Prinsip Kerja GPS: Bagaimana Satelit Menemukan Lokasi Kita?

Penggunaan GPS untuk navigasi (freepik.com)

Manusia sejak zaman dahulu menyukai berkelana. Nenek moyang kita mengelilingi dunia dengan mengandalkan alam untuk menentukan arah. Misalnya dengan menentukan posisi matahari, bulan atau rasi bintang. 

Rasi Ursa Mayor dan Ursa Minor (freepik.com)

Bintang Polaris selalu berada di arah utara sehingga dengan melihat Polaris, kita bisa mengetahui arah utara. 2 bintang dari rasi Ursa Major mengarah ke Polaris sehingga bisa diketahui arah utara dengan melihat rasi ini. Arah lain juga ditunjukkan oleh rasi bintang diantaranya rasi Orion untuk menentukan arah barat, rasi Scorpio untuk menentukan arah timur/tenggara, dan rasi Crux untuk menentukan arah selatan.

Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan, penentuan arah dan posisi (navigasi) ikut berkembang. Manusia mulai mengembangkan sistem navigasi, mulai dari penemuan kompas yang bisa menunjukkan arah utara-selatan tanpa harus melihat rasi bintang, serta mulai menggambarkan peta dari rute yang mereka lewati. Saat memasuki era penjelajahan laut, mereka menggabungkan berbagai sistem navigasi tradisional (pengamatan bintang, kompas dan peta) untuk menuntun perjalanan mereka.

Gelombang radio ternyata bisa digunakan untuk penentuan posisi. Pada Perang Dunia 2, sistem Long Range Navigation (LORAN) digunakan untuk menentukan posisi kapal atau pesawat dengan cara menghitung perbedaan waktu kedatangan sinyal radio antara stasiun pemancar dan penerima LORAN di kapal/pesawat. Perbedaan waktu ini kemudian dikonversi menjadi jarak. Selain itu, Radio Detecting and Ranging (RADAR) juga mulai digunakan dan tetap menjadi sistem navigasi andalan hingga saat ini. Konsep sistem navigasi era modern pada awalnya lebih diutamakan untuk memenuhi kebutuhan di bidang militer. Sangat penting bagi suatu pasukan untuk menentukan lokasi kawan maupun musuh. 

Peluncuran Satelit Buatan

Sputnik 1 (nasa.gov)

Pada 4 Oktober 1957, Uni Soviet meluncurkan satelit buatan pertama yang mengorbit bumi yaitu Sputnik 1. Satelit ini membawa pemancar radio kecil yang memancarkan bunyi “beep” secara berkala. Sinyal ini bisa digunakan untuk memverifikasi lokasi di permukaan bumi melalui sistem telemetri. Sputnik 1 dapat mengelilingi Bumi hanya dalam 96 menit. 

Saat itu Amerika dan Uni Soviet sedang dalam masa Perang Dingin, persaingan terjadi dalam banyak hal. Peluncuran Sputnik 1 mendorong Amerika untuk meningkatkan teknologi udara-angkasa (aerospace). Para ilmuwan Amerika di Johns Hopkins University’s Applied Physics Laboratory (APL) menyadari mereka bisa melacak posisi Sputnik hanya dari perubahan frekuensi sinyal radionya (efek Doppler). Sehingga mereka berkesimpulan bahwa jika posisi satelit dapat diketahui, maka posisi di bumi bisa dihitung. 

Proyek satelit buatan Amerika dinamai Project Vanguard, menelan 2x kegagalan di 2 peluncuran awal. Angkatan Darat Amerika melakukan rencana cadangan yaitu Project Explorer yang pada 31 Januari 1958 berhasil meluncurkan Explorer 1 dari Cape Canaveral, Florida. Hal ini membuat Project Vanguard mendapat tambahan dana dan akhirnya berhasil meluncurkan Vanguard 1 pada 17 Maret 1958. Keberhasilan ini menandai bahwa Amerika juga mampu bersaing dalam teknologi aerospace. 

APL mengembangkan satelit Transit yang mulai beroperasi pada 1964. Transit awalnya digunakan pada kapal selam Angkatan Laut AS untuk mengetahui posisi tepat di lautan. Beberapa teknologi dari Project Vanguard seperti sistem pelacakan dan komunikasi satelit langsung dipakai di Transit. Kekurangan pada Transit yaitu meski akurat tetapi butuh waktu lama sehingga tidak cocok untuk digunakan pada pesawat tempur. 

Peluncuran satelit buatan terus meningkat seiring waktu dan digunakan untuk berbagai macam tujuan. Satelit Timation diluncurkan pada 1967 dan bisa digunakan untuk uji coba jam atom di satelit untuk mendapatkan hasil navigasi lebih presisi. Timation II diluncurkan untuk menguji coba lanjutan jam atom yang lebih stabil di orbit.

