Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:36-42 ALGORITMA PENGENALAN POLA BINTANG UNTUK DETEKSI
POSISI BINTANG PADA STAR SENSOR SATELIT LAPAN
Arif Saifudin.
Robertus Heru Triharjanto Peneliti Bidang Mekatronika.
LAPAN e-mail: masdidin@yahoo.
com, rtriharjanto@yahoo.
ABSTRACT
Star sensor is a high accuracy sensor for a satellite attitude determination.
This sensor identifies the position of stars in celestial map by comparing the position of stars on its active sensor with the star position data contained in its catalogue.
An algorithm is needed to recognize the star pattern imaged by sensoring and calculating the position of the stars.
An efficient and accurate algorithm is needed to improve the performance of the star sensor for satellite attitude determination.
A simple star pattern recognition algorithm uses the neighbourhood technique.
The first approach of algorithm is detecting the brightest star and its neigbours in the sensor Field of View (FOV) and identifying whether the stars in image sensor are fit to the star pattern in the catalogue.
The simple catalogue used contains the star position and all its neighbouring stars within particular distance in the scope of FOV.
Test result showed that neighbours technique has an accuracy below 1 arc min which correspond to the typical accuracy value of star sensor.
Keywords: Satellite attitude determination.
Star pattern recognition.
Star Sensor
ABSTRAK
Star Sensor merupakan sensor untuk menentukan sikap satelit dengan akurasi Star sensor memberikan data posisi bintang dengan cara membandingkan posisi bintang yang terdapat pada sensor sebagai piksel-piksel yang aktif dengan data bintang yang terdapat dalam katalog.
Suatu algoritma diperlukan untuk mengenali pola bintang yang ditangkap oleh sensor dan melakukan perhitungan posisinya.
Algoritma yang akurat dan efisien diperlukan untuk meningkatkan unjuk kerja star sensor untuk determinasi sikap satelit.
Sebuah algoritma sederhana dibahas dalam tulisan ini, yaitu dengan menggunakan teknik bintang terdekat/tetangga.
Pendekatan awalnya adalah dengan mendeteksi bintang-bintang tetangga dari suatu bintang paling terang yang tercakup dalam FOV (Field of Vie.
sensor kemudian melakukan identifikasi bahwa pola bintang-bintang tersebut cocok dengan pola bintang tersebut dalam katalog.
Katalog bintang sederhana yang digunakan berisi data posisi bintang dan bintangbintang terdekat dalam jarak tertentu dalam cakupan FOV.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa akurasi dari teknik tersebut cukup baik, yaitu di bawah 1 arc min sesuai dengan nilai maksimum akurasi star sensor.
Kata Kunci: Penentuan Sikap Satelit.
Pengenalan Pola Bintang.
Sensor Bintang
PENDAHULUAN
Star sensor merupakan sensor determinasi sikap satelit dalam tiga sumbu yang cukup akurat dan banyak digunakan oleh banyak satelit untuk Sistem ADC (Attitude Determination Contro.
termasuk juga satelit LAPAN-A2 dan LAPAN-ORARI yang rencananya akan diluncurkan pada tahun 2011.
Seperti beberapa sensor sikap ditunjukkan pada tabel di bawah ini:
Tabel 1-1: AKURASI TIPIKAL SENSOR
PENENTUAN SIKAP SATELIT
(Bak, 1.
Horizon 05 deg-1deg Sensor Sun Sensor 005 deg-4 deg Star Sensor 10-4 deg - 0.
Magnetometer 0.
5 deg Ae 5 deg Algoritma Pengenalan Pola Bintang untuk .
(M.
Arief Saifudin et al.
Tingkat akurasi star sensor tergantung pada teknologi komputasi yang terdapat Selain mikroprosesor dan sensor kamera, komputasi juga turut menentukan kecepatan dan akurasi determinasi sikap satelit.
Pada prinsipnya, cara kerja star sensor adalah melakukan perhitungan posisi bintang.
Jika sekumpulan cahaya bintang yang ditangkap oleh sensor kamera dapat diketahui posisinya dalam referensi inersial, maka dapat diketahui orientasi sikap satelit pada saat itu.
