## PENERAPAN LOW PASS FILTER UNTUK MEMPERBAIKI HASIL ESTIMASI SUDUT PADA SISTEM RADIO TRACKING ROKET
Satria Gunawan Zain *) , Adhi Susanto *) , Thomas Sri Widodo *) , Sri Kliwati **) , Wahyu Widada **) *) Universitas Gadjah Mada
**) Peneliti Bidang Telemetri dan Muatan Roket , LAPAN e-mail: wawan38@yahoo.com

## ABSTRACT
Radio  tracking  system  can  be  applied  to  track  the  position  of  a  rocket  and  is potential to be developed to replace the GPS technology. This system is used to estimate the direction angle (azimuth and elevation) of transmitter source. In measurement and trial there are many noises that cause the results of angle estimation are not accurate. These noises can be obsreved from the value of the angle estimation varied for a fixed measurement  point.  This  is  caused  by  the  interference  on  the  received  sinyal.  This paper  discusses  the  application  of    low  pass  filter  to  eliminate  noises  in  the  radio receiver system. Experiment results show that the variation of estimates angle becomes 1600 times smaller compared to the one without filter.
Keyword: Low pass filter, Angle estimation, Radio tracking, Rocket

## ABSTRAK
Radio  tracking  dapat  digunakan  untuk  melakukan  tracking  posisi  roket  dan mempunyai potensi untuk dikembangkan menggantikan teknologi GPS. Radio tracking bekerja dengan melakukan estimasi arah sumber pancaran (sudut elevasi dan azimut). Dalam  pengukuran  dan  uji  coba  dijumpai    banyak  kendala  yang  menyebabkan  hasil estimasi sudut tidak akurat. Kendala ini dapat diamati dari  nilai estimasi sudut yang bervariasi  untuk  suatu  titik  pengukuran  tetap.  Hal  ini    disebabkan  oleh    adanya gangguan kuat pada sinyal yang diterima. Tulisan ini membahas aplikasi low pass filter untuk  mengeliminasi  noise  pada  sistem  penerima  radio.  Hasil  yang  diperoleh menunjukkan  variasi  estimasi  sudut  menjadi    1600  kali  lebih  kecil  dibanding  tanpa menggunakan fliter.
Kata kunci : Low pass filter, Estimasi sudut, Radio tracking, Roket

## 1  PENDAHULUAN
Evaluasi  performa  roket  yang diujikan  membutuhkan  suatu  sistem tracking  posisi.  Saat  ini  sistem  tracking posisi yang digunakan adalah GPS. GPS mempunyai kemampuan untuk mengetahui  posisi  pergerakan  roket setiap  detiknya.  Kemampuan  GPS  yang dapat  digunakan  atau  dikomersilkan mempunyai  kecepatan  akuisisi  data hingga  5  data  tiap  detik  (Nelson,  2004).
Roket yang diujikan mempunyai kecepatan  minimal  340  m/dt  sehingga dengan  menggunakan  GPS  posisi  roket dapat  diamati  setiap  68  m.  Di  samping itu  GPS  komersil  mempunyai  akurasi 10-15  m  (Nelson,  2004).  Untuk  itu diperlukan sistem tracking posisi dengan kecepatan akuisisi data yang tinggi.
Saat  ini  telah  dikembangkan sistem estimasi arah pancaran dan jarak antara  stasiun  penerima  dan  pemancar
radio  berdasarkan  kuat  sinyal  yang diterima pada stasiun penerima.
Penerapannya  dapat  digunakan  pada estimasi  posisi  dari  objek  bergerak seperti  pesawat  aerobatic  (Elnahrawy dkk,  2007).  Sistem  yang  dikembangkan efektif  bekerja  untuk  pergerakan  objek dengan  kecepatan  relatif  rendah  namun kurang dapat diandalkan untuk kecepatan yang tinggi.
Dalam penelitian ini dikembangkan sistem  estimasi  posisi  untuk  kecepatan pergerakan  objek  yang  lebih  tinggi. Antena  cross  Yagi  yang  digunakan terdiri  dari  3  buah  yang  dipasang  pada tower dalam keadaan pasif. Kemampuan akuisisi  data  posisi  tergantung  pada kemampuan perangkat keras dan perangkat lunak dalam memproses sinyal  yang  diterima.  Setiap  sinyal  yang diterima dari 3 kanal penerima mengandung  informasi  data  sudut  dari sumber  pancaran.  Dengan  meningkatkan kemampuan  sistem  akuisisi  kuat  sinyal dari  ketiga  kanal  dan  kecepatan  proses data maka akan menghasilkan kecepatan  estimasi  sudut  yang  makin meningkat.
Saat ini sistem secara keseluruhan  telah  dapat  menunjukkan arah  sumber  pancaran  (sudut  azimut dan  elevasi  sumber  pancaran)  namun dalam beberapa percobaan masih didapatkan beberapa derau pengukuran. Derau  pengukuran  sudut  azimut  dan elevasi  ini  dapat  dieliminasi  dengan penambahan  tapis  analog  dan  tapis digital.  Tapis  yang  digunakan  untuk perangkat  keras  adalah  low  pass  filter dan secara perangkat lunak adalah tapis Kalman.

