X. SISTEM KOMUNIKASI SATELIT PENDAHULUAN Pokok bahasan pada materi “Sistem Komunikasi Satelit” meliputi konsep dari sistem komunikasi satelit, arsitektur dan fungsi dari tiap elemen penyusun sistem komunikasi satelit dan orbit satelit. TUJUAN INSTRUKSIONAL UMUM Setelah mempelajari materi ini mahasiswa dapat memahami konsep dan prinsip kerja dari sistem komunikasi satelit. TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS Setelah mempelajari materi ini mahasiswa dapat: 1. Memahami konsep dan prinsip kerja sistem komunikasi satelit 2. Mengetahui komponen-komponen penyusun sistem komunikasi satelit Mengetahui jenis-jeis satelit dan orbitnya 3. Merancang sistem komunikasi Satelit dari parameter yang sudah diketahui! 1…………. 2…………. 3…………. 4…………. SKENARIO PEMBELAJARAN Kegiatan perkuliahan dilaksanakan dengan skenario sebagai berikut: 1. Penjelasan tentang concept map (tunjukkan di peta konsep dimana posisi materi yang akan di bahas), pokok bahasan, dan kompetensi yang akan dicapai (TIU dan TIK). IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-1 2. Tes pendahuluan 3. Ringkasan materi disampaikan dengan metode ceramah, information search, jigsaw learning. 4. Test akhir materi yang disampaikan 5. Evaluasi pencapaian 6. Penutup RINGKASAN MATERI 10.1 Konsep Dasar Sistem Komunikasi Satelit Dasar pemikiran yang utama dari pembangunan sistem komunuikasi satelit adalah sederhana, yaitu untuk menempatkan repeater lanjutan dari suatu sistem komunikasi pada sebuah satelit bumi. Satelit bergerak pada orbitnya yang posisinya cukup tinggi di atas permukaan bumi. Daya disuplai ke repeater satelit dan satelit bumi dari baterei solar, dimana sumber utamanya tergantung pada cahaya matahari. Dalam orbit yang cukup tinggi satelit bumi tersebut melingkupi teritorial (cakupan area) yang sangat luas, dan oleh karena itu setiap lokasi terminal (stasiun bumi) yang ada pada cakupannya dapat saling berhubungan antara satu dengan yang lainnya via repeater satelit tersebut. Tiga satelit bumi yang artificial cukup untuk mengcover seluruh permukaan bumi. Tiga satelit pada jarak yang tepat dari bumi dapat melakukan perubahan (berevolusi) setiap 24 jam. Satelit tersebut akan tetap secara stasioner pada spot yang sama dan akan berada pada jarak optikal setidaknya setengah dari permukaan bumi. Tiga stasiun repeater, masing-masing 120o pada orbit yang tepat, dapat melayani cakupan microwave dan siaran televisi ke seluruh permukaan bumi. Pada saat yang bersamaan, teknologi modern dapat cukup menghasilkan sudut pandang dimana energi transmitter dari satelit dapat difokuskan pada area yang terbatas, misalnya suatu negara yang kecil. Hal ini memungkinkan untuk memanfaatkan satelit secara efektif guna melayani area wilayah tertentu. X-2 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom Komunikasi satelit mulai dibangun pada era tahun 60-an setelah kemunculan dari satelit Uni Sovyet Molniya dan satelit Amerika Telstar. Sejak itu perkembangan sistem komunikasi stelit ke seluruh dunia berkembang cukup pesat. Berbagai sistem komunikasi satelit dan broadcasting telah dikembangkan untuk fungsi-fungsi yang berbeda. Ada beberapa pengertian dari bagian sistem komunikasi satelit yang sering dijelaskan untuk lebih memahaminya, diantaranya: Stasiun Bumi (Earth Station) Stasiun bumi adalah suatu stasiun komunikasi radio pada sistem komunikasi satelit, yang diletakkan di permukaan bumi dan ditujukan untuk komunikasi dengan stasiun lainnya melalui stasiun ruang angkasa (objek lainnya di ruang angkasa) dengan menggunakan satelit bumi (satelit repeater). Komunikasi Satelit (Satellite Communication) Komunikasi satelit adalah komunikasi antara stasiun bumi satu dengan yang lainnya melalui stasiun ruang angkasa atau melalui satelit bumi. Link Satelit (Satellite Links) Link satelit adalah jalur komunikasi antara stasiun bumi melalui satu satelit dan terdiri dari link bumi ke satelit (up-link) dan link dari satelit ke stasiun bumi (down-link). Stasiun bumi dihubungkan ke pusat penyambungan dari jaringan komunikasi melalui penghubung link terrestrial. Penyiaran Satelit (Satellite Broadcasting) Satellite broadcasting adalah transmisi dari program radio penyiaran dari stasiun transmisi bumi ke stasiun penerima di bumi melalui stasiun ruang angkasa (repeater aktif). Jadi satellite broadcasting adalah permasalahan utama dari sistem komunikasi satelit, dimana perangkat utama dari pesan satu arah (one-way message) ditransmisikan dan pesan-pesan ini diterima seluruhnya oleh beberapa stasiun bumi atau oleh banyak stasiun penerima. