geosat-2 (1)

7/18/2019 geosat-2 (1)

1/88

Modul-2 :System of Coordinates

Lecture Slides of GD. 2213 Satellite GeodesyGeodesy & Geomatics Engineering

Institute of Technology Bandung (ITB)

Hasanuddin Z. AbidinGeodesy Research DivisionInstitute of Technology Bandung

Jl. Ganesha 10, Bandung, IndonesiaE-mail : [email protected]

Version : February 2007

7/18/2019 geosat-2 (1)

2/88

ZZE

Y

YEX

XE Earth

CoordinateReferenceSystem

CoordinateReference Frame

Positioning Method

Geodetic Datum

ReferenceEllipsoidEarths Geometry

and Kinematics

EarthsGravity Field

SPECTRUM OF POSITIONING

Hasanuddin Z. Abidin, 2007

PositioningApplications

7/18/2019 geosat-2 (1)

3/88

Position of a pointcan be stated quantitatively and qualitatively.

Quantitatively, position of a point is defined bycoordinates,either in 1D, 2D, 3D or 4D.

Coordinates can also be used to quantitatively describe thetrajectory of a moving point.

In order to standardize and assure the consistency of information

oncoordinates,the coordinate systemis required.

Coordinate system will ease the geometrical and dynamicaldescription, computation and analysis of coordinates, both inspatial and temporal domain.

Coordinate System

Hasanuddin Z. Abidin 1997-2007

7/18/2019 geosat-2 (1)

4/88

Origin of the coordinate system.Orientation of the coordinate axes.Variables (distances and/or angles) used in defining

point position in the coordinate system.

Coordinate System Parameter


Coordinate Origin

Axis Orientation

Coordinate Variables

Geocentrik(in the Earths center)Topocentrik(on the Earths surface)

Earth-FixedSpace-Fixed

Distances : Cartesian (X,Y,Z)Angles & Distance :Geodetic (,h)

7/18/2019 geosat-2 (1)

5/88


Cartesian

Coordinates:(NA, EA, UA)

Examples ofCoordinate System

Parameters (1)

TopocentricCoordinate System

UA

AZenith (U)

East (E)

North (N)

EANA

Earthssurface

GeocentricCoordinateSystem

Cartesian Coordinates:(XA, YA, ZA)

Geodetic Coordinates:(A,A, hA)

A A

hA

AZ

Y

X YA

XA

ZA

Greenwich

Pole

Geocentre

Earthssurface

7/18/2019 geosat-2 (1)

6/88


Examples ofCoordinate System

Parameters (2)

P

x

y

Px

Py

P

0

P

0 P

Map ProjectionCoordinate System

2D-Geodetic (Geographic)Coordinate System

Map Coordinates :(xP,yP)

2D-Geodetic

(Geographic)Coordinates :

PP

Coordinates : ()

Y

Z

XVernal Equinox

CEP J2000.0

Geocentre

Equator

Star

Right AscensionCoordinate System

7/18/2019 geosat-2 (1)

7/88

Sistem dan Kerangka Referensi


SISTEM REFERENSIadalah sistem (termasuk teori, konsep,deskripsi fisis dan geometris, serta standar dan parameter) yangdigunakan dalam pendefinisian koordinat.

KERANGKA REFERENSIdimaksudkan sebagai realisasi praktis

dari sistem referensi, sehingga sistem tersebut dapat digunakanuntuk pendeskripsian secara kuantitatif posisi dan pergerakantitik-titik, baik di permukaan bumi (kerangka terestris) ataupundi luar bumi (kerangka selestia atau ekstra-terestris).

Kerangka referensi biasanya direalisasikan dengan melakukanpengamatan-pengamatan geodetik, dan umumnya direpresentasikandengan menggunakan suatu set koordinat dari sekumpulan titikmaupun obyek (seperti bintang dan quasar).

7/18/2019 geosat-2 (1)

8/88

Kerangka Inersia (Inertial Frame)


Hukum Newton-I (Hukum Inersia) :Tiap benda akan tetapberada dalam keadaan diam atau dalam gerak lurus teratur,kecuali bila dipaksa merubah keadaan itu dengan gaya-gayayang bekerja padanya.

Kerangka Inersiaadalah kerangka referensi dimana hukumNewton-I berlaku (valid).

Kerangka inersiabergerak dalam ruang dengan kecepatantranslasi yang konstan, tapi tanpa pergerakan rotasional.

Seandainya pusat dari kerangka mengalami percepatandalam pergerakannya, maka kerangka tersebut dinamakanKerangka Kuasi-Inersia.

7/18/2019 geosat-2 (1)

9/88

Sistem Koordinat Geodesi Satelit

Sistem referensi koordinat yang umum digunakan dalam bidangGeodesi Satelit adalahCIS (Conventional Inertial System)danCTS (Conventional Terrestrial System).

CIS, sistem koordinat referensi yang terikat langit, dalamgeodesi satelit digunakan untuk pendeskripsian posisidan pergerakan satelit.

CTS, sistem koordinat referensi yang terikat bumi, dalamgeodesi satelit digunakan untuk pendeskripsian posisidan pergerakan titik-titik di permukaan bumi.


Pendefinisian CIS dan CTS serta perelisasiannya menuntutpemahaman yang baik tentangdinamika dari sistem Bumikita

baik secarainternalmaupuneksternaldalam sistem luar angkasa

7/18/2019 geosat-2 (1)

10/88

Sistem Bumi & Dinamika nya

7/18/2019 geosat-2 (1)

11/88

Mean distance from theSun:

1 AU (149,600,000 km/92,960,000 mi)

Length of year: 365.26 days

Rotation period: 23.93 hours

Mean orbital velocity: 29.79 km/sec (18.6 mi/sec)

Inclination of axis: 23.45

Average temperature: 59 F (15 C)

Diameter: (equatorial) 12,756 km (7,926 mi)

Number of observedsatellites:

1

FAKTA

BUMI

7/18/2019 geosat-2 (1)

12/88

Shape of

The Earth

Actual

Mathematical

7/18/2019 geosat-2 (1)

13/88

http://campus.everettcc.edu/Departments/sciences/klyste/Earth_Shape.htm

Bentuk2 Permukaan Bumi

7/18/2019 geosat-2 (1)

14/88

Perspective view of the Geoid

(Geoid undulations 15000:1)

GEOID

It is an equipotential surfaceof the Earths gravity field.