Perhitungan posisi bintang yang dilakukan membutuhkan data referensi posisi bintang yang dinamakan katalog bintang .
tar catalogu.
yang tersimpan dalam memori unit elektronik star Star sensor memberikan data posisi bintang dengan cara membandingkan posisi bintang-bintang yang terdapat pada sensor sebagai pikselpiksel yang aktif dengan data bintangbintang yang terdapat dalam katalog.
Suatu algoritma diperlukan untuk pengenalan pola bintang yang ditangkap oleh sensor dan melakukan perhitungan Beberapa contoh algoritma pengenalan pola bintang yang telah dikembangkan seperti Lost In Space Pyramid (Diaz.
, 2.
Bit Match (Hua Li.
Bao.
Chun Zhang.
Ying.
Yi Li.
Hua.
Wen Xu.
Shi, 2.
, serta algoritma Oriented Triangles (Rousseau.
Bostel.
Masari.
, 2.
Pendekatan awalnya adalah dengan mendeteksi bintang-bintang tetangga dari suatu bintang yang paling terang yang tercakup dalam FOV (Field of Vie.
Sensor kemudian melakukan identifikasi bahwa bintang-bintang tersebut cocok dengan pola bintang dalam katalog.
Algoritma tersebut hanya membutuhkan posisi bintang dalam kartesian .
ektor satuan x,y, .
untuk menghitung jarak masing-masing bintang tetangganya.
Posisi masing- masing bintang yang teridentifikasi yaitu Right Ascension (RA) dan Deklinasi (DE) kemudian dicari rata-rata RA_mean dan DE_mean terhadap titik tengah sensor.
Sebagai bintang sederhana yang digunakan berisi data posisi 4000 bintang.
Proses penentuan posisi bintang ditunjukkan pada gambar di bawah ini :
Gambar 1-1: Proses Sederhana Penentuan Posisi Bintang
IDENTIFIKASI POLA BINTANG
Cahaya bintang yang masuk dan jatuh ke permukaan sensor dipresentasikan sebagai piksel aktif yang mempunyai nilai tertertu.
Setiap piksel sensor CCD mempunyai indeks nilai dari 0 .
aling gela.
sampai dengan angka maksimum 4096 .
aling teran.
Pikselpiksel aktif tersebut kemudian disebut sebagai panorama image.
Agar algoritma lebih efisien, maka dilakukan ekstraksi bintang dengan hanya mengambil piksel .
terang pada setiap baris piksel sensor seperti terlihat pada Gambar 2-1.
Gambar 2-1: Piksel Indeks Terang pada Sensor Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:36-42 Jika ada beberapa piksel berdekatan yang mempunyai indeks nilai terang yang sama, maka diambil satu piksel saja karena kemungkinan cahaya pada piksel-piksel tersebut berasal dari cahaya bintang yang sama, seperti ditunjukkan Gambar 2-2 di bawah ini:
dengan 0<i,j<30.
Dengan x dan y adalah posisi piksel dalam koordinat citra seperti ditunjukkan dalam Gambar 2-4 di bawah ini:
Gambar 2-2: Indeks terang pada piksel yang berdekatan Selanjutnya panorama diekstraksi lagi dengan mengambil 30 objek yang memiliki indeks paling tinggi.
Panorama image inilah yang diproses untuk mengenali piksel-piksel aktif tersebut sebagai pola bintang.
Panorama image dapat disimpan sebagai raw data dalam bentuk file dan disusun dengan struktur seperti terlihat pada Gambar 2-3 di bawah ini :
y position of x position index 1st star of 1st star 1st star y position of x position index 30th star of 30th star value 30th star Gambar 2-3: Struktur panorama image Kriteria toleransi maksimum yang diambil adalah 1.
5 piksel sehingga jarak angularnya dm dapat dihitung :
E 1.
5 / 2 E
d m A 2arctan E E f E dengan f adalah panjang fokal.
Adapun jarak angular antar piksel aktif .
Ai.
untuk setiap piksel i C j diperoleh dengan cara sebagai berikut:
E xi x j A yi y j A f 2 E dA ij A arccos E mi m j Gambar 2-4: Koordinat citra star sensor x A xs A .
/ .
y A .
/ .
A ys Dengan mi dan mj berturut-turut adalah besar vektor .
piksel ai dan aj dimana i dimulai dari piksel dengan indeks paling besar.