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-3 Berikut ini adalah pelayanan komunikasi radio, tergantung pada tipe stasiun bumi dan tujuan dari sistem, yaitu: 1. Pelayanan perbaikan satelit, antara stasiun bumi yang letaknya fixed pada titik yang pasti. 2. Pelayanan satelit bergerak, untuk melayani komunikasi antara stasiun bumi yang bergerak yang menggunakan satu atau beberapa stasiun ruang angkasa. 3. Pelayanan penyiaran radio satelit, suatu pelayan komunikasi radio yang mana sinyal dari stasiun ruang angkasa ditujukan untuk penerimaan langsung oleh penerima. Dalam hal ini penerimaan secara individual dan kolektif mempertimbangkan penerimaan secara langsung. Langkah berikutnya adalah pendistribusian program broadcast (siaran audio dan televisi) ini ke pelanggan melalui jaringan terrestrial dengan memanfaatkan saluran kabel atau sistem gelombang udara oleh pemancar radio yang lebih kecil. Blok diagram pelayanan komunikasi satelit dapat dilihat pada Gambar 10.1. Space Station LDTE Earth Station Earth Station LDTE LDTE : Long-Distansce Telephone Exchange Gambar 10.1 Sistem Komunikasi Satelit Sistem komunikasi satelit digunakan untuk mentransmisikan jenis informasi yang berbeda-beda, diantaranya: X-4 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom 1. Program TV, dalam hal ini ada sistem untuk merubah program TV antara stasiun bumi yang equal dan sistem untuk distribusi satu arah atau program untuk sebuah stasiun transmisi ke berbagai stasiun bumi penerima. 2. Jenis-jenis message satu arah yang berbeda, sebagian besar sering sebagai one-way alami, wire photos, program audio broadcasting 3. Pesan-pesan telepon, two-way system, channel frekuensi audio atau kelompoknya dapat digunakan untuk transmisi jenis informasi yang berbeda seperti telegraf, informasi diskrit dari komputer atau sumber lainnya. Berdasarkan tipe informasi yang ditransmisikan, ada beberapa sistem multifungsional general-purpose dengan stasiun bumi yang merubah jenis informasi yang berbeda, dan sistem transmisi yang berbeda atau beberapa jenis informasi yang seragam. Berdasarkan area cakupan yang dilayani, lokasi dan jenis stasiun bumi, dan struktur dari pengendalian, sistem komunikasi satelit dapat dibagi menjadi dua sistem, yaitu: 1. Sistem komunikasi satelit nasional Sistem komunikasi satelit dalam hal ini digunakan untuk kepentingan nasional suatu negara, dimana stasiun bumi diletakan di negara yang bersangkutan dan digunakan biasanya untuk komunikasi antar departemen. Sistem komunikasi dapat digunakan untuk hal komersial /bisnis maupun untuk kepentingan pemerintah/militer. 2. Sistem komunikasi satelit internasional Sistem komunikasi satelit internasional memungkinkan komunikasi antara dua stasiun bumi yang lokasinya berbeda dan terpisah di dua negara. Dalam hal ini komunikasi global dapat dilangsungkan antar stasiun bumi yang tersebar di berbagai negara. Contohnya intelsat, intersputnik. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-5 Dalam seluruh sistem komunikasi satelit, apapun perbedaannya, ada beberapa elemen yang dipergunakan untuk tujuan yang sama, seperti stasiun bumi yang berbeda, stasiun angkasa sebagai repeater trasmisi, solar baterei, pengarah antena, sistem koreksi orbit, dan lain sebagainya. Stasiun Bumi Penerima (Receiving Earth Station) Stasiun bumi penerima dari sistem distribusi adalah tipe stasiun yang paling sederhana. Digunakan secara sederhana untuk menerima program TV atau informasi broadcasting yang lain, sebagai contoh audio broadcasting atau wirephotos. Stasiun bumi penerima biasanya dilengkapi dengan antena kecil untuk menekan biaya. Biasanya ada berbagai stasiun bumi dalam suatu sistem. Stasiun Bumi Pengirim (Transmitting Eart Station) Pemancar stasiun bumi dari sistem broadcasting adalah stasiun yang menampilkan transmisi dalam suatu link earth-satellite dari informasi penyiaran yang ditujukan untuk distribusi melalui suatu jaringan stasiun penerima. Jika stasiun bumi pengirim diletakkan dalam area pelayanan dan sinyal yang dipancarkan oleh satelit bumi dari sistem tersebut bisa diterima, maka transmisi sinyal dapat dilakukan. Stasiun Bumi Pemantau (Monitoring Earth Station) Stasiun bumi jenis ini berfungsi menjaga jejak (track) mode operasi dari sebuah komunikasi satelit yang dilakukan dengan observasi oleh stasiun bumi terhadap jaringan yang penting untuk pengoperasian jaringan secara keseluruhan, power yang dipancarkan, frekuensi transmisi, dan lain sebagainya. Stasiun penerima dari suatu jaringan sering mengambil alih fungsi dari stasiun bumi pemantau. Hal ini memungkinkan untuk menjamin komunikasi yang sedang berlangsung dapat terlaksana dengan kualitas