It is often referred to as a

close representation or physicalmodel of the figure of the Earth.

This is the surface that mostclosely approximates sea level

in the absence of winds, oceancurrents, and other disturbingforces.


7/18/2019 geosat-2 (1)

15/88

The Earths Geoid

Departures from the ellipsoid (m)

http://www.csr.utexas.edu/grace/gravity/gravity_definition.html

7/18/2019 geosat-2 (1)

16/88

The Earths Geoid

http://dgfi2.dgfi.badw-muenchen.de/geodis/WWW/welcome.html

7/18/2019 geosat-2 (1)

17/88

The Earths Geoid

7/18/2019 geosat-2 (1)

18/88

The Earth's shape resembles an ellipsoid

(its equatorial radius is about 21 kilometersgreater than its polar radius) but it is not aperfect ellipsoid.

Because of this resemblance, an ellipsoid is used to approximate

the bulk of the Earth's shape, and departures from the ellipsoid arerepresented by the geoid elevation above or below the ellipsoid.

In geodesy, a reference ellipsoid is a mathematically-definedsurface that approximates the geoid, the truer figure of the Earth.

Because of their relative simplicity, reference ellipsoids are used asa preferred surface on which geodetic network computations areperformed and point coordinates such as latitude, longitude, andelevation are defined.

Reference Ellipsoid

7/18/2019 geosat-2 (1)

19/88

a

b a = Semi-Major Axis= Equatorial Radius

b = Semi-Minor Axis

= Polar Radius

Flattening = f = (a-b)/a

Ellipsoidal Parameter

For mathematical purposes,the Earth is represented by

a certain reference ellipsoid

Reference

Ellipsoid


7/18/2019 geosat-2 (1)

20/88

SeveralReferenceEllipsoids

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/coordsys/coordsys.html

7/18/2019 geosat-2 (1)

21/88

Pergerakan Bumi (1)


Bumi bergerak bersama galaksi kita relatif terhadapgalaksi-galaksi yang lain.

Bumi berputar bersama sistem matahari kita di dalam galaksi kita. Bumi mengorbit mengelilingi matahari bersama planet-planet lainnya. Bumi berputar terhadap sumbu rotasinya.

Kerak-kerak bumi juga bergerak (relatif sangat lambat)relatif satu terhadap lainnya.

Tiga jenis pergerakan bumi yang terakhir tersebut, berpengaruh dalampendefinisian sistem koordinat yang digunakan dalam geodesi satelit.Dalam hal ini ada 3 sistem koordinat yang banyak digunakan yaitu :

1. CIS = Conventional Inertial System.2. CTS = Conventional Terrestrial System.3. Sistem Koordinat Ellipsoid

7/18/2019 geosat-2 (1)

22/88

Bumi

Matahari

21 Maret

3 JuliAphelion

3 JanuariPerihelion

21 Sept.

(Vernal Equinox)

149

.6

jutakm

Bumi

Matahari

21 Maret

3 JuliAphelion

3 JanuariPerihelion

21 Sept.

(Vernal Equinox)

Bumi

Matahari

21 Maret

3 JuliAphelion

3 JanuariPerihelion

21 Sept.

(Vernal Equinox)

149

.6

jutakm

Pergerakan Bumi (2)


Eksentrisitas orbit 0.0167. Periode orbit 365.24 hari. Kecepatan Bumi dalam orbit 29.8 km/detik.

7/18/2019 geosat-2 (1)

23/88

Animasi Revolusi Bumi

Ref : http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6hrevolution.html

7/18/2019 geosat-2 (1)

24/88

Animasi Revolusi Bumi

http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/energy/earth_sun_relations_seasons.html

7/18/2019 geosat-2 (1)

25/88

Pergerakan Bumi (3)


7/18/2019 geosat-2 (1)

26/88

Gaya-gaya

yang mempengaruhi

Rotasi Bumi :

Gaya gravitasional

Gaya tekan (loading)

Pergerakan massa baik

di dalam bumi, daratan,

lautan, maupun dalam

atmosfir.

Ref : Dickey (1995)

Gempa

Bumi

Angin

Tekanan

Air Laut

Pencairan Es

Tekanan

Atmosfir

Arus

LautGaya tarikMatahari

& Bulan

Dinamika

Inti Bumi

Konveksi

Mantel

Kopling

Elektromagnetik Air per-

mukaan

Plume

Gempa

Bumi

Angin

Tekanan

Air Laut

Pencairan Es

Tekanan

Atmosfir

Arus


& Bulan

Dinamika

Inti Bumi

Konveksi

Mantel

Kopling


mukaan

Plume

Pergerakan

lempeng

Gempa

Bumi

Angin

Tekanan

Air Laut

Pencairan Es

Tekanan

Atmosfir

Arus


& Bulan

Dinamika

Inti Bumi

Konveksi

Mantel

Kopling


mukaan

Plume

Gempa

Bumi

Angin

Tekanan

Air Laut

Pencairan Es

Tekanan

Atmosfir

Arus


& Bulan

Dinamika

Inti Bumi

Konveksi

Mantel

Kopling


mukaan

Plume

Pergerakan

lempeng

Pergerakan Bumi (4)


7/18/2019 geosat-2 (1)

27/88

Parameter Orientasi Bumi

Pergerakan sumbu rotasi bumi dalam ruang inersia(Presesi dan Nutasi).