Sehingga diperoleh keseluruhan jarak angular antar piksel aktif dalam dari panorama image.
Pengenalan membutuhkan sebuah katalog bintang sebagai referensi.
Katalog bintang yang digunakan berupa data bintang beserta semua bintang tetangganya yang masuk dalam FOV sensor .
dengan struktur seperti terlihat pada Gambar 2-5 di bawah ini:
star id id 1st star x 1st y 1st z 1st nb id d .
id nb 1 id nb n 2nd x 2nd y 2nd z 2nd id nb id id nb m x nth y nth z nth id n star star of nb Gambar 2-5: Stuktur katalog bintang Algoritma Pengenalan Pola Bintang untuk .
(M.
Arief Saifudin et al.
Katalog memodifikasi katalog bintang yang berisi data 14000 bintang dengan informasi Right Ascension (RA).
Deklinasi (DE), unit vektor .
,y,.
, dan nilai magnitudenya.
Dengan melakukan modifikasi, praktis hanya dibutuhkan data unit vektor bintang tersebut dan jarak dengan semua tetangganya.
Proses pengenalan pola bintang dimulai dengan mencari selisih jarak angular setiap piksel aktif pada sensor ( dA ij ) dengan jarak angular bintang A dengan setiap tetangganya .
Ai.
pada Jika nilai absolut .
Aij - dA ij ) < dm maka pasangan piksel aktif Aij cocok dengan pasangan bintang Aij.
Proses dilakukan terus sampai mencapai jumlah kecocokan (Fn, fit numbe.
yang telah ditentukan:
Fn A Eu d Aij A dAij A d m i, j A1 Pada level ini bisa dikatakan proses pengenalan mencapai nilai kecocokan level pertama.
Selanjutnya dilakukan proses pencocokan level kedua yaitu memastikan bahwa semua piksel aktif Aj cocok dengan piksel aktif lainnya Ak, di mana j C k dengan ketentuan:
Fn2 A Eu d A i f j f A dA i f j f A d m piksel c.
Ilustrasinya ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Gambar 2-6: Kecocokan level kedua Maka pada level kedua ini jumlah kecocokan bisa berkurang.
Pada kasus seperti gambar di atas, piksel CAo bukan bintang karena tidak ditemukan pola tersebut dalam katalog.
Jika ditemukan pola yang sama, maka piksel D merupakan bintang.
Piksel CAo di atas .
efect/noise atau cacat pada lens.
atau bercahaya lain yang tertangkap sensor misalnya planet.
Setelah dilakukan pengecekan level kedua, maka bisa dipastikan bahwa piksel-piksel aktif yang membentuk pola bintang seperti yang terdapat dalam Dengan diketahuinya pola bintang yang tertangkap oleh sensor, kemudian dilakukan proses komputasi perhitungan sudut-sudut euler (RA.
DE).
Perhitungan RA dan DE adalah sebagai .
i f , j f A1 dimana indeks Fn2 adalah jumlah kecocokan level kedua dan if dan jf menunjukkan masing-masing indeks piksel/bintang kecocokan level pertama.
Pengecekan level kedua ini perlu dilakukan karena bisa muncul kemungkinan jika piksel a cocok dengan piksel b, dan c tetapi belum tentu piksel b cocok dengan E yE RA A arctan E E ExE DE A arctan E E x2 A y2 E Secara keseluruhan diagram alir algoritma pengenalan pola bintang dapat ditunjukkan pada Gambar 2-7 di bawah Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:36-42 Given :
- Star list form image sensor -Star Catalog Brightest Central Star of image starlist Start Choose Alpha Star Calculate distance of alpha star to all other stars .
of image starlist Create Neighbours List Check all stars of catalog for all stars i in catalog Check all neighbours of catalog star for all neighbours k of stars i in catalog Check all list neighbours of alpha star for all neighbours l of alpha dk is distance of catalog Abs .
k-d.
< dm ? dl is distance of list Save Information that catalog neighbours k fits to list neighbour l dm is parameter that defines the distance margin n is number of fits End of l count End of k count n_min is parameter that defines the minimum number of stars that have to fit to form a pattern n > n_min Star pattern recognized Save Information that alpha star fits to star I in the catalog End of i count End Gambar 2-7: Diagram alir pengenalan pola bintang Algoritma Pengenalan Pola Bintang untuk .
