## METODE PENGGABUNGAN BEBERAPA PENERIMA GPS UNTUK MENINGKATKAN AKURASI DAN KEANDALAN SISTEM PENJEJAK ROKET BALISTIK
(METHOD OF COMBINING MULTI-GPS RECEIVERS TO IMPROVE ACCURACY AND RELIABILITY OF THE TRACKING SYSTEM OF SOUNDING ROCKET)
Wahyu Widada
Peneliti Bidang Telemetri dan Muatan Roket, Pusat Teknologi Roket, Lapan e-mail: w_widada@yahoo.com

## ABSTRACT
The level of civilian GPS technology is not accurate for ballistic missile tracking system.  To  solve  the  problem,  this  paper  discusses  the  method  of  the  combination  of multiple GPS receivers to improve the accuracy and reliability of the system for tracking ballistic rockets. Data from each GPS receiver that receives valid satellite signals will be selected  and  combined  with  the  microcontroller.  Data  collected  from  four microcontrollers  are  then  calculated  for  average  value  and  sent  to  the  ground  station using  the  radio  telemetry.  The  experimental  results  using  a  prototype  showed  a decrease  in  RMSE  (Root  Mean  Square  Error)  for  the  latitude  and  longitude  of  about 30%,  whereas  for  the altitude  of  about 40%.  The position  of  the  GPS  antenna  in  four different directions increases the reliability and performance of the receiver. Keywords: Consumer-level GPS, Multiple GPS, Rocket tracking, Microcontroller

## ABSTRAK
Kualitas  GPS  teknologi  tingkat  konsumen  tidak  cukup  akurat  untuk  sistem penjejakan  roket  balistik.  Untuk  mengatasi  masalah  tersebut,  tulisan  ini  membahas metode kombinasi multi receiver Global Positioning System (GPS) untuk meningkatkan akurasi  dan  keandalan  pada  sistem tracking roket  balistik.  Data  dari  masing-masing receiver GPS akan dipilih yang valid dan digabung dengan mikrokontroller. Data yang telah  dikumpulkan  dihitung  nilai  rata-ratanya  kemudian  dikirim  menggunakan  radio telemetri  ke  stasiun  peluncuran.  Hasil  percobaan  dengan  prototipe  menunjukkan terjadi  penurunan Root  Mean  Square  Error (RMSE)  untuk latitude sekitar  30%  dan longitude sekitar 30%, sedangkan untuk altitude sekitar 40%. Penempatan antena GPS pada posisi empat arah yang berbeda meningkatkan reliabilitas dan performa receiver . Kata kunci: GPS konsumen, Multipel GPS, Tracking roket, Mikrokontroller

## 1  PENDAHULUAN
Sistem  penjejak  trayektori  roket sangat  penting  dalam  ujicoba  terbang roket.  Sistem  tersebut  dapat  berbasis RADAR transponder ,  Doppler tracking , sensor  inersia  ( Inertial  Navigation  System, INS),  dan Global  Positioning  System (GPS).  RADAR transponder digunakan untuk  mengukur  jarak  trayektori  roket, sedangkan  Doppler  radio  digunakan
untuk mengukur kecepatan roket secara langsung.  Sensor  inersia  digunakan untuk  mengukur  percepatan  translasi dan  kecepatan  sudut  roket,  dan  dapat dikonversikan  menjadi  trayektori  roket (Wahyu  Widada,  2012;  Wahyu  Widada, 2013;  David  Törnqvist,  2010).  Masing- masing  sistem  tersebut  mempunyai kelebihan dan kekurangan. GPS telemetri telah  digunakan  untuk  sistem  penjejak
