Navigasi duga

Navigasi duga (bahasa Inggris: dead reckoningcode: en is deprecated ), dalam konteks pelayaran juga disebut pelayaran duga atau penentuan posisi duga, adalah metode navigasi untuk memperkirakan posisi terkini suatu objek bergerak dengan memajukan posisi sebelumnya yang telah diketahui berdasarkan arah atau haluan, kecepatan, dan waktu yang telah berlalu. Metode ini dapat digunakan pada kapal, pesawat udara, kendaraan darat, pejalan kaki, robot, dan wahana otonom.^[1][2]

Secara paling sederhana, jarak yang ditempuh dihitung dari hubungan jarak = kecepatan × waktu. Posisi baru kemudian diperoleh dengan menerapkan jarak tersebut ke arah gerak dari posisi terakhir yang diketahui. Dalam sistem elektronik, prinsip yang sama diwujudkan dengan mengintegrasikan pengukuran kecepatan, percepatan, arah, atau perpindahan dari waktu ke waktu.^[2]

Navigasi duga bersifat mandiri karena tidak selalu memerlukan sinyal dari luar. Karena itu, metode ini tetap penting ketika sistem navigasi satelit seperti GPS atau GNSS tidak tersedia, terhalang, terganggu, atau sengaja ditolak. Di sisi lain, semua kesalahan pengukuran akan terbawa ke perhitungan berikutnya, sehingga galat posisi cenderung terakumulasi dengan waktu dan jarak.^[3]

Dalam ilmu pelayaran, istilah posisi duga memiliki arti yang lebih sempit daripada posisi estimasi. Posisi duga atau dead reckoning position (DR) dihitung dari posisi sebelumnya berdasarkan haluan dan jarak yang dijalani tanpa memperhitungkan secara penuh pengaruh luar seperti arus dan hanyutan. Posisi estimasi atau estimated position (EP) merupakan posisi duga yang telah dikoreksi dengan perkiraan pengaruh tersebut.^[1]

Istilah bahasa Inggris dead reckoning telah digunakan setidaknya sejak awal abad ke-17. Penjelasan populer bahwa dead berasal dari singkatan deduced reckoning atau ded. reckoning tidak didukung oleh kronologi penggunaan istilah; bentuk dead reckoning tercatat jauh lebih awal daripada penjelasan tersebut.^[4]

Dalam bahasa Prancis istilah yang digunakan adalah navigation à l'estime, dalam bahasa Spanyol navegación por estima, dan dalam bahasa Jerman Koppelnavigation. Ketiganya menekankan penaksiran posisi dari gerakan yang telah dilakukan.

Dalam penggunaan bahasa Indonesia, literatur teknis juga banyak mempertahankan istilah Inggris dead reckoning. Sebuah penelitian Universitas Diponegoro, misalnya, menggunakan istilah "sistem navigasi ... berbasis prinsip dead reckoning" untuk sistem navigasi pejalan kaki.^[5]

Navigasi duga selalu memerlukan paling sedikit:

• suatu posisi awal yang diketahui atau diperkirakan;
• arah gerak atau haluan;
• kecepatan atau ukuran perpindahan;
• waktu sejak posisi sebelumnya.

Untuk gerak dengan kecepatan konstan, jarak tempuh dapat ditulis:

${\displaystyle d=v\,t}$

dengan ${\displaystyle d}$ adalah jarak, ${\displaystyle v}$ kecepatan, dan ${\displaystyle t}$ waktu.

Dalam model bidang dua dimensi, apabila posisi awal adalah ${\displaystyle (x_{k},y_{k})}$, kecepatan ${\displaystyle v_{k}}$, arah ${\displaystyle \theta _{k}}$, dan selang waktu ${\displaystyle \Delta t}$, pembaruan sederhana dapat ditulis:

${\displaystyle x_{k+1}=x_{k}+v_{k}\Delta t\cos \theta _{k}}$

${\displaystyle y_{k+1}=y_{k}+v_{k}\Delta t\sin \theta _{k}}$

Sistem nyata biasanya lebih kompleks karena kecepatan dan arah berubah terus-menerus dan karena alat ukur memiliki bias, derau, serta kesalahan kalibrasi.

Kelemahan utama navigasi duga adalah sifat kesalahannya yang kumulatif. Setiap posisi baru dihitung dari posisi sebelumnya. Karena itu, kesalahan kecil pada arah, kecepatan, waktu, atau posisi awal akan memengaruhi semua posisi selanjutnya.