yang diharapkan. Harus ada kepastian sinyal dapat ditransmisikan dengan level daya, frekuensi dan hal lainnya yang sesuai dengan aturan standar. X-6 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom 10.2 Teori Dasar Geometri Ruang Angkasa Mempelajari masalah orbit satelit, yaitu menyatakan posisi satelit sebagai fungsi waktu dan menentukan lintasannya pada ruang angkasa, sebenarnya sama saja dengan mempelajari gerak planet-planet mengitari matahari atau bulan mengitari bumi. Kesamaan ini terjadi karena suatu satelit buatan dapat dianggap sebagai suatu satelit alam, seperti halnya planet-planet bagi matahari atau bulan bagi bumi, sehingga semua hukum gaya, gerak, kecepatan, dan sebagainya yang berlaku pada satelit alam berlaku juga bagi satelit buatan. Pada awal abad ke -17, Kepler menemukan hukum yang mengatur pergerakkan planet yang kemudian dikenal sebagai hukum Kepler yang terdiri dari tiga buah ketentuan, yaitu: 1. Hukum Kepler I : Setiap planet bergerak mengitari matahari dengan lintasan berbentuk ellips dengan matahari sebagai salah satu pusatnya. 2. Hukum Kepler II : Juring yang dibentuk oleh lintasan planet dan matahari pada pusatnya pada selang waktu yang sama akan mempunyai luas yang sama 3. Hukum Kepler III : Perbandingan kuadrat dari periode (T) terhadap pangkat tiga dari sumbu semi mayor (a) adalah sama untuk semua planet pada tata surya kita. T2 / a3 adalah konstan. Sementara itu dari hukum Newton memperlihatkan bahwa hukum Kepler ke II akan terjadi jika planet dipengaruhi oleh gaya tarik yang selalu mengarah ke titik pusat tertentu, yaitu matahari sebagai pusat gaya. Untuk memenuhi hukum Kepler I, gaya tersebut harus berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara planet dan matahari (1/r2). Akhirnya, dengan memenuhi hukum Kepler III, gaya tersebut haruslah sebanding dengan massa planet. Hal-hal tersebut di atas dinyatakan oleh Newton dalam hukum gravitasinya dimana Newton mengangap tidak hanya matahari yang mempengaruhi planet dalam hal ini, tetapi juga setiap massa yang satu (m1) IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-7 mempengaruhi massa yang lainnya (m2), dengan sebuah gaya yang arahnya sepanjang garis hubung antara kedua massa tersebut dan besarnya gaya (F) dapat dihitung berdasarkan persamaan 10.1. Persamaan ini dikenal sebagai hukum umum tentang gravitasi. G.m1 .m2 ........................(10.1) r2 F dimana : F = Gaya antara dua benda G = konstanta gravitasi (6,672 x 10 -11 N.m2/kg2) m = massa benda yang diukur r = jarak antara kedua benda yang diukur 10.2.1 Geometri Ellips Sebagaimana dinyatakan dalam hukum Kepler I, ellip merupakan hal yang sangat penting dalam mempelajari gerak satelit. Secara geometri ellips dapat dilihat pada Gambar 10.2. titik focus titik focus c c a b b Minor axis a Mayor axis Panjang a, b, dan c yang diperlihatkan pada gambar 10.2 di atas tidak Gambar 10.2 Geometri Ellips saling bebas. Hubungan ketiganya dapat dilihat pada persamaan 10.2 a2 = b2 + c2 ................................ (10.2) X-8 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom Dari persamaan 10.2, masing-masing parameter dapat dihitung jika dua parameter lainnya diketahui. Selain itu ada parameter lain yang sering digunakan, yaitu eksentrisitas (e). Eksentrisitas dapat dibayangkan sebagai sebuah angka yang menyatakan seberapa dekat suatu ellips menyerupai lingkaran. Jika eksentrisitasnya 0, maka bentuk yang kita dapat adalah lingkaran. Semakin besar nilai eksentrisitasya, maka semakin pipih ellips yang bersangkutan. Besarnya eksentrisitas dapat dihitung dengan persamaan 10.2 e2 = 1 – (b/a)2 .................................(10.3) Dari persamaan 10.3 di atas dapat dilihat bahwa e haruslah tidak berdimensi dan berharga antara 0 dan +1. Dengan menggabungkan persamaan 10.2 dan 10.3, dapat diturunkan persamaan yang lain menjadi persamaan 10.4 c = ae ...........................................(10.4) Sebagaimana dinyatakan sebelumnya, maka selalu diperlukan dua parameter dari empat parameter yang ada untuk menyatakan bentuk ellips. Dua parameter lainnya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 10.2 – 10.4. Lintasan satelit yang biasanya berbentuk ellips, dimana bumi berlaku sebagai pusat gaya dan terletak pada salah satu titik fokus ellips (hukum Kepler I). Selain empat parameter tadi, ada dua lagi parameter yang dapat digunakan untuk menghitung ellips, yaitu apogee (jarak antara pusat bumi dengan titik terjauh orbit satelit) dan perigee (jarak antara pusat bumi dengan titik terdekat orbit satelit). Titik terjauh (apogee) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 10.5 dan titik terdekat (perigee) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 10.6. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-9 ra = a (1 + e) ..........................................(10.5) rb = a (1 - e) ..........................................(10.6) Dengan menggunakan persamaan-persamaan 10.2 – 10.6, maka bentuk ellips dan masalah lintasan dapat dipecahkan dengan hanya mengetahui 2 saja parameter dari 6 parameter yang ada. Jika sumbu mayor dan minor suatu ellips sama, maka ellips menjadi lingkaran. Dari persamaan 10.2 terlihat bahawa dengan membuat a = b, akan memberikan nilai c = 0 dan dari persamaan 10.3, jika a = b, maka e = 0, yang berari lintasan berbentuk lingkaran. Hal ini berarti juga bahwa kedua titik fokus akan berimpit pada pusat lingkaran. Pembahasan mengenai masalah orbit berikutnya tetap akan mengacu kepada orbit berbentuk ellips, karena orbit lingkaran hanyalah salah satu kasus dari orbit berbentuk ellips. Secara matematis, orbit lingkaran lebih mudah untuk dipelajari, sehingga dengan mendapatkan persamaan untuk orbit ellips maka akan diperoleh juga persamaan untuk orbit lingkaran. 10.2.2 Lintasan Satelit di Ruang Angkasa Untuk menentukan lintasan satelit di ruang angkasa, pertama-tama akan dibuat beberapa asumsi penyederhanaan mengenai gaya-gaya pada satelit dan aspek-aspek lainnya. Kemudian dipecahkan masalah untuk model yang disederhanakan tersebut. Langkah selanjutnya ditambahkan faktor-faktor koreksi kepada hasil yang sudah diproses sebelumnya. Langkah pertama adalah dengan menyusun daftar asumsi-asumsi yang diterapkan untuk menyederhanakan masalah dalam menentukan gerak satelit di orbitnya. 1. Bumi dianggap stasioner (kedudukannya tetap di ruang angkasa) dan dipilih sistem koordinat yang titik pusatnya di pusat bumi (geocenter). X-10 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom 2. Bumi dan satelit dianggap sebagai benda bulat simetris. Hal ini memungkinkan untuk menyatakan titik pusat massa masing-masing terletak pada titik pusatnya. (biasanya M untuk bumi, dan m untuk satelit). 3. Saat satelit hanya bekerja gaya yang arahnya ke geocenter, dan besarnya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara satelit dan geocenter (1/r2). Model yang dijabarkan di atas dikenal sebagai two body problem yang akan digunakan sebagai dasar dalam analisa masalah orbital satelit selanjutnya. Dengan asumsi yang telah dibuat sebelumnya, maka analisa masalah orbital satelit sudah bisa dimulai. Hal penting yang harus diingat adalah bahwa bidang orbit satelit harus selalu terletak pada bidang yang mengandung geocenter. Gaya yang bekerja pada satelit adalah gaya gravitasi Newton (Fg). Sementara dari persamaan gerak melingkar, gaya tersebut sebanding dengan gaya sentripetal (Fs). Dengan memperhitungkan kedua gaya tersebut maka diperoleh persamaan 10.7. Fs Fg mv 2 G.M .m r r2 G.M v2 r G.M v ...................................(10.7) r Perkalian G dan M adalah konstan. Konstanta GM merupakan konstanta yang disebut . Karena massa bumi adalah 5,974 x 1024 kg, maka besarnya adalah 3,986005 x 1014 m3/s2, sehingga diperoleh persamaan 10.8. v2 = 3,986 x 1014 (1/r)..................(10.8) IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-11 untuk orbit lingkaran, dimana r dalam meter dan v dalam m/s. Sedangkan dalam orbit ellips, kecepatan satelit berubah-ubah sepanjang orbit, dengan persamaan 10.9: 2 1 v 2 GM r a 2 1 v 2 3,986 x1014 ........................(10.9) r a dimana : r = jarak antara satelit dan pusat bumi (m) a = jari-jari sumbu mayor lintasan ellips (m) G = konstanta gravitasi bumi M = massa bumi v = kecepatan gerak planet (m/s) Dari persamaan 10.9 dapat terlihat bahwa v hanya tergantung pada r saja, karena G, M, dan a adalah suatu konstanta. Persamaan 10.9 ini memungkinkan untuk mencari besarnya v di titik manapun pada lintasan dengan syarat r harus diketahui. Kecepatan terbesar terjadi pada titik perigee dan kecepatan paling lambat terjadi di titik apogee. Arah kecepatan dan gerak satelit selalu menyinggung orbit satelit. Dengan menggunakan persamaan 10.7 – 10.9, periode dari suatu orbit satelit dapat dihitung. Dalam gerak melingkar v = r, dimana = 2/T, maka periode satelit T dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 10.10. Untuk orbit ellips, r tidak lain adalah a (sumbu semi mayor), sehingga persamaan periode menjadi persamaan 10.11. Untuk perhitungan satelit yang mengelilingi bumi, dengan memasukkan nilai-nilai konstanta maka akan kita dapat ( T dalam menit, a dalam Km). Dari persamaan 10.10 , 10.11 dan hasil-hasil yang diperoleh dapat dilihat bahwa periode suatu satelit yang mengorbit bumi hanya tergantung pada besarnya sumbu semi mayor dari lintasan orbitnya. X-12 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom GM r r 2 GM r v2 GM 2r r T 2 r3 T 2 GM .....................