Rabu, 30 Maret 2011

Operasi penangkapan dengan Purse Seine

Operasi penangkapan ikan dengan alat tangkap jaring lingkar dengan tali kerut biasanya dilakukan pada malam hari yaitu terutama penangkapan yang mengunakan alat bantu lampu (cahaya). Sedangkan yang tidak menggunakan lampu dapat dioperasikan pada siang hari.Pengoperasian penangkapan terdiri dari : Persiapan, penurunan alat (pelingkaran), menaikan jaring dan menaikan ikan ke atas kapal.
1. PersiapanPerbekalan dan peralatan yang akan digunakan pada saat operasi penangkapan harus dipersiapkan secara matang, sehingga pada saat operasi penangkapan dapat berjalan lancar. Adapun persiapan yang dilaksanakan meliputi : bahan bakar, minyak pelumas, es (bahan pengawet ikan), bahan makanan, air tawar, bahan-nahan rumpon, dan penyusunan alat tangkap ikan.
Persiapan Alat tangkap
Penyusunan alat tangkap harus sudah dipersiapkan sebelum kapal berangkat menuju fishing ground. Penataan jaring di atas dek kapal biasanya antara pelampung badan jaring dan pemberat (termasuk cincin) dipisahkan. Bagian atas jaring yang berpelampung dipersiapan diturunkan paling awal kemudian diikuti dengan badan jaring dan selanjutnya pemberat beserta cincin-cincinnya. Cincin disusun secara berurutan sehingga jaring tidak kusut pada saat diturunkan seperti gambar berikut ini:




Gambar. Penataan jaring lingkar sebelum dioperasikan

Penataan jaring disesuaikan dengan arah putaran baling-baling kapal dan arah pelingkaran jaring. Arah putaran baling-baling kapal kekiri maka penyusunan alat tangkap di bagian lambung kiri kapal, demikian pula jika putaran baling-baling kekanan, maka alat tangkap disusun di lambung kanan. Sedangkan penyusunan jaring diburitan dapat dilakukan pada kapal dengan baling-baling putar kanan maupunkiri.


Gambar. Arah putaran baling-baling kapal


2. Pengoperasian Alat Tangkap Ikan Jaring Lingkar
Penurunan Alat tangkap (Setting)

Operasi penangkapan ikan dengan purse seine dimulai dengan menurunkan alat tangkap. Hal-hal yang perlu diperhatikan sebelum melakukan setting yaitu : arah angin, arah arus, arah kawanan ikan, arah datangnya sinar matahari.
Kedudukan kawanan ikan dan jaring harus berada di atas angin, sehingga kapal berada di bawah angi. Dengan demikian kapal akan menjauhi jaring. Sedangkan terhadap arah arus sebaliknya, jaring dan kawanan ikan di bawah arus sedangkan kapal berada di bawah arus. Terhadap gerakan kawanan ikan jaring harus menghadang didepannya, sedangkan kapal berada di bawah kawanan ikan.
Operasi penangkapan ikan dengan purse seine pada siang hari harus memperhatikan arah datangnya sinar matahari, yaitu jaring dan kawanan ikan harus diletakan ke arah datangnya sinar matahari.
a b
Gambar a. Kedudukan kapal terhadap angin. b. Kedudukan kapal terhadap arus
a. b.
Gambar a. Kedudukan kapal terhadap kawanan ikan. b. Kedudukan kapal terhadap matahari



Seting diawali dengan menyatukan tali kerut dengan tali ujung sayap dan kemudian diikatkat pada sebatang bambu yang diberi pelampung, pada operasi penangkapan tanpa menggunakan skiff boat pelampung ini dibawa oleh seorang yang berenang mencebur ke laut . Adapun kegiatan setting sebagai berikut :
  • mula-mula rumpon diangkat ke atas kapal, pada saat itu lampu penerangan dimatikan dan digantikan dengan lampu bantu yang diturunkan dengan pelampug disertai dengan rumpon bantu (rumpon yang tidak dijangkarkan ke dasar perairan)
  • rumpon bantu akan hanyut menjauhi kapal, kira-kira 30 m dari kapal, maka kapal mengangkat jangkar dan menjauhi rumpon sejauh lebih kurang 50 m.
  • kapak bergerak dengan kecepatan penuh mengelilingi rumpon dengan jarak 50 m sebanyak 1 sampai dengan 2 kali putaran.
  • setelah sesuai posisi yang tepat, seseorang yang memegang tiang bambu diperintahkan turun ke air.
  • kapal tetap melingkari rumpon tersebut menuju ke orang yang memegang tiang tersebut
    setelah dekat dengan pemegang tiang tersebut kapal berjalan lambat dan mesin stop ketika tiang telah diambil ke atas kapal.
Pengangkatan Alat tangkap (Hauling)
Pengangakat jaring dimula setelah ujung jaring yang diberi tiang dinaikan ke atas kapal. Adapun kegiatan hauling sebagai berikut :
  • tali kerut dan tali ujung sayap dipisahkan
  • tali kerut ditarik dengan gardan sampai dengan jaring lingkar mengkerut (seluruh cincin naik ke atas dek)
  • badan jaring ditarik dari kedua ujungnya hingga tinggal bagian kantongnya saja
    ikan yang berada dikantong dinaikan keatas kapal
  • setelah ikan naik semua maka jaring disusun kembali dan siap dioperasikan kembali.
    Gambar. Oerasi penangkapan ikan dengan jaring lingkar

Alat tangkap long line

PENANGKAPAN IKAN DENGAN LONG LINE

Long line terdiri dari rangkaian tali utama ,tali pelampung dimana pada tali utama pada jarak tertentu terdapat beberapa tali cabang yang pendek dan lebih kecil dia meternya, dan diujung tali cabang ini diikat pancing yang berumpan. Ada beberapa jenis long line. Ada yang dipasang didasar perairan serta tetap dalam jangka waktu tertentu dikenal dengan nama rawai tetap atau bottom long line atau set long line yang biaanya digunakan untuk menangkap ikan ikan demarsal .ada juga rawai yang hanyut yang biasa disebut degan dript long line, biasanya digunakan untuk menangkap ikan-ikan pelagis .yang paling terkenal adalah tuna long line atau disebut juga dengan rawai tuna,.walaupun dalam kenyataannya bahwa hasil tangkapnnya bukan bukan ikan tuna tetapi juga jenis0jenis ikan lain seperti layaran ,ikan hiu dan lain-lain. Secara perinsip rawai tuna sama seperti rawai-rawai lainnya,namun mengingat faktor biologi ikan sasaran ,tekhnik pengoperasian alat,komponent alat bantu ,kapal yang tersedia, maka dilakukan berbagai penyesuaian.bahan tali pancing terbuat dri bahan monofilament(PA) atau multifilamant (PES seperti terylene, Pva seperti kuralon atau PA seperti nylon).perbedaan pemakaian bahan ini akan mepengaruhi line hauler yang diperlukan.beberapa perbedan dari kedua jenis bahan tersebut dipandang dari segi teknis adalah sebagai berikut.
  • Bahan multifilament lebih berat dan mahal dibandingkan dengan monofilament, lebih mudah dirakit,dan lebih sesuai untuk kapal-kapal kecil.
  • Bahan multifilamant lebih mudah ditangani dan lebih tahan lama.karena itu,dalam jangka panjang rawai multifilament harganya relatif lebih rendah.
  • Karena lebih kecil, halus, dan transparan maka pemakaian monfilament dinilai akan memberi hasil tangkapan lebih baik dari multifilament.
Dilihat dari segi kedalaman operasi (fishing depth) rawai tuna dibagi dua yaitu bersifat dangkal dan yang bersifat dalam yang pancingnya berada pada kedalaman 100-300m. Perbedaan kedua jenis ini disebabkan pada tipe dangkal satu basket rawai diberi sekitar 5 pancing sedangkan pada tipe dalam diberi 11-13 pancing sehingga lengkungan tali utama, menjadi lebih dalam. Dalam beberapa sifat dari kedua tipe ini adalah :
  • Rawai tipe dalam memerlukan line hauler yang lebih kuat dibanding tipe dekat permukan.
  • Rawai tipe dalam menangkap jenis big eye yang lebih banyak ( sehingga nilai produksinya lebih baik )dibanding tipe permukaan.tuna yang tertangkap dengan rawai dangkal didominasi oleh yellowfin tuna yang harganya lebih rendah dibandingkan dengan big eye.Pelepasan pancing (setting) dilakukan menurut garis serong atau tegak lurus pada arus.waktu melepas pancing biasanya dini hari tergantung jumlah basket yang akan dipasang karena diharapkan setting selesai pada pagi hari jam 07.00 saat ikan giat cari mangsa.akan tetapi pengoperasian siang hari pun bisa dilakukan .namun akibatnya penarikan pancing (hauling )jatuh pada waktu sore hari.
Umpan yang umum dipakai adalah jenis ikan yang mempunyai sisik mengkilat,tidak cepat busuk,dan rangka tulangnya kuat sehingga tidak mudah lepas dari pancing bila tidak di sambar ikan.beberapa jenis diantaranya adalah bandeng,saury,tawes, kembung,layang, dan cumi-cumi.panjang umpan berkisar antara 15-20 cm, dengan berat 80-150 gram.cumi0cumi kecil masih dapat dipakai asalkan digabung (dijahit) beberapa ekor sehingga menjadi cukup besar.umpan ini harus berasal dari ikan-ikan yang benar-benar segar dan dilakukan dengan baik agar tahan dalam waktu yang lama.
Bagian-bagian dari tuna long line
Seperti alat penangkap lainnya ,satu unit long line terdiri dari kapl yang dirancang khusus,alat penangkap dan crew.kapal-kapal tuna long line modern bagian belakang dari kapal ini telah dirancang dengan baik untuk mudah operasi dan pengaturan alat penangkap. Tuna long line sendiri pada umumnya terdiri dari : pelampung, bendera, tali pelampung, main line,branch line,pancing wire leader,dan lain-lain.antara pelampung dengan pelampung dihubungkan dengan tali pelampung dan tali utama dimanasepanjan tali utama terpasang beberapa tali cabang.satu rangkaian alat inilah yang disebut dengan satu basket long linejumlah mata pancing pada setiap basket bervariasi.untuk lebih detail pengetahuan tentang alatini kita lihat bagian demi bagian.
1. Pelampung (float)
Pelampung yang digunakan pada long line terdiri dari beberapa jenis yaitu pelampung bola,pelampung bendera,pelampung radio, dan pelampung lampu.warna pelampung harus berbeda atau kontras dengan warna air laut.hal ini dimakasudkan untuk mempermudah mengenalnya darijarak jauh setelah setting.
  • Pelampung bolaPelampung bola biasanya terpasang padaujung basket dari alat tangkap.pelampung bola ini terbuat dari bahan sintetic dengan dimeter 35 cm dan ada yang lebih besar.untuk long line dengan jumlah basket 70 maka jumlah pelampung bola yang digunakan adalah 68 buah, pada ujungnya terdapat pipa setinggi 25 cm dan stiker scotlight yang sengat berguna bila alat penangakap tersebut terputus maka mudah menemukannya.untuk melindungi pelampung-pelampung tersebutdari benturan yang dapat menyebabkan pecahnya pelampung tersebut, maka pelampung tersebut dibalut dengan anyaman tali polyehylene dengan diameter 5mm.
  • Pelampung benderaPelampung bendera merupakan pelampung yang pertamakali diturunkan pada waktu setting dilakukan. Biasanya diberi tiang (dari bambu atau bahan lain) yang panjangnya bervariasi sekitar 7 m dan diberi pelampung.supaya tiang ini berdiri tegak maka diberi pemberat.
  • Pelampung lampuPelampung ini biasanya menggunakan balon 5 watt yang sumberlistriknya berasal dari baterai yang terletak pada bagianu ujung atas pipa atau bagian bawah ruang yang kedap air.pelampung ini dipasang pada setiap 15 basket yang diperkirakan hauling pada malam hari.fungsinya adalah untuk penerangan pada malam hari dan memudahkan pencarian basket bila putus.
  • Pelampung radio bouySebuah radio bouy dilengkapi dengan transmiter yang mempunyai frekuensi tertentu.daerah tranmisinya bisa mencapai 30 mil.jika dalam pengoperasian long line menggunakan radio bouy,maka kapal harus dilengkapi dengan radio direction finder(RDF).peralatan ini berfungsi untuk menunjukan arah lokasi radio bouy dengna tepat pada waktu basket putus.
2. Tali pelampung
Tali pelampung berfungsi untuk mengatur kedalaman dari alat penangkap sesuai dengan yang dikehendaki.tali pelampung ini biasanya terbuat dari bahan kuralon.
3. Tali utama (main line)
Tali utama atau main line adalah bagian dari potongan-potongan tali yang dihubungkan antara satu dengan yang lainsehingga membentuk rangkaian tali yang sangat panjang.tali utama harus cukup kuat karena menanggung beban dari tali cabang dan arikan ikan yang terkait pada mata pancing.pada kedua ujung pada main line dibuat simpul mata. Main line basanya terbuat dari bahan kuralon yang diameternya 0,25 inci atau lebih. Panjang main line tergantung dari panjang dan jumlah branch line,karena setiap penemuan kedua ujung main line merupakan tempat pemasangan branch line.
4. Tali cabang (branch line)
Bahan dari tali cabang biasanya sama dengan tali utama, perbadaanya hanya pada ukuran saja,dimana ukuran tali cabang lebih kecildari tali utama.satu set tali cabang ini terdiri dari tali pangkal, tali cabang utama, wire leader yang berfungsi agar dapatmenahan gesekan pada saat ikan terkait pada pancing, dan pancing yang terbuat dari bahan baja, biasnaya menggunakan pancing no.7 Umpan merupakan bagian yang sangat penting untuk diperhatikan dalam penangkapan ikan dengan tuna long line.ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi umpan pada alat penangkap ini antara lain adalah jenis ikan yang mempunyai sisik mengkilat dengan warna yang menarik sehingga dengan mudah dapat dilihat pada jarak yang jauh,kemudian tidak cepat busuk,rangka tulang kuat sehingga tidak mudah lepas dari pancing bila tidak disambar ikan, mempunyai bau yang cukup tajam dan merangsang serta disukai oleh ikan yang dipancing, tersedia dalam jumlah yang besar,dan murah harganya. Ikan bandeng, ikan kembung, ikan layang dan cumi-cumi merupakan jenis umpan yang banyak digunakan.
5. Perlengkapan lainnya
Perlengkapan lainnya yang dimaksud adalah alat-alat yang dipergunakan untuk mempermudah dan mememperlancar kegiatan operasi penangkapan diakapl antara lain adalah radar, RDF, line hauler, marline spike, catut potong, ganco, sikat baja, jarum pembunuh, pisau, dan lain-lain. Tekhnik operasi penangkapan Setelah semua persiapan telah dilakukan dan telah tiba di fishing ground yang telah ditentukan . setting diawali dengan penurunan pelampung bendera dan penebaran tali utama, selanjutnya dengan penebaran pancing yang telah dipasangi umpan.rata-rata waktu yang dipergunakan untuk melepas pancing 0,6 menit/ pancing.pelepasan pancing dilakukan menurut garis yang menyerong atau tegak lurus terhadap arus.waktu melepas pancing biasanya wktu tengah malam,sehingga pancing telah terpasang waktu pagi saat ikan sedang giat mencari mangsa. Akan tetapi, penggoperasian pada siang hari dapat pula dilakukan. Penarikan alat penangkap dilakukan setelah berada didalam air selama 3-6 jam. Penarikan dilakukan dengan menggunakan line hauler yang diatur kecepatannya. Masing-masing anak buah kapal telah mengetahui tugasnya sehingga alat penangkap dapat diatur dengan rapi.lamanya penarikan alat penangkap sangat ditentukan oleh banyakny hasil tangkapan dan faktor cuaca. Penarikan biasanya memakan waktu 3 menit / pancing.perusahaan perikanan samudra bedar di bali melakukan hauling sekitar 9-11 jam. Selanjutnya dilakukan penanganan hasil tangkapan dan persiapan operasi selanjutnya. untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tampilan slide berikut:

Seri alat tangkap trawl

ALAT TANGKAP TRAWLA.PENDAHULUAN
1.Definisi Alat Tangkap
Kata “ trawl “ berasal dari bahasa prancis “ troler “ dari kata “ trailing “ adalah dalam bahasa inggris, mempunyai arti yang bersamaan, dapat diterjemahkan dalam bahasa Indonesia dengan kata “tarik “ ataupun “mengelilingi seraya menarik “. Ada yang menterjemahkan “trawl” dengan “jaring tarik” , tapi karena hampir semua jarring dalam operasinya mengalami perlakuan tarik ataupun ditarik , maka selama belum ada ketentuan resmi mengenai peristilahan dari yang berwenang maka digunakan kata” trawl” saja.
Dari kata “ trawl” lahir kata “trawling” yang berarti kerja melakukan operasi penangkapan ikan dengan trawl, dan kata “trawler” yang berarti kapal yang melakukan trawling. Jadi yang dimaksud dengan jarring trawl ( trawl net ) disini adalah suatu jaring kantong yang ditarik di belakang kapal ( baca : kapal dalam keadaan berjalan ) menelusuri permukaan dasar perairan untuk menangkap ikan, udang dan jenis demersal lainnya. Jarring ini juga ada yang menyangkut sebagai “jaring tarik dasar”.
Stern trawl adalah otter trawl yang cara operasionalnya ( penurunan dan pengangkatan ) jaring dilakukan dari bagian belakang ( buritan ) kapal atau kurang lebih demikian. Penangkapan dengan system stern trawl dapat menggunakan baik satu jarring atau lebih.
2. Sejarah Alat Tangkap
Jaring trawl yang selanjutnya disingkat dengan “trawl” telah mengalami perkembangan pesat di Indonesia sejak awal pelita I. Trawl sebenarnya sudah lama dikenal di Indonesia sejak sebelum Perang Dunia II walaupun masih dalam bentuk ( tingkat ) percobaan. Percobaan-percobaan tersebut sempat terhenti akibat pecah Perang Dunia II dan baru dilanjutkan sesudah tahun 50-an ( periode setelah proklamasi kemerdekaan ). Penggunaan jaring trawl dalam tingkat percobaan ini semula dipelopori oleh Yayasan Perikanan Laut, suatu unit pelaksana kerja dibawah naungan Jawatan Perikanan Pusat waktu itu. Percobaan ini semula dilakukan oleh YPL Makassar (1952), kemudian dilanjutkan oleh YPL Surabaya.
Menurut sejarahnya asal mula trawl adalah dari laut tengah dan pada abad ke 16 dimasukkan ke Inggris, Belanda, Prancis, Jerman, dan negara Eropa lainnya. Bentuk trawl waktu itu bukanlah seperti bentuk trawl yang dipakai sekarang yang mana sesuai dengan perkembangannya telah banyak mengalami perubahan-perubahan, tapi semacam trawl yang dalam bahasa Belanda disebut schrol net.
3. Prospektif Alat Tangkap
Perkembangan teknologi menyebabkan kemajuan- kemajuan pada main gear, auxillary gear dan equipment lainny. Pendeteksian letak jaring dalam air sehubungan depth swimming layer pada ikan, horizontal opening dan vertical opening dari mulut jaring, estimate catch yang berada pada cod end sehubungan dengan pertambahan beban tarik pada winch, sudut tali kekang pada otter board sehubungan dengan attack angel, perbandingan panjang dan lebar dari otter board, dan lain-lain perlengkapan.
Demikian pula fishing ability dari beberapa trawler yang beroperasi di perbagai perairan di tanah air, double ring shrimp trawler yang beroperasi di perairan kalimantan, irian jaya dan lain-lain sebagainya. Perhitungan recources sehubungan dengan fishing intensity yang akan menyangkut perhitungan- perhitungan yang rumit, konon kabarnya sudah mulai dipikirkan. Semakin banyak segi pandangan, diharapkan perikanan trawl akan sampai pada sesuatu benntukl yang diharapkan.
B. KONSTRUKSI ALAT TANGKAP1. Konstruksi Umum Gambar 1
2. Detail Konstruksi Gambar 2
3. Gambar Teknis Gambar 3
4. Bahan dan Spesifikasi Gambar 4
5. Karakteristik
berdasarkan letak penarikan jaring yang dilakukan di kapal kita mengenal adanya stern trawl, dimana jaring ditarik dari buritan ( dalam segi operasionalnya ). Dimana banyak kapal trawl yang menggunakan cara ini, adapun karakteristik dari stern trawl ini antara lain:
Stern trawl tidak seberapa dipengaruhi oleh angin dan gelombang dalam pelepasan jaring, tidak memerlukan memutar letak kapal
Warp berada lurus pada garis haluan buritan sehingga tenaga trawl winch dapat menghasilkan daya guna maksimal sehingga pekerjaan melepas/ menarik dari jaring memerlukan waktu yang lebih sedikit, yang berarti waktu untuk jaring berada dalam air ( operasi ) lebih banyak
Trawl winch pada stern trawl terpelihara dari pengaruh angin dan gelombang, dengan demikian dalam cuaca buruk sekalipun operasi masih dapat dilakukan dengan mudah
Pada stern trawl akibat dari screw current jaring akan segera hanyu, demikian pula otter boat segera setelah dilepas akan terus membuka
Karena letak akan searah dengan garis haluan- buritan, maka di daerah fishing ground yang sempit sekalipun operasi masih mungkin dilakukan, dengan perkataan lain posisi jaring sehubungan dengan gerakan kapal lebih mudah diduga
Pada stern trawl, pada waktu hauling ikan-ikan yang berada pada cod end tidak menjadikan beban bagi seluruh jaring, karena cod end tersendiri ditarik melalui slip way, dengan demikian jaring dapat terpelihara
C. HASIL TANGKAPAN
Yang menjadi tujuan penangkapan pada bottom trawl adalah ikan-kan dasar ( bottom fish ) ataupun demersal fish. Termasuk juga jenis-jenis udang ( shrimp trawl, double ring shrimp trawl ) dan juga jenis-jenis kerang. Dikatakan untuk periran laut jawa, komposisi catch antara lain terdiri dari jenis ikan patek, kuniran, pe, manyung, utik, ngangas, bawal, tigawaja, gulamah, kerong-kerong, patik, sumbal, layur, remang, kembung, cumi,kepiting, rajungan, cucut dan lain sebagainya.
Catch yang dominan untuk sesuatu fish ground akan mempengaruhi skala usaha, yang kelanjutannya akan juga menetukan besar kapal dan gear yang akan dioperasikan.
D. DAERAH PENANGKAPAN
Didalam alat tangkap trawl yang memiliki syarat-syarat fishing ground, antara lain sebagai berikut:
Dasar fishing ground terdiri dari pasir, Lumpur ataupun campuran pasir dan Lumpur.
Kecepatan arus pada mid water tidak besar ( dibawah 3 knot ) juga kecepatan arus pasang tidak seberapa besar
Kondisi cuaca,laut, ( arus, topan, gelombang, dan lain-lain ) memungkinkan keamanan operasi
Perubahan milieu oceanografi terhadap mahluk dasar laut relatif kecil dengan perkataan lain kontinuitas recources dijamin untuk diusahakan terus-menerus
Perairan mempunyai daya prokdutifitas yang besar serta recources yang melimpah
E.ALAT BANTU PENANGKAPAN
Pada umumnya kapal-kapal trawl ini digerakkan oleh diesel ataupun steam. Kapal dilengkapi dengan trawl winch, sebagai tenaga penggerak ada yang menggunakan steam engine ( 45-75 HP ) bagi stream trawl dan ada pula yang memakai motor dari 60-90 HP bagi diesel trawl. Winch ini dihubungkan dengan warp, dan untuk mengontrol panjang warp dipasang brake.
Besar jaring yang dipakai berbeda-beda, dan untuk menyatakan besar jaring dipakai penunjuk “ panjang dari head rope “ yang biasanya dengan satuan feet atau meter.
F. TEKNIK OPERASIONAL ( SHOOTING & HAULING )
(1) kecepatan/lama waktu menarik jaring
adalah ideal jika jaring dapat ditarik dengan kecepatan yang besar, tapi hal ini sukar untuk mencapainya, karena kita dihadapkan pada beberapa hal, antara lain keadaan terbukanya mulut jaring, apakah jaring berada di air sesuai dengan yang dimaksudkan ( bentuk terbukanya ), kekuatan kapal untuk menarik ( HP ), ketahanan air terhadap tahanan Air, resistance yang makin membesar sehubungan dengan catch yang makin bertambah, dan lain sebagainya. Faktor-faktor ini berhubungan antara satu dengan yang lainnya dan masing-masing menghendaki syarat tersendiri.
Pada umumnya jaring ditarik dengan kecepatan 3-4 knot. Kecepatan inipun berhubungan pula dengan swemming speed dari ikan, keadaa dasar laut, arus, angin, gelombang dan lain sebagainya, yang setelah mempertimbangkan factor-faktor ini, kecepatan tarik ditentukan .
Lama waktu penarikan di dasarkan kepada pengalaman-pengalaman dan factor yang perlu diperhatikan adalah banyak sedikitnya ikan yang diduga akan tertangkap., pekerjaan di dek, jam kerja crew, dan lain sebagainya. Pada umumnya berkisar sekitar 3-4 jam, dan kadang kala hanya memerlukan waktu 1-2 jam.
(2) panjang warp
factor yang perlu diperhatikan adalah depth,sifat dasar perairan ( pasir, Lumpur), kecepatan tarik. Biasanya panjang warp sekitar 3-4 kali depth. Pada fishing ground yang depthnya sekitar 9M ( depth minimum ). Panjang warp sekitar 6-7 kali depth. Jika dasar laut adalah Lumpur, dikuatirkan jaring akan mengeruk lumpu, maka ada baiknya jika warp diperpendek, sebaliknya bagi dasar laut yang terdiri dari pasir keras ( kerikil ), adalah baik jika warp diperpanjang.
Pengalaman menunjukkan bahwa pada depth yang sama dari sesuatu Fishing ground adalah lebih baik jika kita menggunakan warp yang agak panjang, daripada menggunakan warp yang terlalu pendek. Hal ini dapat dipikirkan sebagai berikut.bentuk warp pada saat penarikan tidaklah akan lurus, tetapi merupakan suatu garis caternian. Pada setiap titik –titik pada warp akan bekerja gaya- gaya berat pada warp itu sendiri, gaya resistance dari air, gaya tarik dari kapal/ winch, gaya ke samping dari otter boat dan gaya-gaya lainnya. Resultan dari seluruh gaya yang complicataed ini ditularkan ke jaring ( head rope and ground rope ), dan dari sini gaya-gaya ini mengenai seluruh tubuh jaring. Pada head rope bekerja gaya resistance dari bottom yang berubah-ubah, gaya berat dari catch yang berubah-ubah semakin membesar, dan gaya lain sebagainya.
Gaya tarik kapal bergerak pada warp, beban kerja yang diterima kapal kadangkala menyebabkan gerak kapal yang tidak stabil, demikian pula kapal sendiri terkena oleh gaya-gaya luar ( arus, angin, gelombang )
Kita mengharapkan agar mulut jaring terbuka maksimal, bergerak horizontal pada dasar ataupun pada suatu depth tertentu. Gaya tarik yang berubah-ubah, resistance yang berubah-ubah dan lain sebagainya, menyebabkan jaring naik turun ataupun bergerak ke kanan dan kekiri. Rentan yang diakibatkannya haruslah selalu berimbang. Warp terlalu pendek, pada kecepatan lebih besar dari batas tertentu akan menyebabkan jaring bergerak naik ke atas ( tidak mencapai dasar ), warp terlalu panjang dengan kecepatan dibawah batas tertentu akan menyebabkan jaring mengeruk lumpur. Daya tarik kapal ( HP dari winch) diketahui terbatas, oleh sebab itulah diperoleh suatu range dari nilai beban yan g optimal. Apa yang terjadi pada saat operasi penarikan, pada hakikatnya adalah merupakan sesuatu keseimbangan dari gaya-gaya yang complicated jika dihitung satu demi satu.
G. HAL YANG MEMPENGARUHI KEGAGALAN TANGKAPAN
Pada saat operasi, dapat terjadi hal-hal yang dapat menggagalkan operasi antara lain:
Warp terlalu panjang atau speed terlalu lambat atau juga hal lain maka jaring akan mengeruk Lumpur
Jaring tersangkut pada karang / bangkai kapal
Jaring atau tali temali tergulung pada screw
Warp putus
Otterboat tidak bekerja dengan baik, misalnya terbenam pada lmpur pada waktu permulaan penarikan dilakukan
Hilang keseimbangan, misalnya otterboat yang sepihak bergerak ke arah pihak yang lainnya lalu tergulung ke jaring
Ubur-ubur, kerang-kerangan dan lain-lain penuh masuk ke dalam jaring, hingga cod end tak mungkin diisi ikan lagi.
Dan lain sebagainnya.