Pada 1973, Angkatan Darat, Laut dan Udara Amerika menggabungkan proyek navigasi mereka menjadi NAVSTAR GPS (Navigation System with Timing and Ranging Global Positioning System), yakni menggabungkan teknologi Transit dan Timation menjadi satu sistem global. Generasi pertama satelit GPS diluncurkan 1978 yaitu Satelit NAVSTAR Block I. Total ada 11 satelit Block I diluncurkan di tahun 1978–1985. Satelit ini menguji akurasi sinyal navigasi, sinkronisasi waktu menggunakan jam atom, serta kemampuan orbit menutupi seluruh Bumi.

NAVSTAR Block I

Integrasi teknologi jam atom, komputasi cepat dan roket peluncur menghasilkan sistem navigasi yang akurat dan cepat.

Jam atom adalah pengukur waktu yang sanat presisi. Prinsipnya dengan memanfaatkan frekuensi resonansi alami dari atom. Jam atom yang pertama kali digunakan di satelit adalah atom cesium dan rubidium yang bisa menghitung waktu dengan ketepatan sampai sepermilyar detik. Atom bergetar pada frekuensi yang sangat stabil, contohnya, atom cesium-133 bergetar 9.192.631.770 kali per detik. Frekuensi ini dijadikan standar internasional untuk mendefinisikan 1 detik. 

Bagaimana Prinsip Kerja GPS?

Pada tahun 1990-an, NAVSTAR GPS ini makin luas digunakan, dan namanya disederhanakan menjadi GPS (Global Positioning System).

Sederhananya, GPS bekerja dengan mengukur jarak antara penerima GPS dan satelit-satelit di luar angkasa menggunakan sinyal radio yang dikirimkan bersama informasi waktu dari jam atom.

Konstelasi Satelit GPS (Raghu, N., dkk, 2016)

Satelit-satelit untuk GPS berjumlah 24, mengorbit Bumi di ketinggian ±20.200 km (orbit medium bumi/Medium Earth Orbit (MEO)). Satelit memancarkan sinyal radio yang berisi waktu sinyal tersebut dikirim dan posisi satelit saat itu. Masing-masing satelit mengirim sinyal waktu serta posisi mereka secara terus-menerus.

Penerima GPS (misalnya HP, mobil, kapal, drone) menangkap sinyal dari minimal 4 satelit. 3 satelit untuk menentukan posisi 3D (lintang, bujur, dan ketinggian) dan 1 satelit lainnya untuk mengoreksi kesalahan waktu pada penerima GPS. Saat menerima sinyal, GPS mencatat waktu kedatangan sinyal itu. Jarak dihitung dari selisih waktu antara sinyal dikirim dan diterima. Rumusnya: 

Jarak = Kecepatan Cahaya x Selisih Waktu

Kecepatan gelombang radio sama dengan gelombang elektromagnetik yang lain yaitu ±300.000 km/detik, maka akurasi waktu sangat penting, dan di sinilah diperlukan penggunaan jam atom.

Trilaterasi Satelit GPS untuk Menentukan Lokasi
(Nande, S.S., dkk, 2024)

Kemudian satelit akan menemukan posisi kita sebagai penerima sinyal dengan melakukan Trilaterasi, yaitu menentukan posisi dari sinyal yang dikirim keempat satelit. Setelah mengetahui jarak ke masing-masing satelit, bayangkan ada bola imajiner dengan radius jarak ke satelit-satelit tadi. Titik di mana beberapa bola ini saling berpotongan adalah posisi penerima. Dari titik tersebut, akan diketahui koordinat untuk lintang, bujur, ketinggian serta data waktu. Perangkat penerima GPS memproses data-data dari satelit untuk menampilkan berbagai data tambahan seperti yang biasa kita lihat saat mengakses GPS diantaranya lokasi di peta, kecepatan, arah gerak dan waktu estimasi tiba. 

Pengaruh Efek Relativitas dan Koreksi Waktu

Relativitas umum dan relativitas khusus berpengaruh pada GPS. Menurut relativitas umum, gravitasi yang lebih kuat membuat waktu berjalan lebih lambat, dan gravitasi yang lebih lemah membuat waktu berjalan lebih cepat. Satelit GPS berada ±20.200 km di atas Bumi, jauh dari pusat gravitasi. Efek relativitas umum menjadikan jam di satelit lebih cepat sekitar 45 mikrodetik per hari.

