Analisa & Pertimbangan Untuk Tower Sitting Radar Cuaca

Dalam merancang dan menentukan  tower antena radar (antenna sitting) perlu dipertimbangkan hal-hal seperti berikut :

• Ketinggian dan Jarak static-obstacle terhadap tower
• Efek goncangan tower akibat tekanan angin dan gempa
• Memperkecil kemungkinan radiasi ke permukaan tanah yang berdekatan dengan tower
• Biaya pembangunan tower, biaya instalasi, biaya pemeliharaan
• Faktor keselamatan teknisi ( hal utama yang paling sering diabaikan )

Tulisan ini adalah private technical notes, yang sepenuhnya merupakan opini pribadi, yang sama sekali bukan merupakan kebijakan perusahaan di mana penulis bekerja. Catatan teknis ini juga tidak merupakan koreksi atau kritikan pada kebijakan siapapun dalam penentuan rancangan tower radar yang ada. Hal ini mengingat memang dalam prakteknya sering terlibat faktor-faktor non-teknis baik yang logis maupun tidak logis dalam memilih lokasi untuk menempatkan radar cuaca. Harapan saya hanyalah, informasi ini dapat digunakan oleh instansi-instansi yang terkait, khususnya instansi milik negara, mengingat biaya penyelenggaraan radar-cuaca sangat mahal. Penempatan yang tidak optimal atau bahkan salah adalah kerugian investasi, yang notabene UANG RAKYAT.

Dalam catatan ini bukan mustahil ada beberapa kesalahan atau ketidak tepatan model, asumsi, data dan analisa. Untuk hal tersebut opini ini terbuka untuk dikritik, dikoreksi dan diperbaiki. 

Penulis tidak bertanggung-jawab atas semua dampak yang diakibatkan oleh pihak yang menggunakan model, asumsi, data dan analisa dalam catatan pribadi ini.

Ditulis : Januari 2008 sebagai Catatan dari Lapangan

Revisi I : Januari 2009, dengan penambahan topik :

• Penggunaan Range-Height Nomogram untuk menganalisa obstacle.
• Water Surface Clutter.
• Optimal Radar Placement for Airport / Specific Interest Area Monitoring.
  

How Low Can You Go !

Dari sisi jangkauan dan ruang pandang radar, secara teoritik semakin tinggi tower akan semakin bagus. Dapat pula diartikan, semakin tinggi tower semakin rendah target ( dalam hal ini awan ) yang masih bisa dibaca oleh radar. Yang perlu dikaji adalah penambahan ketinggian hingga sejauh apa yang dapat memperendah ketinggian target yang cukup berarti dan memadai dengan upaya penambahan ketinggian tower tersebut. 

1. Target radar cuaca.

Dalam garis besarnya yang dapat dibaca oleh radar cuaca adalah butiran-air yang terkandung di dalam awan. Sedangkan ukuran terkecil dari butiran-air yang dapat diukur sebuah radar tergantung sekali pada frekuensi kerja radar tersebut.

Tabel

Penggunaan Spektrum Pada Radar Cuaca

Diameter minimum yang masih dapat dibaca dengan teliti tergantung pada frekuensi kerja. Dari studi teoritik diperoleh kesepakatan bahwa diameter minimun tersebut sebesar D = 0.1 panjang-gelombang kerja yang digunakan. Dengan melihat lambda frekuensi-kerjanya, kita ambil contoh beberapa band radar yang populer digunakan sebagai berikut :

• Band S : untuk mengukur butir-air mulai diameter sekitar 10 mm
• Band C : untuk mengukur butir-air mulai diameter sekitar  5 mm
• Band X : untuk mengukur butir-air mulai diameter sekitar  3 mm

Semakin tinggi frekuensi kerja radar semakin kecil diameter air yang masih dapat terbaca.

2. Ketinggian Awan 

Pada pengamatan presipitasi (hujan, gerimis, salju, butiran atau gumpalan es dsb.) awan yang menjadi target adalah awan yang berada pada ketinggian mulai dari NOL hingga sekitar 12000 s/d 15000 meter. Umumnya radar akan digunakan untuk pengamatan hingga ketinggian 10000 meter dan sering dikonsentrasikan dari bawah hingga sekitar 7000 m dari permukaan laut. Namun demikian untuk keperluan khusus seperti pengamatan awan Cb (cumulonimbus =  awan yang mengandung kolom air vertikal) yang memiliki potensi berbahaya untuk penerbangan, radar cuaca juga dapat digunakan untuk mengamati hidrometeor hingga lebih dari 20000 m, meski kasus ini agak jarang. ( Catatan : puncak awan Cb umumnya tidak lebih dari 10000 meter. Awan Cb ekstrim yang pernah teramati memiliki ketinggian hingga sekitar 23000 meter).