Seri alat tangkap bubu

BUBUA. Pendahuluan
Bubu adalah alat tangkap yang umum dikenal dikalangan nelayan, yang berupa jebakan, dan bersifat pasif. Bubu sering juga disebut perangkap “ traps “ dan penghadang “ guiding barriers “.
Dalam operasionalnya, bubu terdiri dari tiga jenis, yaitu :
  • Bubu Dasar (Ground Fish Pots).: Bubu yang daerah operasionalnya berada di dasar perairan.
  • Bubu Apung (Floating Fish Pots): Bubu yang dalam operasional penangkapannya diapungkan.
  • Bubu Hanyut (Drifting Fish Pots) : Bubu yang dalam operasional penangkapannya dihanyutkan.
Disamping ketiga bubu yang disebutkan di atas, terdapat beberapa jenis bubu yang lain seperti :
  • Bubu Jermal : Termasuk jermal besar yang merupakan perangkap pasang surut (tidal trap).
  • Bubu Ambai.: Disebut juga ambai benar, bubu tiang, termasuk pasang surut ukuran kecil.
  • Bubu Apolo.:Hampir sama dengan bubu ambai, bedanya ia mempunyai 2 kantong, khusus menangkap udang rebon.
B. Konstruksi Bubu
Bentuk bubu bervariasi. Ada yang seperti sangkar (cages), silinder (cylindrical),gendang, segitiga memanjang (kubus) atau segi banyak, bulat setengah lingkaran, dll. Bahan bubu umumnya dari anyaman bambu (bamboo`s splitting or-screen).
Secara umum, bubu terdiri dari bagian-bagian badan (body), mulut (funnel) atau ijeh, pintu.
  • Badan (body): Berupa rongga, tempat dimana ikan-ikan terkurung.
  • Mulut (funnel): Berbentuk seperti corong, merupakan pintu dimana ikan dapat masuk tidak dapat keluar.
  • Pintu: Bagian tempat pengambilan hasil tangkapan.
B.1. Bubu Dasar (Ground Fish Pots)
Untuk bubu dasar, ukuran bubu dasar bervariasi, menurut besar kecilnya yang dibuat menurut kebutuhan. Untuk bubu kecil, umumnya berukuran panjang 1m, lebar 50-75 cm, tinggi 25-30 cm. untuk bubu besar dapat mencapai ukuran panjang 3,5 m, lebar 2 m, tinggi 75-100 cm.
B.2. Bubu Apung (Floating Fish Pots)
Tipe bubu apung berbeda dengan bubu dasar. Bentuk bubu apung ini bisa silindris, bisa juga menyerupai kurung-kurung atau kantong yang disebut sero gantung. Bubu apung dilengkapi dengan pelampung dari bambu atau rakit bambu yang penggunaannya ada yang diletakkan tepat di bagian atasnya.
B.3. Bubu Hanyut (Drifting Fish Pots)
Bubu hanyut atau “ pakaja “ termasuk bubu ukuran kecil, berbentuk silindris, panjang 0,75 m, diameter 0,4-0,5 m.
B.4. Bubu Jermal
Ukuran bubu jermal, panjang 10 m, diameter mulut 6 m, besar mata pada bagian badan 3 cm dan kantong 2 cm.
B.5. Bubu Ambai
Bubu ambai termasuk perangkap pasang surut berukuran kecil, panjang keseluruhan antara 7-7,5 m. bahan jaring terbuat dari nilon (polyfilament). Jaring ambai terdiri dari empat bagian menurut besar kecilnya mata jaring, yaitu bagian muka, tengah, belakang dan kantung. Mulut jaring ada yang berbentuk bulat, ada juga yang berbentuk empat persegi berukuran 2,6 x 4,7 m. pada kanan-kiri mulut terdapat gelang, terbuat dari rotan maupun besi yang jumlahnya 2-4 buah. Gelang- gelang tersebut dimasukkan dalam banyaknya jaring ambai dan dipasang melintang memotong jurusan arus. Satu deretan ambai terdiri dari 10-22 buah yang merupakan satu unit, bahkan ada yang mencapai 60-100 buah/unit.
B.6. Bubu Apolo
Bahan jaring dibuat dari benang nilon halus yang terdiri dari bagian-bagian mulut, badan, kaki dan kantung. Panjang jaring keseluruhan mencapai 11 m. Mulut jaring berbentuk empat persegi dengan lekukan bagian kiri dan kanan. Panjang badan 3,75 m, kaki 7,25 m dan lebar 0,60 m. pada ujubg kaki terdapat mestak yang selanjutnya diikuti oleh adanya dua kantung yang panjangnya 1,60 m dan lebar 0,60 m.
C. Hasil tangkapan Bubu
C.1. Bubu Dasar (Ground Fish Pots)
Hasil tangkapan dengan bubu dasar umumnya terdiri dari jenis-jenis ikan, udang kualitas baik, seperti Kwe (Caranx spp), Baronang (Siganus spp), Kerapu (Epinephelus spp), Kakap ( Lutjanus spp), kakatua (Scarus spp), Ekor kuning (Caeslo spp), Ikan Kaji (Diagramma spp), Lencam (Lethrinus spp), udang penaeld, udang barong, kepiting, rajungan, dll.
C.2. Bubu Apung (Floating Fish Pots)
Hasil tangkapan bubu apung adalah jenis-jenis ikan pelagik, seperti tembang, japuh, julung-julung, torani, kembung, selar, dll.
C.3. Bubu Hanyut (Drifting Fish Pots)
Hasil tangkapan bubu hanyut adalah ikan torani, ikan terbang (flying fish).
C.4. Bubu Ambai
Hasil tangkapan bubu ambai bervariasi menurut besar kecilnya mata jaring yang digunakan. Namun, pada umumnya hasil tangkapannya adalah jenis-jenis udang.
C.5. Bubu Apolo
Hasil tangkapan bubu apolo sama dengan hasil tangkapan dengan menggunakan bubu ambai, yakni jenis-jenis udang.
D. Daerah Penangkapan
D.1. Bubu Dasar (Ground Fish Pots)
Dalam operasi penangkapan, bubu dasar biasanya dilakukan di perairan karang atau diantara karang-karang atau bebatuan.
D.2. Bubu Apung (Floating Fish Pots)
Dalam operasi penangkapan, bubu apung dihubungkan dengan tali yang disesuaikan dengan kedalaman tali, yang biasanya dipasang pada kedalaman 1,5 kali dari kedalaman air.
D.3. Bubu Hanyut (Drifting Fish Pots)
Dalam operasi penangkapan, bubu hanyut ini sesuai dengan namanya yaitu dengan menghanyutkan ke dalam air.
D.4. Bubu Jermal dan Bubu Apolo
Dalam operasi penangkapan, kedua bubu di atas diletakkan pada daerah pasang surut (tidal trap). Umumnya dioperasikan di daerah perairan Sumatera.
D.5. Bubu Ambai
Lokasi penangkapan bubu ambai dilakukan antara 1-2 mil dari pantai.
E. Alat Bantu Penangkapan
Dalam operasi penangkapan, terdapat alat bantu penangkapan yang bertujuan untuk mendapatkan hasil tangkapan yang lebih banyak.
Alat bantu penangkapan tersebut antara lain :
  • Umpan: Umpan diletakkan di dalam bubu yang akan dioperasikan. Umpan yang dibuat disesuaikan dengan jenis ikan ataupun udang yg menjadi tujuan penangkapan.
  • Rumpon: Pemasangan rumpon berguna dalam pengumpulan ikan.
  • Pelampung: Penggunaan pelampung membantu dalam pemasangan bubu, dengan tujuan agar memudahkan mengetahui tempat-tempat dimana bubu dipasang.
  • Perahu: Perahu digunakan sebagai alat transportasi dari darat ke laut (daerah tempat pemasangan bubu).
  • Katrol: Membantu dalam pengangkatan bubu. Biasanya penggunaan katrol pada pengoperasian bubu jermal.
F. Teknik Operasi (Sitting dan Hunting)
F.1. Bubu Dasar (Ground Fish Pots)
Dalam operasional penangkapannya bisa tunggal (umumnya bubu berukuran besar), bisa ganda (umumnya bubu berukuran kecil atau sedang) yang dalam pengoperasiannya dirangkai dengan tali panjang yang pada jarak tertentu diikatkan bubu tersebut. Bubu dipasang di daerah perairan karang atau diantara karang-karang atau bebatuan. Bubu dilengkapi dengan pelampung yang dihubungkan dengan tali panjang. Setelah bubu diletakkan di daerah operasi, bubu ditinggalkan, untuk kemudian diambil 2-3 hari setelah dipasang, kadang hingga beberapa hari.
F.2. Bubu Apung (Floating Fish Pots)
Bubu apung dilengkapi pelampung dari bambu atau rakit bambu, dilabuh melalui tali panjang dan dihubungkan dengan jangkar. Panjang tali disesuaikan dengan kedalaman air, umumnya 1,5 kali dari kedalaman air.
F.3. Bubu Hanyut (Drifting Fish Pots)Pada waktu penangkapan, bubu hanyut diatur dalam kelompok-kelompok yang kemudian dirangkaikan dengan kelompok-kelompok berikutnya sehingga jumlahnya menjadi banyak, antara 20-30 buah, tergantung besar kecil perahu/kapal yang akan digunakan dalam penangkapan.
Operasi penangkapan dilakukan sebagai berikut :
  • Pada sekeliling bubu diikatkan rumput laut.
  • Bubu disusun dalam 3 kelompok yang saling berhubungan melalui tali penonda (drifting line).
  • Penyusunan kelompok (contohnya ada 20 buah bubu) : 10 buah diikatkan pada ujung tali penonda terakhir, kelompok berikutnya terdiri dari 8 buah dan selanjutnya 4 buah lalu disambung dengan tali penonda yang langsung diikat dengan perahu penangkap dan diulur sampai + antara 60-150 m.
F.4. Bubu Jermal
Pada bubu jermal, operasi penangkapan dilakukan dengan menekan galah yang terdapat pada kanan/kiri mulut jaring ke bawah sampai di dasar sehingga mulut kantung jaring terbuka. Bubu kemudian diangkat setelah dibiarkan 20-30 menit. Pengambilan hasil tangkapan dilakukan dengan menutup mulut jaring dengan cara mengangkat bibir bawah ke atas, kemudian diikuti mengangkat bagian-bagian tengah kantong melalui katrol-katrol. Pengambilan hasil dilakukan dengan membuka ikatan tali pada ujung belakang kantong.
F.5. Bubu Ambai
Penangkapan dengan bubu ambai dilakukan pada waktu air pasang maupun surut. Arah dari mulut jaring dapat dibolak-balik dihadapkan darimana datangnya arus. Setelah 15-20 dari pemasangan, dapat dilakukan pengambilan hasil, yaitu dengan mengangkat bagian bawah mulut ke permukaan air dengan mempertemukan bibir atas dan bawah. Demikian seterusnya dilakukan hingga seluruh deretan ambai selesai dikerjakan, kemudian dilakukan pembukaan tali-tali pengikat pada ujung belakang kantung. Operasi penangkapan dilakukan 2-3 orang untuk tiap kali penangkapan, tergantung banyak sedikitnya unit atau jaring yang dipakai.
F.6. Bubu Apolo
Pengoperasian bubu apolo dilakukan baik siang ataupun malam hari pada waktu air pasang maupun surut. Pengoperasian apolo ini memerlukan 2-3 orang. Tempat melakukan operasi penangkapan, yakni 1-2 mil dari pantai.
G. Hal-hal Yang Mempengaruhi Penangkapan
Dalam setiap operasi penangkapan nelayan harus memperhatikan hal-hal yang mungkin akan mempengaruhi hasil tangkapannya.Antara lain factor adanya lampu sebagai alat bantu atau mungkin rumpon.Selain hal tersebut diatas perlu diperhatikan efektifitas penangkapan,sehingga perlu adanya perkiraan hari dan hitungan bulan(apakah ini termasuk bulan terang ataukah termasuk bulan mati)
H.Sumber Bacaan
Alat Penangkapan Ikan Dan Udang Laut di Indonesia.Nomor 50 Th. 1988/1989. Edisi khusus. Jurnal Penelitian Perikanan Laut. Balai Penelitian Perikanan Laut. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian Departemen Pertanian. Jakarta. .com
2001 - Dampak Penggunaan Alat Tangkap Perikanan Terhadap Kerusakan Sumberdaya Terumbu Karang dan Desain Alat Tangkap ALternatif di Kecamatan Senayang Lingga
26 Juni 2001


Kecamatan Senayang-Lingga terdiri dari gugusan kepulauan besar dan kecil yang dicirikan dengan adanya terumbu karang. Kondisi terumbu karang didaerah ini diperkirakan telah mengalami kerusakan, hal ini akibat aktivitas nelayan penangkap ikan yang menggunakan alat tangkap yang sifatnya merusak seperti bom,lampara dasar dan alat tangkap yang dioperasikan disekitar terumbu karang (bubu dan sebagainya).

Lebih dari 80%masyarakat kecamatan Senayang lingga menggatungkan hidupnya dari hasil laut sebagai nelayan. Atifitas penangakapan ini diusakan dengan menggunakan berbagai macam alat penangkapan ikan, dari yang bersifat pasif seperti kelong dan bubu samapai kealat yang bersifat aktif seperti lampara dasar. Beragamnya jenis alat penangkapan dan ukurannnya (dimensi) akan menyebabkan bervariasi pula teknik operasi yang digunakan untuk menangkap ikan.

Dengan pengoperasia alat penangkapan dengan penerapan teknik tertentu sedikit banyak akan menimbulkan akibat bagi lingkungan perairan yang menjadi daerah penangkapan (fishing ground). Contohnya pda pengoperasian alat yang ditarik (dragged) akan merubah bentuk dasar perairan dan kekeruhan yang akan mempengaruhi lingkungan disekitarnya.

Berdasarkan studi yang telah dilkukan di Kec.Senayang lingga maka dapat disimpulkan bahwa:
  1. Mayoritas pekerjaan masyarakat adalah nelayan karena didukung oleh kondisi daerag yang merupakan perairan disekitar Laut Cina Selatan yang kaya dengan potensi sumberdaya laut dan perikanan
  2. Usaha penangkapan yang dilkukan masih dalam skala kecil, karena alat dan armada yang digunakan masih tradisional serta orientasi usaha adalah pansa lokal (bukan ekspor). Ada usaha penangakapan sudah menggunakan teknologi semi modern dengan skala cukup besar, tapi dilakuakn oleh nelayan dari luar yang melakukan penangkapan diperairan tersebut seperti pukat cincin (purse seine) oleh Nelayan Jawa
  3. Dari beragam alat tangkap yang digunakan leh nelayan, semuanya memberikan teanan terhadp kerusakan terumbu kaerang dengan kontribusi berbeda. Alat tangkap bubu, kelong dingkis dan trammel net adalah aalat tangkap yang memberikan kerusakan terbesar terhadap terumbu karang, dikerenakan posisi alat, cara operasi dan sasaran penangkapan berad didaerah terumb karang dan berdampak langsung terhadap ekosistem tersebut
  4. Alat tangakp lampara dasar pada hakekatnya tidfak memberikan tampak terhadap terumbu karang karena zona pengakapan bukan didaerah karang. Namun sering terjadi penangkapan yang ilegal dari alat ini dengan melakukan aktivitas penangkapan didaerah terumbu karang ntuk menangkap ikan-ikan tertentu yang bernilai ekonomis tinggi.