3D pada setiap uji terbang roket balistik di  stasiun  Pameungpeuk  Jawa  Barat. Sistem ini telah digunakan LAPAN dalam ujicoba terbang roket-roketnya sejak dua dekade  terakhir  ini.  Akan  tetapi  sistem ini  mempunyai  beberapa  masalah, seperti  deteksi  maksimum  ketinggian hanya sampai 18 km dari permukaan air laut,  kecepatan  maksimum  hingga  515 m/detik  dan  percepatan  maksimum kurang  dari  4  g  (4×9.8m/s 2 ).  Untuk penjejak  roket  dengan  ketinggian  di bawah maksimum masih dapat dilakukan dengan GPS komersial tersebut.  Hal  lain  yang  sering  terjadi adalah  signal  GPS  yang  kurang  baik diterima  pada  antena  yang  ditempatkan di nose - cone roket.  Beberapa  metode dengan  cara  menggunakan  tipe blade antena  yang  dipasang  pada  bodi  roket (Montenbruck  O.  et  al.,  2000;  Markgraf M.,  2001).  Akurasi  data  GPS  tipe komersial  mempunyai  variasi  sekitar  20 meter, sehingga masih perlu ditingkatkan. Untuk  mengatasi  beberapa  problem tersebut  di  atas,  maka  perlu  dikembang- kan metode untuk meningkatkan akurasi  dan  keandalannya,  sehingga keberhasilan uji perluncuran roket yang membutuhkan biaya sangat besar dapat diatasi.  Secara  umum  pengukuran dengan  menggunakan  beberapa  sensor dapat meningkatkan akurasi dan keandalannya dengan mengkombinasikan data-data  tersebut.  Jika  menggunakan sensor  GPS  lebih  dari  satu  maka kemungkinan  dapat  sinyal  satelit  akan lebih  banyak  dan  data  multi  sensor tersebut  dapat  dihitung  nilai  rata-rata
supaya  lebih  akurat.  Metode  ini  selain dapat  diaplikasikan  untuk  roket,  juga dapat digunakan untuk penjejak pesawat udara tanpa awak atau UAV.
Tulisan  ini  membahas  metode penggabungan  empat  buah  penerima GPS untuk aplikasi roket, agar kehandalan  sinyal  dan  akurasi  menjadi lebih  meningkat.  Proses  penggabungan dilakukan  dengan  menggunakan  lima buah  mikrokontroller,  empat  buah untuk  memproses  data  masing-masing sensor  secara  parallel  dan  sebuah mikrokontroller  untuk  menggabungkan keempat  data  GPS  tersebut  dan  dikirim melalui  radio  telemetri.  Proses  yang dilakukan  dalam  penggabungan  ini adalah  memilih  data  yang  valid  dan menghitung  nilai  rata-ratanya  ( latitude , longitude , altitude )  sebagai  posisi  3D roket.  Posisi  trayektori  dari  hasil kombinasi  keempat  penerima  GPS tersebut  kemudian  dipancarkan  melalui radio transmitter secara  kontinyu  dan diterima di stasiun pengamat.

## 2  METODE KOMBINASI 4 GPS
Skema  penggabungan  4  buat penerima  GPS  dapat  dilihat  pada Gambar  2-1.  Sistem  ini  terdiri  dari empat  buah  penerima  GPS  dan  empat buah  mikrokontroller  untuk parsing atau  pemotongan  data,  yaitu latitude , longitude , dan altitude , pada waktu yang bersamaan.  Kemudian  masing-masing mikrokontroller mengirim data ke sebuah  mikrokontroller  utama  untuk menggabungkan  menjadi  nilai  rata-rata posisi.
