Program Satelit Lingkungan Orbit Polar NPOESS Preparatory Project (NPP) Pasca Satelit Terra

dan Aqua

Oleh : Ali Syahputra Nasution*, Islam W. Bagdja*, Suhermanto*Dony Kushardono**

* Peneliti Pusat Pengembangan Pemanfaatan dan Teknologi Penginderaan Jauh LAPAN** Kepala Bidang Pengembangan Teknologi Penginderaan Jauh LAPAN

Pemanfaatan teknologi satelit penginderaan jauh untuk pemantauan lingkunngan dan cuaca merupakan hajat hidup masyarakat dalam mengelola kehidupannya. Sejak dikembangkannya satelit penginderaan jauh untuk pemantauan lingkungan dan cuaca oleh Amerika Serikat dalam hal ini NASA (National Aeronautics and Space Administration) seperti satelit NOAA (National Oceanic Atmospheric Administration), Jepang seperti satelit GMS (Geo-Stationary Meteorological Satellite) dan lain sebagainya, kesinambungan satelit lingkungan dan cuaca tersebut menjadi keharusan sesuai dengan meningkatnya kebutuhan informasi lingkungan.

Indonesia sejak awal tahun 1970-an telah melihat kebutuhan data satelit lingkungan dan cuaca menjadi penting. Oleh karena itu, LAPAN membangun stasiun bumi lingkungan dan cuaca agar dapat menerima data satelit NOAA hingga kini. Perkembangan satelit lingkungan dan cuaca yang dikembangkan NASA maju sedemikian pesatnya, dengan dibuatnya satelit generasi riset Terra dan Aqua dengan berbagai macam sensor untuk berbagai aplikasi pemantauan lingkungan. Kemudian dikembangkan generasi satelit operasional yaitu NPOESS (National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System). Sebelum beroperasinya satelit NPOESS tersebut, dibangunlah satelit riset yang bersifat semi operasinal yaitu satelit NPP (NPOESS Preparatory Project).

NPP merupakan misi kerjasama program antara Badan Antariksa NASA, IPO (Integrated Program Office) dan NOAA. NPP merupakan proyek persiapan satelit sebelum diluncurkannya satelit NPOESS. Dengan pertimbangan efektivitas dan kesinambungan misi satelit, NPP dimaksudkan untuk menggabungkan misi generasi satelit lingkungan sebelumnya yang terpisah antara misi militer dengan satelit DMSP (Defense Meteorological Satellite Program) dan misi sipil dengan satelit NOAA dan MODIS-TERRA/AQUA.

Satelit NPP direncanakan akan diluncurkan sekitar tahun 2010 dari Western Range di pangkalan angkatan udara Vandenberg dari SLC-2, California, dengan menggunakan peluncur Boeing Delta II-7920-10. Satelit NPP akan membawa misi antara lain sebagai berikut :

a. Menjadi satelit transisi antara EOS (Earth Observing System) NASA meliputi Terra, Aqua, dan Aura dengan NPOESS.

b. Melanjutkan perekaman data observasi lingkungan dan iklim global yang telah dilakukan oleh satelit EOS NASA sebelumnya.

c. Menjadi sarana uji coba sensor-sensor yang telah dikembangkan dengan cara mendemonstrasikan dan memvalidasi instrumen baru dan algoritma pemrosesan data guna mengurangi resiko kegagalan operasi.

Satelit NPP akan diluncurkan pada orbit polar sun-synchronous dengan ketinggian = 824 km, inklinasi = 98.7º, periode = 101 menit, melintasi ekuator (khatulistiwa) pada jam 10.30 ± 10 menit (descending node), dan kembali pada lintasan orbit yang sama setiap 16 hari. Satelit NPP direncanakan akan beroperasi selama 5 tahun. Data seluruh perekaman pertiap putaran akan dikirimkan (downlink) ke stasiun bumi Svalbard Norwegia, sedang seluruh data misi akan dikirimkan keseluruh stasiun bumi yang dilintasi secara real time direct broadcast melalui X-band. Ilustrasi satelit NPP terlihat seperti gambar 1.