Selasa, 15 Maret 2011

25 Desember 2010

Macam-macam Kemudi kapal Rudder

Sehubungan dengan peranan kemudi tersebut di atas SOLAS ’74 melalui Peraturan 29 Bagian B Bab II – I mengenai Perangkat kemudi ( Resolusi A. 210 - VII ) ) menyebutkan sebagai berikut :

Kusus bagi kapal Barang :


Kapal – kapal harus dilengkapi dengan perangkat kemudi induk ( utama ) dan perangkat kemudi bantu yang memenuhi persyaratan yang ditetapkan oleh pemerintah.
Perangkat kemudi utama harus berkekuatan yang layak dan cukup untuk mengemudikan kapal pada kecepatan ekonomis maksimum. Perangkat kemudi utama dan poros kemudi harus di pasang sedemikian rupa sehingga pada kecepatan mundur maksimum tidak mengalami kerusakan
Perangkat kemudi bantu harus mempunyai kekuatan yang layak dan cukup untuk mengemudikan kapal pada kecepatan sekedar untuk dapat berlayar dan dipakai dengan segera dalam keadaan darurat.
Kedudukan kemudi yang tepat pada kapal tenaga harus terlihat di stasiun pengemudi utama ( kamar kemudi anjungan )

Kusus bagi kapal penumpang :
Perangkat kemudi induk harus mampu memutar daun kemudi dari kedudukan 350 di satu sisi sampai ke kedudukan 350 disisi lain selagi kapal berjalan maju dengan kecepatan ekonomis maksimum. Daun kemudi harus dapat diputar dari kedudukan 350 disalah satu sisi ke kedudukan 350 disisi yang lain dalam waktu 28 detik pada kecepatan ekonomis maksimum.
Perangkat kemudi bantu harus dapat digerakkan dengan tenaga dimana pemerintah mensyaratkan bahwa garis tengah poros kemudi pada posisi celaga berukuran lebih 9’’ ( 228,6 mm ).
Jika unit tenaga perangkat kemudi induk dan sambungan – sambungannya di pasang secara rangkap yang memenuhi persyaratan yang ditetapkan oleh Pemerintah, dan masing – masing unit tenaga itu dapat membuat perangkat kemudi sesuai dengan syarat – syarat paragraf
Jika pemerintah mensyaratkan suatu poros kemudi yang garis tengahnya pada posisi celaga lebih dari 9” (228,6 mm) harus dilengkapi pengemudi pengganti.

Jenis – jenis Kemudi :


Kemudi biasa ialah kemudi yang seluruh daun kemudinya berada dibelakang poros putar. Yang terdiri dari pelat tunggal atau anda.Kemudi biasa pelat tunggal konstruksinya terdiri dari pelat tunggal saja dan pelat ganda, kontruksi daukemudinya terdiri dari lembaran berganda dimana kedua ujungnya dihubungkan satu sama lain sehingga didalamnya terbentuk rongga. Kerangka kemudi biasa dapat terbuat dari baja tempa atau pelat yang di las, kemudi pelat ganda kedua sisinya di tutupi pelat – pelat sehingga ditengahnya berbentuk rongga.

Konstruksi Kemudi biasa :

Daun kemudi terletak 100% di belakang poros putarnya- Diberi kerangka untuk penguat daun kemudi
Selalu dilengkapi dengan kokot jantan ( Pintle ) dan kokot betina ( Gudgeon )
Daun kemudi dan poros kemudi yang saling dihubungkan dengan sebuah kopling
Poros kemudi atas, baut penutup, baut kemudi biasa dan baut cembung putar (Taats)
Pada linggi kemudi terdapat Nok kemudi (Rudderstops) agar daun kemudi pada waktu di putar tidak melewati batas maksimum cikar 350
Di dalam kopling kemudi terdapat baji yang gunanya untuk menahan dan membantu baut – baut kopling

Kemudi Berimbang adalah Kemudi yang daun kemudinya sebagian berada di belakang poros putar dan sebagian kecil berada di depan poros putarnya. Pada kemudi berimbang penuh 25 – 30 % bagian daun kemudi berada di depan poros putar, sedang sisanya berada di belakang poros putar. Pada kemudi semi berimbang bagian daun kemudi yang berada di depan poros putar lebih kecil dari 20

Cara menggantikan daun kemudi di Dok:

  1. kemudi di cikar kiri kanan dan di tahan dengan table lambung
  2. Baut dan flens koplink di buyka
  3. Kwadran kemudi dilepas di angkat dan di ganjal pake kayu
  4. Baja di buka
  5. Baut kemudi dan baut penutup di buk/dilepas
  6. Kencangkan tali pada block penahan
  7. Kemudian di dorong dari bawah,sebelum kemudi di coba sebaliknya

Peta

Peta dunia oleh Yohanes Kepler
Sebuah peta adalah representasi dua dimensi dari suatu ruang tiga dimensi. Ilmu yang mempelajari pembuatan peta disebut kartografi.
Banyak peta mempunyai skala, yang menentukan seberapa besar objek pada peta dalam keadaan yang sebenarnya. Kumpulan dari beberapa peta disebut atlas.

Barometer

Sebuah diagram menunjukkan barometer air raksa sederhana
Barometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan udara. Barometer umum digunakan dalam peramalan cuaca, dimana tekanan udara yang tinggi menandakan cuaca yang "bersahabat", sedangkan tekanan udara rendah menandakan kemungkinan badai.

Anemometer

Anemometer tipe corong
Anemometer adalah alat pengukur kecepatan angin yang banyak dipakai dalam bidang Meteorologi dan Geofisika atau stasiun prakiraan cuaca. Nama alat ini berasal dari kata Yunani anemos yang berarti angin. Perancang pertama dari alat ini adalah Leon Battista Alberti pada tahun 1450. Selain mengukur kecepatan angin, alat ini juga dapat mengukur besarnya tekanan angin itu.

Radar

RADAR
Radar (yang dalam bahasa Inggris merupakan singkatan dari Radio Detection and Ranging, yang berarti deteksi dan penjarakan radio) adalah suatu sistem gelombang elektromagnetik yang berguna untuk mendeteksi, mengukur jarak dan membuat map benda-benda seperti pesawat terbang, berbagai kendaraan bermotor dan informasi cuaca (hujan).
Panjang gelombang yang dipancarkan radar adalah beberapa milimeter hingga satu meter. Gelombang radio/sinyal yang dipancarkan dan dipantulkan dari suatu benda tertentu akan ditangkap oleh radar. Dengan menganalisa sinyal yang dipantulkan tersebut, pemantul sinyal dapat ditentukan lokasinya dan kadang-kadang dapat juga ditentukan jenisnya. Meskipun sinyal yang diterima relatif lemah/kecil, namun radio sinyal tersebut dapat dengan mudah dideteksi dan diperkuat oleh radar.

Daftar isi

 Sejarah

Seorang ahli fisika Inggris bernama James Clerk Maxwell mengembangkan dasar-dasar teori tentang elektromagnetik pada tahun 1865. Setahun kemudian, seorang ahli fisika asal Jerman bernama Heinrich Rudolf Hertz berhasil membuktikan teori Maxwell mengenai gelombang elektromagnetik dengan menemukan gelombang elektromagnetik itu sendiri.
Pendeteksian keberadaan suatu benda dengan menggunakan gelombang elektromagnetik pertama kali diterapkan oleh Christian Hülsmeyer pada tahun 1904. Bentuk nyata dari pendeteksian itu dilakukan dengan memperlihatkan kebolehan gelombang elektromagnetik dalam mendeteksi kehadiran suatu kapal pada cuaca yang berkabut tebal. Namun di kala itu, pendeteksian belum sampai pada kemampuan mengetahui jarak kapal tersebut.
Di tahun 1921, Albert Wallace Hull menemukan magnetron sebagai tabung pemancar sinyal/transmitter yang efisien. Kemudian transmitter berhasil ditempatkan pada kapal kayu dan pesawat terbang untuk pertama kalinya secara berturut-turut oleh A. H. Taylor dan L. C. Young di tahun 1922 dan L. A. Hyland dari Laboratorium Riset kelautan Amerika Serikat di tahun 1930.
Istilah radar sendiri pertama kali digunakan pada tahun 1941, menggantikan istilah dari singkatan Inggris RDF (Radio Directon Finding), namun perkembangan radar itu sendiri sudah mulai banyak dikembangkan sebelum Perang Dunia II oleh ilmuwan dari Amerika, Jerman, Prancis dan Inggris. Dari sekian banyak ilmuwan, yang paling berperan penting dalam pengembangan radar adalah Robert Watson-Watt asal Skotlandia, yang mulai melakukan penelitiannya mengenai cikal bakal radar pada tahun 1915. Di tahun 1920-an, ia bergabung dengan bagian radio National Physical Laboratory. Di tempat ini, ia mempelajari dan mengembangkan peralatan navigasi dan juga menara radio. Watson-Watt menjadi salah satu orang yang ditunjuk dan diberikan kebebasan penuh oleh Kementrian Udara dan Kementrian Produksi Pesawat Terbang untuk mengembangkan radar. Watson-Watt kemudian menciptakan radar yang dapat mendeteksi pesawat terbang yang sedang mendekat dari jarak 40 mil (sekitar 64 km). Dua tahun berikutnya, Inggris memiliki jaringan stasiun radar yang berfungsi untuk melindungi pantainya.
Pada awalnya, radar memiliki kekurangan, yakni gelombang elektromagnetik yang dipancarkannya terpancar di dalam gelombang yang tidak terputus-putus. Hal ini menyebabkan radar mampu mendeteksi kehadiran suatu benda, namun tidak pada lokasi yang tepat. Terobosan pun akhirnya terjadi di tahun 1936 dengan pengembangan radar berdenyut (pulsed). Dengan radar ini, sinyal diputus secara berirama sehingga memungkinkan untuk mengukur antara gema untuk mengetahui kecepatan dan arah yang tepat mengenai target.
Sementara itu, terobosan yang paling signifikan terjadi di tahun 1939 dengan ditemukannya pemancar gelombang mikro berkekuatan tinggi yang disempurnakan. Keunggulan dari pemancar ini adalah ketepatannya dalam mendeteksi keberadaan sasaran, tidak peduli dalam keadaan cuaca apapun. Keunggulan lainnya adalah bahwa gelombang ini dapat ditangkap menggunakan antena yang lebih kecil, sehingga radar dapat dipasang di pesawat terbang dan benda-benda lainnya. Hal ini yang pada akhirnya membuat Inggris menjadi lebih unggul dibandingkan negara-negara lainnya di dunia. Di tahun-tahun berikutnya, sistem radar berkembang lebih pesat lagi, baik dalam hal tingkat resolusi dan portabilitas yang lebih tinggi, maupun dalam hal peningkatan kemampuan sistem radar itu sendiri sebagai pertahanan militer.

 Konsep

Konsep radar adalah mengukur jarak dari sensor ke target. Ukuran jarak tersebut didapat dengan cara mengukur waktu yang dibutuhkan gelombang elektromagnetik selama penjalarannya mulai dari sensor ke target dan kembali lagi ke sensor.

 Klasifikasi

 Berdasarkan bentuk gelombang

  • Continuous Wave/CW (Gelombang Berkesinambungan), merupakan radar yang menggunakan transmitter dan antena penerima (receive antenna) secara terpisah, di mana radar ini terus menerus memancarkan gelombang elektromagnetik. Radar CW yang tidak termodulasi dapat mengukur kecepatan radial target serta posisi sudut target secara akurat. Radar CW yang tidak termodulasi biasanya digunakan untuk mengetahui kecepatan target dan menjadi pemandu rudal (missile guidance).
  • Pulsed Radars/PR (Radar Berdenyut), merupakan radar yang gelombang elektromagnetiknya diputus secara berirama. Frekuensi denyut radar (Pulse Repetition Frequency/PRF) dapat diklasifikasikan menjadi 3 bagian, yaitu PRF high, PRF medium dan PRF low.

 Jenis

Doppler Radar

Doppler radar merupakan jenis radar yang mengukur kecepatan radial dari sebuah objek yang masuk ke dalam daerah tangkapan radar dengan menggunakan Efek Doppler. Hal ini dilakukan dengan memancarkan sinyal microwave (gelombang mikro) ke objek lalu menangkap refleksinya, dan kemudian dianalisis perubahannya. Doppler radar merupakan jenis radar yang sangat akurat dalam mengukur kecepatan radial. Contoh Doppler radar adalah Weather Radar yang digunakan untuk mendeteksi cuaca.

 Bistatic Radar

Bistatic radar merupakan suatu jenis sistem radar yang komponennya terdiri dari pemancar sinyal (transmitter) dan penerima sinyal (receiver), di mana kedua komponen tersebut terpisah. Kedua komponen itu dipisahkan oleh suatu jarak yang dapat dibandingkan dengan jarak target/objek. Objek dapat dideteksi berdasarkan sinyal yang dipantulkan oleh objek tersebut ke pusat antena. Contoh Bistatic radar adalah Passive radar. Passive radar adalah sistem radar yang mendeteksi dan melacak objek dengan proses refleksi dari sumber non-kooperatif pencahayaan di lingkungan, seperti penyiaran komersial dan sinyal komunikasi.

 Sistem radar

Ada tiga komponen utama yang tersusun di dalam sistem radar, yaitu antena, transmitter (pemancar sinyal) dan receiver (penerima sinyal) .

 Antena

Antena yang terletak pada radar merupakan suatu antena reflektor berbentuk piring parabola yang menyebarkan energi elektromagnetik dari titik fokusnya dan dipantulkan melalui permukaan yang berbentuk parabola. Antena radar memiliki du akutub (dwikutub). Input sinyal yang masuk dijabarkan dalam bentuk phased-array (bertingkat atau bertahap). Ini merupakan sebaran unsur-unsur objek yang tertangkap antena dan kemudian diteruskan ke pusat sistem radar.

Pemancar sinyal (transmitter)

Pada sistem radar, pemancar sinyal (transmitter) berfungsi untuk memancarkan gelombang elektromagnetik melalui reflektor antena. Hal ini dilakukan agar sinyal objek yang berada didaerah tangkapan radar dapat dikenali. Pada umumnya, transmitter memiliki bandwidth dengan kapasitas yang besar. Transmitter juga memiliki tenaga yang cukup kuat, efisien, bisa dipercaya, ukurannya tidak terlalu besar dan tidak terlalu berat, serta mudah dalam hal perawatannya.

 Penerima sinyal (receiver)

Pada sistem radar, penerima sinyal (receiver) berfungsi sebagai penerima kembali pantulan gelombang elektromagnetik dari sinyal objek yang tertangkap oleh radar melalui reflektor antena. Pada umumnya, receiver memiliki kemampuan untuk menyaring sinyal yang diterimanya agar sesuai dengan pendeteksian yang diinginkan, dapat memperkuat sinyal objek yang lemah dan meneruskan sinyal objek tersebut ke pemroses data dan sinyal (signal and data processor), dan kemudian menampilkan gambarnya di layar monitor (display).

Selain tiga komponen di atas, sistem radar juga terdiri dari beberapa komponen pendukung lainnya, yaitu
  • Waveguide, berfungsi sebagai penghubung antara antena dan transmitter.
  • Duplexer, berfungsi sebagai tempat pertukaran atau peralihan antara antena dan penerima atau pemancar sinyal ketika antena digunakan dalam kedua situati tersebut.
  • Software, merupakan suatu bagian elektronik yang berfungsi mengontrol kerja seluruh perangkat dan antena ketika melakukan tugasnya masing-masing.

 Prinsip pengoperasian radar

Umumnya, radar beroperasi dengan cara menyebarkan tenaga elektromagnetik terbatas di dalam piringan antena. Tujuannya adalah untuk menangkap sinyal dari benda yang melintas di daerah tangkapan antena yang bersudut 20o – 40o. Ketika ada benda yang masuk ke dalam daerah tangkapan antena tersebut, maka sinyal dari benda tersebut akan ditangkap dan diteruskan ke pusat sitem radar untuk kemudian diproses sehingga benda tersebut nantinya akan tampak dalam layar monitor/display.

