Di daratan, mengetahui posisi kita sekarang sangat mudah.

Buka smartphone.

Aktifkan Maps.

Beberapa saat kemudian sebuah titik muncul di layar.

Saat berada di mobil, GPS dapat membantu menentukan:

lokasi,

arah,

kecepatan,

hingga rute menuju tujuan.

Pesawat dan kapal permukaan juga dapat menggunakan sistem navigasi satelit sebagai salah satu sumber informasi posisi.

Tetapi situasinya berubah drastis begitu kita masuk jauh ke bawah permukaan laut.

Smartphone yang dibawa menyelam tidak akan terus mendapatkan navigasi satelit seperti ketika berada di jalan raya.

Bahkan kendaraan bawah laut bernilai sangat mahal pun tidak bisa sekadar memasang receiver GPS lalu menggunakannya secara normal ketika berada jauh di bawah air.

Kenapa?

Jawabannya bukan karena satelit GPS tidak menjangkau lautan.

Satelit tetap berada di atas sana.

Masalah sebenarnya adalah air laut berada di antara satelit dan receiver.

Dan air laut ternyata merupakan penghalang yang sangat besar bagi jenis sinyal yang digunakan sistem navigasi satelit.

GPS Bekerja dari Luar Angkasa

Untuk memahami kenapa GPS tidak bekerja di bawah laut, kita perlu memahami konsep dasarnya terlebih dahulu.

GPS merupakan salah satu Global Navigation Satellite Systems atau GNSS.

Satelit navigasi mengorbit Bumi dan memancarkan sinyal radio yang berisi informasi sangat presisi mengenai waktu serta orbit satelit.

Receiver di permukaan menerima sinyal dari beberapa satelit.

Dari perbedaan waktu kedatangan sinyal tersebut, perangkat dapat memperkirakan jaraknya dari satelit.

Dengan informasi dari beberapa satelit, posisi receiver dapat dihitung.

Konsepnya terdengar sederhana.

Tetapi ada satu syarat penting:

sinyal harus berhasil mencapai receiver.

Smartphone Tidak Mengirim Sinyal ke Satelit untuk Menanyakan Lokasi

Ada misconception yang cukup umum.

Sebagian orang membayangkan smartphone mengirim pertanyaan ke satelit:

“Gue sekarang ada di mana?”

Kemudian satelit menjawab dengan koordinat.

Untuk penentuan posisi GNSS standar, konsep dasarnya justru receiver mendengarkan sinyal yang dipancarkan satelit.

Receiver kemudian melakukan perhitungan berdasarkan sinyal tersebut.

Jadi tantangan bawah laut bukan sekadar masalah mengirim data kembali ke luar angkasa.

Masalah pertama sudah terjadi saat sinyal satelit mencoba mencapai receiver.

Sinyal Radio Bisa Bergerak Sangat Baik di Udara

Gelombang elektromagnetik digunakan di hampir seluruh teknologi komunikasi modern.

Radio.

Televisi.

Wi-Fi.

Bluetooth.

Jaringan seluler.

Radar.

Komunikasi satelit.

GPS.

Tetapi bagaimana gelombang elektromagnetik merambat sangat bergantung pada:

frekuensi

dan

medium yang dilaluinya.

Udara dan air laut bukan medium yang sama.

Air Laut Bukan Sekadar “Air”

Air laut mengandung berbagai ion terlarut, terutama garam.

Akibatnya, air laut mempunyai konduktivitas listrik yang jauh lebih tinggi daripada udara.

Ketika gelombang radio berfrekuensi tinggi memasuki air laut, energinya mengalami attenuation yang kuat.

Sinyal melemah dengan cepat.

Semakin dalam receiver berada, semakin sulit sinyal navigasi satelit mencapainya.

Bayangkan Cahaya Masuk ke Laut

Kita sebenarnya sudah familiar dengan konsep serupa melalui cahaya.

Di permukaan laut pada siang hari, lingkungan sangat terang.

Semakin menyelam ke bawah, kondisi menjadi semakin gelap.

Tidak semua panjang gelombang cahaya menembus air dengan cara yang sama.

Gelombang radio juga berinteraksi dengan air.

Namun frekuensi yang digunakan sistem navigasi satelit sangat tidak cocok untuk menembus air laut dalam.

Jadi GPS Bukan Kehabisan “Jangkauan”

Ini perbedaan penting.

Kalau sebuah kapal berada di tengah Samudra Pasifik tetapi masih di permukaan dengan pandangan langit yang memadai, receiver GNSS tetap dapat memperoleh sinyal satelit.

Artinya lautan itu sendiri bukan zona tanpa satelit.

Masalah muncul ketika antena masuk ke bawah air.

Dengan kata lain:

masalahnya bukan horizontal distance dari daratan.

Masalahnya adalah penetrasi sinyal melalui air.

Bagaimana Kalau Cuma Beberapa Sentimeter di Bawah Air?

Sinyal radio dapat mengalami pelemahan bahkan pada kedalaman yang relatif kecil, bergantung pada frekuensi, kondisi, desain antena, dan lingkungan.