Gambar 1. Illustrasi Satelit NPPSatelit NPP akan membawa empat buah sensor sebagai berikut :

Visible/Infrared Imager and Radiometer Suite (VIIRS)VIIRS menggambarkan kemampuan terbaik dari sensor-sensor observasi bumi yang bersifat riset maupun operasional yang sekarang ada. Sensor VIIRS berfungsi mengumpulkan data radiometrik dan citra visible/infrared. Tipe data yang dikumpulkan meliputi atmosfer, awan, radiasi bumi, permukaan air/udara bersih, suhu permukaan laut, ocean color dan citra visible resolusi rendah. Gambar 2 memperlihat ilustrasi dari sensor VIIRS.

Sensor VIIRS mempunyai 22 kanal multispektral yang terdiri 9 kanal Visible/Near IR, 8 kanal Middle Wave IR, 4 kanal Long Wave IR, dan 1 kanal DayNight. Ke-22 kanal tersebut memiliki resolusi 370 m dan 740 m. Sensor ini didesain berbasis beberapa sensor seperti Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) dari NOAA, MODIS dari NASA Terra/Aqua , serta Operational Linescan Sensor (OLS) dari DMSP. Sensor ini memiliki lebar sapuan 3040 km, massa 275 kg, mengkonsumsi power maksimum sebesar 240 W, dan laju data maksimum 10.5 Mbps. Tabel 1 di bawah ini menunjukkan distribusi kanal spektral sensor VIIRS dan EDR yang akan dihasilkan.

Gambar 2. Ilustrasi Sensor VIIRS

Tabel 1. Distribusi Kanal Spektral Sensor VIIRS

Cross-Track Infrared Sounder (CrIS)Bersama dengan ATMS, sensor CrIS berfungsi mengumpulkan data atmosfer yang diperlukan dalam perhitungan profil suhu dan kelembaban udara dengan resolusi temporal (harian) yang tinggi. Walaupun repitisi orbit 16 hari, namun karena swath width sensor CrIS lebar (2200 km), maka seluruh permukaan bumi dapat diliput dalam periode 2 sampai dengan 3 hari. Data tersebut akan digunakan untuk model prediksi cuaca baik global maupun regional seperti prediksi pola cuaca, jalur badai dan curah hujan. Dibandingkan dengan sensor HIRS (High-resolution Infrared Radiation Sounder) pada satelit POES (Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System) dengan 20 buah kanal infrared yang mampu menyediakan karakteristik profil suhu atmosfer dengan akurasi suhu antara 2 – 3 K, sensor CrIS menyediakan lebih dari 1000 kanal spektral (hyperspectral) infrared pada arah resolusi spasial horisontal dan dapat mengukur profil suhu vertikal dengan akurasi mendekati 1 K (pada skala suhu mutlak). Akurasi tinggi tersebut mampu meningkatkan kualitas model suhu yang dihasilkan oleh senor CrIS.

Sensor ini bekerja pada panjang gelombang 3,92 – 15,38 μm. Selain itu sensor ini memiliki massa 152 kg, mengkonsumsi power maksimum sebesar 245 W dan laju data maksimum 1,8 Mbps. Gambar 3 di bawah ini memperlihatkan ilustrasi dari sensor CrIS.

Gambar 3. Ilustrasi Sensor CrIS Advaned Technology Microwave Sounder (ATMS)

Sensor ini pada dasarnya merupakan gabungan sensor gelombang mikro-pasif yaitu antara AMSU (Advance Microwave Sounding Unit)-A1/A2 dan AMSU-B/MHS (Microwave Humidity Sounding) dengan tujuan mengurangi konsumsi energi yang

diperlukan dan memperkecil ukuran massa (menjadi ⅓ kali ukuran instrument microwave sounder pada satelit POES dan AQUA). Sensor ATMS digunakan untuk mengukur energi gelombang mikro yang dipancarkan atau dihamburkan oleh atmosfer, yang jika dikombinasikan dengan sensor CrIS akan mampu mengamati temperature atmosfer global harian, uap air (embun) dan profil tekanan udara. Hal ini sama seperti yang telah dijelaskan sebelumnya Walaupun repitisi orbit 16 hari, namun karena swath width sensor ATMS lebar (2300 km), maka seluruh permukaan bumi dapat diliput dalam periode 2 sampai dengan 3 hari.