(10.10) a3 ......................(10.11) T 2 GM T = 165, 87 . 10-6 x a3/2 .......(10.12) dan a = 331,25 x T2/3 .................. (10.13) 10.2.3 Koreksi Terhadap Model yang Disederhanakan Untuk mendapatkan hasil yang mendekati kenyataan sesungguhnya, perlu diberikan koreksi terhadap hasil yang sudah didapat dalam pemecahan two body problem, diantaranya yaitu: 1. Dalam two body problem, titik stasioner seharusnya adalah pusat massa dari sistem, bukan pusat bumi. Karena massa bumi jauh lebih besar dari massa satelit, maka koreksi ini dapat diabaikan. 2. Memperlakukan bumi sebagai sebuah massa titik sama saja dengan menganggap bentuk bumi sebagai bola simetris dan distribusi massanya merata. Padahal kenyataannya bumi tidak bulat sempurna, tetapi pepat di kedua kutubnya (menonjol pada ekuatornya) sehingga memberikan gaya tambahan yang mempengaruhi satelit. Hal ini menimbulkan efek spin pada gerakan satelit. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-13 3. Satelit dipengaruhi oleh sejumlah gaya-gaya lain selain gaya tarik bumi. Antara lain gaya tarik matahari, bulan dan planet-planet lain, gesekan dengan atmosfer, dan tekanan radiasi dari matahari. Gaya-gaya tersebut terlibat dalam sistem dan akan dibahas lebih lanjut. Pada ketinggian rendah gangguan pada satelit yang paling dominan adalah gesekan yang disebabkan oleh benturan dengan atom-atom dan ion-ion yang berada di atmosfer bumi. Seperti diketahui, atmosfer bumi mengandung atom-atom dan ion-ion yang distribusinya semakin rapat di permukaan bumi. Jika satelit bertabrakan dengan atom-atom atau ion-ion tersebut, maka satelit akan kehilangan energi sehingga kecepatannya berkurang. Dalam orbit ellips gesekan ini sangat berpengaruh di sekitar perigee, dengan mengurangi kecepatan satelit yang menyebabkan satelit tidak dapat mencapai ketinggian apogee seperti sebelumnya, sehingga ketinggian apogee berikutnya makin lama makin berkurang. Oleh karena itu gesekan oleh atmosfer ini mengakibatkan pengurangan eksentrisitas (membuat orbit berbentuk mendekati lingkaran) karena ketinggian apogee semakin berkurang sementara perigee tetap. Pada orbit lingkaran dengan ketinggian rendah, gesekan ini berpengaruh pada seluruh lintasan orbit. Makin rendah ketinggian orbit, makin besar pula pengaruh gesekan oleh atmosfer ini. Efek lain yang berpengaruh adalah efek-efek dari gaya gravitasi lain selain gravitasi bumi . Efek ini akan sangat terasa untuk orbit ellips dengan apogee yang besar atau orbit lingkaran dengan jari-jari yang besar. Gaya gravitasi yang mempengaruhi terutama berasal dari matahari dan bulan. Adapun gangguan-gangguan pada orbit satelit tersebut menyebabkan orbit satelit dapat berubah secara periodik. Oleh karena itu perlu dilakukan pengendalian dari stasiun bumi dengan cara manuver-manuver utara-selatan dan timur-barat yang biasanya dilakukan dalam dua minggu sekali. Untuk melakukan manuver ini dibutuhkan bahan bakar ang dipasang pada struktur X-14 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom satelit. Pemakaian bahan bakar inilah yang membatasi usia satelit, dimana pada saat bahan bakar habis, maka satelit tidak akan mampu mempertahankan orbitnya dari gangguan-gangguan yang ada. 10.3 Orbit-Orbit Satelit Orbit adalah lintasan tempat dimana satelit berada dan beredar dalam lintasan tersebut. Orbit satelit berbeda-beda tergantung pada bentuk dan jaraknya dari pusat bumi. Ada beberapa orbit khusus satelit diantaranya: 1. Orbit Geostasioner Dari persamaan 10.10 dapat dilihat bahwa untuk orbit lingkaran, periode satelit tergantung dari ketinggiannya. Dengan memilih ketinggian satelit sebesar 35.786 km (atau jari-jari orbit 42.164 km) maka akan diperoleh periode sebesar 23 jam 56 menit 4 detik, yang mana tepat sama dengan periode rotasi bumi. Pada ornit inisatelit akan memiliki kecepatansebesar 3,07 km/detik (11.052 km/jam). Orbit satelit dengan ketinggian kira-kiraa 35.800 km, bergerak dari arah Barat ke Timur dan dengan inklinasi 00 disebut dengan orbit geostasioner. Satelit dengan orbit geostasioner memiliki beberapa keuntungan, karena periodenya tepat sama sengan periode rotasi bumi dan inklinasinya 00, maka satelit akan tetap di ruang angkasa jika dilihat dari permukaan bumi. Dengan demikian tracking hampir tidak perlu dilakukan dan bukan merupakan masalah. Selain itu satelit dengan ketinggian tersebut mampu mencakup hampir separuh permukaan bumi (42%), sehingga untuk mencakup seluruh titik di permukaan bumi hanya diperlukan 3 buah satelit saja. Sementara itu jika inklinasi tidak sama dengan nol, maka groundtrack satelit akan membentuk pola seperti angka delapan. Orbit yang demikian dinamakan orbit geosynchronous. Jadi orbit geostasioner adalah merupakan kasus khusus orbit geosynchronous dengan inklinasi 0 0. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-15 2. Orbit Sun Synchronous Orbit Sun synchronous didapat jika precessionnya tepat 3600 per tahun (0,9860 per hari). Akibatnya, kedudukan orbit satelit terhadap bumi akan tetap sama sepanjang tahun dan selalu menghadap ke matahari. Karena orbit melintasi bagian bumi yang sama pada waktu yang sama setiap harinya, maka hal ini memberikan keuntungan dalam telekomunikasi dan komunikasi data lainnya. Keuntungan lainnya adalah karena satelit dapat menerima sinar matahari setiap saat maka solar cellnya dpat terus terisi dan ideal untuk pemantauan cuaca. Oleh karena keuntungan-keuntungan tersebut maka seringkali orbit dipilih adar menjadi Sun Synchronous. 3. Orbit Molniya Dari persamaan : Req w0 4,97 a 3, 5 5 cos 2 i 1 1 e 2 2 .......................10.14 dapat dilihat bahwa laju perubahan argument of perigee tergantung kepada inklinasi orbit. Dengan memilih inklinasi sebesar 63,4 0 akan diperoleh argument of perigee yang tetap (perubahannya nol). Parameter yang lain, yaitu argument of perigee, periode dan eksentrisitas bebas dipilih. Orbit satelit dengan argument of perigee 2700, eksentrisitas 0,6 – 0,7 dan periode antara 8 sampai 12 jam dikenal dengan orbit Molniya. Keuntungan orbit ini karena bentuk orbit yang ellips dan apogee yang sangat tinggi, maka satelit akan beredar disekitar apogee dalam waktu yang cukup lama. X-16 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom 4. Low Earth Orbit Orbit satelit dengan ketinggian antara 1500 – 2000 km dikenal dengan low earth orbit (LEO). Karena ketinggian satelit relatif rendah, maka frekuensi dan power yang dibutuhkan tidak terlalu tinggi, sehingga peralatan antena tidak terlampau mahal dan rangkaian di dalam satelit tidak sekompleks dibanding satelit pada orbit yang lebih tinggi. Dengan demikian satelit akan lebih ringan, lebih kecil, dan lebih murah. Selain itu karena ukurannya yang relatif kecil dan ringan maka dalam satu kali peluncuran dapat memuat lebih dari satu satelit sekaligus sehingga menghemat biaya peluncuran. Karena keuntungan di atas Leo dewasa ini berkembang pesat dan digunakan untuk pemetaan, geologi, penelitian, SAR, dan yang terutama di bidang telekomunikasi. Di bidang telekomunikasi dimanfaatkan dalam telepon seluler, penentuan posisi di bumi, komunikasi data, dan lain-lain. Sementara itu kerugian LEO adalah karena ukurannya yang kecil menyebakan jumlah traspondernya terbatas dan usia pakainyalebih pendek kurang dari 5 tahun. Selain itu pada ketinggian tersebut cakupan satelit jauh lebih sempit dan periodenya lebih cepat dari periode bumi, sehingga dibutuhkan sejumlah satelit agar akses ke sateli dapat berlangsung terus. Hal tersebut menimbulkan masalah utama pada pengopeasian LEO, yaitu rumitnya tracking dan pengaturan antar satelit agar komunikasi bisa terus berlangsung. 10.4 Perencanaan Sistem Komunikasi Satelit Sistem komunikasi satelit pada dasarnya terdiri dari sebuah satelit yang bertindak sebagai stasiun pengulang (repeater) di angkasa yang dihubungkan dengan beberapa stasiun bumi. Sinyal yang berasal dari stasiun bumi diterima dan diperkuat oleh peralatan-peralatan di satelit kemudian dikirimkan kembali ke bumi. Sebagai contoh sistem komunikasi satelit di Indonesia adalah Sistem Komunikasi Satelit Domestik (SKSD) Palapa. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-17 Sistem komunikasi satelit domestik (SKSD) palapa adalah sistem komunikasi satelit yang mempergunakan satelit palapa sebagai stasiun pengulang. Satelit palapa adalah satelit komunikasi yang diorbitkan di atas khatulistiwa pada ketinggian kira-kira 36.000 km. Satelit ini beroperasi pada frekuensi 6 GHz untuk lintasan naik (uplink) dan 4 GHz untuk lintasan turun (downlink). SKSD Palapa sebagai sarana transmisi yang meungkinkan untuk menyalurkan sinyal informasi dari satu kota ke kota lainnya. Sarananya dapat melalui sistem SCPC, FDM/FM, TDMA, IDR, VSAT dan lain sebgainya. Di samping itu, SKSD berkemampuan juga untuk menyalurkan informasi bergambar seperti siaran broadcast televisi. Sistem komunikasi satelit bertujuan untuk mengirimkan sinyal yang menghasilkan perbandingan sinyal dengan noise yang sebesar mungkin dengan kata lain memaksimalkan signal to noise ratio (S/N) dengan memanfaatkan daya seminimal mungkin. Dalam kaitannya dengan perhitungan S/N dalam pemakaian satelit, ada beberapa parameter penting yang harus dipertimbangkan, yaitu: 1. Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) adalah besaran yang merupakan gabungan antara penguatan antena dan daya pancar suatu sumber sinyal. Besaran ini juga merupakan besaran lintasan naik yang sangat kritis karena menentukan S/N atau BER pada modulator. Tanpa melihat pada jenis antena yang dipergunakan, kita dapat menganggap bahwa suatu sinyal berasal dari sumber yang isotropis (memiliki arah pancaran ke semua arah sama besar). Besar EIRP ini adalah : EIRP = PTGT ......................................(10.15) X-18 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom dimana: PT = daya yang masuk ke antena (watt) GT = Penguatan antena 2. Sudut elevasi dan jarak Sudut elevasi adalah sudut yang diukur dari garis horizontal lokal seorang pengamat ke satelit. 3. Saturated flux density (SFD) Saturated flux density (SFD) adalah batas flux jenuh yang dapat diterima oleh satelit sehingga menghasilkan daya keluaran maksimum. Nilai SFD ini dapat dihitung dengan persamaan 10.16. SFD EIRPsat ....................................(10.16) 4d 2 dimana: EIRPsat = EIRP yang dibutuhkan untuk membuat TWTA satelit jenuh (watt). d = jarak antara stasiun bumi ke satelit (m) Dalam perencanaan sistem komunikasi satelit besar SFD inilah yang membatasi EIRP yang boleh dipancarkan oleh sebuah stasiun bumi. Besar SFD yang dipergunakan dalam perencanaan di dasarkan pada hasil pengukuran yang dilakukan pada saat satelit berada di orbitnya. Besarnya hasil pengukuran ini berbeda-beda untuk tiap lokasi stasiun bumi. Dengan melihat peta kontur penguatan antena satelit palapa maka besar SFD untuk lokasi tertentu dapat diketahui. Semakin kecil nilai SFDini, maka nilai C/N yang diperoleh akan semakin kecil pula. Oleh karena itu dalam tiap transponder terdapat komponen pad yang dapat dipergunakan apabila dibutuhkan untuk meningkatkan nilai SFD ini. 4. Pad IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-19 Pad adalah suatu komponen yang ada pada tiap transponder yang berfungsi untuk meningkatkan SFD transponder. Dengan meningkatkan SFD transponder berarti EIRP yang boleh dipancarkan oleh stasiun bumi dapat diperbesar sehingga dapat meningkatkan kualitas transmisi. Untuk satelit palapa besarnya pad ini dapat diukur dari stasiun bumi, yaitu 0, 3, 6, atau 9 dB. 5. Figure of Merit (G/T) Figure of merit adalah perbandingan antara penguatan penerimaan antena dengan temperatur derau sistem penerima yang menunjukkan untuk kerja sistem penerima dalam kaitannya dengan sensitifitas penerimaan sinyal. Semakinbesar penguatan antena maka parameter G/T ini akan semakin besar, demikian pula halnya jika temperatur derau antena semakin rendah, akan semakin besar pula parameter G/T. Besarnya parameter G/T satelit sudah ditentukan pada saat pembuatan satelit. Selain itu G/T satelit juga bergantung pada kontur penguatan antena satelit tersebut. Besarnya G/T satelit palapa untuk daerah cibinong adalah 0 dB/oK. Sedangkan besar G/T untuk antena penerima dengan diameter 10 m yang dipergunakan di stasiun pengendali utama palapa Ci binong adalah 30 dB/oK. 6. Carrier to noise power ratio (C/N) Carrier to noise power ratio (C/N) adalah perbandingan antara daya sinyal pembawa dengan daya derau (noise). Besarnya perbandingan ini sering dinyatakan dengan satuan logaritmis dB. Dalam perhitungan lintasan satelit pembahasan C/N dibagi menjadi tiga bagian, yaitu: - Perhitungan C/N lintasan naik (C/N)u - Perhitungan C/N lintasan turun (C/N)d - Perhitungan interferensi (C/I) 7. Bit error rate (BER) X-20 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom Bit error rate (BER) adalah perbandingan antara jumlah bit informasi yang diterima secara tidak benar dengan jumlah bit informasi yang ditransmisikan pada selang waktu tertentu. Parameter BER ini adalah parameter yang dipergunakan untuk menilai unjuk kerja transmisi digital. Semakin rendah parameter BER yang dihasilkan oleh suatu transmisi digital, semakin baik unjuk kerja transmisi digital tersebut. 