Untuk sistem navigasi satelit yang mengandalkan sinyal lemah dari orbit, kondisi bawah air sangat tidak menguntungkan.

Kita tidak bisa memperlakukannya seperti sinyal yang tetap tersedia sampai kedalaman ratusan meter.

Karena itu perangkat bawah laut membutuhkan pendekatan lain.

Kenapa Tidak Menggunakan Frekuensi Radio yang Lebih Rendah?

Ini pertanyaan menarik.

Gelombang radio dengan frekuensi sangat rendah dapat menembus air laut lebih baik dibanding frekuensi tinggi tertentu.

Teknologi very low frequency dan extremely low frequency pernah digunakan atau dikembangkan untuk komunikasi tertentu dengan kapal selam.

Tetapi ada trade-off besar.

Frekuensi sangat rendah berarti:

wavelength sangat panjang,

antena bisa menjadi sangat besar,

bandwidth sangat terbatas,

dan data rate rendah.

Teknologi tersebut tidak otomatis menjadi pengganti GPS bawah laut.

Menerima Pesan Tidak Sama dengan Menentukan Posisi

Misalnya sebuah kapal selam dapat menerima sinyal komunikasi tertentu dari permukaan.

Itu belum berarti kapal tersebut langsung mengetahui koordinatnya dengan akurasi seperti GPS.

Communication dan positioning adalah dua masalah berbeda.

Sebuah sistem harus mempunyai metode untuk menentukan:

jarak,

arah,

waktu,

atau referensi posisi tertentu

agar dapat digunakan untuk navigation.

Kalau Tidak Ada GPS, Kapal Selam Tidak Tersesat?

Nah, ini bagian menariknya.

Kapal selam tidak hanya mengandalkan satu teknologi.

Navigasi bawah laut menggunakan kombinasi berbagai sistem dan sensor tergantung kendaraan, misi, serta tingkat akurasi yang dibutuhkan.

Salah satu konsep terpenting adalah:

inertial navigation.

Apa Itu Inertial Navigation System?

Inertial Navigation System atau INS membantu memperkirakan posisi kendaraan menggunakan sensor gerakan.

Sistem ini dapat menggunakan:

gyroscope

dan

accelerometer

untuk mengukur perubahan orientasi serta percepatan.

Jika posisi awal diketahui, komputer dapat memperkirakan bagaimana kendaraan bergerak dari titik tersebut.

Secara sederhana:

kita tahu mulai dari mana,

kita mengukur bagaimana bergerak,

kemudian memperkirakan sekarang berada di mana.

Bayangkan Berjalan dengan Mata Tertutup

Kamu berdiri di titik A.

Kemudian seseorang berkata:

jalan 10 langkah ke depan.

Belok kanan 90 derajat.

Jalan 20 langkah.

Kalau kamu mengetahui:

panjang setiap langkah,

arah setiap belokan,

dan tidak melakukan kesalahan,

kamu bisa menghitung posisi akhir.

Inertial navigation menggunakan konsep yang jauh lebih sophisticated.

Sensor terus mengukur gerakan kendaraan.

Tetapi Ada Masalah Bernama Drift

Tidak ada sensor yang benar-benar sempurna.

Bayangkan accelerometer melakukan kesalahan pengukuran yang sangat kecil.

Sekali mungkin tidak terasa.

Tetapi INS terus melakukan perhitungan sepanjang perjalanan.

Kesalahan kecil dapat terakumulasi.

Semakin lama kendaraan bergerak tanpa external reference, perkiraan posisinya bisa semakin berbeda dari posisi sebenarnya.

Fenomena ini sering disebut drift.

Kesalahan Kecil Bisa Menjadi Besar

Misalnya sebuah sistem mempunyai sedikit error dalam memperkirakan:

arah,

kecepatan,

atau acceleration.

Dalam satu detik, dampaknya kecil.

Tetapi kapal selam bisa bergerak berjam-jam atau lebih.

Setiap perhitungan berikutnya dibangun berdasarkan estimasi sebelumnya.

Itulah sebabnya sistem navigasi membutuhkan cara untuk mengoreksi atau membatasi akumulasi error.

Kapal Selam Bisa Mendapatkan Update Posisi

Salah satu metode yang paling sederhana secara konsep adalah kembali mendapatkan akses ke sinyal navigasi satelit.

Kapal selam tidak selalu harus muncul sepenuhnya ke permukaan.

Tergantung desain dan kondisi operasional, antena atau mast tertentu dapat digunakan ketika cukup dekat dengan permukaan untuk memperoleh informasi eksternal.

Begitu posisi diperbarui, sistem inertial dapat dikoreksi.

Kemudian kapal kembali menggunakan navigasi internal ketika menyelam.

Tetapi Tidak Selalu Bisa Naik ke Permukaan

Untuk kapal selam militer, muncul atau mendekati permukaan dapat mempunyai konsekuensi operasional.

Salah satu keunggulan kapal selam adalah sulit dideteksi.