ATMS juga merupakan radiometer gelombang mikro dengan teknik scanning whiskbroom (cross-track), dengan resolusi spasial 1.5 km. Detektornya terbagi menjadi 22 buah kanal yang berada pada rentang frekuensi 23 – 183 GHz. Ke-22 kanal ini dikelompokkan lagi ke dalam dua grup, yaitu grup frekuensi rendah (23 – 57 GHz) dan grup frekuensi tinggi (88 – 183 GHz). Kanal dengan frekuensi rendah (kanal 1 – 15) digunakan untuk mengukur temperatur udara, sedangkan kanal dengan frekuensi tinggi (kanal 16 – 22) digunakan untuk mengukur kelembaban udara (profil uap air). Sensor ATMS

memiliki massa 85 kg, mengkonsumsi power maksimum sebesar 160 W, dan laju data maksimum 30 Kbps (maksimum). Gambar 4 di bawah ini memperlihatkan ilustrasi sensor ATMS.

Gambar 4. Ilustrasi Sensor ATMS

Tabel 2 di bawah menunjukkan karakteristik masing-masing kanal pada sensor ATMS.

Tabel 2. Karakteristik Kanal Spektral pada Sensor ATMS

ChannelCenter

frequency (GHz)

Max. bandwidth

(GHz)

Center frequency stability (MHz)

Temp. sensitivity NEDT (K)

Calibration accuracy

(K)

Static beamwidth

(º)

Quasi polarization

Characterization at nadir

(reference only)

1 23.8 0.27 10 0.9 2.0 5.2 QV Window-waterVapor 100 mm

2 31.4 0.18 10 0.9 2.0 5.2 QV Window-waterVapor 500 mm

3 50.3 0.18 10 1.20 1.5 2.2 QH Window-surfaceEmissivity

4 51.76 0.40 5 0.75 1.5 2.2 QH Window-surfaceEmissivity

5 52.8 0.40 5 0.75 1.5 2.2 QH Surface air

6 53.596 ±0.115

0.17 5 0.75 1.5 2.2 QH 4 km ~700 mb

7 54.40 0.40 5 0.75 1.5 2.2 QH 9 km ~ 400 mb

8 54.94 0.40 10 0.75 1.5 2.2 QH 11 km ~ 250 mb

9 55.50 0.33 10 0.75 1.5 2.2 QH 13 km ~ 180 mb

10 57.290344 0.33 0.5 0.75 1.5 2.2 QH 17 km ~ 90 mb

11 57.290344 ±0.217

0.078 0.5 1.20 1.5 2.2 QH 19 km ~ 50 mb

12 57.290344 ±0.3222 ±0.048

0.036 1.2 1.20 1.5 2.2 QH 25 km ~ 25 mb

13 57.290344 0.016 1.6 1.50 1.5 2.2 QH 29 km ~ 10 mb

±0.3222±0.022

14 57.290344 ±0.3222±0.010

0.008 0.5 2.40 1.5 2.2 QH 32 km ~ 6 mb

15 57.290344 ±0.3222±0.0045

0.003 0.5 3.60 1.5 2.2 QH 37 km ~ 3 mb

16 87-91 2.0 200 0.5 2.0 2.2 QV Window H2O 150 mm

17 166.31 2.0 200 0.6 2.0 1.1 QH H2O 18 mm

18 183.31±7.0 2.0 100 0.8 2.0 1.1 QH H2O 8 mm

19 183.31±4.5 2.0 100 0.8 2.0 1.1 QH H2O 4.5 mm

20 183.31±3.0 1.0 50 0.8 2.0 1.1 QH H2O 2.5 mm

21 183.31±1.8 1.0 50 0.8 2.0 1.1 QH H2O 1.2 mm

22 183.31±1.0 0.5 30 0.9 2.0 1.1 QH H2O 0.5 mm

Ozone Mapping and Profiler Suite (OMPS)OMPS merupakan sensor yang berfungsi memantau kandungan ozon di ruang angkasa. OMPS mengumpulkan profil vertikal dan kolom total data ozon serta menghasilkan data kontinyu ozon global harian melalui sistem pemantauan ozon secara langsung, yaitu berupa instrumen SBUV/2 (Solar Backscatter Ultaviolet Radiometer) dan TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) dengan akurasi yang lebih tinggi. Data ini digunakan untuk memantau penipisan lapisan ozon.