Gambar 2-1: Bagan metode kombinasi multi GPS receiver untuk muatan roket balistik
Skema algoritma pemrosesan data  masing-masing  GPS  dapat  dilihat pada  Gambar  2-2.  Mikrokontroller membaca  data  GPS  dengan  format ‘$GPGGA,..’  jika  data  terbaca  valid. Penentuan  validitas  data  dengan  cara membaca  jumlah  satelit  yang  dapat diterima  (lebih  dari  3  buah  satelit) (www.atmel.com, 2014). Langkah berikut- nya adalah memilih data waktu, latitude , longitude ,  dan altitude .  Data  tersebut kemudian  dikirim  ke  mikrokontroller utama  melalui  komunikasi  serial.  Jika data GPS tidak valid atau jumlah sinyal satelit yang diterima kurang dari 4 buah, maka data yang dikirim adalah karakter ‘NO’,  hal  ini  sebagai  tanda  bahwa  GPS yang  sedang  dibaca tidak dapat menghitung  posisi  dengan  tepat.  Empat
buah  mikrokontroller  digunakan  untuk memproses  algoritma  tersebut.  Dari keempat  data  ini  kemudian  dikirim secara  bergantian  ke  mikrokontroller utama  melalui  serial  data  dengan kecepatan  115  kbps,  sehingga  dalam waktu kurang dari satu detik data telah terkirim semuanya.
Contoh  pemotongan  data  GPS dengan  format  $GPGGA  adalah  seperti pada Gambar 2-3. Informasi yang dibaca hanya  meliputi  3  buah  data,  koordinat latitude , koordinat longitude , jumlah satelit, dan ketinggian roket atau altitude . Pada awal  data  ditambah  dengan  penomoran GPS,  jika  nomor  satu  menjadi  “$GPS1” dan  diakhir  jika  data  valid  ditambah kata “YES”.
Gambar 2-2: Algoritma mikrokontroller untuk membaca data masing-masing 4 GPS receiver
Gambar 2-3: Pemotongan  format  data  GPS  tipe  GPGGA  menjadi  informasi  yang  diperlukan  saja (Nomor GPS, latitude, longitude , jumlah satelit, altitude , validitas). (www.atmel.com, 2014)
Algoritma  mikrokontroller  utama dapat  dilihat  pada  Gambar  2-4.  Melalui komunikasi  data  serial  pada port no  1, 2,  3,  dan  4,  maka  data  ke  empat  GPS dibaca,  kemudian  menghitung  jumlah data  yang  valid,  setelah  itu  juga menghitung  nilai  rata-rata  dan  dikirim melalui  radio  telemetri.  Kecepatan transfer  data  antar  mikrokontroller adalah  115  Kbps,  sedangkan  kecepatan kirim data radio telemetri  minimal 9600 bps.  Data  yang  diterima  di ground station akan  disimpan  dan  ditampilkan secara realtime .
Gambar 2-4: Algoritma  mikrokontroller  utama untuk  memproses  dan  mengirim ke radio telemetri
Mikrokontroller utama ini membaca dan  menghitung  nilai  rata-rata  data yang  valid  untuk  posisi latitude dengan rumus sebagai berikut.
N Lat Lat N i i    1 (2-1)
Disini i adalah  data  valid  dan N adalah jumlah  data  yang  valid.  Sedangkan untuk  perhitungan  koordinat longitude dengan persamaan berikut.
N Lon Lon N i i    1 (2-2)
Untuk ketinggian data GPS atau altitude dihitung dengan persamaan berikut ini.
N Alt Alt N i i    1 (2-3)
Pemrograman  mikrokontroller  untuk semua algoritma di atas yang digunakan adalah berbasis Basic yaitu Bascom-AVR (www.atmel.com,  2014).  Dari  data  tiga
dimensi  di  atas,  maka  trayektori  roket dapat  dideteksi  dengan  menggunakan empat  buah  penerima  GPS  yang dikombinasikan  menjadi  satu  buah data.  Metode  ini  dapat  meningkatkan tingkat keberhasilan dan akurasi koordinat  yang  dihitung.  Keempat penerima  GPS  ini  dapat  ditempatkan  di dalam tabung roket, sedangkan masing- masing  antena  sebaiknya  ditempatkan di nose-cone roket  dengan  penempatan seperti terlihat pada Gambar 2-5.
