekuensi  berubah hingga hampir 100  Hz  dan  terlihat  jelas (Gambar  3-4).  Akan  tetapi pada frekuensi  rendah,  perubahan  frekuensi hanya sampai dengan sekitar 15 Hz, dan terlihat  tidak  banyak  berubah, Signal  to Noise  Ratio (SNR)  juga  lebih  kecil  dan nyaris  sama  dengan noise .  Kemudian percobaan  dilakukan  dengan  gerak hingga  mendekati  3  Mach  atau  sekitar 1000 meter/detik (Gambar 3-5).
Pada  saat  itu  terlihat  perubahan frekuensi sinyal 2.4 GHz melebihi 2000 Hz, sehingga melebihi kemampuan bandwidth Doppler receiver yang  digunakan,  akan tetapi  pada  frekuensi  465  MHz  (warna biru), perubahan frekuensi hanya sampai
dengan kira-kira 1500 Hz. Dari hasil ini dapat  dikatakan  kecepatan  roket  masih dapat  dideteksi  dengan  perubahan Doppler pada  radio  465  MHz.  Gerak roket  pada  saat  motor  masih  menyala akan mempunyai kecepatan yang sangat tinggi, sedangkan pada saat jatuh bebas akan  terlihat  lebih  lambat,  apalagi  jika diukur dengan posisi receiver yang tidak secara  langsung  linier  pada  pergerakan roket. Pada kondisi tersebut pengukuran Doppler sangat  memerlukan multi- frekuensi (dua atau lebih), sehingga saat pengukuran  akan  selalu  sensitif  pada kecepatan  roket  secara  keseluruhan, baik saat tinggi maupun rendah.
Simulasi ini sangat penting untuk menentukan  frekuensi  sinyal  radio Doppler yang  akan  digunakan  pada setiap  tipe  roket  yang  mempunyai kecepatan  maksimum  yang  berbeda- beda. Berdasarkan hasil analisis di atas maka  algoritma  yang  digunakan  untuk sistem  dua  frekuensi Doppler adalah seperti  pada  Gambar  3-6,  algoritma komputer  ini  akan  memilih  secara otomatis  frekuensi Doppler yang  sesuai dengan  kecepatan  roket  yang  sedang dimonitor.  Saat  perubahan  f A kurang dari  2000  Hz,  maka  menggunakan frekuensi  2.40  GHz,  jika  lebih  maka menggunakan  frekuensi  465  MHz.  Jika ditambah satu frekuensi lagi (misal VHF 150  MHz),  maka  jangkauan    kecepatan roket  yang  dapat  diukur  semakin  tinggi (11.7 Mach).
Gambar 3-3: Kestabilan frekuensi Doppler pada base-frequency 500 Hz sekitar 10 Hz
0 5 10 15 20 25 30 35 40 490 495 500 505 510 Time (detik) Fr eq ue nc y (H z) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 5 10 Waktu (sec) dV (m /sec) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -50 0 50 100 Waktu (sec) dF (Hz)
Gambar 3-5: Simulasi pada kecepatan 0 hingga 1000 meter/detik
Gambar 3-6: Algoritma sistem dua-frekuensi Doppler untuk tracking roket

## 4  KESIMPULAN
Telah
dikembangkan metode
Doppler radio  dengan  dua  frekuensi untuk mengukur kecepatan roket secara
real-time . Dua buah frekuensi radio yang dipilih  yaitu  465  MHz  dan  2400  MHz digunakan  sebagai  parameter  simulasi dan komponen prototipe radio ini disebab-
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 500 1000 Waktu (sec) dV (m /sec) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -5000 0 5000 10000 Waktu (sec) dF (Hz)
kan  mudah  didapat  secara  komersial dan cocok dengan batas kecepatan roket yang akan diukur. Aplikasi radio Doppler dua  frekuensi  ini  sangat  berguna untuk meningkatkan  deteksi  kecepatan  roket baik  pada  saat  kecepatan  tinggi  dan kecepatan rendah, serta pada arah gerak roket  yang  tidak  bergerak  menjauh secara linier .  Frekuensi  transmitter  2.4 GHz digunakan untuk mengukur kecepatan di bawah 240 m/detik dengan resolusi 0.119 m/sec/Hz  dan kecepatan di  atasnya  menggunakan  frekuensi  465 MHz  dengan  resolusi  0.646  m/sec/Hz. Metode  ini  akan  diimplementasikan  pada uji peluncuran roket RX550 mendatang. Noise dari  sistem  ini  dapat  direduksi dengan  menggunakan  komponen  radio yang  lebih  stabil  dan  juga  dengan algoritma digital  filtering yang  akan dibahas pada tulisan tersendiri.

## DAFTAR RUJUKAN
Bjelland,  B.,  1963. A  Doppler  Tracking System for Small Rocket Trajectories ,
Norwegian Defence Research Establishment Kjeller.
Jackson,  J.  E.,  1965. Determination  of Rocket  Trajectories  from  Minimal CW  Tracking  Data ,  NASA-TM-X- 66239, X-615-65-281.
Martin-Loef, J.,  1967. Method for Rocket Trajectory Determination from Multistation Doppler Tracking Data ,  Apr.  1967  30  P  Refs Sponsored  by  NASA  And  Swed. Space Res. Com.
Seddon,  J.  C.,  1963. Preliminary  Report on  The  Single  Station  Doppler- Interferometer  Rocket  Tracking Technique , NASA-TN-D-1344.
Wahyu  Widada,  2012. Metode  Doppler Radio  Untuk  Mengukur  Kecepatan Roket  RX200 ,  Jurnal  Teknologi Dirgantara Desember.
Wahyu  Widada,  2013. Integrasi  Radar dan  Doppler  Transponder  Untuk Tracking  Roket ,  paten  Indonesia dalam pengajuan.