## 2 PENENTUAN ARAH SUMBER PANCARAN
Penentuan  arah  sumber  pancaran memanfaatkan  pola  radiasi  dari  tiga
antena cross Yagi yang tersusun dengan sudut  arahan  yang  berbeda.  Perbedaan arahan antara satu antena dengan yang lainnya  diatur untuk menghasilkan pola radiasi  dari  ketiga  antena  yang  ideal. Dengan  pola  radiasi  yang  ideal  maka dihasilkan  perbedaan  nilai  kuat  sinyal yang  diterima  dari  ketiga  antena  untuk masing-masing  sudut  terima.  Pola  kuat sinyal yang diterima oleh seluruh antena mempunyai  nilai  yang  berkorelasi  pada arah sumber pancaran.
Pola  radiasi  antena  didapatkan dengan  memasang  radio  pemancar  di depan penerima kemudian antena diputar 180 o . Kuat signal yang ditangkap  oleh  ketiga  antena  setiap sudut  putaran  antena  disimpan  beserta pembacaan  sudutnya  sehingga  dapat ditulis dalam bentuk persamaan 2-1.
( ) =   ( ) ∗ ( ) (2-1)
Dengan  RSSI  adalah  kuat  sinyal  yang diterima oleh antena j pada sudut  , dan G(  )    adalah  gain  antena  pada  sudut  dan P(d) adalah kuat sinyal yang sampai pada titik penerima dengan jarak d.
Kuat  penerima  yang  diterima dengan jarak d dapat dimodelkan  dalam persamaan 2-2 (Bahl,  dan Padmanabhan, 2000) berikut ini:
( ) = ( ) − 10 − ∗ < ∗ ≥ (2-2)
Dengan  n  adalah  peningkatan  path  loss oleh  jarak,  P(do)  adalah  kuat  sinyal pada  pada  jarak  referensi  do  dan  d adalah jarak antara pemancar ke penerima.  C  adalah  jumlah  maksimal pantulan yang dapat mengubah besarnya  kuat  sinyal  yang  diterima,  nW adalah jumlah pantulan antara pemancar  dan  penerima  dan  WAF adalah faktor attenuasi dari penghalang.
Hasil pengukuran dari pola radiasi  tiga  antena  cross  Yagi  dapat dilihat  pada  Gambar  2-1.  Polaradiasi sebelah  kiri,  tengah  dan  kanan  masing- masing    menunjukkan  pembacaan  kuat
kuat  sinyal  setiap  derajat  dari  antena pertama, kedua dan ketiga.
Gambar 2-1: Pola  kuat  sinyal  3  antena pada arah sumber pancaran tertentu
Dari  gambar  tersebut  terlihat hubungan antara perbedaan kuat sinyal yang diterima dari ketiga antena (sumbu y)  dengan  arah  dari  sumber  pancaran (sumbu x). Pada arah sudut -40 º , antena sebelah  kiri  menghasilkan  pembacaan sinyal  terkuat  dan  pada  sudut  -5 º pembacaan kuat sinyal maksimal berada pada  antena  kedua  dan  antena  ketiga menghasilkan  pembacaan  kuat  sinyal terbesar pada sudut 10 º .
Metode  yang  digunakan  dalam menentukan  arah  sumber  pancaran berdasarkan  rasio  dari  dua  kuat  sinyal terbesar.  Dari  gambar  2-1  dapat  dilihat bahwa  untuk  sudut  -50 º maka  kuat sinyal terbesar pertama ada pada antena sebelah  kiri  dan  tengah.  Asalkan  arah sumber pancaran tetap, rasio dari kedua sinyal  ini  akan  tetap  sama  meskipun jarak dari pemancar ke penerima berubah.    Algoritma  yang  digunakan dapat dijabarkan sebagai berikut:

## 3 PERCOBAAN DAN DISKUSI
Pengukuran dan pengujian dilakukan dengan meletakkan pemancar radio pada titik tertentu. Kondisi percobaan  adalah  seperti  pada  Gambar 3-1. Gambar 3-1: Kondisi percobaan Titik yang berwarna merah menunjukkan radio pemancar HT (handy  talky)  dan  yang  berhadapan dengan  penerima  radio  yang  terdiri  dari antena  Yagi-Uda  sebanyak  tiga  buah yang  dihubungkan  dengan  perangkat detektor  radio  dan  personal  computer. Data  yang  masuk  kuat  sinyal  yang diterima  oleh  sinyal  detektor  dikirim  ke personal  komputer.  Pesonal  computer yang  dilengkapi  dengan  program  matlab akan  menjalankan  algoritma  seperti yang dijelaskan sebelumnya untuk mengolah ketiga data sinyal yang diterima  menjadi  data  sudut  arah sumber pancaran.
Berdasarkan  hasil  pengukuran yang dilakukan didapatkan hasil pengukuran  sudut  dengan  variasi  nilai dan penyimpangan dari nilai sebenarnya yang  cukup  besar.  Besarnya  penyim- pangan  dari  nilai  sebenarnya  diketahui dengan  melakukan  pengukuran  secara manual terhadap titik pengukuran sebenarnya dan membandingkan dengan  hasil  pengukuran.  Dari  hasil pengukuran  diketahui  bahwa  sudut yang diestimasi mempunyai nilai bervariasi  yang  dapat  dilihat  pada Gambar 3-2.
Penerima Radio Tracking Titik pengukuran Radio  Pemancar
1. Menyimpan  seluruh  kuat  sinyal  yang diterima
2. Mengurutkan kuat sinyal terbesar ke terkecil
3. Mencari rasio dua kuat sinyal terbesar
4. Interpolasi  data  rasio  kedalam  database rasio kuat sinyal terhadap sudut terima
Gambar 3-2: Estimasi sudut arah sumber pancaran
Gambar 3-2 di atas menunjukkan estimasi  arah  sumber  pancaran  dan kuat  sinyal  yang  diterima  dari  ketiga antena. Arah sumber pancaran sebenarnya  berada  pada  sudut  -5 º namun  sudut  yang  terukur  mempunyai variasi nilai dari -2.5 º hingga -8.2 º .
Jika  kuat  sinyal  yang  diterima dari  ketiga  antena  diamati  secara  detil maka  dapat  diketahui  penyebab  dari perbedaan  nilai  estimasi  sudut.  Pada Gambar  3-2  terlihat  perubahan    nilai estimasi  disebabkan  oleh  adanya  noise pada  kuat  sinyal  yang  diterima  oleh ketiga antena. Pada sampling data ke 14 terlihat  bahwa  sudut  yang  diestimasi tiba-tiba naik hingga -2.5 dimana hal ini terjadi  pada  saat  adanya  noise  yang terpengaruh  pada  kuat  sinyal  yang diterima.  Sehingga  bagian  perangkat keras  akuisisi  sinyal  perlu  ditambahkan low  pass  filter  untuk  menghilangkan gangguan tersebut.
Setiap  kanal  dari  penerima  kuat sinyal masing-masing dihubungkan dengan  low  pass  filter.  Masing-masing low  pass  filter  bekerja  pada  frekuensi cut-off  yang  sama.  Blok  diagram  dari sistem  radio  tracking  dapat  dilihat  pada Gambar 3-3b.
(a) Diagram blok rangkaian
(b) Prototype  perangkat  keras  Sistem radio tracking
Gambar 3-3: Perangkat keras sistem radio tracking
Perangkat keras dari sistem radio tracking  terdiri  dari  rangkaian  deteksi sinyal  radio,  rangkaian  offset  tegangan, pengali tegangan, low pass filter, rangkaian  ADC  dan  PC  seperti  pada Gambar 3-3b.
Low  pass  filter  dengan  tipe chebechev-sallen  key  orde  dua  digunakan dalam penelitian ini. Konfigurasi dengan tipe ini adalah sederhana hanya menggunakan  sebuah  penguat  OP-AMP sehingga  dapat  meminimalkan  ukuran dari  perangkat  keras.  Gambar  3-4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -10 -8 -6 -4 -2 Data Sampling S u d u t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 100 200 300 400 500 Data sampling K u a t s ig n a l Kanan Tengah Kiri Filter Low pass Sinyal Detector I Analog Digital Converter PC & Sistem Estimasi sudut Sinyal
Detector 2 Sinyal Detector 3 Filter Low pass Filter Low pass
0 5 10 15 20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 Sampling (dtk) A m lit u d o ( m V ) 0 5 10 15 20 -10 -5 0 5 10 A ml it u d o ( m V ) Sampling (dtk)
menunjukkan  konfigurasi  dari  filter chebeshev-sallen key orde 2 yang digunakan.
Gambar 3-4: Low pass filter Chebeshev
Dalam percobaan digunakan frekuensi  cut-off  yang  bervariasi  untuk melihat  pengaruhnya  terhadap  hasil estimasi sudut. Frekuensi cut-off dihitung menggunakan persamaan 3-1
= (3-1) Berdasarkan persamaan (3-1) penentuan frekuensi cut-off berdasarkan dari  nilai  komponen  R1,R2,R3,C1,C2. Untuk  menghasilkan  frekuensi  cut-off 100 Hz, 10 Hz dan 1 Hz didapatkan nilai seperti pada tabel di bawah 3-1.
Tabel 3-1:  DAFTAR  KOMPONEN  LOW