Gambar 2-5: Skema  penempatan  4 buah antenna GPS-receiver di nose-cone roket balistik
Empat  arah  (sudut  45º)  antena GPS  ini  memungkinkan  salah  satu antena  dapat  menangkap  sinyal  satelit dengan  mudah.  Pada  saat  terjadi putaran  pada  roket,  salah  satu  antena pada  posisi  yang  optimal.  Metode  ini belum  diaplikasikan  pada  uji  peluncuran roket,  tetapi  telah  diujicoba  dengan menggunakan  prototipe  yang  akan dijelaskan pada bab 3 berikut.

## 3  HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA
Percobaan dilakukan untuk menguji  algoritma  dan  performa  sistem kontrol beberapa penerima GPS. Konfigurasi  prototipe  yang  digunakan adalah seperti pada Gambar 3-1 berikut,
yang  terdiri  dari  empat  buah  penerima GPS  dengan  masing-masing  kontroller dan sebuah kontroller utama.  Tipe GPS yang  digunakan  adalah  MediaTek- MT3329, sedangkan tipe mikrokontroller yang digunakan adalah modul ATMega328 dari  Atmel  (www.sparkfun.com,  2014; http://www.trimble.com/OEM_Receiver Help/V4.44/en/NMEA-0183messages_ MessageOverview.html.,  2014).  Masing- masing  kontoller  digunakan  untuk membaca  data  posisi  GPS  dan  data informasi validitasnya, sedangkan kontroller  utama  digunakan  untuk membaca informasi valid dan data posisi masing-masing GPS, kemudian menghitung  nilai  rata-rata  posisinya. Saat  uji  terbang  data  posisi  hasil perhitungan kemudian dikirim ke ground  station dengan  menggunakan radio telemetri.
Gambar 3-1: Konfigurasi empat buah penerima GPS dan mikrokontroler
Pada percobaan kali ini, pengiriman  data  tidak  melalui  radio, tetapi  melalui  kabel  RS232  langsung  ke PC  untuk  direkam.  Prototipe  penerima GPS  dan  modul  mikrokontroller  yang digunakan  pada  percobaan  adalah seperti terlihat pada Gambar 3-2.

## Gambar 3-2: Prototipe  penerima  GPS  dan mikrokontroler untuk ujicoba
Contoh  data  posisi  GPS  dan jumlah  satelit  yang  diterima  adalah seperti  pada  Tabel  3-1.  Jumlah  satelit lebih dari empat buah menandakan GPS dapat  menerima  sinyal  satelit  dan  valid untuk  menghitung  posisinya  dalam koordinat 3 dimensi. Jumlah satelit yang dibaca  tergantung  kualitas  sinyal  yang diterima,  seperti  perubahan  arah  sudut antena.  Menurut  spesifikasi  alat,  dalam posisi  diam  nilai  koordinat  posisi bervariasi  dalam  jarak  sekitar  15  meter hingga 30 meter.

## Tabel 3-1: PERCOBAAN POSISI SEBUAH GPS PADA TITIK DIAM
Time Latitude (deg)  Longitude (deg)  Altitude (m)  Sattelite 04:39:58 -6.57270387 106.78747748 338.29 6 04:40:48 -6.57271736 106.78747625 333.39 4 04:41:45 -6.57247925 106.78751731 230.10 4 04:42:30 -6.57241425 106.78747672 309.10 6 04:43:51 -6.57272868 106.78777223 407.39 6 Rata-rata -6.5726 106.7875 323.65 5
Jika  digambar  selama  600  detik, maka  variasi  koordinat lattitude GPS adalah  seperti  Gambar  3-3.  Terlihat adanya  variasi  dari  hingga  sekitar  30 meter pada posisi diam.
Sedangkan  jika  menggunakan empat  buah  penerima  GPS,  maka  nilai variasi latitude menjadi  berkurang sekitar  30  %,  atau  maksimum  variasi sekitar  15  meter,  seperti  terlihat  pada Gambar  3-4  berikut.  Untuk  data longitude juga mengalami hal yang sama (Gambar  3-5  dan  Gambar  3-6),  jika
hanya  menggunakan  sebuah  penerima GPS  maka  variasi  sekitar  30  meter  dan jika menggunakan empat buah penerima GPS maka  variasi  maksimum  hanya sekitar 15 meter.