Pergerakan sumbu rotasi bumi relatif terhadapkerak bumi (pergerakan kutub).

Fluktuasi dalam kecepatan rotasi bumi [perubahanpanjang hari (LOD, length of day)].


Dalam pendefinisian dan realisasi sistem koordinatada beberapa parameter orientasi Bumi yang perludiperhatikan, yaitu :

7/18/2019 geosat-2 (1)

28/88

Presesi dan Nutasi

Kalau dilihat dalam suatu ruang inersia, sumbu rotasi bumidan bidang ekuator bumi tidaklah tetap, melainkan bergerakyang sifatnya rotasional.

Pergerakan sumbu rotasi bumi dalam ruang ini merupakanrespon dari ketidak simetrian dan non-rigiditas dari bumiterhadap gaya tarik bulan, matahari, dan planet-planet;dan juga dari moda rotasi bumi yang bebas itu sendiri.

Pergerakan total dari sumbu rotasi bumi dalam ruang iniumumnya dibagi atas 2 komponen, yaitu :

- komponen sekular (dinamakan PRESESI), dan- komponen periodik (dinamakan NUTASI)


7/18/2019 geosat-2 (1)

29/88

Dari : [Vanicek & Krakiwsky, 1986]

Presesi dan Nutasi


7/18/2019 geosat-2 (1)

30/88

Presesi dan Nutasi


470

18.6

thn

18.42

-1.8 -1.4 -1.0 -0.6 0.2 0.2

9.8

9.4

9.0

8.6

8.2

Gerakan Ideal Gerakan Sebenarnya

470

18.6

thn

18.42

470

18.6

thn

18.42

-1.8 -1.4 -1.0 -0.6 0.2 0.2

9.8

9.4

9.0

8.6

8.2

Gerakan Ideal Gerakan Sebenarnya

7/18/2019 geosat-2 (1)

31/88

Presesi dan Nutasi

Dari : [Torge, 1980]

Vernal Equinox bergerak

sepanjang ekliptika dengan

laju 50.4 per tahun

(periode = 25800 tahun)


Bumi

Ekuator

Ekliptik

a

SumbuRotasiBumi

O

Presesi

presesidan nutasi

2580

0thn

23.50

18.6 thn

23.50

9.2

Bumi

Ekuator

Ekliptik

a

SumbuRotasiBumi

O

Presesi

presesidan nutasi

2580

0thn

23.50

18.6 thn

23.50

9.2

7/18/2019 geosat-2 (1)

32/88

Pergerakan Kutub

Pergerakan kutub (polar motion)adalah pergerakan sumbu rotasibumi relatif terhadap badan atau

kerak bumi sendiri.

Tidak seperti halnya presesi dannutasi, parameter pergerakankutub tidak dapat dijelaskan

secara teoritis (analitis), tapiharus ditentukan melaluiobservasi langsung.


7/18/2019 geosat-2 (1)

33/88

Variasi akibat elastisitas

(non-rigidity) dari bumi----> periode Chandler----> sekitar 435 hari

Variasi Musiman (Seasonal)----> periode satu tahunan

Variasi Berjangka Panjang(Secular Variation)----> sekitar 0.002 - 0.003 per tahun.

Tiga komponen utamapergerakan kutub :

Pergerakan Kutub


7/18/2019 geosat-2 (1)

34/88

Pergeseran (drift)Kutub Menengah

(1900 - 1998)

Gerakan Kutub1995 - 1998

Pergerakan & Pergeseran Kutub


Ref. : IERS Homepage

7/18/2019 geosat-2 (1)

35/88

Animasi Pergerakan Kutub

http://www.huttoncommentaries.com/PSResearch/UandM_PS2001/Undrstnd_Montr_PS2001.htm

7/18/2019 geosat-2 (1)

36/88

Ref. : http://hpiers.obspm.fr/

Komponen-X Koordinat Kutub


1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.4

-0.4Chandler

Musiman

Residu

Osilasi total

Sekular (trend)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.4

-0.4Chandler

Tahunan

Residu

Osilasi total

Sekular (trend)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.4

-0.4Chandler

Musiman

Residu

Osilasi total

Sekular (trend)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.4

-0.4Chandler

Tahunan

Residu

Osilasi total

Sekular (trend)

7/18/2019 geosat-2 (1)

37/88

Ref. : http://hpiers.obspm.fr/

Komponen-Y Koordinat Kutub

1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.6

-0.3 Chandler

Musiman

Residu

Osilasi totalSekular(trend)

1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.6

-0.3 Chandler

Tahunan

Residu


1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.6

-0.3 Chandler

Musiman

Residu


1900 1920 1940 1960 1980 2000

+0.1

-0.1

+0.1

-0.1

+0.2

-0.2

+0.6

-0.3 Chandler

Tahunan

Residu



7/18/2019 geosat-2 (1)

38/88

300 400 500 600Periode (hari)

Amplit

udoRelatif

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

ChandlerTahunan

xp

yp

300 400 500 600Periode (hari)

Amplit

udoRelatif

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

ChandlerTahunan

xp

yp

Spektrum Frekuensi Pergerakan Kutub


Diturunkan dari data pengamatan pergerakan kutub

dalam periode 1958 sampai 1998.

Ref. : [Montenbruck & Gill, 2000]

7/18/2019 geosat-2 (1)

39/88

Perubahan LOD

Kecepatan rotasi bumi tidak konstan,sehingga menyebabkan adanya perubahanpada panjang hari (Length of Day, LOD)


7/18/2019 geosat-2 (1)

40/88

EXCESS TO 86400S OF THE DURATION OF THE DAYS,

COMBINED GPS SOLUTION, 1995-1997

REF : http://www.iers.org/map/

7/18/2019 geosat-2 (1)

41/88

Pertambahan LOD = -d(UT1-TAI)/dt

UT1 bervariasi karena proses-proses geofisik.