3. Diameter Area Pengukuran

Mengingat sinar gelombang elektromagnet yang dipancarkan radar berupa kerucut  maka semakin jauh target akan semakin besar diameter area pengukuran. Pada radar cuaca sudut kerucut tersebut  (juga lebih populer disebut beamwidth) umumnya tidak lebih dari 1 derajat. Besar kecilnya diameter (yang berarti luas target) pada suatu jarak target ( RT, target range) tergantung juga pada elevasi dari antena radar. Pada gambar berikut dapat dilihat korelasi antara range, beamwidth dan sudut elevasi.

Catatan : Elevasi adalah sudut antara arah antena dan garis singgung bumi di titik tersebut, (garis horison).

Contoh :

Antena dengan beamwidth 0.98 derajat, diarahkan pada target sejauh 100 km dengan elevasi 3 derajat. Hitunglah diameter area pengukuran pada lokasi target tersebut.

Jawaban :

Dari relasi pada gambar:

DT = (100 KM) x tan(0.98)/cos(3)

     = (100) x (0.0171) / (0.9986) km

     = 1.713 km 

     = 1713 meter.

4. Obstacle ( Penghalang

Pada prinsipnya radar tidak mungkin membaca target yang terhalang obstacle. Radar hanya bisa memprediksi ( atau tepatnya menginterpolasi ) saja target di balik obstacle. Itupun ketepatannya tetap harus dibantu peran operator-analisis-nya. Idealnya tower ditempatkan di titik yang datar yang sangat jauh atau bahkan bebas dari obstacle seperti gedung bertingkat, perbukitan atau pegunungan. Dalam prakteknya tidak selalu mudah memperoleh titik ideal tersebut.

Jarak antara tower dengan obstacle dan ketinggian obstacle sangat mempengaruhi ruang pandang radar. Hal ini diilustrasikan pada sketsa geometri sederhana dengan asumsi permukaan bumi datar seperti gambar di bawah ini.

• α     : sudut elevasi minimum untuk melewati obstacle
• HA : ketinggian antena radar (atau tower) terhadap permukaan laut
• HO : ketinggian obstacle dari permukaan laut
• HT : ketinggian target dari permukaan lau
• RO : jarak obstacle terhadap tower
• RT : jarak target terhadap tower

tan α = ( HO - HA ) / RO = ( HT - HA ) / RT

Sehingga kita memperoleh persamaan untuk HT sebagai berikut :

HT = HA + (HO - HA ) ( RT / RO )

Dapat disimpulkan bahwa pada suatu jarak target ­RT untuk mendapatkan HT yang rendah maka dapat dicapai dengan  HO yang rendah dan/atau RO­ yang besar.

Penentuan HA harus memperhatikan HO dan RO.

• Bila HA <<< HO maka perubahan HA tidak akan signifikan memperbaiki (memperendah) HT. 
• Demikian pula apabila RO yang kecil  (artinya obstacle sangat dekat dengan radar) maka peningkatan HA tidak signifikan  lagi untuk memperendah HT. 

Beberapa ilustrasi berikut dapat memperjelas uraian di atas.

Ilustrasi 1 :

Tower pada ground-elevation 100 meter. Terdapat obstacle berupa bukit dengan ketinggian 500 meter yang berjarak 10 km dari tower. Observasi pada target yang berjarak 50 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk tower 15 meter dan tower 20 meter.

Penjabaran 1 :

Dengan tower 15 m  atau HA = 100m + 15m = 115 meter maka : 

HT = 115 + (500 - 115) x (50000/10000) = 2040 meter. 

Dengan tower 20 m atau HA = 100m + 20m = 120 meter maka : 

HT = 120 + (500 - 120 ) x (50000/10000) = 2020 meter. 

Dengan menaikkan tower dari 15 m menjadi 20 m ada penurunan HT sejauh 20 meter. 

Untuk melampaui obstacle elevasi radar minimum harus sebesar arctan(500/10000) atau sebesar 2.862 derajat. Pada jarak sejauh 50 km dengan beam-width radar yang 1 derajat maka diameter target yang terbaca akan sekitar 874 meter.