Global Positioning System

From Wikipedia, the free encyclopedia
Jump to: navigation, search
Artist's conception of GPS Block II-F satellite in orbit
Civilian GPS receiver ("GPS navigation device") in a marine application.
GPS receivers are now integrated in many mobile phones.
The Global Positioning System (GPS) is a space-based global navigation satellite system (GNSS) that provides reliable location and time information in all weather and at all times and anywhere on or near the Earth when and where there is an unobstructed line of sight to four or more GPS satellites. It is maintained by the United States government and is freely accessible by anyone with a GPS receiver.
The GPS project was started in 1973 to overcome the limitations of previous navigation systems,[1] integrating ideas from several predecessors, including a number of classified engineering design studies from the 1960s. GPS was created and realized by the U.S. Department of Defense (USDOD) and was originally run with 24 satellites. It became fully operational in 1994.
In addition to GPS, other systems are in use or under development. The Russian GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) was in use by the Russian military only until it was made fully available to civilians in 2007. There are also the planned Chinese Compass navigation system and the European Union's Galileo positioning system.

Contents

 History


The design of GPS is based partly on similar ground-based radio navigation systems, such as LORAN and the Decca Navigator developed in the early 1940s, and used during World War II. In 1956 Friedwardt Winterberg[2] proposed a test of general relativity using accurate atomic clocks placed in orbit in artificial satellites. To achieve accuracy requirements, GPS uses principles of general relativity to correct the satellites' atomic clocks. Additional inspiration for GPS came when the Soviet Union launched the first man-made satellite, Sputnik in 1957. A team of U.S. scientists led by Dr. Richard B. Kershner were monitoring Sputnik's radio transmissions. They discovered that, because of the Doppler effect, the frequency of the signal being transmitted by Sputnik was higher as the satellite approached, and lower as it continued away from them. They realized that because they knew their exact location on the globe, they could pinpoint where the satellite was along its orbit by measuring the Doppler distortion (see Transit (satellite)).
The first satellite navigation system, Transit, used by the United States Navy, was first successfully tested in 1960. It used a constellation of five satellites and could provide a navigational fix approximately once per hour. In 1967, the U.S. Navy developed the Timation satellite that proved the ability to place accurate clocks in space, a technology required by GPS. In the 1970s, the ground-based Omega Navigation System, based on phase comparison of signal transmission from pairs of stations,[3] became the first worldwide radio navigation system. Limitations of these systems drove the need for a more universal navigation solution with greater accuracy.
While there were wide needs for accurate navigation in military and civilian sectors, almost none of those were seen as justification for the billions of dollars it would cost in research, development, deployment, and operation for a constellation of navigation satellites. During the Cold War arms race, the nuclear threat to the existence of the United States was the one need that did justify this cost in the view of the United States Congress. This deterrent effect is why GPS was funded. The nuclear triad consisted of the United States Navy's submarine-launched ballistic missiles (SLBMs) along with United States Air Force (USAF) strategic bombers and intercontinental ballistic missiles (ICBMs). Considered vital to the nuclear deterrence posture, accurate determination of the SLBM launch position was a force multiplier.
Precise navigation would enable United States submarines to get an accurate fix of their positions prior to launching their SLBMs.[4] The USAF with two-thirds of the nuclear triad also had requirements for a more accurate and reliable navigation system. The Navy and Air Force were developing their own technologies in parallel to solve what was essentially the same problem. To increase the survivability of ICBMs, there was a proposal to use mobile launch platforms so the need to fix the launch position had similarity to the SLBM situation.
In 1960, the Air Force proposed a radio-navigation system called MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control) that was essentially a 3-D LORAN. A follow-on study called Project 57 was worked in 1963 and it was "in this study that the GPS concept was born." That same year the concept was pursued as Project 621B, which had "many of the attributes that you now see in GPS"[5] and promised increased accuracy for Air Force bombers as well as ICBMs. Updates from the Navy Transit system were too slow for the high speeds of Air Force operation. The Navy Research Laboratory continued advancements with their Timation (Time Navigation) satellites, first launched in 1967, and with the third one in 1974 carrying the first atomic clock into orbit.[6]
With these parallel developments in the 1960s, it was realized that a superior system could be developed by synthesizing the best technologies from 621B, Transit, Timation, and SECOR in a multi-service program.
During Labor Day weekend in 1973, a meeting of about 12 military officers at the Pentagon discussed the creation of a Defense Navigation Satellite System (DNSS). It was at this meeting that "the real synthesis that became GPS was created." Later that year, the DNSS program was named Navstar. With the individual satellites being associated with the name Navstar (as with the predecessors Transit and Timation), a more fully encompassing name was used to identify the constellation of Navstar satellites, Navstar-GPS, which was later shortened simply to GPS.[7]
After Korean Air Lines Flight 007, carrying 269 people, was shot down in 1983 after straying into the USSR's prohibited airspace,[8] in the vicinity of Sakhalin and Moneron Islands, President Ronald Reagan issued a directive making GPS freely available for civilian use, once it was sufficiently developed, as a common good.[9] The first satellite was launched in 1989, and the 24th satellite was launched in 1994.
Initially, the highest quality signal was reserved for military use, and the signal available for civilian use was intentionally degraded ("Selective Availability", SA). This changed with United States President Bill Clinton ordering Selective Availability turned off at midnight May 1, 2000, improving the precision of civilian GPS from 100 meters (about 300 feet) to 20 meters (about 65 feet). The United States military by then had the ability to deny GPS service to potential adversaries on a regional basis.[10]
GPS is owned and operated by the United States Government as a national resource. Department of Defense (USDOD) is the steward of GPS. Interagency GPS Executive Board (IGEB) oversaw GPS policy matters from 1996 to 2004. After that the National Space-Based Positioning, Navigation and Timing Executive Committee was established by presidential directive in 2004 to advise and coordinate federal departments and agencies on matters concerning the GPS and related systems. The executive committee is chaired jointly by the deputy secretaries of defense and transportation. Its membership includes equivalent-level officials from the departments of state, commerce, and homeland security, the joint chiefs of staff, and NASA. Components of the executive office of the president participate as observers to the executive committee, and the FCC chairman participates as a liaison.
USDOD is required by law to "maintain a Standard Positioning Service (as defined in the federal radio navigation plan and the standard positioning service signal specification) that will be available on a continuous, worldwide basis," and "develop measures to prevent hostile use of GPS and its augmentations without unduly disrupting or degrading civilian uses."

 Timeline and modernization

Summary of satellites[11]
Block Launch
Period
Satellite launches Currently in orbit
and healthy
Suc-
cess
Fail-
ure
In prep-
aration
Plan-
ned
I 1978–1985 10 1 0 0 0
II 1989–1990 9 0 0 0 0
IIA 1990–1997 19 0 0 0 10
IIR 1997–2004 12 1 0 0 12
IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7
IIF 2010–2011 1 0 11 0 1
IIIA 2014–? 0 0 0 12 0
IIIB
0 0 0 8 0
IIIC
0 0 0 16 0
Total 59 2 11 36 30
(Last update: 24 May 2010)
PRN 01 from Block IIR-M is unhealthy
PRN 25 from Block IIA is unhealthy
PRN 32 from Block IIA is unhealthy
[12] For a more complete list, see list of GPS satellite launches
  • In 1972, the USAF Central Inertial Guidance Test Facility (Holloman AFB), conducted developmental flight tests of two prototype GPS receivers over White Sands Missile Range, using ground-based pseudo-satellites.
  • In 1978, the first experimental Block-I GPS satellite was launched.
  • In 1983, after Soviet interceptor aircraft shot down the civilian airliner KAL 007 that strayed into prohibited airspace because of navigational errors, killing all 269 people on board, U.S. President Ronald Reagan announced that GPS would be made available for civilian uses once it was completed.[13][14]
  • By 1985, ten more experimental Block-I satellites had been launched to validate the concept.
  • On February 14, 1989, the first modern Block-II satellite was launched.
  • The Gulf War from 1990 to 1991, was the first conflict where GPS was widely used.[15]
  • In 1992, the 2nd Space Wing, which originally managed the system, was de-activated and replaced by the 50th Space Wing.
  • By December 1993, GPS achieved initial operational capability (IOC), indicating a full constellation (24 satellites) was available and providing the Standard Positioning Service (SPS).[16]
  • Full Operational Capability (FOC) was declared by Air Force Space Command (AFSPC) in April 1995, signifying full availability of the military's secure Precise Positioning Service (PPS).[16]
  • In 1996, recognizing the importance of GPS to civilian users as well as military users, U.S. President Bill Clinton issued a policy directive[17] declaring GPS to be a dual-use system and establishing an Interagency GPS Executive Board to manage it as a national asset.
  • In 1998, United States Vice President Al Gore announced plans to upgrade GPS with two new civilian signals for enhanced user accuracy and reliability, particularly with respect to aviation safety and in 2000 the United States Congress authorized the effort, referring to it as GPS III.
  • In 1998, GPS technology was inducted into the Space Foundation Space Technology Hall of Fame.
  • On May 2, 2000 "Selective Availability" was discontinued as a result of the 1996 executive order, allowing users to receive a non-degraded signal globally.
  • In 2004, the United States Government signed an agreement with the European Community establishing cooperation related to GPS and Europe's planned Galileo system.
  • In 2004, United States President George W. Bush updated the national policy and replaced the executive board with the National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing.[18]
  • November 2004, QUALCOMM announced successful tests of assisted GPS for mobile phones.[19]
  • In 2005, the first modernized GPS satellite was launched and began transmitting a second civilian signal (L2C) for enhanced user performance.
  • On September 14, 2007, the aging mainframe-based Ground Segment Control System was transferred to the new Architecture Evolution Plan.[20]
  • On May 19, 2009, the United States Government Accountability Office issued a report warning that some GPS satellites could fail as soon as 2010.[21]
  • On May 21, 2009, the Air Force Space Command allayed fears of GPS failure saying "There's only a small risk we will not continue to exceed our performance standard."[22]
  • On January 11, 2010, an update of ground control systems caused a software incompatibility with 8000 to 10000 military receivers manufactured by a division of Trimble Navigation Limited of Sunnyvale, Calif.[23]
  • The most recent launch was on May 28, 2010.[24] The oldest GPS satellite still in operation was launched on November 26, 1990, and became operational on December 10, 1990.[25]

 Awards

On February 10, 1993, the National Aeronautic Association selected the GPS Team as winners of the 1992 Robert J. Collier Trophy, the nation's most prestigious aviation award. This team combines researchers from the Naval Research Laboratory, the USAF, the Aerospace Corporation, Rockwell International Corporation, and IBM Federal Systems Company. The citation honors them "for the most significant development for safe and efficient navigation and surveillance of air and spacecraft since the introduction of radio navigation 50 years ago."
Two GPS developers received the National Academy of Engineering Charles Stark Draper Prize for 2003:
GPS developer Roger L. Easton received the National Medal of Technology on February 13, 2006.[26]
Francis X. Kane (Col. USAF, ret.) was inducted into the U.S. Air Force Space and Missile Pioneers Hall of Fame at Lackland A.F.B., San Antonio, Texas, March 2, 2010 for his role in space technology development and the engineering design concept of GPS conducted as part of Project 621B.

 Basic concept of GPS

A GPS receiver calculates its position by precisely timing the signals sent by GPS satellites high above the Earth. Each satellite continually transmits messages that include
  • the time the message was transmitted
  • precise orbital information (the ephemeris)
  • the general system health and rough orbits of all GPS satellites (the almanac).
The receiver uses the messages it receives to determine the transit time of each message and computes the distance to each satellite. These distances along with the satellites' locations are used with the possible aid of trilateration, depending on which algorithm is used, to compute the position of the receiver. This position is then displayed, perhaps with a moving map display or latitude and longitude; elevation information may be included. Many GPS units show derived information such as direction and speed, calculated from position changes.
Three satellites might seem enough to solve for position since space has three dimensions and a position near the Earth's surface can be assumed. However, even a very small clock error multiplied by the very large speed of light[27] — the speed at which satellite signals propagate — results in a large positional error. Therefore receivers use four or more satellites to solve for the receiver's location and time. The very accurately computed time is effectively hidden by most GPS applications, which use only the location. A few specialized GPS applications do however use the time; these include time transfer, traffic signal timing, and synchronization of cell phone base stations.
Although four satellites are required for normal operation, fewer apply in special cases. If one variable is already known, a receiver can determine its position using only three satellites. For example, a ship or aircraft may have known elevation. Some GPS receivers may use additional clues or assumptions (such as reusing the last known altitude, dead reckoning, inertial navigation, or including information from the vehicle computer) to give a less accurate (degraded) position when fewer than four satellites are visible.[28][29][30]

 Position calculation introduction

To provide an introductory description of how a GPS receiver works, error effects are deferred to a later section. Using messages received from a minimum of four visible satellites, a GPS receiver is able to determine the times sent and then the satellite positions corresponding to these times sent. The x, y, and z components of position, and the time sent, are designated as \scriptstyle\left[x_i,\, y_i,\, z_i,\, t_i\right] where the subscript i is the satellite number and has the value 1, 2, 3, or 4. Knowing the indicated, or uncorrected, time the message was received \scriptstyle\  t_\text{r, uncorr}, the GPS receiver can compute the uncorrected transit time of the message as \scriptstyle\left ( t_\text{r, uncorr}-t_i\right ) . Assuming the message traveled at the speed of light, c, the uncorrected distance traveled or pseudorange, \scriptstyle p_i can be computed as \scriptstyle\left ( t_\text{r, uncorr}-t_i\right )c.
A satellite's position and pseudorange define a sphere, centered on the satellite with radius equal to the pseudorange. The position of the receiver is somewhere on the surface of this sphere. Thus with four satellites, the indicated position of the GPS receiver is at or near the intersection of the surfaces of four spheres. In the ideal case of no errors, the GPS receiver would be at a precise intersection of the four surfaces.
If the surfaces of two spheres intersect at more than one point, they intersect in a circle. The article trilateration shows this mathematically. A figure, Two Sphere Surfaces Intersecting in a Circle, is shown below. Two points where the surfaces of the spheres intersect are clearly shown in the figure. The distance between these two points is the diameter of the circle of intersection.
Two sphere surfaces intersecting in a circle
The intersection of a third spherical surface with the first two will be its intersection with that circle; in most cases of practical interest, this means they intersect at two points.[31] Another figure, Surface of Sphere Intersecting a Circle (not a solid disk) at Two Points, illustrates the intersection. The two intersections are marked with dots. Again the article trilateration clearly shows this mathematically.
Surface of sphere Intersecting a circle (not a solid disk) at two points
For automobiles and other near-earth vehicles, the correct position of the GPS receiver is the intersection closest to the Earth's surface.[32] For space vehicles, the intersection farthest from Earth may be the correct one.
The correct position for the GPS receiver is also the intersection closest to the surface of the sphere corresponding to the fourth satellite.