Variasi LOD mencakup :

- Variasi yang dapat diprediksi yang besarnya sampai 2ms(karena pengaruh fenomena pasang surut).

- Variasi yang sifatnya tidak teratur, yang dapat dibagi

menjadi komponen-komponendecadal,interannual,seasonal, andintraseasonalcomponents

Ref http://www-geology.ucdavis.edu/


Variasi dalam LOD

7/18/2019 geosat-2 (1)

42/88


Fluktuasi LOD, 1963-1988

Ref : Dickey (1995)

4

3

2

1

0

Skala(milisekon)

1965 1970 1975 1980 1985

total

decadal

interanual

seasonal

intraseasonal

4

3

2

1

0

Skala(milisekon)

1965 1970 1975 1980 1985

total

decadal

interanual

seasonal

intraseasonal

7/18/2019 geosat-2 (1)

43/88

Gaya luar yang bekerja pada Bumi :

- Gaya gravitasi dari Matahari dan Bulanyang bekerja pada Bumi yang relatif

bukan benda simetris homogen.

Perubahan-perubahanmomen inersia dari Bumi :

- Deformasi yang sifatnya periodik(pasang surut, bumi maupun laut)

- Deformasi yang sifatnya non-periodik,

termasuk adanya redistribusi massa.

Ref. : http://www-geology.ucdavis.edu


Penyebab Fluktuasi Kecepatan Rotasi Bumi (1)

7/18/2019 geosat-2 (1)

44/88

Gaya gravitasi bulan (dan juga matahari) bekerja pada tonjolanBumi (the Earth's tidal bulge).

Kecepatan rotasi Bumi kemudian berkurang dan LOD memanjang.

- LOD memanjang sekitar1-3 ms per abad.

Orbit Bulan juga mengembangdengan kecepatansekitar 3.7 cm per tahun




Fluktuasi karena gaya luar yang bekerja pada Bumi :

7/18/2019 geosat-2 (1)

45/88

Deformasi periodik dalam bentuk pasang surut, disebabkanoleh gaya tarik Bulan, Matahari, dan Planet-Planet.

Deformasi non-periodik, yang berasosiasi dengan :

- tekanan-tekanan permukaan yang disebabkan olehpergerakan fluida dalam inti bumi dan pergerakandalam hidrosfir/atmosfir.

- redistribusi massa yang disebabkan oleh gempa bumi,pencairan es, konveksi mantel, pergerakan lempeng, dll.




Fluktuasi karena perubahan momen inersia Bumi :

7/18/2019 geosat-2 (1)

46/88

Teknik-teknik klasik (1900 1970/80),seperti astrometri optik dan okultasi Bulan.

Teknik-teknik geodesi satelit (1970/80 - sekarang),seperti VLBI, SLR, LLR, dan GPS.

PENGAMATAN PARAMETER ORIENTASI BUMI


Parameter-parameter orientasi Bumi yang

digunakan saat ini pada dasarnya ditentukan

dengan teknik-teknik yang dapat dikategorikan

sebagai [Dickey, 1995]:

7/18/2019 geosat-2 (1)

47/88

CIS dan CTS

CIS = ConventionalInertial System

Sistem koordinat

referensi yangterikat langit.

Dalam geodesi satelitdigunakan untukpendeskripsian posisi

dan pergerakan satelit.


CTS = ConventionalTerrestrial System

Sistem koordinat

referensi yangterikat bumi.

Dalam geodesi satelitdigunakan untukpendeskripsian posisi dan

pergerakan titik-titik dipermukaan bumi.

7/18/2019 geosat-2 (1)

48/88

Titik Nolsistem koordinat adalah pusat bumi

(earth-centred) dan sumbu-sumbu sistemkoordinatnya terikat ke langit (space-fixed).Earth-Centred-Space-Fixed (ECSF).

Sumbu-Xmengarah ke titik semi(vernal equinox) pada epok standar

J2000.0 dan terletak pada bidangekuator Bumi.

Sumbu-Zmengarah ke CEPpada epok standar J2000.0;dimana CEP (Conventional Ephemeris Pole) adalah posisi bebas di langit dari

sumbu momentum sudut bumi (sumbu rotasi bumi).Sumbu-Ytegak lurus sumbu-sumbu X dan Z, dan membentuk

sistem koordinat tangan-kanan (right-handed system).

Conventional Inertial System (1)


CEP J2000.0

EarthsCenter

Z-Axis

Ekliptic

Vernal EquinoxEquator

Y-Axis

X-Axis

Koordinat:(X,Y,Z)

7/18/2019 geosat-2 (1)

49/88

Pengikatan sumbu-sumbu sistem koordinat CISke langit, dapat dilakukan terhadap beberapabenda langit, antara lain :

Sumber gelombang radio ekstra-galaktikseperti kuarsar. Dapat direalisasikandengan metode VLBI radio-CIS.

Bintang-bintang, seperti yangdiberikan oleh katalog bintangFK5. Dapat direalisasikandengan pengamatanbintang stellar-CIS.

Planet maupun satelit artifisial bumi. Dapat direalisasikan dengan metodepengamatan astrometri, LLR, SLR, Doppler, GPS, Glonass dynamical-CIS.