8. Rugi-rugi propagasi Sistem komunikasi satelit dengan memanfaatkan atmosfer sebagai media transmisinya sering mengalami losses (rugi-rugi) dalam propagasi gelombangnya. Rugi-rugi ini disebabkan antara lain oleh rugi ruang bebas, rugi atmosfer, dan rugi hujan. Rugi-rugi ini berpengaruh dalam perhitungan lintasan satelit. Rugi-rugi yang muncul secara acak menyebabkan kekuatan sinyal menurun dan kadang-kadang berada di bawah harga ambang yang telah ditentukan. Agar komunikasi dapat tetap berlangsung maka sinyal-sinyal yang ditransmisikan harus berada di atas harga ambang. Perbedaan dalam dB antara harga ambang (minimum) dengan harga yang diharapkan disebut link margin. Beberapa rugi-rugi yang berpengaruh diantaranya: - Rugi ruang bebas Rugi ruang bebas (free space loss) adalah daya yang hilang karena proses menjalarnya energi lektromagnetik melaui ruang. Karena daya yang dikeluarkan oleh suatu sumber sifatnya terbatas, sedangkan oleh antena sinyal tersebut disebarkan ke dalam ruang, maka dengan semakian jauh jarak, besarnya daya persatuan luas yang diterima di suatu tempat akan semakin kecil bergantung kepada jarak tempat tersebut dari sumbernya. Besarnya penurunan ini dianggap senbagai suatu rugi. Besarnya rugi ruang bebas dapat dilihat pada persamaan 10.17. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-21 4d Lp ................................(10.17) 2 dimana: d = jarak antara satelit dengan stasiun bumi (m) = panjang gelombang (m) - Rugi hujan Rugi ini merupakan hasil dari penyerapan dan hamburan yang dilakukan oleh hujan. Rugi ini menurunkan tingkatan sinyal yang diterima oleh stasiun bumi dan menaikkan temperatur derau sistem penerima. - Rugi atmosfer Rugi ini disebabkan oleh partikel-partikel yang terdapat di atmosfer seperti partikel debu, asap, kabut, dan uap air. Untuk pita frekuensi C dan Ku besarnya rugi ini konstan. 9. Rugi polarisasi Karakteristik yang penting dari pola radiasi antena dengan dua polarisasi adalah kemurnian polarisasinya. Rugi-rugi ini disebabakan oleh ketidaksempurnaan antena penerima yang menerima selain komponen sinyal yang dikehendaki juga komponen sinyal lain yang tidak dikehendaki. Komponen yang dikehendaki ini disebut komponen copolarization dan yang tidak dikehendaki disebut komponen crosspolarization. Kedua komponen ini mempunyai polarisasi yang berbeda dan dapat menimbulkan interfrensi. 10. Rugi pengarahan antena Penguatan maksimum antena dapat dicapai apabila beam antena diarahkan secara tepat ke satelit. Rugi pengarahan antena dapat terjadi X-22 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom apabila pengarahan antena tidak satu garis lurus dengan vektor posisi satelit. Tabel 10.1 menunjukkan besarnya rugi pengarahan antena sebagai fungsi dari diameter antena pada frekuensi 6 Ghz. Tabel 10.1 Rugi pengarahan antena Diameter antena Rugi pengarahan antena (m) (dB) 3,7 0,1 4,5 0,1 7,3 0,3 10 0,5 Perhitungan utama dalam merencanakan lintasan satelit secara keseluruhan adalah kualitas pada baseband. Hal ini diukur melalui bentuk S/N untuk transmisi analog dan BER untuk transmisi digital. Dalam kedua hal di atas, kualitas ini dapat dihubungkan dengan carrier to noise power ratio total (C/N)total pada masukan demodulator melalui persamaan modulasi sebagai berikut, S/N atau BER = (C/N)total Perhitungan C/N total untuk multi carrier per transponder (MCPT) dapat dihitung dengan mempergunakan rumus persamaan 10.18. 1 1 1 1 C C C C .......................(10.18) N N u N d I t dimana: (C/N)u = (C/N) lintasan up-link (C/N)d = (C/N) lintasan down-link IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-23 (C/I)t = (C/I) total Konsep dasar lintasan sistem komunikasi dapat dilihat pada Gambar 10.3 Nu Penerima TWTA down converter Gu/Tu EIRPg Lu Ld EIRP Nd GT G/T LNA HPA PT Gambar 10.3 Konsep dasar lintasan satelit dimana: PT = daya sinyal pembawa pada antena GT = penguatan antena stasiun bumi pemancar Lu = rugi ruang bebas lintasan naik Gu/Tu = figure of merit satelit Nu = derau pada lintasan naik EIRPs = EIRP satelit Ld = rugi ruang bebas pada lintasan turun G/T = figure of merit stasiun bumi Nd = derau pada lintasan turun HPA = High power amplifier LNA = Low noise amplifier EVALUASI X-24 Pengantar Sistem Telekomunikasi | IT Telkom LATIHAN SOAL 1. Jelaskan apa itu sistem komunikasi satelit! 2. Sebutkan elemen penyusun pada sistem komunikasi satelit dan jelaskan fungsinya masing-masing! 3. Apa yang dimaksud dengan orbit satelit! 4. Sebutkan dan jelaskan jenis-jenis orbit satelit! 5. Gambarkan konsep dasar lintasan transmisi pada sistem komunikasi satelit! 6. Sebutkan parameter-parameter yang mempengaruhi kualitas transmisi pada sistem komunikasi satelit! REFERENSI 1. Freeman, Roger L., ”Fundamentals of Telecommunication”, Bab 9, IEEE Press, 2005. 2. Freeman, Roger L.,”Telecommunication System Engineering ”, 3rd edition, Bab 7 & 17, John Wiley & Son, Inc., New York, 1996. 3. Saedudin, Rohmat.,”Pengantar Sistem Telekomunikasi”, Bab 10, Diktat Kuliah, ITTelkom, Bandung, 2005. IT Telkom | Pengantar Sistem Telekomunikasi X-25