Beberapa hal yang dapat mempengaruhi  keakuratan  GPS  ini adalah adanya waktu tunda sinyal radio oleh lapisan ionosphere , adanya pantulan  sinyal  oleh  obyek  sekeliling, clock  error pada  alat  penerima,  posisi sudut  satelit  yang  tidak  optimal (www.gpspassion.com, 2014).
Gambar 3-3: Variasi data latitude dengan menggunakan satu buah GPS
Gambar 3-5: Variasi data longitude dengan menggunakan satu buah penerima GPS
Gambar 3-6: Variasi data longitude menggunakan kombinasi empat buah penerima GPS
Berdasarkan pengaruh yang bermacam-macam tersebut, maka aplikasi  metode  kombinasi  beberapa penerima  GPS  ini  menjadi  sangat penting untuk mendapatkan data akurat yang  sangat  vital  untuk  sistem  kendali roket  atau  UAV.  Ketinggian  dari  data
GPS  ini  sangat  penting  untuk  kontrol seperti auto  landing atau auto  take  off pada  UAV.  Data  ketinggian  GPS  dan altimeter ultrasonic sensor dapat dikombinasikan  juga  untuk  sistem tersebut  agar  lebih  akurat  (Xusheng  Lei et al.).
Untuk data altitude , seperti terlihat pada  Gambar  3-7,  variasi  ketinggian sekitar  100  meter,  sedangkan  dengan menggunakan  empat  buah  penerima GPS variasi berkurang hingga sekitar 60 meter, dengan demikian terjadi peningkatan akurasi hingga 40 persen.
Akurasi ketinggian penerima  GPS ini  tergantung  pada  lokasi,  oleh  karena itu  perlu  pengujian  dengan  cara mengukur pada posisi yang sama dalam jangka  waktu  yang  lama,  misal  dalam satu  hari.  Dari  pengukuran  tersebut akan  diperoleh  batas  variasi  kesalahan data ketinggian yang terukur baik dalam waktu  pendek  maupun  waktu  yang lama. Root  Mean  Square  Error (RMSE) adalah  ukuran  yang  sering  digunakan perbedaan  antara  nilai-nilai  diprediksi oleh  model  dan  nilai-nilai  benar-benar diamati  dari  lingkungan  yang  sedang dimodelkan. Parameter RMSE ini berasal dari model prediksi dan variabel estimasi X model didefinisikan sebagai akar kuadrat dari kuadrat kesalahan rata-rata:
n n i i statis X i obs X
RMSE     1 2 ) , , ( (3-1)
disini X obs adalah  nilai realtime data dan X statis adalah nilai referensi saat sampling waktu i dengan  mengambil nilai  rata-rata  posisi  diam.  Perbedaan
nilai RMSE untuk satu dan empat buah GPS dapat dilihat pada Tabel 3-2.

## Gambar 3-7: Variasi data ketinggian satu buah penerima GPS
Gambar 3-8: Variasi  data  ketinggian  mengguna- kan kombinasi empat buah penerima GPS
Tabel 3-2: PERCOBAAN POSISI PENERIMA GPS PADA TITIK DIAM
Parameter RMSE 1 GPS RMSE 4 GPS Penurunan RMSE % Latitude (deg) 2.4802e-004 7.4405e-005 30.1 Longitude (deg) 1.2331e-004 3.6999e-005 29.9 Altitude (m) 57.8301 23.1921 40.1
Gambar 3-9: Variasi posisi ( latitude , longitude ) dengan 1 dan 4 buah penerima GPS
Jika  digambarkan  dengan  meng- gunakan  koordinat  dua  dimensi,  maka variasi  posisi  penerima  GPS  dalam keadaan  diam  seperti  terlihat  pada Gambar 3-9.