Conventional Inertial System (2)


CEP J2000.0

EarthsCenter

Z-Axis

Ekliptic

Vernal EquinoxEquator

Y-Axis

X-Axis

7/18/2019 geosat-2 (1)

50/88


Hubungan Antar CIS

Ref. : Dickey (1989)

Radio Pulsa Timing

Mobile VLBI

Fixed VLBI

TARGET TEKNIK STASION BUMI

Satelit

Bulan

Bulan

Bintang (Optik)

Kuasar

Milisec Pulsar

Bintang (Radio)

GPS

Doppler

SLR

LLR

Astrometry

Radar + S/C Ranging

VLBI/VLA

VLBI

Stasion GPS

Mobile/Fixed Doppler

Mobile/Fixed SLR

Stasion LLR

Radiometric Ranging Sites

Radio Pulsa Timing

Mobile VLBI

Fixed VLBI

TARGET TEKNIK STASION BUMI

Satelit

Bulan

Bulan

Bintang (Optik)

Kuasar

Milisec Pulsar

Bintang (Radio)

GPS

Doppler

SLR

LLR

Astrometry

Radar + S/C Ranging

VLBI/VLA

VLBI

Stasion GPS

Mobile/Fixed Doppler

Mobile/Fixed SLR

Stasion LLR

Radiometric Ranging Sites

7/18/2019 geosat-2 (1)

51/88

Sistem kartesian(X,Y,Z)

biasanya digunakan untuk

mendeskripsikan posisi satelit

yang relatif dekat dengan

permukaan Bumi.

Sedangkan sistem asensiorekta

() umum digunakan untukmendeskripsikan posisi obyek

yang relatif jauh dari

permukaan.Bumi sepertibintang dan kuasar.


Sistem CIS ()

Coordinates : ()

Y

Z

X

Vernal Equinox

CEP J2000.0

Geocentre

Equator

Star

Right AscensionCoordinate System

7/18/2019 geosat-2 (1)

52/88

Origin :Mass centre of the Earth

Coordinate Axes :Earth-Fixed

X-Axis : on the Earths equatorand Greenwich meridian plane.

Z-Axis :pointing towardCTP (Conventional Terrestrial Pole).

Y-Axis :orthogonal to X andZ axes creating a right-handed system.

Example of CTS Frame :WGS (World Geodetic System) 1984, used by GPS

Y-Axis

X-Axis

GreenwichMeridian

CTP

EarthsCenter

Z-Axis

Equator

Conventional Terrestrial System (1)


Coordinates:

(X,Y,Z)

7/18/2019 geosat-2 (1)

53/88

Pengikatan sumbu-sumbu sistem koordinat CTSke bumi dilakukan dengan menggunakan

sekumpulan titik-titik di permukaan bumi

(kerangka dasar) yang koordinatnya

ditentukan dengan pengamatan benda

benda langit dan satelit artifisial bumi

CTS VLBI, CTS LLR,

CTS SLR, CTS GPS, dll.

Beberapa kerangka realisasi CTS

yang cukup banyak digunakan

saat ini adalah :

- WGS(World Geodetic System) 1984

- ITRF(International Terrestrial Reference Frame)

Sumbu-Y

Sumbu-X

MeridianGreenwich

CTP

PusatBumi

Sumbu-Z

Bidang Ekuator

Conventional Terrestrial System (2)


7/18/2019 geosat-2 (1)

54/88


Hubungan Antara CTS dan CIS (1)

meridianGreenwich

CEP J2000.0

ZI

YI

XI

CTP

YT

XT

ZT

pusatBumi

titik semi(vernal euinox)

GAST

GAST =Greenwich ApparentSidereal Time

Presesi & NutasiGerakan Kutub

Rotasi Bumi

7/18/2019 geosat-2 (1)

55/88

Sistem-sistem koordinat CTS dan CIS terkait satu sama lain denganbesaran-besaran presesi, nutasi, gerakan kutub, dan rotasi bumi.

Kalau koordinat dalam kedua sistem dinyatakan sebagai :

XCIS= (XI, YI, ZI)

XCTS= (XT, YT, ZT)

maka transformasi antara keduanya dirumuskan sbb. :

XCTS= M.S.N.P. XCIS


Hubungan Antara CTS dan CIS (2)

dimana : M = matriks rotasi untuk gerakan kutub (polar motion)

S = matriks rotasi untuk rotasi bumi (earth rotation)N = matriks rotasi untuk nutasi (nutation)P = matriks rotasi untuk presesi (precession)

7/18/2019 geosat-2 (1)

56/88


STEP TRANSFORMASI : CIS ke CTS

CEP J2000.0 CEP pada epok sebenarnyaPresesiNutasi

Bidang sumbu-Xmengarah ke titik semi

Bidang sumbu-X merupakanmeridian Greenwich

GAST(Rotasi Bumi)

CTPCEP pada epok sebenarnya GerakanKutub

11

33

22

7/18/2019 geosat-2 (1)

57/88

Spectrum of (Terrestrial) Coordinate System


Geodetic DatumDefinition

EarthReference

Ellipsoid

MapObservation

Domain

ComputationDomain

ProjectionMANY

SEVERAL

7/18/2019 geosat-2 (1)

58/88

Origin :Centre of the reference ellipsoid

Coordinate Axes :Ellipsoid-Fixed

X-Axis : on the Ellipsoids equatorand zero-meridian plane.

Z-Axis :coincides with the semi-minor axis of ellipsoid, pointingupward.

Y-Axis :orthogonal to X and Z axes

creating a right-handed system.

Often also named as theGeodetic Coordinate System.


Ellipsoidal Coordinate System (1)

pusat

ellipsoid

h

l

j

P Earthssurface

pusat

ellipsoid

h

l

j Y-Axis

Zero-M

eridia

n

Ell.

center

Ellipsoids equator

h

P

X-Axis

Z-Axis

Coordinates:(X,Y,Z) and (h)

7/18/2019 geosat-2 (1)

59/88


In the ellipsoid reference systemthe coordinates of a point isusually defined as the geodeticcoordinates (h)where :

is geodetic latitude, is geodetic longitude, andh is ellipsoidal heigh.

The coordinates can also be expressed asthe cartesian coordinates (X,Y,Z).