## PASS FILTER
Komponen 100 Hz 10 Hz 1 Hz R1 2,37 K 2,37 K 2,37K R2 21 K 21 K 21 K C1 68nF 680 nF 6,8 uF C2 680nF 6,8 uF 68 uF
Low  pass  filter  pada  perangkat keras  yang  digunakan  untuk  mengukur sudut seperti pada Gambar 3 - 4 di atas mempunyai frekuensi cut-off sebesar 100 Hz. Frekeuensi cut-off yang lebih rendah akan  menghasilkan  kuat  sinyal  yang melewatinya  akan  lebih  halus.  Hal  ini dibuktikan  dengan  penerapan  low  pass filter 10 Hz dan 1 Hz. Dengan menggunakan  low  pass  filter  yang  lebih kecil maka nilai estimasi sudut mempunyai  variasi  yang  cukup  kecil. Gambar 3-6 menunjukkan hasil estimasi menggunakan low pass filter 1 Hz.
Gambar 3-5: Hasil estimasi  sudut  untuk filter 10 Hz
Gambar 3-6: Hasil estimasi  sudut  untuk

## filter 1 Hz
Dari Gambar 3-5 dan Gambar 3-6 dapat dilihat bahwa penerapan low pass filter  yang  makin  kecil  menyebabkan variasi  hasil  estimasi  yang  kecil  dan mendekati  nilai  sebenarnya.  Tabel  3-2 dapat dilihat lebih detil pengaruh penerapan low pass filter.
Tabel 3-2: HASIL PENERAPAN
LOW

## PASS FILTER
Tapis 100 Hz Tapis 10 Hz Tapis 1 Hz Mean    1,51 -2,68 6,74 Varian  32,70 0,27 0.02 Max 28,55 -1,72 7,02 Min -10,53 -4,38 6,28
Penerapan  low  pass  filter  1  Hz akan  berpengaruh  pada  penempatan posisi  dari  stasiun  penerima.  Semakin dekat stasiun penerima ke launching pad maka  semakin  besar  pula  kecepatan perubahan sudut yang terukur sedangkan  kemampuan  dari  low  pass filter  1  Hz  terbatas  untuk  kecepatan 2  /dt. Untuk pengukuran menggunakan objek  bergerak seperti  roket  dibutuhkan jarak  yang  optimal  dari  posisi  launhcing pad agar perubahan sudut yang terukur dapat sesuai dengan kecepatan low pass filter  dalam  menyaring  sinyal  yang masuk.

## 4      KESIMPULAN
Dari hasil percobaan yang dilakukan  dapat  disimpulkan  bahwa penerapan frekuensi cut-off 1 Hz memberikan  hasil  yang  baik  pada estimasi sudut pada sistem radio tracking. Hasil estimasi ini dapat diperbaiki  lagi  dengan  menerapkan filter digital  seperti  Kalman  filter  untuk menghasilkan nilai estimasi yang mendekati hasil yang sebenarnya.
Variasi sudut estimasi menjadi mengecil secara  signifikan.  Untuk  estimasi  arah pergerakan roket yang mempunyai kecepatan tinggi diperlukan posisi stasiun  penerima  yang  optimal sehingga perangkat  penerima  yang  menggunakan low pass filter 1 Hz dapat bekerja efektif.

## DAFTAR RUJUKAN
Bahl, P. & Padmanabhan, V. N., RADAR: an in-building RF-based user location and tracking system, INFOKOM 2000, vol. 2, 775-784. Elnahrawy,  E.,  Austen-Francisco,  J.,
Martin,  R.P.,  2007.  Adding  Angle of  Arrival  Modality  to  Basic  RSS
Location  Management  Techniques, Wireles Pervasive Computing 2007. Elnahrawy,  E.,  Xiaoyan  L.,  Martin,  R.P, 2004.  The  Limits  of  Localization Using Signal Strength: a Comparative  study,  IEEE  SECON 2004, 406-414. Zain,S.G., et al., 2007. Analisis Rancangan  Antena  Yagi  Yang Optimal Untuk Sistem Radio Tracking Roket, Proceedings SIPTEKGAN XI-2007.
Zain.  S.  G.,  A.  Susanto,  W.  Widada,  S.
Kliwati,  2007.  Estimation  Method of Azimut and Elevation Angles for Roket Trajectory Using Array Crossed Yagi  Antenna, Proceedings
r-ICT 2007 Bandung.
Nelson, M. E., Mech, L. D., Frame, P. F.,
2004.  Tracking  of  White-Tailed Deer Migration by Global Positioning System, Jurnal of Mamalogy, 85, 505-510.