Karena itu navigasi bawah laut perlu mampu bekerja dalam periode panjang tanpa bergantung pada update satelit terus-menerus.

Di sinilah kualitas sensor inertial menjadi sangat penting.

Bagaimana dengan Robot Bawah Laut?

Tidak semua kendaraan bawah laut adalah kapal selam besar.

Ada juga:

ROV,

AUV,

underwater glider,

dan berbagai robot penelitian.

Masing-masing mempunyai kebutuhan navigasi berbeda.

Robot yang memetakan dasar laut membutuhkan posisi yang cukup akurat supaya data yang dikumpulkan dapat ditempatkan pada koordinat yang benar.

Kalau tidak, peta menjadi tidak berguna.

Apa Itu ROV?

ROV adalah Remotely Operated Vehicle.

Kendaraan ini biasanya dikendalikan oleh operator dari kapal atau platform.

ROV dapat terhubung melalui tether atau umbilical yang membawa:

power,

data,

command,

atau kombinasi fungsi lainnya.

ROV banyak digunakan untuk:

inspeksi,

penelitian,

industri offshore,

dan eksplorasi bawah laut.

Apa Itu AUV?

AUV adalah Autonomous Underwater Vehicle.

Berbeda dari ROV yang biasanya dikendalikan melalui tether, AUV dapat menjalankan misi yang sudah diprogram dengan tingkat autonomy tertentu.

Misalnya:

menyelam,

mengikuti jalur,

mengumpulkan data,

kemudian kembali.

Karena tidak selalu terhubung secara fisik ke operator, navigasi menjadi salah satu tantangan utama.

Kalau Radio Sulit di Bawah Air, Gunakan Apa?

Jawabannya sering:

suara.

Air merupakan medium yang sangat baik untuk propagasi gelombang akustik dibandingkan banyak gelombang radio frekuensi tinggi.

Itulah sebabnya dunia bawah laut sangat bergantung pada teknologi acoustic.

Dari sinilah kita mendapatkan:

sonar,

acoustic modem,

acoustic positioning,

dan berbagai sistem lainnya.

Kenapa Paus Bisa Berkomunikasi Jauh di Laut?

Ini memberi kita petunjuk alami.

Banyak hewan laut menggunakan suara untuk:

berkomunikasi,

mencari pasangan,

mendeteksi lingkungan,

atau berburu.

Di bawah air, suara dapat merambat sangat jauh dalam kondisi tertentu.

Manusia kemudian menggunakan prinsip propagasi suara untuk teknologi bawah laut.

Apa Itu Sonar?

SONAR berasal dari konsep Sound Navigation and Ranging.

Secara umum, sonar menggunakan gelombang suara untuk mendapatkan informasi mengenai lingkungan bawah air.

Ada dua kategori yang sering dibahas:

active sonar

dan

passive sonar.

Keduanya bekerja dengan pendekatan berbeda.

Active Sonar Mengirim Suara

Dalam active sonar, sistem memancarkan pulse akustik.

Suara bergerak melalui air.

Ketika mengenai objek, sebagian energi dapat dipantulkan kembali.

Sistem kemudian mendengarkan echo.

Dengan mengetahui waktu perjalanan sinyal dan kecepatan suara di air, jarak dapat diperkirakan.

Konsepnya mirip:

teriak di lembah,

kemudian mendengar gema.

Tetapi teknologi sonar jauh lebih kompleks.

Passive Sonar Tidak Perlu Mengirim Ping

Passive sonar hanya mendengarkan.

Tidak ada pulse aktif yang harus dipancarkan untuk mendeteksi suara yang sudah ada.

Sistem dapat mendengarkan:

kapal,

mesin,

propeller,

hewan laut,

atau sumber suara lain.

Untuk kapal selam militer, passive sonar mempunyai keuntungan penting karena tidak perlu mengumumkan keberadaannya dengan memancarkan sinyal aktif.

Sonar Tidak Sama dengan GPS

Ini juga penting.

Sonar dapat membantu:

mendeteksi objek,

mengukur jarak,

memetakan dasar laut,

atau mendukung navigasi.

Tetapi tidak berarti satu kali “ping” langsung memberikan:

latitude dan longitude.

Untuk mendapatkan posisi global, sistem masih membutuhkan referensi.

Di sinilah acoustic positioning systems menjadi menarik.

Underwater Acoustic Positioning

Bayangkan kita menempatkan beberapa beacon akustik pada lokasi yang diketahui.

Kendaraan bawah laut dapat berkomunikasi atau mengukur hubungan terhadap beacon tersebut.

Dari informasi:

jarak,

waktu,

atau arah,

posisi kendaraan dapat diperkirakan.

Konsepnya memiliki kemiripan dengan navigasi berbasis referensi.

Tetapi medianya adalah suara di air, bukan radio dari satelit.

Long Baseline Positioning

Salah satu konsep acoustic positioning adalah Long Baseline atau LBL.

Beberapa transponder ditempatkan di dasar laut dengan posisi yang diketahui.