Relation betweenthe two coordinates :

h).sin)Re((1

.sinh).cos(R

.cosh).cos(R

Z

Y

X

N2

N

N


YYXX

Z

h

Ellipsoidal Coordinate System (2)

7/18/2019 geosat-2 (1)

60/88

GEODETIC DATUM (1)

Hasanuddin Z. Abidin 2007

ObservationDomain

ComputationDomain

Geodetic DatumDefinitionEarth

ReferenceEllipsoid

The geodetic coordinates (h) of a pointwill depend on its geodetic datum.

7/18/2019 geosat-2 (1)

61/88

GEODETIC DATUM (2)

A point on the Earthssurface will have different

geodetic coordinates ondifferent Geodetic Datum.

Size, shape and orientationof the Ellipsoid will affectthe geodetic coordinates.

Relative position of the

Ellipsoid with respect tothe Earth will also affectthe geodetic coordinates.

A A

hA

AZ

Y

X

Earthssurface

A

,

A,

hA,

ReferenceElliposid


7/18/2019 geosat-2 (1)

62/88

Geodetic Datum defines the Reference Ellipsoid (X,Y,Z)and its relation with the Earth (CTS) (XE,YE,ZE)


ZZE

Y

YEX

XE

Earth

ReferenceEllipsoid

GEODETIC DATUM (3)

7/18/2019 geosat-2 (1)

63/88


Relation betweenthe Reference Ellipsoidthe Earth can be defined at :

Earths center of mass GEOCENTRICDATUM

Point on the Earths surface :

TOPOCENTRICDATUM

Datum point

Datum point :

Earths center

GEODETIC DATUM (4)

7/18/2019 geosat-2 (1)

64/88

aandfdefinedshape and size ofthe Reference Ellipsoid.

Xo, Yo, Zodefined

the coordinates of Ellipsoidscenter with respect tothe Earths center of mass.

ex, ey, ezdefined the orientation

of the Ellipsoidak coordinate axiswith respect to the CTS (Earth)coordinate axis.

8 Parameters of Geocentric Datum


b

a

( Xo, Yo, Zo)

f = (a-b)/a

ex

ey

ez

7/18/2019 geosat-2 (1)

65/88

a and fdefinedshape and size ofthe Reference Ellipsoid.

3 translational parametersof Ellipsoid, defined by :- deflection of vertical (

0,

0)

- geoid undulation (N0)at the datum.

3 rotational parametersof Ellipsoid, defined by :-geodetic coordinates of

the datum point (0,0)-geodetic azimuth from

the datum point to initial point 0

8 Parameters of Topocentric Datum


Geoid

Ellips

oid

(o,o)N

XE

YE

ZE

P ( o)

XE

YE

ZE

P = Datum point

P

oo oo

oo o

a

b

7/18/2019 geosat-2 (1)

66/88

Depending on itssuitability region,the geodetic datum can also becategorized as Global and Local datum.


Global and Local Datum

Earthscenter

DatumPoint

Geocentricdatum

Topocentricdatum

Mostsuitable

region

GLOBAL DATUM

GEOCENTRIC DATUM

LOCAL DATUM

TOPOCENTRIK DATUM

7/18/2019 geosat-2 (1)

67/88

GLOBAL DATUM represented bythe reference ellipsoid which itssize, shape, locationandorientationis best suitedfor the whole Earth.

In general the ellipsoid center of

global datumis on or closed (with)the mass center of the Earth often called also as GEOCENTRIC DATUM.

The famous global datum areWGS84(World GeodeticSystem 1984), the geodetic datum used by GPS, and

alsoITRF(International Terrestrial Reference Frame).

Generally used for global applications.

Global Geodetic Datum


Earthscenter

Geocentricdatum

7/18/2019 geosat-2 (1)

68/88

LOCAL DATUM represented bythe reference ellipsoid which itssize, shape, locationandorientationis best suitedfor certain region only.

In general the ellipsoid center oflocal datumis not closed withthe mass center of the Earth often called also as TOPOCENTRIC DATUM.

Many local datum exist all over the world.

Generally used for local or regional applications.

Local Geodetic Datum


DatumPoint

Topocentricdatum

Mostsuitable

region

7/18/2019 geosat-2 (1)

69/88

GENUKDATUM

G. SEGARADATUM

MONCONGLOWE DATUM

T21 SORONGDATUM

BUKIT RIMPAHDATUM

Ref. : Hafzal Hanief (2002)

G. SERINDUNGDATUM

Indonesian Local Datum


7/18/2019 geosat-2 (1)

70/88

7/18/2019 geosat-2 (1)

71/88

Sejak 1 Januari 1998, IAU (International

Astronomical Union) menetapkan ICRS sebagai

sistem referensi selestial yang standar, sebagai

pengganti sistem referensi FK5.

Sistem ICRS direalisasikan dengan suatu set kuasar

yang koordinatnya ditentukan dengan metode VLBI.

Kerangka koordinatnya dinamakan ICRF

(International Celestial Reference Frame)

dan terdiri dari 608 kuasar yang tersebarsecara meratadi langit,

International Celestial Reference System (ICRS)



7/18/2019 geosat-2 (1)

72/88


Titik Nolsistem koordinat adalah pusat massa (barycenter)dari sistem Matahari dalam kerangka relativitas.

Sumbu-Xmengarah ke titik semi (vernal equinox) dari IERS.Dalam hal ini nilai nol dari asensiorekta ditetapkan dari nilaiasensiorekta kuasar 3C 273B.

Sumbu-Zmengarah ke CEP dari IERS yang didefinisikan olehmodel konvensi dari IAU.

Sumbu-Ytegak lurus sumbu-sumbu X dan Z, dan membentuksistem koordinat tangan-kanan (right-handed system); dimanasumbu-sumbu X dan Y terletak pada bidang ekuator menengah(mean equator) Bumi pada epok J2000.0.