 Correcting a GPS receiver's clock

One of the most significant error sources is the GPS receiver's clock. Because of the very large value of the speed of light, c, the estimated distances from the GPS receiver to the satellites, the pseudoranges, are very sensitive to errors in the GPS receiver clock; for example an error of one microsecond (0.000 001 second) corresponds to an error of 300 metres (980 ft). This suggests that an extremely accurate and expensive clock is required for the GPS receiver to work. Because manufacturers prefer to build inexpensive GPS receivers for mass markets, the solution for this dilemma is based on the way sphere surfaces intersect in the GPS problem.
Diagram depicting satellite 4, sphere, p4, r4, and da
It is likely that the surfaces of the three spheres intersect, because the circle of intersection of the first two spheres is normally quite large, and thus the third sphere surface is likely to intersect this large circle. It is very unlikely that the surface of the sphere corresponding to the fourth satellite will intersect either of the two points of intersection of the first three, because any clock error could cause it to miss intersecting a point. However, the distance from the valid estimate of GPS receiver position to the surface of the sphere corresponding to the fourth satellite can be used to compute a clock correction. Let \scriptstyle r_4 denote the distance from the valid estimate of GPS receiver position to the fourth satellite and let \scriptstyle p_4 denote the pseudorange of the fourth satellite. Let \scriptstyle da \,=\, r_4 \,-\, p_4. \scriptstyle da is the distance from the computed GPS receiver position to the surface of the sphere corresponding to the fourth satellite. Thus the quotient, \scriptstyle b_\text{r} \,=\, - da / c\ , provides an estimate of
(time indicated by the receiver's on-board clock) - (correct time),
and the GPS receiver clock can be advanced if \scriptstyle b_\text{r} is positive or delayed if \scriptstyle b_\text{r} is negative. However, it should be kept in mind that a less simple function of \scriptstyle da may be needed to estimate the time error in an iterative algorithm as discussed in the Navigation equations section.

 Structure

The current GPS consists of three major segments. These are the space segment (SS), a control segment (CS), and a user segment (U.S.).[33] The U.S. Air Force develops, maintains, and operates the space and control segments. GPS satellites broadcast signals from space, and each GPS receiver uses these signals to calculate its three-dimensional location (latitude, longitude, and altitude) and the current time.[34]
The space segment is composed of 24 to 32 satellites in medium Earth orbit and also includes the payload adapters to the boosters required to launch them into orbit. The control segment is composed of a master control station, an alternate master control station, and a host of dedicated and shared ground antennas and monitor stations. The user segment is composed of hundreds of thousands of U.S. and allied military users of the secure GPS Precise Positioning Service, and tens of millions of civil, commercial, and scientific users of the Standard Positioning Service (see GPS navigation devices).

[edit] Space segment

Unlaunched GPS satellite on display at the San Diego Air & Space Museum
A visual example of the GPS constellation in motion with the Earth rotating. Notice how the number of satellites in view from a given point on the Earth's surface, in this example at 45°N, changes with time.
The space segment (SS) is composed of the orbiting GPS satellites, or Space Vehicles (SV) in GPS parlance. The GPS design originally called for 24 SVs, eight each in three circular orbital planes,[35] but this was modified to six planes with four satellites each.[36] The orbital planes are centered on the Earth, not rotating with respect to the distant stars.[37] The six planes have approximately 55° inclination (tilt relative to Earth's equator) and are separated by 60° right ascension of the ascending node (angle along the equator from a reference point to the orbit's intersection).[38] The orbits are arranged so that at least six satellites are always within line of sight from almost everywhere on Earth's surface.[39] The result of this objective is that the four satellites are not evenly spaced (90 degrees) apart within each orbit. In general terms, the angular difference between satellites in each orbit is 30, 105, 120, and 105 degrees apart which, of course, sum to 360 degrees.
Orbiting at an altitude of approximately 20,200 kilometers (about 12,550 miles or 10,900 nautical miles; orbital radius of approximately 26,600 km (about 16,500 mi or 14,400 NM)), each SV makes two complete orbits each sidereal day, repeating the same ground track each day.[40] This was very helpful during development because even with only four satellites, correct alignment means all four are visible from one spot for a few hours each day. For military operations, the ground track repeat can be used to ensure good coverage in combat zones.
As of March 2008,[41] there are 31 actively broadcasting satellites in the GPS constellation, and two older, retired from active service satellites kept in the constellation as orbital spares. The additional satellites improve the precision of GPS receiver calculations by providing redundant measurements. With the increased number of satellites, the constellation was changed to a nonuniform arrangement. Such an arrangement was shown to improve reliability and availability of the system, relative to a uniform system, when multiple satellites fail.[42] About eight satellites are visible from any point on the ground at any one time (see animation at right).

 Control segment

Ground monitor station used from 1984 to 2007, on display at the Air Force Space & Missile Museum
The control segment is composed of
  1. a master control station (MCS),
  2. an alternate master control station,
  3. four dedicated ground antennas and
  4. six dedicated monitor stations
The MCS can also access U.S. Air Force Satellite Control Network (AFSCN) ground antennas (for additional command and control capability) and NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) monitor stations. The flight paths of the satellites are tracked by dedicated U.S. Air Force monitoring stations in Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado and Cape Canaveral, along with shared NGA monitor stations operated in England, Argentina, Ecuador, Bahrain, Australia and Washington DC.[43] The tracking information is sent to the Air Force Space Command's MCS at Schriever Air Force Base 25 km (16 miles) ESE of Colorado Springs, which is operated by the 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) of the U.S. Air Force. Then 2 SOPS contacts each GPS satellite regularly with a navigational update using dedicated or shared (AFSCN) ground antennas (GPS dedicated ground antennas are located at Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia, and Cape Canaveral). These updates synchronize the atomic clocks on board the satellites to within a few nanoseconds of each other, and adjust the ephemeris of each satellite's internal orbital model. The updates are created by a Kalman filter that uses inputs from the ground monitoring stations, space weather information, and various other inputs.[44]
Satellite maneuvers are not precise by GPS standards. So to change the orbit of a satellite, the satellite must be marked unhealthy, so receivers will not use it in their calculation. Then the maneuver can be carried out, and the resulting orbit tracked from the ground. Then the new ephemeris is uploaded and the satellite marked healthy again.

 User segment

GPS receivers come in a variety of formats, from devices integrated into cars, phones, and watches, to dedicated devices such as those shown here from manufacturers Trimble, Garmin and Leica (left to right).
The user segment is composed of hundreds of thousands of U.S. and allied military users of the secure GPS Precise Positioning Service, and tens of millions of civil, commercial and scientific users of the Standard Positioning Service. In general, GPS receivers are composed of an antenna, tuned to the frequencies transmitted by the satellites, receiver-processors, and a highly stable clock (often a crystal oscillator). They may also include a display for providing location and speed information to the user. A receiver is often described by its number of channels: this signifies how many satellites it can monitor simultaneously. Originally limited to four or five, this has progressively increased over the years so that, as of 2007, receivers typically have between 12 and 20 channels.[45]
A typical OEM GPS receiver module measuring 15×17 mm.
GPS receivers may include an input for differential corrections, using the RTCM SC-104 format. This is typically in the form of an RS-232 port at 4,800 bit/s speed. Data is actually sent at a much lower rate, which limits the accuracy of the signal sent using RTCM. Receivers with internal DGPS receivers can outperform those using external RTCM data. As of 2006, even low-cost units commonly include Wide Area Augmentation System (WAAS) receivers.
A typical GPS receiver with integrated antenna.
Many GPS receivers can relay position data to a PC or other device using the NMEA 0183 protocol. Although this protocol is officially defined by the National Marine Electronics Association (NMEA),[46] references to this protocol have been compiled from public records, allowing open source tools like gpsd to read the protocol without violating intellectual property laws. Other proprietary protocols exist as well, such as the SiRF and MTK protocols. Receivers can interface with other devices using methods including a serial connection, USB, or Bluetooth.

 Applications

While originally a military project, GPS is considered a dual-use technology, meaning it has significant military and civilian applications.
GPS has become a widely deployed and useful tool for commerce, scientific uses, tracking, and surveillance. GPS's accurate time facilitates everyday activities such as banking, mobile phone operations, and even the control of power grids by allowing well synchronized hand-off switching.[34]

Civilian

This antenna is mounted on the roof of a hut containing a scientific experiment needing precise timing.
Many civilian applications use one or more of GPS's three basic components: absolute location, relative movement, and time transfer.

 Restrictions on civilian use

The U.S. Government controls the export of some civilian receivers. All GPS receivers capable of functioning above 18 kilometers (11 mi) altitude and 515 metres per second (1,001 kn)[48] are classified as munitions (weapons) for which U.S. State Department export licenses are required. These limits attempt to prevent use of a receiver in a ballistic missile. They would not prevent use in a cruise missile because their altitudes and speeds are similar to those of ordinary aircraft.
This rule applies even to otherwise purely civilian units that only receive the L1 frequency and the C/A (Clear/Acquisition) code and cannot correct for Selective Availability (SA), etc.
Disabling operation above these limits exempts the receiver from classification as a munition. Vendor interpretations differ. The rule targets operation given the combination of altitude and speed, while some receivers stop operating even when stationary. This has caused problems with some amateur radio balloon launches that regularly reach 30 kilometers (19 mi).

 Military

Attaching a GPS guidance kit to a 'dumb' bomb, March 2003.
As of 2009, military applications of GPS include:
  • Navigation: GPS allows soldiers to find objectives, even in the dark or in unfamiliar territory, and to coordinate troop and supply movement. In the United States armed forces, commanders use the Commanders Digital Assistant and lower ranks use the Soldier Digital Assistant.[49][50][51][52]
  • Target tracking: Various military weapons systems use GPS to track potential ground and air targets before flagging them as hostile.[citation needed] These weapon systems pass target coordinates to precision-guided munitions to allow them to engage targets accurately. Military aircraft, particularly in air-to-ground roles, use GPS to find targets (for example, gun camera video from AH-1 Cobras in Iraq show GPS co-ordinates that can be viewed with special software.)
  • Missile and projectile guidance: GPS allows accurate targeting of various military weapons including ICBMs, cruise missiles and precision-guided munitions. Artillery projectiles. Embedded GPS receivers able to withstand accelerations of 12,000 g or about 118 km/s2 have been developed for use in 155 millimeters (6.1 in) howitzers.[53]
  • Search and Rescue: Downed pilots can be located faster if their position is known.
  • Reconnaissance: Patrol movement can be managed more closely.
  • GPS satellites carry a set of nuclear detonation detectors consisting of an optical sensor (Y-sensor), an X-ray sensor, a dosimeter, and an electromagnetic pulse (EMP) sensor (W-sensor), that form a major portion of the United States Nuclear Detonation Detection System.[54][55]

 Communication

The navigational signals transmitted by GPS satellites encode a variety of information including satellite positions, the state of the internal clocks, and the health of the network. These signals are transmitted on two separate carrier frequencies that are common to all satellites in the network. Two different encodings are used, a public encoding that enables lower resolution navigation, and an encrypted encoding used by the U.S. military.

 Message format

GPS message format
Subframes Description
1 Satellite clock,
GPS time relationship
2–3 Ephemeris
(precise satellite orbit)
4–5 Almanac component
(satellite network synopsis,
error correction)
Each GPS satellite continuously broadcasts a navigation message at a rate of 50 bits per second (see bitrate). Each complete message is composed of 30-second frames, distinct groupings of 1,500 bits of information. Each frame is further subdivided into 5 subframes of length 6 seconds and with 300 bits each. Each subframe contains 10 words of 30 bits with length 0.6 seconds each. Each 30 second frame begins precisely on the minute or half minute as indicated by the atomic clock on each satellite.[56]
The first part of the message encodes the week number and the time within the week,[57] as well as the data about the health of the satellite. The second part of the message, the ephemeris, provides the precise orbit for the satellite. The last part of the message, the almanac, contains coarse orbit and status information for all satellites in the network as well as data related to error correction.[58]
All satellites broadcast at the same frequencies. Signals are encoded using code division multiple access (CDMA) allowing messages from individual satellites to be distinguished from each other based on unique encodings for each satellite (that the receiver must be aware of). Two distinct types of CDMA encodings are used: the coarse/acquisition (C/A) code, which is accessible by the general public, and the precise (P) code, that is encrypted so that only the U.S. military can access it.
The ephemeris is updated every 2 hours and is generally valid for 4 hours, with provisions for updates every 6 hours or longer in non-nominal conditions. The almanac is updated typically every 24 hours. Additionally data for a few weeks following is uploaded in case of transmission updates that delay data upload.

 Satellite frequencies

GPS frequency overview
Band Frequency Description
L1 1575.42 MHz Coarse-acquisition (C/A) and encrypted precision P(Y) codes, plus the L1 civilian (L1C) and military (M) codes on future Block III satellites.
L2 1227.60 MHz P(Y) code, plus the L2C and military codes on the Block IIR-M and newer satellites.
L3 1381.05 MHz Used for nuclear detonation (NUDET) detection.
L4 1379.913 MHz Being studied for additional ionospheric correction.
L5 1176.45 MHz Proposed for use as a civilian safety-of-life (SoL) signal.
All satellites broadcast at the same two frequencies, 1.57542 GHz (L1 signal) and 1.2276 GHz (L2 signal). The satellite network uses a CDMA spread-spectrum technique where the low-bitrate message data is encoded with a high-rate pseudo-random (PRN) sequence that is different for each satellite. The receiver must be aware of the PRN codes for each satellite to reconstruct the actual message data. The C/A code, for civilian use, transmits data at 1.023 million chips per second, whereas the P code, for U.S. military use, transmits at 10.23 million chips per second. The L1 carrier is modulated by both the C/A and P codes, while the L2 carrier is only modulated by the P code.[59] The P code can be encrypted as a so-called P(Y) code that is only available to military equipment with a proper decryption key. Both the C/A and P(Y) codes impart the precise time-of-day to the user.
The L3 signal at a frequency of 1.38105 GHz is used by the United States Nuclear Detonation (NUDET) Detection System (USNDS) to detect, locate, and report nuclear detonations (NUDETs) in the Earth's atmosphere and near space.[60] One usage is the enforcement of nuclear test ban treaties.
The L4 band at 1.379913 GHz is being studied for additional ionospheric correction.
The L5 frequency band at 1.17645 GHZ was added in the process of GPS modernization. This frequency falls into an internationally protected range for aeronautical navigation, promising little or no interference under all circumstances. The first Block IIF satellite that would provide this signal is set to be launched in 2009.[61] The L5 consists of two carrier components that are in phase quadrature with each other. Each carrier component is bi-phase shift key (BPSK) modulated by a separate bit train.
A waiver has recently been granted to Lightspeed Corporation to operate a terrestrial broadband service in the L1 band. There is some concern that this will seriously degrade the GPS signal for many consumer uses.
gpsworld.com - report
saveourgps.org - campaign

 Demodulation and decoding

Demodulating and Decoding GPS Satellite Signals using the Coarse/Acquisition Gold code.
Because all of the satellite signals are modulated onto the same L1 carrier frequency, the signals must be separated after demodulation. This is done by assigning each satellite a unique binary sequence known as a Gold code. The signals are decoded after demodulation using addition of the Gold codes corresponding to the satellites monitored by the receiver.[62][63]
If the almanac information has previously been acquired, the receiver picks the satellites to listen for by their PRNs, unique numbers in the range 1 through 32. If the almanac information is not in memory, the receiver enters a search mode until a lock is obtained on one of the satellites. To obtain a lock, it is necessary that there be an unobstructed line of sight from the receiver to the satellite. The receiver can then acquire the almanac and determine the satellites it should listen for. As it detects each satellite's signal, it identifies it by its distinct C/A code pattern. There can be a delay of up to 30 seconds before the first estimate of position because of the need to read the ephemeris data.
Processing of the navigation message enables the determination of the time of transmission and the satellite position at this time. For more information see Demodulation and Decoding, Advanced.