Kendaraan mengukur jaraknya terhadap beberapa transponder tersebut.

Dengan geometri, posisinya dapat dihitung.

Sistem ini dapat memberikan akurasi yang baik dalam area kerja tertentu.

Namun perlu deployment infrastruktur terlebih dahulu.

Short Baseline dan Ultra-Short Baseline

Ada pula sistem:

SBL — Short Baseline

dan

USBL — Ultra-Short Baseline.

Perbedaannya antara lain berkaitan dengan konfigurasi serta jarak antar-elemen acoustic transducer yang digunakan.

Pada USBL, sistem dapat dipasang pada kapal permukaan dan digunakan untuk melacak kendaraan atau instrumen bawah air.

Kapal di permukaan sendiri dapat memperoleh posisi melalui GNSS.

Kemudian posisi target bawah laut dihitung relatif terhadap kapal.

Jadi Kapal di Atas Bisa Menjadi Jembatan GPS

Ini konsep yang sangat berguna.

GPS bekerja baik di permukaan.

Acoustic communication bekerja di bawah air.

Maka kapal permukaan dapat bertindak sebagai penghubung antara:

global satellite positioning

dan

underwater acoustic positioning.

Robot di dasar laut tidak perlu menerima sinyal GPS secara langsung.

Ia bisa menentukan posisinya relatif terhadap sistem yang berada di permukaan.

Tapi Suara di Laut Juga Tidak Sempurna

Kalau acoustic navigation begitu berguna, kenapa tidak digunakan untuk semuanya?

Karena laut adalah lingkungan yang kompleks.

Kecepatan suara di air dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti:

temperature,

salinity,

dan pressure.

Kondisi tersebut berubah berdasarkan lokasi dan kedalaman.

Akibatnya jalur suara tidak selalu berupa garis sederhana.

Suara Bisa Membelok di Dalam Laut

Perubahan kecepatan suara dengan kedalaman dapat menyebabkan refraction.

Gelombang suara dapat membelok.

Fenomena ini sangat penting dalam ocean acoustics.

Untuk sistem sonar dan navigation yang presisi, memahami sound velocity profile dapat menjadi bagian penting dari pengukuran.

Laut bukan kolam renang raksasa dengan kondisi seragam.

Temperatur Laut Tidak Sama dari Atas sampai Bawah

Lapisan permukaan bisa lebih hangat.

Semakin dalam, temperatur dapat berubah.

Ada wilayah dengan perubahan temperatur yang cukup cepat terhadap kedalaman, sering dibahas melalui konsep thermocline.

Perubahan kondisi tersebut memengaruhi propagasi suara.

Itulah sebabnya oceanography dan underwater acoustics sangat berkaitan.

Salinitas Juga Berpengaruh

Air laut tidak mempunyai kadar garam identik di seluruh dunia.

Salinitas dapat berubah karena:

evaporation,

rainfall,

river input,

ice formation,

melting,

dan circulation.

Perubahan tersebut turut memengaruhi sifat fisik air, termasuk kecepatan suara.

Jadi sistem bawah laut perlu memahami lingkungan tempatnya bekerja.

Tekanan Meningkat dengan Kedalaman

Semakin turun ke laut dalam, tekanan semakin besar.

Ini bukan hanya tantangan bagi manusia.

Elektronik, housing, sensor, connector, battery, dan komponen robot juga harus mampu bertahan.

Underwater navigation bukan hanya masalah algoritma.

Hardware harus survive terlebih dahulu.

Kedalaman Laut Membuat Semua Hal Lebih Sulit

Di luar navigasi, eksplorasi laut dalam menghadapi:

tekanan ekstrem,

temperatur rendah,

kegelapan,

korosi,

komunikasi terbatas,

dan akses yang sulit.

Kalau robot mengalami kerusakan ribuan meter di bawah permukaan, teknisi tidak bisa sekadar berjalan ke sana membawa toolbox.

Reliability menjadi sangat penting.

Bagaimana Robot Mengetahui Jarak dari Dasar Laut?

Salah satu sensor yang dapat digunakan adalah Doppler Velocity Log atau DVL.

DVL memancarkan acoustic signal menuju dasar laut atau partikel di air dalam mode tertentu.

Dengan memanfaatkan Doppler shift, sistem dapat memperkirakan kecepatan kendaraan relatif terhadap referensi tersebut.

Informasi ini sangat berguna untuk membantu navigasi.

Apa Itu Doppler Effect?

Pernah mendengar suara sirene berubah ketika ambulans lewat?

Saat mendekat, pitch terasa berbeda dibanding setelah kendaraan menjauh.

Itulah contoh Doppler effect.

Frekuensi yang diterima berubah ketika ada gerakan relatif antara sumber dan observer.

Teknologi DVL memanfaatkan prinsip fisika serupa menggunakan gelombang akustik.

DVL dan INS Bisa Bekerja Bersama

INS bagus karena tidak membutuhkan sinyal eksternal terus-menerus.