Sumber galat dapat mencakup:

• kesalahan kompas atau sensor orientasi;
• kesalahan pengukuran kecepatan;
• arus laut, angin, atau hanyutan yang tidak diketahui;
• selip roda pada kendaraan;
• bias dan derau akselerometer atau giroskop;
• variasi panjang langkah dalam navigasi pejalan kaki;
• kesalahan waktu;
• kesalahan pada posisi awal.

Pada navigasi laut klasik, posisi duga tidak memperhitungkan secara penuh pengaruh leeway, arus, kesalahan juru mudi, atau kesalahan kompas. Karena itu, navigator secara berkala memperoleh fix baru dari pengamatan visual, astronomis, radar, atau sistem elektronik, kemudian memulai kembali perhitungan dari posisi yang lebih akurat.^[1]

Prinsip yang sama digunakan dalam sistem modern: estimasi relatif dari sensor internal digabungkan dengan pengukuran absolut seperti GNSS, radio, kamera, atau penanda lingkungan. Filter Kalman dan variasinya banyak dipakai untuk menggabungkan kedua jenis informasi tersebut.

Navigasi duga merupakan salah satu metode tertua untuk menjaga perkiraan posisi kapal di laut. NOAA menjelaskan bahwa sebelum teknologi penentuan posisi modern, pelaut menentukan posisi mendekati dengan memakai posisi sebelumnya, arah pelayaran, dan jarak yang telah ditempuh.^[2]

Kecepatan kapal secara historis diukur dengan chip log, sedangkan arah diperoleh dari kompas. Jam atau kronometer menyediakan selang waktu. Awak kapal dapat mencatat perubahan haluan dan kecepatan pada traverse board, sebuah papan pencatat sederhana yang kemudian digunakan navigator untuk menyusun posisi duga.

Sebelum kronometer laut dan metode astronomis untuk menentukan garis bujur menjadi praktis, navigasi duga merupakan metode utama yang digunakan untuk menaksir perubahan bujur selama pelayaran samudra. Namun, kesalahan arah, kecepatan, dan arus dapat menyebabkan perbedaan besar setelah perjalanan panjang.

Dalam prosedur nautika modern, The American Practical Navigator tetap menempatkan navigasi duga sebagai alat dasar untuk memproyeksikan posisi kapal, memperkirakan waktu tiba, memperkirakan saat terlihatnya daratan atau cahaya navigasi, mengevaluasi informasi posisi elektronik, dan menghindari bahaya navigasi.^[1]

Dalam konvensi laut, DR position diperoleh dengan memajukan posisi sebelumnya menggunakan haluan dan jarak. Pengaruh yang belum dimasukkan ke dalam perhitungan dapat menyebabkan posisi sebenarnya berbeda.

Estimated position adalah perkiraan yang mencoba memperbaiki DR dengan memasukkan faktor lain yang diperkirakan, seperti arus, set and drift, hanyutan angin, atau kesalahan kemudi. Dengan demikian, EP merupakan taksiran posisi paling mungkin berdasarkan informasi yang tersedia, sedangkan DR merupakan hasil proyeksi dasar dari gerakan kapal.^[1]

Dalam penerbangan, navigasi duga menggunakan posisi awal, haluan, kecepatan udara, waktu, serta estimasi pengaruh angin. Hubungan dasar jarak, kecepatan, dan waktu tetap berlaku, tetapi navigator juga harus mengubah kecepatan relatif terhadap udara menjadi kecepatan di atas permukaan tanah.

Segitiga angin digunakan untuk menghubungkan:

• arah dan kecepatan udara pesawat;
• arah dan kecepatan angin;
• lintasan dan kecepatan pesawat terhadap tanah.

FAA memasukkan navigasi sebagai bagian khusus dalam Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge. Sistem navigasi Doppler juga dijelaskan FAA sebagai sistem navigasi duga mandiri-sebagian yang mengukur kecepatan terhadap tanah dan sudut hanyutan; karena kesalahan tetap bertambah dalam penerbangan jarak jauh, posisi harus diperbarui dari referensi eksternal.^[6]

Penerbangan jarak jauh awal sangat bergantung pada navigasi duga. Penerbangan trans-Atlantik non-stop pertama oleh John Alcock dan Arthur Whitten Brown pada 1919 serta penerbangan tunggal Charles Lindbergh dari New York ke Paris pada 1927 menggunakan teknik duga bersama instrumen dan pengamatan lain.