 Navigation equations

The receiver uses messages received from four satellites to determine the satellite positions and time sent. The x, y, and z components of position and the time sent are designated as \ \left [x_i, y_i, z_i, t_i\right ] where the subscript i denotes the satellite and has the value 1, 2, 3, or 4. Knowing when the message was received \ \   t_\text{r}, the receiver computes the message's transit time as \ \left ( t_\text{r}-t_i\right ) . Assuming the message traveled at the speed of light (c) the distance traveled is \ \left ( t_\text{r}-t_i\right )c . Knowing the distance from receiver to satellite and the satellite's position implies that the receiver is on the surface of a sphere centered at the satellite's position. Thus the receiver is at or near the intersection of the surfaces of four spheres. In the ideal case of no errors, the receiver is at the intersection of the surfaces of four spheres. Excluding the unrealistic case (for GPS purposes) of two coincident spheres, the surfaces of two intersecting spheres is either a point (if they merely touch) or a circle as depicted in the illustration below. Two of the points where the surfaces of the spheres intersect are clearly marked on the figure. The distance between these two points is the diameter of the circle of intersection.
Two sphere surfaces intersecting in a circle
This can be seen more clearly by considering a side view of the intersecting spheres. This view would match the figure because of the symmetry of the spheres. A view from any horizontal direction would look exactly the same. Therefore the diameter as seen from all directions is the same and thus the surfaces actually do intersect in a circle. The article trilateration algebraically confirms this geometric argument that the two sphere surfaces intersect in a circle.
Having found that two sphere surfaces intersect in a circle, we now consider how the intersection of the first two sphere surfaces, the circle, intersect with the third sphere. A circle and sphere surface intersect at zero, one or two points. For the GPS problem we are concerned with the case of two points of intersection. Another figure, Surface of Sphere Intersecting a Circle (not a solid disk) at Two Points, is shown below to aid in visualizing this intersection. Trilateration algebraically confirms this geometric observation. The ambiguity of two points of intersection of three sphere surfaces can be resolved by noting the point that is closest to the fourth sphere surface.
Surface of a sphere intersecting a circle (i.e., the edge of a disk) at two points
Having provided a discussion of how sphere surfaces intersect, we now formulate the equations for the case when errors are present.
Let \ \ b denote the clock error or bias, the amount that the receiver's clock is off. The receiver has four unknowns, the three components of GPS receiver position and the clock bias \ \left [x, y, z, b\right ]. The equation of the sphere surfaces are given by: (x-x_i)^2 + (y-y_i)^2 + (z-z_i)^2 = \bigl([ t_\text{r} + b - t_i]c\bigr)^2,
\;i=1,2,3,4
Another useful form of these equations is in terms of pseudoranges, which are the approximate ranges based on the receiver clock's uncorrected time so that  p_i = \left ( t_\text{r} - t_i \right )c. Then the equations becomes:
p_i = \sqrt{(x-x_i)^2 + (y-y_i)^2 + (z-z_i)^2}- bc, \;i=1,2,3,4.

[edit] Methods of solution of navigation equations

The navigation equations can be solved by an algebraic method, called the Bancroft Method or by numerical methods involving trilateration or multidimensional root finding.

 Bancroft's method

Bancroft's method is perhaps the most important method of solving the navigation equations because it involves an algebraic as opposed to numerical method.[64] The method requires at least four satellites but more can be used.

 Trilateration

The receiver can use trilateration [65][66] and one dimensional numerical root finding.[67] Trilateration is used to determine the intersection of the surfaces of three spheres. In the usual case of two intersections, the point nearest the surface of the sphere corresponding to the fourth satellite is chosen. The Earth's surface can also sometimes be used instead, especially by civilian GPS receivers, because it is illegal in the United States to track vehicles more than 60,000 feet (18,000 m) in altitude.[citation needed] Let da denote the signed magnitude of the vector from the receiver position to the fourth satellite (i.e. da = r4 - p4) as defined in the section, Correcting a GPS receiver's clock. da is a function of the correction because the correction changes the satellite transmission times and thus the pseudoranges. The notation, da(correction) denotes this function. The problem is to determine the correction such that
da\left(correction\right) = 0.
This is the familiar problem of finding the zeroes of a one dimensional non-linear function of a scalar variable. Iterative numerical methods, such as those found in the chapter on root finding in Numerical Recipes can solve this type of problem.[67] One advantage of this method is that it involves one dimensional as opposed to multidimensional numerical root finding.

 Multidimensional Newton-Raphson calculations

  • Alternatively, multidimensional root finding method such as Newton-Raphson method can be used.[67] The approach is to linearize around an approximate solution, say \ \left [x_\text{r}^{(k)}, y_\text{r}^{(k)}, z_\text{r}^{(k)}, b_\text{r}^{(k)}\right ] from iteration k, then solve four linear equations derived from the quadratic equations above to obtain \left [x_\text{r}^{(k+1)}, y_\text{r}^{(k+1)}, z_\text{r}^{(k+1)}, b_\text{r}^{(k+1)}\right ]. The Newton-Raphson method is more rapidly convergent than other methods of numerical root finding.[67] A disadvantage of this multidimensional root finding method as compared to single dimensional root findiing is that, "There are no good general methods for solving systems of more than one nonlinear equations."[67]
  • When more than four satellites are available, the calculation can use the four best or more than four, considering number of channels, processing capability, and geometric dilution of precision (GDOP). Using more than four is an over-determined system of equations with no unique solution, which must be solved by least-squares or a similar technique.[64] If all visible satellites are used, the results are as good as or better than using the four best. Errors can be estimated through the residuals. With each combination of four or more satellites, a GDOP factor can be calculated, based on the relative sky directions of the satellites used.[68] As more satellites are picked up, pseudoranges from various 4-way combinations can be processed to add more estimates to the location and clock offset. The receiver then takes the weighted average of these positions and clock offsets. After the final location and time are calculated, the location is expressed in a specific coordinate system such as latitude and longitude, using the WGS 84 geodetic datum or a country-specific system.[69]
  • Finally, results from other positioning systems such as GLONASS or the upcoming Galileo can be incorporated or used to check the result. (By design, these systems use the same frequency bands, so much of the receiver circuitry can be shared, though the decoding is different.)

 Error sources and analysis

Error analysis for the Global Positioning System is interesting, is important for understanding how GPS works, and is important for knowing what magnitude errors should be expected. GPS errors are affected by geometric dilution of precision and depend on signal arrival time errors, numerical errors, atmospherics effects, ephemeris erros, multipath errors and other effects.

Accuracy enhancement and surveying

 Augmentation

Integrating external information into the calculation process can materially improve accuracy. Such augmentation systems are generally named or described based on how the information arrives. Some systems transmit additional error information (such as clock drift, ephemera, or ionospheric delay), others characterize prior errors, while a third group provides additional navigational or vehicle information.
Examples of augmentation systems include the Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), Differential GPS, Inertial Navigation Systems (INS) and Assisted GPS.

 Precise monitoring

Accuracy can be improved through precise monitoring and measurement of existing GPS signals in additional or alternate ways.
The largest remaining error is usually the unpredictable delay through the ionosphere. The spacecraft broadcast ionospheric model parameters, but errors remain. This is one reason GPS spacecraft transmit on at least two frequencies, L1 and L2. Ionospheric delay is a well-defined function of frequency and the total electron content (TEC) along the path, so measuring the arrival time difference between the frequencies determines TEC and thus the precise ionospheric delay at each frequency.
Military receivers can decode the P(Y)-code transmitted on both L1 and L2. Without decryption keys, it is still possible to use a codeless technique to compare the P(Y) codes on L1 and L2 to gain much of the same error information. However, this technique is slow, so it is currently available only on specialized surveying equipment. In the future, additional civilian codes are expected to be transmitted on the L2 and L5 frequencies (see GPS modernization). Then all users will be able to perform dual-frequency measurements and directly compute ionospheric delay errors.
A second form of precise monitoring is called Carrier-Phase Enhancement (CPGPS). This corrects the error that arises because the pulse transition of the PRN is not instantaneous, and thus the correlation (satellite-receiver sequence matching) operation is imperfect. CPGPS uses the L1 carrier wave, which has a period of  \frac{1\ \mathrm{sec}}{1575.42 * 10^6} = 0.63475 \  \mathrm{nanoseconds} \approx 1 \ \mathrm{nanosecond} \ , which is about one-thousandth of the C/A Gold code bit period of  \frac{1\ \mathrm{sec}}{1023 * 10^3} = 977.5 \ \mathrm{nanosecond} \   \approx 1000 \ \mathrm{nanosecond} \ , to act as an additional clock signal and resolve the uncertainty. The phase difference error in the normal GPS amounts to 2–3 metres (6.6–9.8 ft) of ambiguity. CPGPS working to within 1% of perfect transition reduces this error to 3 centimeters (1.2 in) of ambiguity. By eliminating this error source, CPGPS coupled with DGPS normally realizes between 20–30 centimetres (7.9–12 in) of absolute accuracy.
Relative Kinematic Positioning (RKP) is a third alternative for a precise GPS-based positioning system. In this approach, determination of range signal can be resolved to a precision of less than 10 centimeters (3.9 in). This is done by resolving the number of cycles that the signal is transmitted and received by the receiver by using a combination of differential GPS (DGPS) correction data, transmitting GPS signal phase information and ambiguity resolution techniques via statistical tests—possibly with processing in real-time (real-time kinematic positioning, RTK).

 Timekeeping

 Timekeeping and leap seconds

While most clocks are synchronized to Coordinated Universal Time (UTC), the atomic clocks on the satellites are set to GPS time (GPST; see the page of United States Naval Observatory). The difference is that GPS time is not corrected to match the rotation of the Earth, so it does not contain leap seconds or other corrections that are periodically added to UTC. GPS time was set to match Coordinated Universal Time (UTC) in 1980, but has since diverged. The lack of corrections means that GPS time remains at a constant offset with International Atomic Time (TAI) (TAI - GPS = 19 seconds). Periodic corrections are performed on the on-board clocks to correct relativistic effects and keep them synchronized with ground clocks.[citation needed]
The GPS navigation message includes the difference between GPS time and UTC, which as of 2011 is 15 seconds because of the leap second added to UTC December 31, 2008. Receivers subtract this offset from GPS time to calculate UTC and specific timezone values. New GPS units may not show the correct UTC time until after receiving the UTC offset message. The GPS-UTC offset field can accommodate 255 leap seconds (eight bits) that, given the current period of the Earth's rotation (with one leap second introduced approximately every 18 months), should be sufficient to last until approximately the year 2300.

 Timekeeping accuracy

GPS time is accurate to about 14ns.[70]

 Timekeeping format

As opposed to the year, month, and day format of the Gregorian calendar, the GPS date is expressed as a week number and a seconds-into-week number. The week number is transmitted as a ten-bit field in the C/A and P(Y) navigation messages, and so it becomes zero again every 1,024 weeks (19.6 years). GPS week zero started at 00:00:00 UTC (00:00:19 TAI) on January 6, 1980, and the week number became zero again for the first time at 23:59:47 UTC on August 21, 1999 (00:00:19 TAI on August 22, 1999). To determine the current Gregorian date, a GPS receiver must be provided with the approximate date (to within 3,584 days) to correctly translate the GPS date signal. To address this concern the modernized GPS navigation message uses a 13-bit field that only repeats every 8,192 weeks (157 years), thus lasting until the year 2137 (157 years after GPS week zero).

 Carrier phase tracking (surveying)

Another method that is used in surveying applications is carrier phase tracking. The period of the carrier frequency times the speed of light gives the wavelength, which is about 0.19 meters for the L1 carrier. Accuracy within 1% of wavelength in detecting the leading edge, reduces this component of pseudorange error to as little as 2 millimeters. This compares to 3 meters for the C/A code and 0.3 meters for the P code.
However, 2 millimeter accuracy requires measuring the total phase—the number of waves times the wavelength plus the fractional wavelength, which requires specially equipped receivers. This method has many surveying applications.
Triple differencing followed by numerical root finding, and a mathematical technique called least squares can estimate the position of one receiver given the position of another. First, compute the difference between satellites, then between receivers, and finally between epochs. Other orders of taking differences are equally valid. Detailed discussion of the errors is omitted.
The satellite carrier total phase can be measured with ambiguity as to the number of cycles. Let \ \phi(r_i, s_j, t_k) denote the phase of the carrier of satellite j measured by receiver i at time \ \ t_k . This notation shows the meaning of the subscripts i, j, and k. The receiver (r), satellite (s), and time (t) come in alphabetical order as arguments of \ \phi and to balance readability and conciseness, let \ \phi_{i,j,k} = \phi(r_i, s_j, t_k) be a concise abbreviation. Also we define three functions, :\ \Delta^r, \Delta^s, \Delta^t , which return differences between receivers, satellites, and time points, respectively. Each function has variables with three subscripts as its arguments. These three functions are defined below. If \  \alpha_{i,j,k} is a function of the three integer arguments, i, j, and k then it is a valid argument for the functions, :\ \Delta^r, \Delta^s, \Delta^t , with the values defined as
\ \Delta^r(\alpha_{i,j,k}) = \alpha_{i+1,j,k} - \alpha_{i,j,k} ,
\ \Delta^s(\alpha_{i,j,k}) = \alpha_{i,j+1,k} - \alpha_{i,j,k} , and
\ \Delta^t(\alpha_{i,j,k}) = \alpha_{i,j,k+1} - \alpha_{i,j,k}  .
Also if \  \alpha_{i,j,k}\ and\ \beta_{l,m,n} are valid arguments for the three functions and a and b are constants then \ ( a\ \alpha_{i,j,k} + b\ \beta_{l,m,n} ) is a valid argument with values defined as
\ \Delta^r(a\ \alpha_{i,j,k} + b\ \beta_{l,m,n}) = a \ \Delta^r(\alpha_{i,j,k}) +  b \ \Delta^r(\beta_{l,m,n}),
\ \Delta^s(a\ \alpha_{i,j,k} + b\ \beta_{l,m,n} )= a \ \Delta^s(\alpha_{i,j,k}) +  b \ \Delta^s(\beta_{l,m,n}), and
\ \Delta^t(a\ \alpha_{i,j,k} + b\ \beta_{l,m,n} )= a \ \Delta^t(\alpha_{i,j,k}) +  b \ \Delta^t(\beta_{l,m,n}) .
Receiver clock errors can be approximately eliminated by differencing the phases measured from satellite 1 with that from satellite 2 at the same epoch.[71] This difference is designated as \ \Delta^s(\phi_{1,1,1}) =  \phi_{1,2,1} - \phi_{1,1,1}
Double differencing[72] computes the difference of receiver 1's satellite difference from that of receiver 2. This approximately eliminates satellite clock errors. This double difference is:
\begin{align}
\Delta^r(\Delta^s(\phi_{1,1,1}))\,&=\,\Delta^r(\phi_{1,2,1} - \phi_{1,1,1})
                                  &=\,\Delta^r(\phi_{1,2,1}) - \Delta^r(\phi_{1,1,1})
                                  &=\,(\phi_{2,2,1}  - \phi_{1,2,1}) - (\phi_{2,1,1} - \phi_{1,1,1})
\end{align}
Triple differencing[73] subtracts the receiver difference from time 1 from that of time 2. This eliminates the ambiguity associated with the integral number of wave lengths in carrier phase provided this ambiguity does not change with time. Thus the triple difference result eliminates practically all clock bias errors and the integer ambiguity. Atmospheric delay and satellite ephemeris errors have been significantly reduced. This triple difference is:
\ \Delta^t(\Delta^r(\Delta^s(\phi_{1,1,1})))
Triple difference results can be used to estimate unknown variables. For example if the position of receiver 1 is known but the position of receiver 2 unknown, it may be possible to estimate the position of receiver 2 using numerical root finding and least squares. Triple difference results for three independent time pairs quite possibly will be sufficient to solve for receiver 2's three position components. This may require the use of a numerical procedure.[74][75] An approximation of receiver 2's position is required to use such a numerical method. This initial value can probably be provided from the navigation message and the intersection of sphere surfaces. Such a reasonable estimate can be key to successful multidimensional root finding. Iterating from three time pairs and a fairly good initial value produces one observed triple difference result for receiver 2's position. Processing additional time pairs can improve accuracy, overdetermining the answer with multiple solutions. Least squares can estimate an overdetermined system. Least squares determines the position of receiver 2 which best fits the observed triple difference results for receiver 2 positions under the criterion of minimizing the sum of the squares.