Tetapi mengalami drift.

DVL dapat memberikan informasi velocity relatif terhadap dasar laut pada kondisi tertentu.

Menggabungkan keduanya membantu meningkatkan estimasi navigasi.

Ini menunjukkan pola penting dalam engineering:

jangan bergantung pada satu sensor jika beberapa sensor dapat saling melengkapi.

Sensor Fusion Menjadi Kunci

Kendaraan bawah laut modern dapat menggabungkan informasi dari:

INS,

DVL,

depth sensor,

magnetometer,

acoustic positioning,

sonar,

GNSS ketika berada di permukaan,

dan sensor lainnya.

Komputer menggabungkan berbagai data tersebut untuk menghasilkan estimasi posisi terbaik.

Konsep ini disebut sensor fusion.

Depth Sensor Menjawab Pertanyaan yang Tidak Dijawab GPS

GPS memberi informasi posisi tiga dimensi ketika sinyal tersedia.

Di bawah laut, pressure sensor dapat membantu memperkirakan kedalaman.

Tekanan air meningkat dengan kedalaman.

Dengan calibration serta kompensasi yang tepat, pressure measurement dapat digunakan sebagai informasi depth.

Jadi satu sensor memberi:

kedalaman.

Sensor lain memberi:

arah.

Sensor lain:

kecepatan.

Semuanya digabungkan.

Kompas Masih Berguna di Era Robot

Magnetometer dapat digunakan sebagai electronic compass untuk mendapatkan referensi heading terhadap medan magnet Bumi.

Tetapi lingkungan lokal dapat memengaruhi pengukuran.

Komponen logam atau sistem listrik kendaraan juga bisa menimbulkan interference.

Karena itu calibration penting.

Teknologi modern tidak membuat prinsip kompas menjadi tidak relevan.

Bagaimana dengan Peta Dasar Laut?

Ini membuka teknik lain.

Kalau kendaraan mempunyai peta bathymetry yang sudah diketahui dan mampu mengukur bentuk dasar laut di sekitarnya, data tersebut dapat dibandingkan.

Mirip seseorang mengenali lokasi dari bentuk pegunungan.

Pendekatan seperti terrain-aided navigation dapat membantu memperkirakan posisi berdasarkan fitur lingkungan.

Dasar Laut Punya “Sidik Jari”

Bayangkan kendaraan melewati:

lembah bawah laut,

ridge,

slope,

atau bentuk bathymetry tertentu.

Jika pola tersebut cocok dengan peta yang sudah diketahui, komputer mendapatkan petunjuk mengenai lokasi.

Teknik ini sangat berguna karena tidak membutuhkan GPS langsung.

Lingkungan menjadi referensi navigasi.

Mirip Mobil Mengenali Jalan

Mobil autonomous dapat menggunakan:

kamera,

LiDAR,

GPS,

map,

dan sensor lain.

Kalau satu sensor kurang akurat, sensor lain membantu.

Underwater robot melakukan konsep serupa.

Bedanya, tidak ada:

lampu lalu lintas,

marka jalan,

menara seluler,

atau GPS yang mudah diterima.

Lingkungannya jauh lebih menantang.

Kamera Bisa Membantu, Tetapi Laut Gelap

Visual navigation juga memungkinkan dalam kondisi tertentu.

Kamera dapat mengenali fitur lingkungan dan memperkirakan gerakan.

Namun visibility bawah laut mempunyai keterbatasan.

Air bisa:

keruh,

gelap,

penuh partikel,

atau mempunyai sedikit fitur visual.

Di laut dalam, sumber cahaya buatan diperlukan.

Cahaya Buatan Membawa Masalah Sendiri

Menyalakan lampu underwater tidak selalu menghasilkan gambar seperti studio.

Partikel di air dapat memantulkan cahaya kembali ke kamera.

Fenomena ini dapat menghasilkan backscatter.

Semakin banyak partikel, gambar bisa terlihat penuh titik terang atau haze.

Fotografer underwater sangat familiar dengan masalah ini.

Laser Bisa Membantu Pengukuran Dekat

Dalam beberapa aplikasi, laser dapat digunakan untuk:

scaling,

3D measurement,

atau visual inspection jarak dekat.

Namun optical technology juga menghadapi attenuation dan scattering di air.

Tidak ada satu teknologi yang sempurna untuk seluruh kondisi laut.

Itulah sebabnya sistem eksplorasi menggunakan kombinasi alat.

Mengapa Wi-Fi Tidak Dipakai di Dasar Laut?

Sekarang jawabannya mulai jelas.

Wi-Fi menggunakan gelombang radio pada frekuensi yang dirancang untuk komunikasi di lingkungan seperti udara.

Air laut menyerap sinyal tersebut dengan kuat.

Jadi router Wi-Fi di kapal tidak bisa membuat diver di kedalaman ratusan meter mendapatkan internet hanya dengan menambah antena.

Untuk komunikasi underwater, pendekatan lain diperlukan.

Acoustic Modem Adalah “Internet” Versi Bawah Air?