Sistem navigasi inersial (INS) merupakan bentuk otomatis dan sangat canggih dari prinsip navigasi duga. INS menggunakan unit pengukuran inersial yang terdiri atas giroskop dan akselerometer untuk mengukur rotasi dan percepatan kendaraan.

Setelah posisi, kecepatan, dan orientasi awal diketahui, komputer mengintegrasikan data sensor untuk memperbarui keadaan kendaraan tanpa memerlukan sinyal eksternal. Keunggulan ini membuat INS penting pada pesawat, kapal selam, kapal, rudal, wahana antariksa, dan kendaraan otonom.

Kelemahannya sama dengan navigasi duga secara umum: bias sensor dan kesalahan integrasi menyebabkan drift. Karena itu, sistem terintegrasi biasanya mengoreksi INS secara berkala menggunakan GNSS, radar, Doppler velocity log, pengamatan bintang, atau sensor eksternal lain. FAA menegaskan bahwa sistem Doppler dan sistem inersial tetap membutuhkan pembaruan eksternal apabila akurasi posisi jangka panjang harus dipertahankan.^[6]

Navigasi duga digunakan pada kendaraan untuk mempertahankan estimasi posisi ketika GNSS tidak tersedia, misalnya di terowongan, gedung parkir, atau kawasan perkotaan dengan gedung tinggi yang menghalangi satelit.

Sistem dapat menggunakan:

• rotasi roda untuk memperkirakan jarak;
• sensor sudut kemudi;
• giroskop;
• akselerometer;
• data kecepatan kendaraan;
• peta jalan dan map matching.

Salah satu sistem navigasi mobil komersial paling awal adalah Honda Electro Gyrocator yang diperkenalkan pada 1981. Sistem ini menggunakan giroskop gas dan sensor jarak untuk menghitung perubahan arah serta jarak dari titik awal, kemudian menampilkan lintasan kendaraan pada layar yang dilapisi peta transparan. Honda menyebut sistem tersebut sebagai sistem navigasi mobil berbasis peta pertama di dunia; perangkat itu kemudian diakui sebagai IEEE Milestone pada 2017.^[7][8]

Pada sistem modern, data GNSS sering digabungkan dengan data kendaraan dan sensor inersial menggunakan teknik fusi sensor. Navigasi duga menyediakan kesinambungan posisi selama kehilangan sinyal sementara.

Dalam robotika, konsep yang sangat dekat dengan navigasi duga adalah odometri, yaitu memperkirakan perubahan posisi dari gerakan roda, kaki, sensor inersial, radar, kamera, atau sensor lain.

Robot beroda dapat menghitung perpindahan berdasarkan putaran roda. Namun, selip, permukaan tidak rata, perubahan diameter efektif roda, dan kesalahan encoder membuat galat tumbuh sepanjang lintasan. Karena itu, robot otonom biasanya menggabungkan odometri dengan SLAM, lidar, kamera, GNSS, atau penanda lingkungan untuk membatasi drift.

Navigasi duga mempunyai keuntungan karena murah, cepat, dan tidak selalu memerlukan infrastruktur luar, sehingga tetap menjadi komponen penting dalam navigasi robot, meskipun jarang digunakan sendirian untuk operasi panjang yang membutuhkan presisi tinggi.

Pedestrian dead reckoning (PDR) memperkirakan lokasi seseorang dari langkah dan arah geraknya. Sistem biasanya menggunakan akselerometer untuk mendeteksi langkah, magnetometer atau giroskop untuk menentukan arah, dan model panjang langkah untuk memperkirakan perpindahan.

Tinjauan sistematis dalam IEEE Sensors Journal mendefinisikan PDR sebagai proses memajukan posisi terdahulu menggunakan kecepatan dan lintasan yang diketahui atau diperkirakan—atau, secara alternatif, panjang langkah dan arah. PDR penting ketika GPS tidak tersedia dan dapat digunakan untuk pencarian dan penyelamatan, tanggap bencana, layanan berbasis lokasi, dan navigasi dalam ruangan.^[3]

Penelitian di Indonesia telah mengembangkan prototipe PDR menggunakan akselerometer MEMS dan kompas elektronik yang dikenakan pada sepatu untuk mendeteksi langkah serta memperkirakan arah gerak.^[5]

Tantangan PDR antara lain variasi panjang langkah, posisi perangkat yang berubah, gangguan medan magnet di bangunan, perbedaan antara berjalan dan berlari, serta akumulasi kesalahan arah.