Menurut relativitas khusus, jika sesuatu bergerak sangat cepat, waktu di dalamnya akan berjalan lebih lambat dibanding orang yang diam (efek dilatasi waktu). Satelit GPS bergerak sangat cepat, ±14.000 km/jam. Efek relativitas khusus membuat jam di satelit lebih lambat sekitar 7 mikrodetik per hari dibanding jam di Bumi.

Kedua perbedaan waktu tersebut digabungkan, sehingga ada kurang lebih perbedaan 38 mikrodetik/hari. Jika 38 mikrodetik ini tidak dikoreksi, GPS akan salah hitung jarak >10 km per hari. Maka jam atom di satelit disesuaikan (offset frekuensi sebelum diluncurkan) dan sistem GPS juga rutin mengirimkan data koreksi waktu dari stasiun bumi ke satelit.

Hambatan dalam Operasi GPS

Kompleksitas dan keterbatasan sinyal satelit di lingkungan perkotaan
(Arif Hussain, dkk., 2021)

1. Hambatan Fisik

Berbagai hal yang ada di sekitar penerima sinyal di bumi bisa mengganggu sinyal GPS diantaranya gedung tinggi, pohon dan terowongan. Sinyal mudah terhalang oleh bangunan tinggi, pepohonan lebat, atau medan yang kasar (dikenal sebagai signal masking atau non-line-of-sight). Sinyal yang diterima bisa sangat lemah atau bahkan tidak sampai sama sekali, sehingga penerima tidak bisa menentukan posisi dengan akurat.

2. Refleksi Sinyal (Multipath Effect)

Sinyal GPS kadang memantul di permukaan seperti kaca, tanah, atau logam sebelum mencapai penerima. Ini menyebabkan penerima mendapatkan campuran sinyal asli dan yang memantul, yang tiba sedikit lebih lambat—mengganggu perhitungan posisi.

3. Gangguan Atmosfer

Sinyal radio dari GPS dapat mengalami perlambatan sinyal (delay) yang disebabkan pembiasan atau dispersi saat melewati lapisan ionosfer. Penyebab gangguan di ionosfer diantaranya aktivitas matahari tinggi, waktu siang dengan radiasi matahari kuat menyebabkan ionosfer lebih tebal daripada saat malam, serta jika di dekat ekuator seperti halnya Indonesia, biasanya ionosfer lebih aktif (misalnya muncul equatorial plasma bubble yang dapat menyebabkan fluktuasi cepat pada kepadatan elektron di jalur sinyal GPS).

Selain itu, lapisan troposfer juga dapat mengganggu sinyal GPS sebab di lapisan ini terjadi perubahan suhu, tekanan, dan kelembapan yang dapat mempengaruhi kecepatan sinyal. Bila sinyal datang dari satelit yang rendah di horizon, jalur melalui troposfer lebih panjang dan menyebabkan delay sinyal lebih besar.

4. Interferensi Radio

GPS bekerja pada frekuensi sangat khusus sekitar 1575 MHz, sehingga jika ada alat di sekitarnya yang memancarkan sinyal mendekati frekuensi tersebut, sinyal GPS bisa terganggu atau tertutupi (overpowered).

5. Jamming & Spoofing

Jamming: Sebuah alat khusus memancarkan sinyal radio pengganggu yang lebih kuat dari satelit GPS, sehingga penerima GPS tidak bisa mendeteksi sinyal asli.

Spoofing: Mengirim sinyal GPS palsu seolah-olah berasal dari satelit untuk menipu perangkat agar salah menghitung lokasi atau waktu.

6. Kesalahan Internal Satelit dan Penerima

Kesalahan penentuan lokasi GPS bisa disebabkan oleh kalibrasi yang tidak akurat seperti kesalahan ekspedisi orbit satelit (ephemeris error), gangguan jam atom, sampai cacat pada perangkat elektronik di penerima.

7. Cuaca Antariksa

Badai matahari dan sintilasi ionosfer (osilasi sinyal akibat ketidakteraturan atmosfer atas) bisa mengganggu sinyal GPS, khususnya di daerah dengan geomagnetik yang aktif.

Sistem Navigasi Satelit Global lain selain GPS

GPS merupakan sistem navigasi milik pemerintah Amerika Serikat. Terdapat sistem navigasi dari satelit global yang lain yang termasuk pada GNSS (Global Navigation Satellite System) dengan prinsip kerja sama seperti GPS yaitu:

1. GLONASS milik Rusia

2. Galileo milik Uni Eropa

3. BeiDou milik Tiongkok

4. QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) milik Jepang (bukan global penuh)

5. NavIC (Navigation with Indian Constellation) – India

Konstelasi GNSS (eos-gnss.com)

Konstelasi 4 GNSS (inertiallabs.com)

Share this post