International Celestial Reference System (ICRS)


7/18/2019 geosat-2 (1)

73/88

Ekuator

Asensiorekta

100 mas

ICRS

FK5 J2000.0FK5

Ekuator

Asensiorekta

100 mas

ICRS

FK5 J2000.0FK5

Posisi relatif dari

titik nol asensiorekta

sistem ICRS

18 h

0 h

Kutub CEP

J2000.0

FK5 ICRS

20 mas

20 mas

-20

mas

FK5

18 h

0 h

Kutub CEP

J2000.0

FK5 ICRS

20 mas

20 mas

-20

mas

FK5

International CelestialReference System (ICRS)


Posisi relatif dari

kutub sistem ICRS


7/18/2019 geosat-2 (1)

74/88

ICRF (1)


ICRF terdiri dari 608 kuasar yang tersebar secara merata di langit danditurunkan dari sekitar 1.6 juta pengamatan dari jaringan observatoridi seluruh dunia dalam periode 1979-1995.

Koordinat dari quasar ini diberikan dalam sistem ekuatorial asensiorektayaitu dengan komponen koordinat asensiorekta dan deklinasi.


7/18/2019 geosat-2 (1)

75/88

ICRF (2)Karena kuasar yang membangun ICRF mempunyaikualitas koordinat yang variatif, karena adanyaperbedaan dalam sejarah dan strategi pengamatan-nya, maka kuasar dari ICRF dikategorikandalam 3 kelas yaitu [IERS, 2000] :

kelas penentuyang terdiri dari 212 kuasar berkualitas tinggi yangdigunakan untuk mendefinisikan sumbu-sumbu ICRF. Tingkat presisi(median) dari posisi kuasar dalam kelas ini adalah sekitar 0.4 mas.

kelas kandidat(candidate) yang terdiri dari 294 kuasar, dimanasebagiannya mempunyai jumlah atau durasi pengamatan yang kurangmemadai, dan sebagiannya mempunyai tingkat presisi yang relatif lebihrendah. Kuasar pada kelas ini mungkin naik ke kelas penentudi kemudian hari.

kelas lainnya(other sources) yang terdiri dari 102 kuasar yang

diidentifikasikan mempunyai variasi posisi yang relatif besar, baiksistematik maupun random. Kuasar ini dimasukkan dalam kerangkaICRF untuk merapatkan jaringan atau mereka berkontribusi dalampengikatan ke kerangka optis.


7/18/2019 geosat-2 (1)

76/88

ITRS pada prinsipnya adalah sistem CTS yang didefinisikan,

direalisasikan dan dipantau oleh IERS (International EarthOrientation System).

Sistem ITRS direalisasikan dengan koordinat dan kecepatandari sejumlah titik yang tersebar di seluruh permukaan Bumi,

dengan menggunakan metode-metode pengamatan VLBI, LLR,GPS, SLR, dan DORIS.

Kerangka realisasinya dinamakan ITRF (International TerrestrialReference Frame).

Kerangka ini juga terikat dengan kerangka ICRFmelalui pengamatan VLBI.

International Terrestrial Reference System (ITRS)



l l f ( )

7/18/2019 geosat-2 (1)

77/88

Origin :Mass centre of the whole Earth(including the oceans and the atmosphere)

Coordinate Axes : Earth-Fixed

X-Axis : on the Earths equatorand IRM (IERS Reference Meridian)

passing Greenwich

Z-Axis :pointing toward CTPknown as IRP (IERS Reference Pole).

Y-Axis :orthogonal to X andZ axes creating a right-handed system.

Example of CTS Frame :ITRF (International Terrestrial Reference).

Y-Axis

X-Axis

IRMMeridian

IRP

EarthsCenter

Z-Axis

Equator

International Terrestrial Reference System (ITRS)

The time evolution of theorientation is ensured by using

a no-net-rotation condition withregards to horizontal tectonicmotions over the whole earth.


Coordinates:(X,Y,Z)

ITRF (1)

7/18/2019 geosat-2 (1)

78/88

ITRF (International Terrestrial Reference Frame) is realization of ITRS.

It is realized by the VLBI, LLR, GPS, SLR, and DORIS observations.

The ITRF2000 contains about 800 stations located on about 500 sites,located at about 500 sites, with main concentration in western Europeand North America.

About 50% of station positions are determinedto better than 1 cm, and about100 sites have their velocityestimated to at (or better than)1 mm/yr level.

ITRF stations are located atall major tectonic plates andat almost all of minor plates.


ITRF (1)

Ref : http://itrf.ensg.ign.fr/ and http://www.iers.org/

ITRF (2)

7/18/2019 geosat-2 (1)

79/88

The numbers (yy) following the designation "ITRF" specify the last year

whose data were used in the formation of the frame. Hence ITRF94designates the frame of station positions and velocities constructed in1995 using all of the IERS data available until 1994.

There have beenseveral frames :

ITRF2005, ITRF2000,ITRF97, ITRF96,ITRF94, ITRF93,ITRF92, ITRF91,ITRF90 and ITRF89.

ITRF (2)

Hasanuddin Z. Abidin, 2007Ref : http://www.iers.org/

ITRF2000 Primary Networkand collocated techniques.

ITRF 2005 F

7/18/2019 geosat-2 (1)

80/88

ITRF 2005 Frame

Ref : Altamimi (2006)

7/18/2019 geosat-2 (1)

81/88

WGS-1984 adalah realisasi dari CTS.

Pertama kali WGS-84 direalisasikan dengan memodifikasi kerangkareferensi yang digunakan oleh sistem satelit Doppler (NSWC 9Z-2).

WGS 1984 didefinisikan dan dijaga olehDefence Mapping AgencyAmerika Serikat sebagai datum global geodetik.

WGS 1984 adalah sistem referensi untukkoordinat satelit GPS (Broadcast Ephemeris).