Sensor nadir menggunakan teleskop pushbroom dengan sudut pandang yang lebar untuk menjangkau dua buah spektrometer yang terpisah. Total nadir spektometer kolom (mapper) mampu mengukur radiansi antara 300 – 380 nm dengan resolusi 1 nm yang disampling pada panjang gelombang 0.42 nm, dan 24 jam waktu kembali ke bumi. Sementara sensor limb dengan along-track limb digunakan untuk mengukur radiansi matahari yang terhambur dengan sampling sejauh 1 km pada rentang panjang gelombang 290 – 1000 nm. Tiga sampel slit vertical limb pada interval 250 km dengan cross-track mampu menyediakan 7 hari waktu kembali ke bumi yang lebih baik lagi. Tiga slit tersebut akan diumpan

menjadi citra ke dalam satu CCD (charge couple device).

Sensor ini memiliki lebar sapuan 2600 km, massa 63 kg, mengkonsumsi power maksimum sebesar 97 W, dan laju data maksimum 190 Kbps. Gambar 5 di bawah memperlihatkan ilustrasi sensor OMPS.

Gambar 5. Ilustrasi Sensor OMPS

NPP akan menghasilkan tiga jenis produk yaitu : Raw Data Records (RDRs) : sama dengan produk

level 0 EOS NASA

Sensor Data Records (SDRs) : sama dengan produk level 1B EOS NASA

Environmental Data Records (EDRs) : sama dengan produk level 2 EOS NASA

Gambar 6. NPP EDRsProduk level 2 (EDRs) yang dihasilkan oleh sensor-sensor satelit NPP seperti yang terlihat pada gambar 6 yaitu sejumlah 24 EDRs. Dari gambar 6 di bawah terlihat bahwa sensor VIIRS menghasilkan 20 EDRs. Sensor CrIS bersama dengan sensor ATMS menghasilkan 3 EDRs dan sensor OMPS menghasilkan 1 EDRs.

Gambar-gambar di bawah ini memperlihatkan beberapa contoh data simulasi yang akan dihasilkan oleh sensor satelit NPP dibandingkan dengan satelit lingkungan orbit polar lainnya.

Pada tulisan ini hanya diperlihatkan data simulasi untuk sensor VIIRS, sedangkan untuk sensor CrIS, ATMS dan OMPS tidak dijelaskan.

Gambar 7. Perbandingan Citra visible simulasi Sensor AVHRR NOAA dan Sensor VIIRS NPP pada Posisi

Nadir

Gambar 7 di atas merupakan simulasi sensor AVHRR satelit NOAA dan sensor VIIRS satelit NPP pada posisi nadir. Citra simulasi diperoleh dari satelit Landsat yang didasarkan pada panjang gelombang yang sama atau berdekatan dengan kanal sensor AVHRR dan VIIRS. Terlihat bahwa citra simulasi sensor VIIRS lebih baik kualitasnya daripada citra simulasi sensor AVHRR.

Gambar 8. Perbandingan Citra visible simulasi Sensor AVHRR NOAA dan Sensor VIRRS NPP pada Posisi

Edge of Scan

Pada gambar 8 diatas terlihat bahwa citra AVHRR menurun kualitasnya pada posisi edge of scan sedangkan VIIRS akan menjaga kualitas (resolusi) sampai keseluruhan scan.

Gambar 9. Perbandingan citra simulasi sensor satelit NOAA-17 (kiri) dan satelit NPP (kanan)

Gambar 9 merupakan simulasi kanal visible satelit NOAA-17 dan satelit NPP. Citra simulasi diperoleh dari MODIS Aqua yang didasarkan pada panjang gelombang yang sama atau berdekatan dengan satelit NOAA-17 dan NPP. Terlihat bahwa satelit NPP memiliki resolusi spasial yang lebih tinggi sehingga kualitas citra yang dihasilkan lebih baik daripada NOAA-17.

