Perpustakaan Digital ITB

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.