Satelit Doris

1. DEFINISI

DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integratedby Satellite ) adalah sistem satelit Perancis  yang digunakan untuk penentuan orbit satelit dan penentuan posisi  dari stasiun bumi. Akurasi ini sedikit lebih rendah dibandingkan dengan GPS, tetapi masih memberikan kontribusi untuk International Terrestrial Reference Frame (ITRF). Pertama kali dikembangkansebagai kontribusi untukmisi ilmiah. Doris telah berkembang selama 20 tahun terakhir untuk menjadi sistem yang sangat efisien dengan tingkat integritas yang tinggi. Beberapa satelit yang sukses dalam penerbangannya seperti : spot2, TOPEX, SPOT3, SPOT4, Jason-1, Envisat, SPOT5, Jason-2, CryoSat-2 dan HY-2 yang telah menyebabkan perubahan dan perkembangan Sistem Doris.

Sistem Doris adalah penentuan orbit dan sistem penentuan posisi yang tepat yang dibuat oleh Perancis. Hal ini didasarkan pada prinsip efek Doppler dengan transmisi jaringan pemancar terestrial dan instrumen on-board pada komponen satelit (antena, penerima radio dan oscillateurultra-stabil).Sistem Doris dirancang oleh CNES, badan antariksa Perancis, dalam kemitraan dengan pemetaan Perancis dan lembaga survei IGN dan ruang geodesi lembaga riset GRGS. Sejak tahun 2003, IDS adalah layanan Internasional yang memberikan dukungan, melalui data Doris dan produk.

2. PRINSIP DORIS

Sistem Doris bekerja didasarkan pada prinsip efek Doppler. Ini adalah sistem yang dioptimalkan untuk penentuan orbit dengan presisi yang ekstrim, cakupan global dan pengukuran segala cuaca. Pergeseran frekuensi sinyal yang terjadi disebabkan oleh pergerakan satelit (Efek Doppler). Dari pengamatan ini orbit satelit, posisi tanah, serta parameter lainnya dapat diturunkan.

       2.1. Prinsip Penentuan Posisi (Positioning Principle)

Menemukan sebuah satelit atau titik di Bumi melibatkan perhitungan koordinat posisi (dan mungkin kecepatan) dalam tiga dimensi dengan kerangka referensi yang diberikan. Kerangka ini merupakan kerangka terikat bumi dimana tujuannya adalah untuk menggunakan data posisi yang tepat untuk mempelajari lautan, kerak, es dan fitur lainnya. Titik nol (origin) dari kerangka referensi ini adalah pusat massa bumi atau geocenter.

Dalam menemukan sebuah satelit di ruang angkasa cukup rumit. Fakta itu dikarenakan satelit bergerak pada lintasan yang ditentukan oleh beberapa parameter peluncuran dan gaya yang bekerja pada satelit. Salah satu hambatan utama tersebut adalah tarikan gravitasi bumi yang menjaga satelit di orbit, dan kekuatan percepatan permukaan seperti tekanan radiasi matahari dan Atmospheric Drag (hambatan udara). Itulah sebabnya dibutuhkan pemahaman yang baik tentang medan gravitasi bumi dan lingkungan satelit untuk menghitung lintasan nyata sehubungan dengan orbit elips yang dijelaskan oleh hukum Kepler tentang gerak. Penentuan posisi juga bergantung pada teknik pengamatan geodetik.

      2.2. Efek Doppler

Antena satelit Doris menerima sinyal yang dipancarkan oleh jaringan stasiun yang ada di bumi. Ketika penerima dan sumber bergerak satu sama lain, panjang gelombang penerima berbeda dari panjang gelombang memancarkan yang disebut dengan efek Doppler.
Frekuensi menurun jika salah bergerak menjauh dari yang lain. Maka dapat diasumsikan bahwa sumber tersebut baik secara langsung mendekati atau menjauh dari pengamat. Jika sumber mendekati pengamat pada sudut (tapi masih dengan kecepatan konstan), frekuensi yang diamati pertama kali asalah dari frekuensi objek yang dipancarkan. Setelah itu, terjadi penurunan dalam frekuensi yang diamati karena lebih dekat dengan pengamat, melalui kesetaraan bila datang dari arah tegak lurus terhadap gerak relatif (dan dipancarkan pada titik yang terdekat, tetapi ketika gelombang diterima,sumber dan pengamat tidak akan lagi berada didekat mereka), dan penurunan terus terjadi karena menyusut dari pengamat. Apabila si pengamat sangat dekat dengan jalan objek, transisi dari tinggi ke frekuensi rendah terjadi sangat tiba-tiba. Namun jika si pengamat jauh dari jalan objek, transisi dari tinggi ke frekuensi rendah terjadi secara bertahap.