Berikut diperlihatkan beberapa contoh keluaran citra informasi (EDRs) yang akan dihasilkan oleh sensor-sensor satelit NPP. Dimana ditunjukan bahwa dari sensor satelit NPP akan dapat dihasilkan berbagai informasi yang akan bisa dipergunakan untuk berbagai aplikasi seperti pemantauan cuaca, lingkungan atmosfer dan fisik perairan hingga produksi informasi untuk mendukung penangkapan ikan di laut.

Gambar 10. VIIRS Land Surface Temperature

Land Surface Temperature merupakan suhu luar dari lapisan paling atas permukaan daratan. EDR ini hanya diperlukan untuk sel-sel horizontal dimana sel dan seluruh sel tetangganya dikategorikan sebagai kondisi bebas dari tutupan awan. EDR ini menyediakan pengukuran suhu untuk daerah inland (navigable water) dan coastal water.

Gambar 11. VIIRS Sea Surface Temperature

Sea Surface Temperature (SST) merupakan pengukuran suhu air laut pada lapisan batas permukaan (skin) dan 1 meter lebih atas (bulk).

Gambar 12. VIIRS Cloud Base Height

Cloud Base Height (CBH) merupakan ketinggian di atas permukaan laut saat cloud base terjadi.

CBH = Ketinggan awan paling atas – Ketebalan awan

Gambar 13. VIIRS Aerosol Optical Thickness

Aerosol Optical Thickness (AOT) merupakan pemunahan (hamburan + penyerapan) suspensi partikel cair atau padat di atmosfer pada narrow band sekitar panjang gelombang tertentu.

Gambar 14. CrIS/ATMS Atmospheric Vertical Temperature Profile

Atmospheric Vertical Temperature Profile merupakan serangkaian perkiraan suhu atmosfer rata-rata sel tiga dimensi yang terpusat pada titik-titik tertentu sepanjang suatu vertikal lokal. EDR ini dibutuhkan dalam kondisi cerah, sedikit berawan dan berawan.

Gambar 15. CrIS/ATMS Atmosheric Vertical Moisture Profile

Atmospheric Vertical Moisture Profile merupakan serangkaian perkiraan mixing ratio rata-rata dalam sel tiga dimensi yang terpusat pada titik-titik tertentu sepanjang suatu vertikal lokal. Mixing ratio pada suatu sample udara adalah rasio sample uap air dalam sample dengan massa udara kering dalam sample. Satuan mixing ratio adalah g/kg. EDR ini dibutuhkan dalam kondisi cerah, sedikit berawan dan berawan.

Gambar 16. OMPS Ozone Total Column

Ozone Total Column (TC) merupakan jumlah ozone dalam vertikal kolom atmosfer yang diukur dalam satuan Dobson.

Berdasarkan pembahasan yang telah dikemukakan di atas, dapat disimpulkan bahwa : 1. NPOESS merupakan satelit operasional kelanjutan

satelit NOAA yang teknologinya sangat berbeda dengan satelit yang operasional saat ini (NOAA). Untuk itu diperlukan serangkaian uji coba dan testing melalui beberapa tahap yang dimulai dari generasi satelit EOS (Terra, Aqua).

2. NPP merupakan satelit yang menjembatani antara satelit generasi EOS yang bersifat research (Terra, Aqua) menuju satelit operasional NPOESS. Sedangkan sensor-sensor yang akan dibawa satelit NPP kelak sama dan merupakan sebagian dari beberapa sensor yang akan dibawa satelit NPOESS.

3. Terkait dengan perubahan iklim global, instrumen satelit NOAA yang dioperasionalkan mulai tahun 1970, telah tidak mampu lagi menjawab tuntutan kebutuhan dalam memahami fenomena alam, sehingga konsep penggunaan pasangan satelit pada satelit NOAA menjadi pasangan 3 satelit pada satelit NPOESS. Sehingga bisa dikatakan dengan diluncurkannya satelit NPP dan NPOESS memberikan manfaat yang dapat menambah kemampuan satelit-satelit lingkungan yang sudah ada.