Nilai  hasil  percobaan  ini  akan berubah-ubah pada setiap kali percobaan, akan  tetapi  nilai  tersebut  masih  pada kisaran  nilai  yang  konstan.  Hal  ini disebabkan  oleh  kualitas  sinyal  satelit dan  pengaruh  dari  keadaan atmosphere yang  berubah  mempengaruhi  kualitas sinyal yang diterima.

## 4  KESIMPULAN
Telah dikembangkan metode kombinasi  4  buah  penerima  GPS  dan radio  telemetri  untuk  penjejak  roket. Mikrokontroller digunakan untuk menentukan  data  yang  valid  dan menggabungkan  menjadi  data  rata-rata posisi  dan  dikirim  via  radio  telemetri. Dibanding  dengan  hanya  menggunakan satu  buah  penerima  GPS,  sistem  ini menjadi  lebih  andal  dan  lebih  akurat sekitar 30% untuk latitude dan longitude , serta  40%  untuk altitude .  Kekhawatiran posisi  antena  yang  kurang  bagus  saat terbang maupun masih di launching pad dapat  direduksi  dengan  penggunaan empat  buah  antena  yang  terintegrasi pada receiver .  Sistem  ini  cocok  untuk tipe roket minimal ukuran RX200 hingga tipe  RX550  untuk  penempatan  empat buah  penerima  GPS,  serta  cocok  untuk aplikasi  pesawat  terbang  tanpa  awak UAV.  Metode  ini  akan  diusulkan  untuk
diaplikasikan pada uji terbang roket tipe RX450 atau RX550.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Saya  ucapkan  terimaksih  sebesar- besarnya kepada Bidang Kendali
Pustekroket LAPAN yang telah mendukung  penyediaan  penerima  GPS, sehingga  percobaan  pada  penelitian  ini dapat dilakukan dengan baik.

## DAFTAR RUJUKAN
David  Törnqvist,  Anders  Helmersson, Fredrik  Gustafsson,  2010. Tight Integration  Between  IMU  and  GPS for  Sounding  Rockets ,  Technical Report  Department  of  Electrical
Engineering
Linköpings universitet  SE-581  83  Linköping, Sweden Feb 2010.
http://www.trimble.com/OEM_Receiver He lp /V4 .4 4/en/NMEA -018 3 messages_MessageOverview.html.
(2 Mei 2014).
J.  Ryu  and  J.  C.  Gerdes,  2004. Integrating  Inertial  Sensors  with Global Positioning System (GPS) for Vehicle Dynamics Control , Journal of Dynamic Systems, Measurement, and  Control,  vol.  126,  no.  2,  pp. 243-254, (Pubitemid 40122672).
Markgraf M., Montenbruck O.,
Hassenpflug  F.,  2001. A  Flexible GPS  Antenna  Concept  for  Sounding Rockets, DLR-GSOC  TN  01-04; Deutsches  Zentrum  für  Luft-und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen.
Montenbruck  O.,  Enderle  W.,  Schesny M., Gabosch V., Ricken S., Turner P.;  2000. Position-Velocity  Aiding of  a  Mitel  ORION  Receiver  for Sounding-Rocket  Tracking, ION GPS  2000  Conference,  Salt  Lake City, 19-22 Sept., 2000. Wahyu  Widada,  2012. Metode  Doppler radio  untuk  Mengukur  Kecepatan Roket  RX200 ,  Jurnal  Teknologi Dirgantara, Vol.10 No.2 Desember 2012. Wahyu  Widada,  2013. Tracking  Roket RX122 Menggunakan Stasiun Tunggal RADAR Transponder , Prosiding Seminar CITEE Yogyakarta UGM.
www.atmel.com (2 Mei 2014). www.gpspassion.com (2 Mei 2014). www.sparkfun.com (2 Mei 2014). Xusheng  Lei  et  al.,  2012. An  Adaptive Altitude  Information  Fusion  Method for Autonomous Landing Process of Small  UAV ",  Sensors  2012,  12, 13212-13224.