Penelitian ini dimotivasi pentingnya membangun sistem navigasi bawah air untuk
perairan dangkal. Sistem navigasi demikian sangat penting dan perlu untuk kinerja
berbagai sistem kendaraan bawah air termasuk autonomous underwater vehicle
atau AUV. Seperti halnya sistem navigasi inersial atau inertial navigation system
(INS) pada wahana ruang angkasa, aplikasi INS di bawah laut perlu dipadukan
dengan sistem referensi untuk mendapatkan akurasi navigasi. Keperluan tersebut
berhubungan dengan kelemahan inheren INS yang cenderung mengakumulasi galat
(error) seiring waktu. Ketersediaan referensi posisi secara berkala akan
memungkinkan INS untuk mengoreksi dan mengompensasi galat-galatnya. Untuk
aplikasi di darat maupun di udara, referensi posisi tersebut pada umumnya
diberikan oleh sistem navigasi satelit seperti global positioning system (GPS).
Sistem GPS bekerja berdasarkan prinsip pengukuran time-of-flight (ToF), yaitu
pengukuran jarak berdasarkan waktu tempuh gelombang ketika berpindah dari
suatu titik ke titik yang lain. Berdasarkan prinsip pengukuran ini, suatu target
navigasi dapat mengestimasi posisinya berdasarkan jaraknya terhadap masingmasing
satelit GPS yang terlibat dalam pengukuran ToF. Prinsip pengukuran yang
sama juga berlaku pada pengukuran jarak dengan memanfaatkan gelombang
akustik bawah air.
Namun, sebagai sistem berbasis gelombang elektromagnetik, GPS tidak dapat
digunakan sebagai referensi di bawah air. Ini akibat gelombang elektromagnetik
teratenuasi dengan cepat dalam medium ini. Oleh karena itu, skema INS/GPS tidak
dapat diterapkan untuk aplikasi bawah air, misalnya pada navigasi AUV.
Sebagai alternatif solusi, navigasi AUV dapat memanfaatkan skema penggabungan
INS dengan sistem pemosisian akustik long baseline (long baseline acoustic
positioning system) atau sistem LBL. Skema INS/LBL ini patut dipertimbangkan karena sistem LBL mampu menghasilkan referensi posisi dengan akurasi yang baik.
Di samping itu, sistem LBL memiliki konfigurasi dan prinsip kerja yang serupa
dengan GPS, sehingga prinsip trilaterasi juga dapat diterapkan pada pemosisian
LBL.
Meskipun demikian, terdapat sumber-sumber ketidakpastian dalam pemosisian
LBL yang berdampak pada penurunan akurasi yang dihasilkan. Pertama,
pergerakan target navigasi selama pemosisian. Mengingat cepat rambat gelombang
akustik bawah air relatif rendah (? 1500 m/det), terdapat kemungkinan bahwa target
yang bergerak cepat telah berpindah dari posisi yang merujuk pada gelombang
referensi tersebut. Pada situasi yang sama, GPS dapat mengasumsikan target diam
karena cepat rambat gelombang elektromagnetik yang sangat tinggi (3×108 m/det).
Kedua, perbedaan jam (clock-offset) antara transponder LBL dan target. Perbedaan
ini mengakibatkan bias pada hasil komputasi waktu tempuh gelombang pada
pengukuran ToF. Perbedaan tersebut akan menjadi kasus berubah waktu (timevarying)
ketika sistem LBL dioperasikan dalam jangka waktu yang lama. Dalam
situasi semacam ini, jam transponder akan menyimpang (drifting) dari jam absolut
akibat pengaruh penuaan (aging) serta lingkungan pengoperasian. Memperhatikan
besar cepat rambat gelombang sebagai faktor pengali dalam pengukuran ToF,
keberadaan clock-offset dalam orde milidetik akan menghasilkan bias jarak dalam
orde meter. Karena pemosisian LBL didasarkan pada jarak target terhadap masingmasing
transponder, bias jarak tersebut akan diperhitungkan pula dalam estimasi
posisi.
Ketiga, trayektori gelombang pada pengukuran ToF tidak selalu berbentuk garis
lurus (line-of-sight–LoS). Ketika keadaan LoS tidak terpenuhi, jarak tempuh
gelombang tidak ekivalen dengan jarak antara transponder dan target. Ada dua tipe
non-LoS dalam pengukuran ToF: perambatan gelombang dengan lintasan berganda
(multipath trajectory) dan dengan lintasan melengkung (bending trajectory).
Fenomena lintasan berganda adalah permasalahan yang juga dijumpai dalam
aplikasi GPS.
Di sisi lain, fenomena lintasan melengkung hanya terjadi pada aplikasi berbasis
gelombang akustik bawah air seperti sistem LBL. Ini karena cepat rambat
gelombang akustik bawah air merupakan fungsi tekanan, temperatur, dan kadar
garam (salinitas). Oleh karena itu, cepat rambat beserta lintasan (raytrace)
gelombang akan berubah mengikuti profil kecepatan suara (sound speed profile–
SSP) tertentu di bawah panduan hukum Snell. Dalam aplikasi di perairan dangkal,
SSP ini menjadi perhatian karena pada kedalaman tertentu terdapat SSP yang tidak
representatif ketika didekati sebagai garis lurus (kecepatan konstan) maupun
dengan kecepatan-kecepatan suara dengan gradien yang sama (isogradien).
Penelitian ini mengangkat ketidakpastian pemosisian LBL sebagai referensi untuk
mekanisme koreksi dan kompensasi galat INS. Kontribusi utama penelitian ini
adalah kompensasi clock-offset untuk kasus time-varying serta estimasi jarak antara antara kedua titik tersebut.
Secara spesifik, dinamika time-varying clock-offset sistem LBL dimodelkan
sebagai filter autoregresif (AR) dan diintegrasikan ke dalam kinematika AUV.
Sementara itu, estimasi jarak diperoleh dengan mengeksploitasi parameter Snell
pada persamaan inkremental lintasan gelombang (raytrace): waktu perambatan dan
jarak horizontal gelombang. Dalam hal ini, parameter Snell diestimasi untuk setiap
waktu perambatan (dalam hal ini pengukuran ToF). Nilai estimasi parameter Snell
selanjutnya diterapkan untuk menghitung jarak horizontal antara transponder dan
target. Jarak horisonal AUV dan transponder-transponder LBL tersebut selanjutnya
digunakan untuk mengestimasi posisi AUV menggunakan metode trilaterasi
dengan menghitungnya sebagai solusi least square. Informasi yang dihasilkan oleh
sistem LBL kemudian digunakan sebagai referensi dalam mekanisme koreksi dan
kompensasi INS.
Untuk berbagai skenario, telah ditunjukkan bahwa sistem LBL mampu
mengompensasi time-varying clock-offset dan memberikan referensi posisi dengan
akurasi pada kisaran 0.5×0.5×0.5 m3. Sementara itu, INS mampu mengoreksi dan
mengompensasi galatnya menggunakan referensi dari sistem LBL dengan selisih
akurasi yang sangat kecil.
Pada akhir penelitian ini telah diperoleh kinerja INS/LBL dengan malakukan
analisis posterior Cramér-Rao Bound (PCRB) terhadap sistem LBL yang diusulkan.
Diperlihatkan bahwa kinerja model sistem LBL sebagaimana diuraikan di atas
dapat dicapai dengan mematuhi batas variansi PCRB.