Analogi ini membantu, meskipun tidak sepenuhnya sama.

Acoustic modem memungkinkan perangkat bawah laut bertukar data menggunakan suara.

Misalnya AUV dapat mengirim:

status,

sensor reading,

atau pesan tertentu

ke sistem lain.

Tetapi bandwidth biasanya jauh lebih terbatas dibanding koneksi internet modern.

Kenapa Data Underwater Lambat?

Suara bergerak di air jauh lebih lambat daripada gelombang elektromagnetik di udara atau serat optik.

Kecepatan suara di laut sekitar orde 1.500 meter per detik, bergantung pada kondisi.

Bandingkan dengan gelombang elektromagnetik yang bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Latency menjadi jauh lebih terasa.

Bayangkan Mengendalikan Robot dengan Delay

Kalau robot berada sangat jauh dan komunikasi mempunyai delay, operator tidak bisa selalu mengendalikannya seperti bermain game dengan koneksi lokal.

Karena itu autonomy sangat berguna.

Robot dapat diberi tujuan:

ikuti jalur ini,

jaga kedalaman,

ambil data,

hindari obstacle,

kembali ke titik tertentu.

Ia melakukan banyak keputusan lokal tanpa menunggu instruksi untuk setiap gerakan.

Kabel Masih Menjadi Solusi Sangat Efektif

Kadang teknologi paling masuk akal bukan wireless.

ROV menggunakan tether karena kabel dapat memberikan koneksi data berkecepatan tinggi dan bahkan power tergantung sistem.

Kelemahannya:

tether bisa membatasi jarak,

menambah drag,

dan memerlukan pengelolaan.

Tetapi untuk banyak pekerjaan, keuntungan koneksi fisik sangat besar.

Bagaimana dengan Fiber Optic?

Fiber optic dapat membawa data dengan bandwidth tinggi.

Pada sistem tertentu, tether underwater menggunakan fiber untuk komunikasi.

Ini memungkinkan video berkualitas tinggi dari ROV dikirim ke operator.

Jadi ketika kita melihat live footage dari laut dalam, ada kemungkinan data tersebut tidak “dikirim melalui air” secara wireless.

Ia berjalan melalui kabel.

Kapal di Permukaan Menjadi Pusat Operasi

Dalam ekspedisi oceanographic, kapal penelitian sering berfungsi seperti mobile laboratory.

Kapal menyediakan:

power,

navigation reference,

crew,

computer systems,

launch and recovery equipment,

communication,

serta tempat ilmuwan menganalisis data.

Robot turun ke dunia yang tidak mempunyai GPS.

Tetapi kapal di atas tetap terhubung dengan dunia satelit.

Menentukan Posisi Kapal Juga Harus Akurat

Kalau posisi robot dihitung relatif terhadap kapal, maka posisi kapal sendiri harus diketahui dengan baik.

GNSS dapat digunakan sebagai salah satu sumber.

Kapal juga bergerak karena:

ombak,

angin,

dan arus.

Untuk operasi tertentu, kapal bahkan menggunakan dynamic positioning agar mempertahankan posisi atau heading secara otomatis menggunakan thruster.

Dynamic Positioning Itu Seperti “Parkir” di Tengah Laut

Bayangkan kapal harus berada relatif tetap di atas sebuah lokasi.

Tidak ada rem.

Tidak ada aspal.

Tidak ada tempat memasang roda.

Air terus bergerak.

Angin mendorong kapal.

Dynamic positioning menggunakan:

sensor,

navigation systems,

computer,

dan thrusters

untuk mempertahankan posisi secara otomatis.

Teknologi ini sangat penting dalam banyak operasi offshore.

Navigasi Underwater Adalah Masalah Estimasi

Di jalan raya kita terbiasa melihat posisi sebagai sesuatu yang pasti:

“Gue ada tepat di titik biru ini.”

Dalam engineering, posisi sebenarnya selalu mempunyai uncertainty.

Sensor mempunyai error.

Model mempunyai error.

Lingkungan berubah.

Karena itu navigation system bekerja dengan:

measurement,

estimation,

correction,

dan uncertainty.

Semakin Banyak Sensor Bukan Berarti Selalu Lebih Baik

Menambahkan sensor juga menambah:

cost,

power consumption,

weight,

complexity,

calibration,

dan potential failure points.

Engineer harus memilih kombinasi yang sesuai dengan misi.

Robot untuk inspeksi pelabuhan tidak membutuhkan sistem yang identik dengan AUV untuk memetakan palung laut.

Mission defines architecture.

Baterai Menjadi Batas Besar untuk Robot Laut

AUV membawa energi sendiri.

Energi tersebut digunakan untuk:

propulsion,

computer,

sensor,

communication,

lighting,

dan navigation.

Semakin banyak perangkat yang aktif, semakin besar kebutuhan energi.

Karena itu desain misi harus mempertimbangkan endurance.

Tidak ada charging station setiap 20 kilometer di dasar laut.