Digunakan oleh GPS sejak tahun 1987.Sebelumnya WGS-1972 yang digunakan.

Ellipsoid yang digunakan adalah WGS-84

dengan parameter :

World Geodetic System (WGS) - 1984

Z

X

Y

Parameter Notasi Nilai

Sumbu panjang a 6378137.0 m

Penggepengan 1/f 298.257223563

Kecepatan sudut Bumi 7292115.0 x 10-11 rad s-1

Konstanta Gravitasi Bumi

(termasuk massa atmosfir)

GM 3986004.418 x 108 m3 s-2


W ld G d ti S t 1984

7/18/2019 geosat-2 (1)

82/88

World Geodetic System 1984


Y WGS 84

X WGS 84

ZWGS 84 Mass centerof the Earth

WGS-84 Ellipsoida = 6 378 137 mf = 1/298.257223563

IERS Reference Pole

(IRP)

IERS ReferenceMeridian (IRM)

Equator

WGS84 is realized and maintainedby the GPS control stations

7/18/2019 geosat-2 (1)

83/88

Kerangka Periode berlaku

WGS 84 1 Jan. 1987 - 1 Jan. 1994WGS 84 (G730) 2 Jan. 1994 - 28 Sept. 1996

WGS 84 (G873) sejak 29 Sept. 1996

Realisasi Kerangka WGS 84 Pada tahun 1994, WGS 84 ditingkatkan kualitasnya dengan menentukan

kembali stasion penjejak GPS dengan menggunakan beberapa stasion IGS.

Kerangka yang telah ditingkatkan ini dinamakan sebagai WGS 84 (G730).Huruf G menyatakan bahwa sistem ini diturunkan menggunakan data GPSdan angka 730 menunjukkan nomor minggu GPS.

Tingkat kedekatan antara ITRF (91 & 92) dengan WGS 84 (G730) iniadalah sekitar 10 cm.

Pada tahun 1996, koordinat dari titik-titik kerangka WGS 84 (G730) ini

ditingkatkan lagi, dan kerangka referensi yang baru dinamakan WGS 84(G873). Menurut NIMA (2000).

Tingkat ketelitian dari setiap komponen koordinat dari WGS 84(G873)adalah sekitar 5 cm.


GPS C t l St ti

7/18/2019 geosat-2 (1)

84/88

Cape Canaveral

NGA Sites, AII 6

NGA Sites, Non-AII -- 5

USAF Sites -- 6

Cape Canaveral

NGA Sites, AII 6

NGA Sites, Non-AII -- 5

USAF Sites -- 6

GPS Control Stations

Relation between

7/18/2019 geosat-2 (1)

85/88

Relation betweenSome ITRF and WGS 84 Frames (1)

1

1

1

Z

Y

X

.

s

s

s

Z

Y

X

Z

Y

X

12

13

23

0

0

0

2

2

2

Coordinates in certain ITRF frame can be transformedto other ITRF frame or to WGS72 and WGS84 frames.

If the following transformation model is used :

then the following relations have been derived :


Relation between

7/18/2019 geosat-2 (1)

86/88

Relation betweenSome ITRF and WGS 84 Frames

From to X0(cm)

Y0(cm)

Z0(cm)

s(10-9)

1(0.001")

2(0.001")

3(0.001")

ITRF90 WGS72 + 6.0 -51.7 -472.3 - 231 + 18.3 - 0.3 + 547

ITRF90 WGS84 + 6.0 -51.7 - 22.3 - 11 + 18.3 - 0.3 - 7.0

ITRF90 ITRF88 + 0.0 -1.2 - 6.2 + 6 + 0.1 0.0 0.0

ITRF94 ITRF88 + 1.8 + 0.0 - 9.2 + 7.4 + 0.1 0.0 0.0

ITRF94 ITRF90 + 1.8 + 1.2 - 3.0 + 0.9 + 0.0 0.0 0.0

ITRF94 ITRF92 + 0.8 + 0.2 - 0.8 - 0.8 + 0.0 0.0 0.0

ITRF94 WGS84* - 2 + 2 - 1 + 0.2 + 2.5 + 1.9 - 2.5

ITRF94 WGS84" + 1 - 1 - 2 + 0.3 + 0.6 + 1.2 + 0.7

WGS84* = WGS84 (G730), WGS84" = WGS84 (G873)


7/18/2019 geosat-2 (1)

87/88

1. http://www.iers.org/MainDisp.csl?pid=9-83

2. http://itrf.ensg.ign.fr/

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate_system

4. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/datum/datum_f.html5. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj_f.html

6. http://www.ordnancesurvey.co.uk/oswebsite/gps/docs/A_Guide_to_Coordin

ate_Systems_in_Great_Britain.pdf

7. http://www.progonos.com/furuti/MapProj/CartIndex/cartIndex.html

8. ftp://164.214.2.65/pub/gig/tr8350.2/wgs84fin.pdf

9. http://www.ga.gov.au/geodesy/datums/aboutdatums.jsp

10. http://www.spenvis.oma.be/spenvis/help/background/coortran/coortran.html11. http://en.wikipedia.org/wiki/World_Geodetic_System

12. ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/resource/pubs/

Learning Siteson Coordinate System


7/18/2019 geosat-2 (1)

88/88

Tugas-2 : Geodesi Satelit - IWaktu Penyelesaian = 1 minggu

1. Jelaskan yang dimaksud denganSistem ReferensidanKerangka Referensidalam konteks :

a. DI (Datum Indonesia) 1974

b. DGN (Datum Geodesi Nasional) 1995c. Datum G. Genukd. ITRF2005

2. Perinci secara matematis transformasi koordinat dari

sistem CIS ke sistem CTS, dan sebaliknya. Tuliskanformulasi dan elemen dari semua matrik rotasiyang terlibat.

geosat-2 (1)

Documents