GNSS tidak dapat digunakan secara langsung ketika sebuah wahana berada jauh di bawah permukaan air. Karena itu, kendaraan bawah air otonom (AUV) biasanya menggunakan navigasi duga dari sensor inersial, kompas, sensor tekanan, dan pengukur kecepatan seperti Doppler velocity log.

Penelitian Institut Pertanian Bogor mengenai AUV menunjukkan bahwa kesalahan penentuan posisi dengan metode dead reckoning meningkat ketika lintasan semakin panjang akibat akumulasi kesalahan sensor dan pengaruh lingkungan.^[9]

Dalam biologi, proses yang analog dengan navigasi duga biasanya disebut integrasi jalur (path integration). Hewan memperbarui sebuah representasi internal mengenai posisi atau arah mereka berdasarkan gerak yang telah dilakukan sejak suatu titik acuan.

Semut gurun merupakan salah satu hewan yang paling banyak diteliti dalam konteks ini. Mereka dapat mempertahankan sebuah "vektor pulang" yang memperkirakan arah dan jarak menuju sarang selama perjalanan mencari makan. Seperti navigasi duga teknis, integrasi jalur juga mengakumulasi kesalahan sehingga hewan sering menggabungkannya dengan petunjuk visual atau lingkungan lain.^[10]

Istilah dead reckoning juga digunakan dalam simulasi komputer dan permainan jaringan. Dalam konteks ini, posisi suatu objek pada komputer lokal diprediksi dari keadaan terakhir yang diterima melalui jaringan—misalnya posisi, kecepatan, percepatan, dan orientasi.

Tujuannya bukan menentukan posisi geografis, melainkan mengurangi kebutuhan mengirim pembaruan posisi dengan frekuensi sangat tinggi. Ketika data baru diterima, prediksi dikoreksi. Konsep matematisnya tetap sama: keadaan sekarang diproyeksikan dari keadaan terdahulu dan model geraknya.

Kemunculan GNSS telah menggantikan kebutuhan navigasi duga manual sebagai sumber posisi utama dalam banyak aplikasi. Namun, metode ini tidak menjadi usang sepenuhnya.

NGA masih menerbitkan The American Practical Navigator, yang dalam edisi 2024 tetap memasukkan prinsip-prinsip navigasi klasik dan modern sebagai rujukan navigasi laut.^[1] FAA juga tetap mendokumentasikan sistem navigasi yang menggunakan prinsip duga, termasuk Doppler dan navigasi inersial.^[6]

Keunggulan utama navigasi duga modern adalah ketahanannya terhadap hilangnya referensi eksternal. Karena itu, teknik ini digunakan sebagai bagian dari navigasi terintegrasi untuk mempertahankan solusi posisi di terowongan, di bawah air, di dalam ruangan, di lingkungan dengan gangguan radio, dan pada sistem otonom.

Sebaliknya, karena posisi duga selalu mengalami drift, sistem berakurasi tinggi biasanya melakukan pembaruan atau koreksi secara berkala dari sumber posisi absolut.

• Navigasi
• Posisi (navigasi)
• Navigasi inersial
• Odometri
• Integrasi jalur
• Navigasi astronomis
• Navigasi satelit
• Sistem Pemosisi Global
• Fusi sensor
• Filter Kalman
• SLAM
• Kompas
• Log kapal

• National Geospatial-Intelligence Agency (2024). The American Practical Navigator (Edisi 2024). National Geospatial-Intelligence Agency.
• Federal Aviation Administration (2023). Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge. U.S. Department of Transportation. FAA-H-8083-25C.
• Hou, Xinyu; Bergmann, Jeroen H. M. (2021). "Pedestrian Dead Reckoning With Wearable Sensors: A Systematic Review". IEEE Sensors Journal. 21 (1): 143–152. doi:10.1109/JSEN.2020.3014955.
• Wu, Yuan; Zhu, Hai-Bing; Du, Qing-Xiu; Tang, Shu-Ming (2019). "A Survey of the Research Status of Pedestrian Dead Reckoning Systems Based on Inertial Sensors". International Journal of Automation and Computing. 16 (1): 65–83. doi:10.1007/s11633-018-1150-y.

• (Inggris) The American Practical Navigator – National Geospatial-Intelligence Agency
• (Inggris) Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge – Federal Aviation Administration
• (Inggris) Penjelasan NOAA mengenai navigasi duga