Underwater Glider Menghemat Energi dengan Cara Menarik

Beberapa underwater glider tidak bergerak menggunakan propeller secara terus-menerus seperti kendaraan biasa.

Mereka dapat mengubah buoyancy sehingga naik dan turun di air.

Dengan bantuan wing, gerakan vertikal tersebut menghasilkan pergerakan horizontal.

Cara ini memungkinkan operasi yang sangat hemat energi untuk misi tertentu.

Tetapi Glider Tetap Perlu Mengetahui Posisinya

Ketika berada di bawah air, glider memperkirakan pergerakannya.

Kemudian secara berkala dapat naik ke permukaan.

Di sana ia dapat memperoleh GNSS fix dan berkomunikasi melalui satelit atau sistem lain.

Setelah itu:

mengirim data,

menerima instruksi,

kemudian menyelam lagi.

Permukaan laut menjadi seperti checkpoint.

Arus Laut Membuat Dead Reckoning Lebih Sulit

Bayangkan kamu berenang lurus ke utara.

Tetapi ada arus mendorong ke timur.

Kalau hanya menghitung arah badan dan kecepatan relatif terhadap air, posisi sebenarnya dapat bergeser.

Robot menghadapi masalah serupa.

Arus laut membuat navigasi underwater semakin kompleks.

Ocean Current Tidak Terlihat

Di daratan, angin bisa kita rasakan.

Arus bawah laut jauh lebih sulit diamati langsung.

Kendaraan bisa terdorong tanpa “melihat” sesuatu bergerak.

Sensor dan navigation algorithms harus memperhitungkan efek tersebut.

Itulah alasan posisi perkiraan perlu diperbarui.

Bagaimana Kapal Selam Zaman Dulu Bernavigasi?

Sebelum teknologi modern, navigasi kapal selam jauh lebih terbatas.

Mereka mengandalkan kombinasi:

kompas,

dead reckoning,

chart,

pengamatan ketika memungkinkan,

serta berbagai metode navigasi yang tersedia pada zamannya.

Perkembangan gyroscope dan inertial navigation kemudian mengubah kemampuan kendaraan bawah laut secara besar.

Dead Reckoning Sudah Sangat Tua

Konsep dead reckoning pada dasarnya memperkirakan posisi berdasarkan:

posisi sebelumnya,

arah,

kecepatan,

dan waktu.

Pelaut telah menggunakan konsep tersebut jauh sebelum komputer modern.

Masalahnya tetap sama:

error bertambah seiring perjalanan.

Teknologi modern membuat pengukuran jauh lebih presisi, tetapi prinsip dasarnya masih dikenali.

GPS Sebenarnya Membuat Kita Terlalu Nyaman

Hari ini kita bisa berjalan di kota asing tanpa menghafal jalan.

Smartphone memberi tahu:

belok kanan 200 meter lagi.

Di bawah laut, kemewahan tersebut hilang.

Tidak ada satelit yang mudah “terlihat”.

Tidak ada menara seluler.

Tidak ada street sign.

Tidak ada Wi-Fi.

Karena itu underwater navigation menunjukkan betapa luar biasanya teknologi posisi yang kita gunakan sehari-hari.

Laut Adalah Salah Satu Lingkungan Terakhir yang Sulit Dipetakan

Permukaan Bumi terlihat sangat familiar melalui satellite imagery.

Tetapi dasar laut jauh lebih sulit diamati.

Air menghalangi banyak metode remote sensing yang bekerja dengan baik di daratan.

Untuk mendapatkan peta detail, kapal dan kendaraan harus menggunakan:

sonar,

survey,

dan sensor khusus.

Prosesnya memerlukan waktu.

Satelit Bisa Melihat Laut, Tapi Bukan Semua Detail Dasarnya

Satelit dapat memberikan banyak informasi mengenai permukaan laut:

temperature,

sea level,

color,

ice,

dan berbagai parameter lain tergantung sensor.

Tetapi membuat peta resolusi tinggi dari dasar laut dalam adalah masalah berbeda.

Air berada di antara sensor dan target.

Karena itu sonar dari kapal masih sangat penting.

Multibeam Sonar Bisa Memetakan Area Dasar Laut

Multibeam echosounder memancarkan banyak beam akustik ke arah dasar laut.

Dengan mengukur waktu perjalanan echo, sistem dapat memperkirakan kedalaman pada banyak titik.

Ketika kapal bergerak, data tersebut membentuk strip pemetaan.

Strip demi strip akhirnya menghasilkan bathymetric map.

Peta Dasar Laut Membantu Navigasi dan Ilmu Pengetahuan

Bathymetry berguna untuk:

navigation,

geology,

oceanography,

habitat studies,

infrastructure planning,

dan penelitian lainnya.

Topografi bawah laut juga sangat menarik.

Ada:

gunung,

lembah,

canyon,

ridge,

dan dataran.

Hanya saja semuanya berada di bawah air.

GPS Berhenti, Tetapi Engineering Tidak

Ini mungkin inti paling menarik dari teknologi bawah laut.