Pertanyaannya adalah : pada ketinggian sekitar 2000 meter (dengan diameter target yang terbaca oleh radar sebesar 874 meter ) apakah perbedaan sebesar 20 m cukup signifikan dalam pembacaan reflektifitas target ? Jawabannya : perubahan sekecil itu tidak cukup berarti. 

Ilustrasi 2 :

Tower pada ground-elevation 200 meter. Terdapat obstacle berupa gunung dengan ketinggian 3000 meter yang berjarak 50 km dari tower. Observasi pada target yang berjarak 150 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk tower 15 meter dan tower 25 meter.

Penjabaran 2 :

Dengan tower 15 m, atau HA = 200m + 15m = 215 m. maka : 

H T = 215 + (3000 - 215) x (150000/50000) = 8570 meter. 

Dengan tower 25 m, atau HA = 225 m maka : 

HT = 225 + (3000 - 225) (150000/50000) = 8550 meter. 

Dengan menaikkan tower dari 15 m menjadi 25 m ada penurunan HT sejauh 20 meter. Pada jarak sejauh 150 km dengan beam-width radar yang 1derajat maka diameter target yang terbaca akan sekitar 2600 meter. 

Dengan pertanyaan yang sama agaknya perubahan 20 m terlalu  dan tidak cukup signifikan untuk menaikkan ketinggian tower dari 15 m menjadi 25 m. 

 

Ilustrasi 3 :

Tower pada ground-elevation 200 m. Terdapat obstacle berupa gedung dengan ketinggian 250 meter yang berjarak 1 km dari tower pada ground-elevasi yang sama. Observasi pada target yang berjarak 50 km dari tower. Berapa ketinggian target terendah untuk antena dengan ketinggian 15 meter dan 30 meter dari permukaan tanah.

Penjabaran 3 :

Dengan tinggi antena dari tanah 15 m, atau HA = 215 m maka;

HT = 215 + (450 - 215)x(50000/1000) = 11965 meter.
 
Dengan menaikkan menjadi 30 m, atau HA = 115 m maka:
 
HT = 230 + (450 - 230)x(50000/1000) = 11230 meter.
 
Pada kasus ini, dengan menaikkan tower atau menaikkan ketinggian antena dari 15 meter menjadi 30 meter tidak akan memperbaiki ruang pandang radar. Pada kasus ini yang dapat dilihat radar hanya target di atas 11 km. Kita akan banyak kehilangan data presipitasi yang signifikan. Solusi untuk kasus yang demikian adalah mencari lokasi yang jauh dari obstacle semacam itu, atau secara ekstrim memasang antena radar di puncak gedung tersebut. Pada kondisi semacam ini akhirnya yang menjadi pertimbangan utama adalah cost. Dari sisi pertimbangan obstacle, kesimpulan yang dapat diambil dari ilustrasi di atas adalah penentuan ketinggian tower harus memperhatikan kondisi topografi yang bakal dihadapi oleh radar. Dengan demikian tidak semua tempat harus menggunakan ketinggian tower yang sama atau bahkan asal tinggi.

Apabila tidak terdapat obstacle yang sangat spesifik seperti pada ilustrasi 3, sebenarnya ketinggian sekitar 10 ~ 15 meter sudah cukup memadai. Ketinggian ini dengan pertimbangan antara lain menghindari obstacle yang cukup dekat dengan tower seperti misalnya pepohonan dan rumah-rumah bertingkat.

Kalkulasi di atas adalah penyederhanaan untuk memberi gambaran pengaruh obstacle terhadap efektifitas ketinggian tower radar. Kalkulasi yang lebih presisi dilakukan dengan menggunakan model permukaan bumi yang melengkung. Dalam pemodelan ini, radius bumi ( yang besarnya antara 6357 ~ 6378 km ) perlu ditransformasi terlebih dulu untuk menyederhanakan analisa. Model ini menganggap lintasan gelombang radio berupa garis lurus meskipun sesungguhnya berupa garis lengkung.

Relasi range-height di atas dapat pula dilihat dalam nomogram berikut. Nomogram ini amat handy untuk digunakan menganalisa elevasi radar yang tepat, melihat daerah yang shadowed, memilih lokasi instalasi radar yang optimal dsb.

Nomogram Height-Range untuk jarak jauh.

Nomogram Height-Range untuk jarak dekat.

--- klik gambar di atas untuk memperoleh gambar yang lebih besar ---

/*

to be expanded

or

to be continued !

*/