Pada prinsip kerja Doris, ketika satelit bergerak lebih dekat ke pemancar untuk memancarkan, frekuensi sinyal yang diterima oleh instrumen satelit Doris  lebih tinggi dari salah satu sinyal yang dipancarkan, dan lebih rendah ketika bergerak menjauh. Jika frekuensi memancarkan dan menerima adalah sama, pemancar akan memancarkan secara tegak lurus ke trek satelit di permukaan bumi. Pada plot frekuensi yang diterima oleh satelit sebagai fungsi waktu, kemiringan kurva pada titik dekat maksimum (titik TCA: Waktu Pendekatan terdekat) memungkinkan untuk menghitung jarak antara pemancar di permukaan bumi dan transmisi pada satelit.

      2.3. Penentuan Orbit

Penentuan orbit yang tepat tidak bias dilakukan secara instan. Hal ini membutuhkan pengukuran pengolahan dan pengambilan dalam memperhitungkan lingkungan di satelit (manuver, kekuatan fisik gravitasi dan kekuatan gesekan atmosfer, dll). Orbit dihitung dengan menyesuaikan model dengan meminimalkan perbedaan antara pengukuran kecepatan yang diperoleh oleh Doris dan yang diprediksikan oleh model. Keakuratan perhitungan ini meningkat dengan akumulasi pengukuran dengan waktu: akurasi 10 cm RMS pada orbit radial untuk data hingga tiga jam, 4 cm RMS untuk data hingga tiga hari, dan 2,5 cm untuk data hingga 30 hari, dengan tujuan untuk meminimalkan lebih dekat ke 1 cm.

      2.4. Posisi Presisi Tinggi

Posisi satelit ditentukan pada orbitnya, sistem Doris dapat digunakan untuk mencari pemancar (ground beacon) Doris yang berada di luar jaringan referensi, pada suatu titik yang membutuhkan pemantauan sementara (gunung berapi, kesalahan geologi, gletser , dll). Sistem ini cocok untuk benda tetap atau bergerak sangat lambat dan berguna dalam geofisika dan bidang geodesi 

3. SISTEM DORIS

Sistem Doris terdiri dari tiga komponen utama yaitu semua instrumen on-board satelit ( antena , penerima , osilator ), jaringan internasional stasiun otonom yang tersebar di seluruh dunia dan kontrol & pusat pengolahan yang menghitung orbit dari satelit .

      3.1. Instrumen on-board

Instrumen Doris merupakan bagian dari muatan satelit . Ini terdiri dari penerima MVR yang mengukur kecepatan radial , antena omnidirectional dan osilator ultrastable .

      3.2. Ground Beacon  

Sistem Doris memiliki sekitar 60 stasiun yang tersebar di seluruh dunia , dalam sebuah jaringan Internasional. Stasiun otonom digunakan sebagai titik acuan di lapangan untuk memantau satelit lintasan terus menerus .

Sebuah stasiun Doris terdiri dari sebuah mercusuar (ada tiga generasi pemancar), antena omni directional, dan satu set sensor meteorology opsional untuk tekanan, temperatur, dan kelembaban. Pemancar mengirimkan sinyal pada dua frekuensi: 2036,25 MHz dan 401,25 MHz. Kedua sinyal termodulasi untuk mengirim pesan yang berisi nomorID, informasi waktu, data dari sensor meteorologi, dan data teknik(listrik, dll).