Other systems

Other satellite navigation systems in use or various states of development include:
  • European Union Galileo – a global system being developed by the European Union and other partner countries, planned to be operational by 2014
  • People's Republic of China BeidouPeople's Republic of China's regional system, covering Asia and the West Pacific[76]
  • People's Republic of China COMPASS – People's Republic of China's global system, planned to be operational by 2020[77][78]
  • Russia GLONASSRussia's global navigation system
  • India IRNSSIndia's regional navigation system, planned to be operational by 2012, covering India and Northern Indian Ocean[79]
  • Japan QZSSJapanese regional system covering Asia and Oceania

 See also

 Notes

  1. ^ National Research Council (U.S.). Committee on the Future of the Global Positioning System; National Academy of Public Administration (1995). The global positioning system: a shared national asset : recommendations for technical improvements and enhancements. National Academies Press. p. 16. ISBN 0-309-05283-1. http://books.google.com/books?id=FAHk65slfY4C. , Chapter 1, p. 16
  2. ^ Astronautica Acta II, 25 (1956)
  3. ^ Jerry Proc. "Omega". Jproc.ca. http://www.jproc.ca/hyperbolic/omega.html. Retrieved 2009-12-08. 
  4. ^ "Why Did the Department of Defense Develop GPS?". Trimble Navigation Ltd. Archived from the original on 2007-10-18. http://web.archive.org/web/20071018151253/http://www.trimble.com/gps/whygps.shtml#0. Retrieved 2010-01-13. 
  5. ^ "Charting a Course Toward Global Navigation". The Aerospace Corporation. http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2002/01.html. Retrieved 2010-01-14. 
  6. ^ "A Guide To The Global Positioning System (GPS) — GPS Timeline". Radio Shack. http://support.radioshack.com/support_tutorials/gps/gps_tmline.htm. Retrieved 2010-01-14. 
  7. ^ Michael Russell Rip, James M. Hasik (2002). The Precision Revolution: GPS and the Future of Aerial Warfare. Naval Institute Press. p. 65. ISBN 1557509735. http://books.google.com/?id=mB9W3H90KDUC. Retrieved 2010-01-14. 
  8. ^ "ICAO Completes Fact-Finding Investigation". International Civil Aviation Organization. http://www.icao.int/cgi/goto_m.pl?icao/en/trivia/kal_flight_007.htm. Retrieved 2008-09-15. 
  9. ^ "United States Updates Global Positioning System Technology". America.gov. February 3, 2006. http://www.america.gov/xarchives/display.html?p=washfile-english&y=2006&m=February&x=20060203125928lcnirellep0.5061609. 
  10. ^ "GPS & Selective Availability Q&A". [1]. http://ngs.woc.noaa.gov/FGCS/info/sans_SA/docs/GPS_SA_Event_QAs.pdf. Retrieved 2010-05-28. 
  11. ^ GPS Wing Reaches GPS III IBR Milestone in InsideGNSS November 10, 2008
  12. ^ "GPS almanacs". Navcen.uscg.gov. http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs. Retrieved 2010-10-15. 
  13. ^ Dietrich Schroeer, Mirco Elena (2000). Technology Transfer. Ashgate. p. 80. ISBN 075462045X. http://books.google.com/?id=I7JRAAAAMAAJ. Retrieved 2008-05-25. 
  14. ^ Michael Russell Rip, James M. Hasik (2002). The Precision Revolution: GPS and the Future of Aerial Warfare. Naval Institute Press. ISBN 1557509735. http://books.google.com/?id=_wpUAAAAMAAJ. Retrieved 2008-05-25. 
  15. ^ The Global Positioning System: Assessing National Policies, p.245. RAND corporation
  16. ^ a b "USNO NAVSTAR Global Positioning System". U.S. Naval Observatory. http://tycho.usno.navy.mil/gpsinfo.html. Retrieved 2011-01-07. 
  17. ^ National Archives and Records Administration. U.S. Global Positioning System Policy. March 29, 1996.
  18. ^ "National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing". Pnt.gov. http://pnt.gov/. Retrieved 2010-10-15. 
  19. ^ "Assisted-GPS Test Calls for 3G WCDMA Networks". 3g.co.uk. November 10, 2004. http://www.3g.co.uk/PR/November2004/8641.htm. Retrieved 2010-11-24. 
  20. ^ This story was written by 010907 (2007-09-17). "losangeles.af.mil". losangeles.af.mil. http://www.losangeles.af.mil/news/story.asp?id=123068412. Retrieved 2010-10-15. 
  21. ^ Johnson, Bobbie (May 19, 2009). "GPS system 'close to breakdown'". The Guardian. http://www.guardian.co.uk/technology/2009/may/19/gps-close-to-breakdown. Retrieved 2009-12-08. 
  22. ^ Coursey, David (May 21, 2009). "Air Force Responds to GPS Outage Concerns". ABC News. http://abcnews.go.com/Technology/AheadoftheCurve/story?id=7647002&page=1. Retrieved 2009-05-22. 
  23. ^ "Air Force GPS Problem: Glitch Shows How Much U.S. Military Relies On GPS". Huffingtonpost.comm. http://www.huffingtonpost.com/2010/06/01/air-force-gps-problem-gli_n_595727.html. Retrieved 2010-10-15. 
  24. ^ "United States Naval Observatory (USNO) GPS Constellation Status". ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpstd.txt. Retrieved 2009-10-13. 
  25. ^ United States Naval Observatory. GPS Constellation Status. Retrieved December 20, 2008.
  26. ^ United States Naval Research Laboratory. National Medal of Technology for GPS. November 21, 2005
  27. ^ GPS signals travel at the speed of light, so computing the distance for a given elapsed time is almost a straightforward calculation. However, the speed of light varies slightly between the partial vacuum of space and the atmosphere. A receiver can approximate these effects and produce a reasonable estimate. Once a rough position is determined, some receivers carefully compute the amount of atmosphere the signal traveled through and adjust the distance accordingly.
  28. ^ Georg zur Bonsen, Daniel Ammann, Michael Ammann, Etienne Favey, Pascal Flammant (2005-04-01). "Continuous Navigation Combining GPS with Sensor-Based Dead Reckoning". GPS World. Archived from the original on 2006-11-11. http://web.archive.org/web/20061111202317/http://www.gpsworld.com/gpsworld/article/articleDetail.jsp?id=154870&pageID=6. 
  29. ^ "NAVSTAR GPS User Equipment Introduction" (PDF). United States Government. http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/gpsuser/gpsuser.pdf.  Chapter 7
  30. ^ "GPS Support Notes" (PDF). January 19, 2007. http://www.navmanwireless.com/uploads/EK/C8/EKC8zb1ITsNwDqWcqLQxiQ/Support_Notes_GPS_OperatingParameters.pdf. Retrieved 2008-11-10. [dead link]
  31. ^ It is also possible for a circle and a spherical surface to intersect at zero points, one point, or in the very special case where the centers of the three spheres are co-linear (i.e., all three on the same straight line) the sphere surface could intersect the entire circumference of the circle.
  32. ^ The two intersections are symmetrical about the plane containing the three satellites. Excluding the exceptional case when the three satellites are all in a plane containing the center of the earth, one intersection will be nearer the earth than the other.
  33. ^ John Pike. "GPS III Operational Control Segment (OCX)". Globalsecurity.org. http://www.globalsecurity.org/space/systems/gps_3-ocx.htm. Retrieved 2009-12-08. 
  34. ^ a b "Global Positioning System". Gps.gov. http://www.gps.gov/systems/gps/index.html. Retrieved 2010-06-26. 
  35. ^ Daly, P.. "Navstar GPS and GLONASS: global satellite navigation systems". IEEE. http://ieeexplore.ieee.org/iel1/2219/7072/00285510.pdf?arnumber=285510. 
  36. ^ Dana, Peter H. (1996-08-08). "GPS Orbital Planes" (GIF). http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/oplanes.gif. 
  37. ^ What the Global Positioning System Tells Us about Relativity. Retrieved January 2, 2007.
  38. ^ GPS Overview from the NAVSTAR Joint Program Office. Retrieved December 15, 2006.
  39. ^ "USCG Navcen: GPS Frequently Asked Questions". http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsFaq. Retrieved 2007-01-31. 
  40. ^ Agnew, D.C. and Larson, K.M. (2007). "Finding the repeat times of the GPS constellation". GPS Solutions (Springer) 11 (1): 71–76. doi:10.1007/s10291-006-0038-4.  This article from author's web site, with minor correction.
  41. ^ Tis-pf-nisws. "Nanu 2008030". http://cgls.uscg.mil/pipermail/gps/2008-March/001625.html. 
  42. ^ Massatt, Paul; Wayne Brady (Summer 2002). "Optimizing performance through constellation management". Crosslink: 17–21. http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2002/index.html. 
  43. ^ United States Coast Guard General GPS News 9-9-05
  44. ^ USNO NAVSTAR Global Positioning System. Retrieved May 14, 2006.
  45. ^ Though there are many receiver manufacturers, they almost all use one of the chipsets produced for this purpose. An example: "GPS Receiver Chip Performance Survey". GPS Technology Reviews. http://gpstekreviews.com/2007/04/14/gps-receiver-chip-performance-survey/. 
  46. ^ "Publications and Standards from the National Marine Electronics Association (NMEA)". National Marine Electronics Association. http://www.nmea.org/pub/index.html. Retrieved 2008-06-27. 
  47. ^ "Spotlight GPS pet locator". Spotlightgps.com. http://www.spotlightgps.com/. Retrieved 2010-10-15. 
  48. ^ Arms Control Association.Missile Technology Control Regime. Retrieved May 17, 2006.
  49. ^ Commanders Digital Assistant explanation and photo
  50. ^ "Latest version Commanders Digital Assistant" (PDF). http://peosoldier.army.mil/factsheets/SWAR_LW_CDA.pdf. Retrieved 2009-10-13. 
  51. ^ Soldier Digital Assistant explanation and photo
  52. ^ Sinha, Vandana (2003-07-24). "Commanders and Soldiers' GPS-receivers". Gcn.com. http://gcn.com/articles/2003/07/24/soldiers-take-digital-assistants-to-war.aspx. Retrieved 2009-10-13. 
  53. ^ "XM982 Excalibur Precision Guided Extended Range Artillery Projectile". GlobalSecurity.org. 2007-05-29. http://www.globalsecurity.org/military/systems/munitions/m982-155.htm. Retrieved 2007-09-26. 
  54. ^ Sandia National Laboratory's Nonproliferation programs and arms control technology.
  55. ^ Dr. Dennis D. McCrady. "The GPS Burst Detector W-Sensor". Sandia National Laboratories. http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/10176800-S2tU7w/native/10176800.pdf. 
  56. ^ "Satellite message format". Gpsinformation.net. http://gpsinformation.net/gpssignal.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  57. ^ Michael Woessner, Anja Koehne. "time-of-week". Kowoma.de. http://www.kowoma.de/en/gps/data_composition.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  58. ^ "Interface Specification IS-GPS-200, Revision D: Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces" (PDF). Navstar GPS Joint Program Office. http://www.losangeles.af.mil/shared/media/document/AFD-070803-059.pdf.  Page 103.
  59. ^ How GPS works. Konowa.de (2005).
  60. ^ United States Nuclear Detonation Detection System (USNDS)
  61. ^ First GPS IIF Satellite Undergoes Environmental Testing. GPS World. November 5, 2007.
  62. ^ "GPS Almanacs, NANUS, and Ops Advisories (including archives)". GPS Almanac Information. United States Coast Guard. http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs. Retrieved 2009-09-09. 
  63. ^ "George, M., Hamid, M., and Miller A. Gold Code Generators in Virtex DevicesPDF (126 KB)
  64. ^ a b "Global Positioning Systems" (PDF). http://www.macalester.edu/~halverson/math36/GPS.pdf. Retrieved 2010-10-15. 
  65. ^ Position Determination with GPS. Konowa.de (2005).
  66. ^ How GPS Receivers Work at How Stuff Works
  67. ^ a b c d e Press, Flannery, Tekolsky, and Vetterling 1986, Numerical Recipes, The Art of Scientific Computing (Cambridge University Press).
  68. ^ Dana, Peter H.. "Geometric Dilution of Precision (GDOP) and Visibility". University of Colorado at Boulder. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html#Gdop. Retrieved 2008-07-07. 
  69. ^ Peter H. Dana. "Receiver Position, Velocity, and Time". University of Colorado at Boulder. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html#PosVelTime. Retrieved 2008-07-07. 
  70. ^ David W. Allan (1997). "The Science of Timekeeping". Hewlett Packard. http://www.allanstime.com/Publications/DWA/Science_Timekeeping/index.html. 
  71. ^ "Between-Satellite Differencing". Gmat.unsw.edu.au. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap6/633.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  72. ^ "Double differencing". Gmat.unsw.edu.au. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap6/635.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  73. ^ "Triple differencing". Gmat.unsw.edu.au. http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap6/636.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  74. ^ chapter on root finding and nonlinear sets of equations
  75. ^ Preview of Root Finding. Books.google.com. http://books.google.com/books?id=UQW_VL2H56IC&pg=PA959&lpg=PA959&dq=%22Numerical+Analysis%22+multidimension++root+finding&source=web&ots=PLUUjn-33v&sig=P7btHJELgxmVpNI6_SnYjVZvUJc&hl=en&sa=X&oi=book_result&resnum=1&ct=result#PPA442,M1. Retrieved 2010-10-15. 
  76. ^ Beidou coverage
  77. ^ "Beidou satellite navigation system to cover whole world in 2020". Eng.chinamil.com.cn. http://eng.chinamil.com.cn/news-channels/china-military-news/2010-05/20/content_4222569.htm. Retrieved 2010-10-15. 
  78. ^ New York Times
  79. ^ "ASM, News on GIS, GNSS, spatial information, remote sensing, mapping and surveying technologies for Asia". Asmmag.com. http://www.asmmag.com/news/india-to-launch-1st-irnss-satellite-by-december. Retrieved 2009-10-13. [dead link]

[edit] References

[edit] Further reading


[edit] External links