(M.
Arief Saifudin et al.
PENGUJIAN
dDE vs Time dDE .
Pengujian menggunakan star sensor yang akan diterbangkan pada satelit LAPAN-A2 dan LAPAN-ORARI dan dilakukan pada Star diarahkan tegak lurus menghadap ke langit bebas tanpa adanya halangan misalnya awan.
Parameter yang diuji adalah RA dan DE dan hasilnya disajikan pada gambar di bawah ini :
dDE of IRE STS (SN:.
Time .
Gambar 3-4: Grafik dDE vs waktu star dRA vs Time dRA vs Time RA of Eath Rotation .
deg/hou.
RA of IRE STS (SN:.
dRA of Earth Rotation .
deg/h.
dRA of STS IRE (SN:.
Data Source : 2010_02_23_03_31_27_tele.
dRA .
dRA .
Time .
Gambar 3-1: Grafik dRA vs waktu star dDE of STS IRE (SN:.
Time .
Gambar 3-5: Grafik dRA vs waktu star dDE vs Time Data Source : 2010_02_23_03_57_55_tele.
dDE vs Time dDE .
dDE of STS IRE (SN:.
Data Source : 2010_02_23_03_31_27_tele.
dDE .
Time .
Tim e .
Gambar 3-6: Grafik dDE vs waktu star dRA vs Time Gambar 3-2: Grafik dDE vs waktu star RA of Earth Rotation .
deg/hou.
RA of STS IRE (SN:.
Data Source : 2010_02_23_03_52_04_tele.
dRA .
ANALISIS Dari hasil pengujian, diperoleh data perubahan rata-rata nilai dRA dan dDE adalah seperti terlihat pada Tabel Time .
Gambar 3-3: Grafik dRA vs waktu star Jurnal Teknologi Dirgantara Vol.
8 No.
1 Juni 2010:36-42 Tabel 4-1:NILAI RATA-RATA dRA DAN dDE Mean dRA .
Mean dDE .
Time Star Sensor 1 < 200 ms Star Sensor 2 < 200 ms Star Sensor 3 < 200 ms Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai perubahan RA dan DE memiliki variasi yang kecil, yaitu 005076A .
3 arcmi.
untuk RA dan 007627A .
45 arcmi.
untuk DE yang berarti masih di bawah nilai maksimum akurasi, yaitu 1 arcmin .
0167 de.
KESIMPULAN
Algoritma bintang dengan teknik bintang tetangga dapat diterapkan pada star sensor untuk menentukan posisi bintang.
Teknik tersebut menghasilkan hasil pengujian dengan tingkat akurasi yang cukup tinggi yaitu 0.
3 arcmin untuk RA 45 arcmin untuk DE.
Dengan dibutuhkan dalam proses pengenalan pola bintang sampai perhitungan sudut Euler di bawah 200 ms, maka algoritma tersebut dapat digunakan sebagai sensor sikap satelit.
DAFTAR RUJUKAN
Bak, , 1999.
Spacecraft Attitude Determination - a Magnetometer Approach.
PhD thesis.
Aalborg.
Denmark.
University.
Department of Control Engineering.
Denmark.
Buhl.
Renner.
, 2009.
Star Sensor Development Based The TUBSAT Experience.
7th IAA Symposium.
Berlin.
Diaz.
, 2006.
Performance Analysis of Fixed Point Star Tracker Algorithm for Use Onboard a Picosatellite.
California Institute of Technology.
Agustus.
Hua Li.
Bao.
Chun Zhang.
Ying.
Yi Li.
Hua.
Wen Xu.
Shi, 2005.
Autonomous Star Pattern Recognition Algorithm Using Bit Macth.
Harbin Institute of Technology.
Harbin.
China.
Krogh.
Schreder.
, 2002.
Attitude Determination for AAU Cubesat.
Aalborg.
Denmark.
University.
Department of Control Engineering.
Denmark.
Rousseau.
Bostel.
Masari, , 2005.
New Star Pattern Recognition Algorithm for APS Star Tracker Application : AuOriented TriangleAy.
Laboratoire de recherchy balistique et Aerodynamique.
Vernon.
France.
Saifudin.
, 2009.
Laporan Training Star Sensor Berlin.
Pustekelegan Lapan.
Bogor.