          3.3. Jaringan Pemancar

Sekitar 60 pemancar aktif 3 generasi berturut-turut. Frekuensi pemancar  401,25 dan 2036,25 MHz. Tiga pemancar utama (dapat meng-upload perintah ke instrumen) : Toulouse, Kourou, Hartebeestoek. Semua bertanggung jawab untuk memastikan sinkronisasi sistem ke International Atomic Time. Satu Waktu di pemancar(mengarah pada hidrogen maser) yang dipasang di Yellow knife.

Ada dua jenis antena ground, yaitu :

Table 3: DORIS DGxx instrument characteristics

High precision Doppler measurements and on-board navigation	- provides elementary velocity measurements with an accuracy better than 0.3 mm/s - delivers real-time PVT information in ITRF and J2000 reference frames with sub metric to centimeter accuracy depending on orbit and spacecraft characteristics - capacity to provide geodesic data to help altimeter tracking
Beacon tracking capability	Up to 7 beacons simultaneously (7 dual frequency channels)
Autonomous operation	- routine high precision navigation mode reached autonomously - only maneuver prediction TC needed in routine, if any
Power supply	22 - 37 VDC, 23 W typical; 30 W at warm up, less than 2 hr
Telemetry/telecommand interface	- MIL-STD-1553 / CCSDS packet terminal protocol - max TM rate < 4 kbit/s (all TM activated) - 2 bi-level status per chain (power and software status)
10 MHz reference signal distribution	- high stability - monitored with an accuracy of 10-12 - Internally cross-strapped
On board time tagging capacity	- external pulse time tagging capacity or pps distribution - microsecond accuracy w.r.t. international atomic time scale
CPU/software	- radiation tolerant design with SPARC ERC32 processor and memory fault detection and recovery - whole software stored twice in 2 redundant banks of EEPROM; may be fully uploaded without any mission interruption
Instrument mass, power, size	16 kg, 24 W, 390 mm x 370 mm x 165 mm; for the redundant DGxx (new generation receivers) configuration including two USOs which are now packaged inside the receiver

Table DORIS instrument performance parameters

Measurement frequency - Doppler measurement - Ionospheric correction	2036.25 MHz (S-band) 401.25 MHz (UHF band)
Position accuracy - Real time - Restituted	1 m 0.05 m radial
Velocity Accuracy - Real time - Restituted	< 2.5 mm/s 0.4 mm/s
Operation	Continuously over full orbit
Data rate	16.7 kbit/s

      3.4. Pengendalian dan Pusat Pengolahan

Sinyal broad coast dari pemancar di permukaan bumi, penerima/receiveron-board dari satelit Doris membuat pengukuran pergeseran Doppler dan menyimpannya dalam memori internal. Data ini diteruskan dari satelit di atas stasiun ke setiap stasiun yang berada di permukaan bumi. Kemudian dikirim ke Ssaltopada interval regular, pusat kendali misi Doris di Toulouse, Prancis.

Pusat ini membuat pengecekan pada operasi stasiun, proses pengukuran, menghitung orbit dari satelit yang membawa instrumen Doris, arsip dan mendistribusikan data. Sejak tahun 1990 sampai dengan tahun 2006, Doris telah mengakuisisi lebih dari 100 juta pengukuran bagi masyarakati lmiah Internasional.

      3.5. Sistem yang terus berkembang

Antara satelit on-board atau jaringan di stasiun lapangan , efektivitas sistem telah berkembang selama bertahun-tahun untuk mencapai presisi hingga sentimeter dengan Jason - 1 .

  Diode

Diode diciptakan oleh CNES pada tahun 1991, berarti Détermination Immédiated'Orbitepar Doris Embarqué. Ini adalah perangkat lunak yang terintegrasi dengan instrumen Doris yang menghitung lokasi real-time dan kecepatan yang sangat tepat dari satelit. Software ini cocok semua satelit sejak Jason -1 mengudara dengan presisi hingga beberapa sentimeter.

Setiap 10 detik, Diode menjalankan program perintah yang diketahuinya, memprediksi posisi satelit menggunakan model gerakannya, mengoreksi posisi diprediksi berdasarkan pengukuran Doris (ketika satelit berada dalam pandangan di pemancar permukaan bumi), dan memberikan posisi dihitung ke stasiun di permukaan bumi.