Ketika satu teknologi tidak bekerja karena hukum fisika, engineer tidak bisa bernegosiasi dengan alam.

Mereka harus menggunakan fenomena lain.

Radio sulit?

Gunakan acoustic.

INS drift?

Tambahkan reference.

Visual terbatas?

Gabungkan sonar.

Communication lambat?

Tambahkan autonomy.

Satu keterbatasan menghasilkan seluruh ekosistem teknologi.

Bisakah Suatu Hari Ada “GPS Bawah Laut”?

Dalam arti pengalaman pengguna yang mirip—kendaraan mengetahui posisi secara otomatis dan akurat—sistem underwater positioning memang terus berkembang.

Tetapi membuat jaringan global yang bekerja persis seperti GNSS dari satelit menghadapi tantangan besar.

Air mengubah medium komunikasinya.

Infrastructure underwater mahal.

Acoustic propagation kompleks.

Coverage luas membutuhkan banyak sistem.

Jadi kemungkinan besar solusi bawah laut tetap menggunakan kombinasi teknologi, bukan sekadar GPS yang dipindahkan ke dasar laut.

Bagaimana Diver Menentukan Posisi?

Untuk recreational diver, kebutuhan biasanya berbeda dari kapal selam atau AUV.

Diver dapat menggunakan:

compass,

depth gauge,

dive computer,

landmark underwater,

navigation techniques,

serta support dari permukaan.

Pada operasi profesional tertentu, tracking system juga dapat digunakan.

Tetapi smartwatch GPS di pergelangan tidak otomatis memberikan tracking satelit normal saat diver berada jauh di bawah permukaan.

GPS Bisa Kembali Begitu Perangkat ke Permukaan

Ini menjelaskan kenapa beberapa perangkat aquatic bisa merekam posisi ketika berada di permukaan tetapi kehilangan GNSS fix ketika terendam.

Begitu antena kembali mendapatkan kondisi penerimaan yang memadai terhadap satelit, positioning dapat dilanjutkan.

Jadi masalahnya bukan perangkat “lupa” cara menggunakan GPS.

Sinyalnya memang tidak tersedia dengan cara yang sama di bawah air.

Kenapa Ini Penting untuk Ocean Exploration?

Bayangkan robot menemukan:

hydrothermal vent,

bangkai kapal,

formasi geologi,

atau habitat langka.

Mengetahui bahwa objek tersebut ditemukan saja tidak cukup.

Ilmuwan perlu tahu:

di mana tepatnya?

Tanpa navigation yang baik, sulit untuk:

kembali,

membandingkan data,

membuat peta,

atau melakukan penelitian lanjutan.

Posisi adalah bagian dari data ilmiah.

Mapping Membutuhkan Sinkronisasi Banyak Informasi

Saat AUV memetakan dasar laut, komputer bisa menggabungkan:

timestamp,

depth,

orientation,

velocity,

sonar measurement,

dan estimated position.

Kalau salah satu informasi tidak akurat, peta dapat mengalami distortion.

Karena itu navigation dan mapping sangat erat hubungannya.

Teknologi Laut Sering Tidak Terlihat oleh Publik

Ketika melihat foto kapal penelitian, yang terlihat mungkin hanya kapal putih besar.

Tetapi di dalamnya bisa ada:

GNSS receiver,

inertial systems,

sonar arrays,

acoustic transducers,

ROV control rooms,

fiber-optic tether,

server,

workstation,

dan berbagai sensor.

Ocean exploration sebenarnya merupakan bidang teknologi yang sangat kompleks.

Kesimpulan

Jadi, kenapa GPS tidak bekerja di bawah laut?

Karena sinyal navigasi satelit menggunakan gelombang radio yang mengalami attenuation sangat kuat ketika harus menembus air laut.

Satelitnya tetap berada di atas lautan.

Tetapi receiver yang berada jauh di bawah permukaan tidak dapat menerima sinyal tersebut seperti receiver di daratan atau kapal permukaan.

Karena itu cara navigasi kapal selam dan kendaraan bawah laut tidak bergantung pada GPS secara terus-menerus.

Mereka dapat menggunakan kombinasi:

inertial navigation,

gyroscope,

accelerometer,

DVL,

pressure sensor,

magnetometer,

sonar,

acoustic positioning,

terrain navigation,

serta update GNSS ketika memungkinkan.

Tidak ada satu sensor yang menyelesaikan semuanya.

Masing-masing mempunyai kelebihan dan keterbatasan.

Dan justru di situlah teknologi bawah laut menjadi menarik.

Di daratan kita tinggal membuka smartphone dan melihat titik biru.

Di bawah laut, menentukan titik yang sama membutuhkan perpaduan antara:

fisika,

akustik,

oceanography,

robotics,

matematika,

dan engineering.

Laut menutupi sebagian besar permukaan planet kita.

Namun begitu masuk beberapa meter ke dalamnya, banyak teknologi yang kita anggap biasa di daratan mulai kehilangan kemampuannya.

GPS hanyalah salah satu contohnya.