Teori Fisika untuk GPS

Oleh: Dr. Ir. Vina Serevina, M.M., Faradila Eka Pratiwi, Pendidikan Fisika UNJ Angkatan 2019

Teknologi informasi telah berkembang, salah satunya pada pembuatan aplikasi yang sudah dapat dikembangkan pada perangkat smartphone berbasis android yang dapat dengan mudah digunakan serta dapat menyediakan informasi secara cepat dan efisien. Salah satu fitur yang terdapat dalam smartphone adalah layanan internet dan dilengkapi dengan fitur GPS (Global Positioning System), yaitu sistem navigasi yang menggunakan sinyal satelit dalam penggunaannya. Dengan adanya GPS pengguna smartphone dapat mengetahui koordinat dari pengguna. GPS dapat menghitung informasi, seperti kecepatan, arah yang dituju, jalur, tujuan perjalanan, jarak tujuan, matahari terbit, matahari terbenam dan lainlain. Sinyal yang dikirimkan oleh satelit ke GPS akan digunakan untuk menghitung waktu perjalanan (travel time). Penerapan lokasi dengan Location Based Services (LBS) atau layanan berbasis lokasi yang mampu mendeteksi letak pengguna juga dapat memberikan layanan informasi yang dibutuhkan sesuai dengan letak pengguna tersebut. LBS ini juga memanfatkan fungsi teknologi GPS dan cell-besed location dari Google. Dalam mengukur posisi, LBS menggunakan lintang dan bujur untuk menentukan lokasi geografis (Eka, 2017).

Peranan teori relativitas sangat besar sekali dalam teknologi GPS untuk meningkatkan keakuratan pengukuran posisi objek di permukaan bumi. Tanpa peranan teori relativitas khusus dan umum kemungkinan besar teknologi GPS tidak dapat digunakan. Selain ruang dan waktu, massa juga akan berubah. Semakin cepat suatu objek bergerak, semakin berat massa suatu objek. Faktanya, tidak ada objek pesawat luar angkasa yang dapat mencapai 100% dari kecepatan cahaya. Jika hal ini terjadi, maka massa pesawat tersebut akan melonjak menjadi menuju tak hingga. Hubungan antara massa dan kecepatan seringkali ditampilkan dalam persamaan E = mc², dimana E merupakan energi, m adalah massa, dan c adalah kecepatan cahaya. Selain ruang dan waktu, massa juga akan berubah. Semakin cepat suatu objek bergerak, semakin berat massa suatu objek.

Satelit sebagai pusat informasi GPS menggunakan relativitas sebagai dasar teorinya. Meskipun satelit tidak bisa mengikuti kecepatan cahaya, namun satelit sangat cepat dalam teknologi yang diciptakan manusia untuk memberikan sinyal ke stasiun di bumi. Berdasarkan teori relativitas, pergerakan detik di Bumi lebih lambat daripada di satelit karena pengaruh gravitasi. Teori ini juga mengatakan bahwa jam yang sedang bergerak (misalnya jam di satelit atau di mobil yang berjalan) ternyata lebih lambat daripada jam yang dalam posisi diam. Hal ini menyebabkan terjadinya dilatasi waktu relativistik pada jam sekitar empat mikrodetik setiap harinya. Ditambah dengan efek gravitasi menjadi sekitar tujuh mikrodetik atau 7000 nanodetik. Jumlah kecil ini bisa memberi perbedaan besar dalam mekanismne GPS sampai beberapa kilometer (Fisika Indonesia: 2015).

Gambar 2. Bagaimana GPS bekerja Sumber: https://pin.it/CiSTAIM

GPS mempunyai tiga komponen utama, yaitu: satelit, pengendali, dan penerima/pengguna. Satelit berfungsi untuk menerima dan menyimpan data yang ditranmisikan oleh stasiun-stasiun pengontrol. Menyimpan dan menjaga informasi waktu berketelitian tinggi (ditentukan dengan jam atomik di satelit), dan memancarkan sinyal dan informasi secara kontinu ke pesawat penerima (receiver) dari pengguna. Pengontrol berfungsi untuk mengendalikan dan mengontrol satelit dari bumi baik untuk mengecek kesehatan satelit, penentuan dan prediksi orbit waktu, sinkronisasi waktu antar satelit, dan mengirim data ke satelit. Penerima berfungsi menerima data dari satelit dan memprosesnya untuk menentukan posisi (posisi tiga dimensi yaitu koordinat di bumi plus ketinggian), arah, jarak dan waktu yang diperlukan oleh pengguna. Ada dua macam penerima yaitu tipe navigasi dan geodetic (Bangun, 2008).  

GPS menggunakan 24 satelit yang mengorbit bumi dengan jarak sekitar 12.000 km di atas bumi. Satelit ini bergerak dengan kecepatan sekitar 7.000 km/jam dengan menggunakan tenaga surya. Satelit ini juga memiliki baterai yang dipasang secara onboard untuk mengantisipasi saat terjadi gerhana matahari, atau ketika tidak mendapat cahaya matahari, serta dilengkapi dengan roket pendorong untuk menjaga satelit tetap berada pada orbitnya. Setiap daerah di atas permukaan bumi ini minimal terjangkau oleh tiga sampai empat satelit. GPS terbaru bisa menerima sampai dengan 12 chanel satelit sekaligus. Kondisi langit yang cerah dan bebas dari halangan membuat GPS dapat dengan mudah menangkap sinyal yang dikirimkan oleh satelit. Semakin banyak satelit yang diterima oleh GPS, maka akurasi yang diberikan juga akan semakin tinggi. 

Setelah dibuktikannya bahwa revolusi ilmiah telah mengubah cara pandang manusia mengenai alam semesta secara mendasar. Paradigma baru tersebut adalah teori relativitas Einstein yang meliputi teori relativitas khusus dan teori relativitas umum. Hukum-hukum fisika yang terdapat di teori relativitas dapat ditemui di kehidupan sehari-hari. Salah satunya adalah GPS yang saat ini banyak digunakan pada bidang militer, mengetahui jalur navigasi secara akurat pada mobil dan pesawat, sistem informasi geografis, dan pemantauan gempa bumi. Peranan teori relativitas sangat besar sekali dalam teknologi GPS untuk meningkatkan keakuratan pengukuran posisi objek di permukaan bumi. Tanpa peranan teori relativitas khusus dan umum kemungkinan besar teknologi GPS tidak dapat digunakan.

Daftar Pustaka:

• Hartini, Sri. "Revolusi Ilmiah: Global Positioning System (GPS) Sebagai Bukti Empiris Teori Relativitas." Jurnal Filsafat Indonesia 2.1 (2019): 27-32.
• Bangun, M.Br. (2008). Pemanfaatan dan Aplikasi Teknologi Sistem Satelit GPS dalam Penentuan Posisi Geografis Pengguna.  Jakarta: LAPAN
• Eka ,R. (2106) Implementasi Global Positioning System (GPS) dan Location Based Service
• (LSB) pada Sistem Informasi Kereta Api untuk Wilayah Jabodetabek. Jurnal Sisfotek Global
• Fisika Indonesia. (2015). Bukti Teori Relativitas Einstein dalam Kehidupan, https://fisika.id/2015. (diunduh tanggal 27 Maret 2019).