GPS глушат, спутники падают, маяки ломаются. Магнитное поле Земли существует 4 млрд лет — и теперь это новый навигатор

GPS давно перестал быть универсальным решением для навигации. Внутри крупных зданий спутниковый сигнал быстро теряет точность, а в районах военных конфликтов его могут глушить или подменять. Поэтому инженеры десятилетиями ищут способы определять местоположение без спутников. Один из самых необычных кандидатов - магнитное поле Земли, которое присутствует практически везде: в зданиях, под землёй, под водой и в воздухе.

Раньше магнитометры в смартфонах использовались в основном как электронные компасы. Однако со временем исследователи заметили, что магнитное поле вокруг нас далеко не одинаково. Стальные конструкции, арматура, трубы, кабели, лифты и другие объекты создают уникальные локальные искажения. Получается своеобразный магнитный отпечаток местности, который можно использовать для навигации.

Первые системы такого типа появились больше 10 лет назад. Компании заранее создавали магнитные карты зданий и совмещали их с другими технологиями, например Bluetooth-маяками, RFID-метками или Wi-Fi. Магнитное поле служило лишь дополнительным источником данных, а основную работу выполняла внешняя инфраструктура.

Теперь несколько компаний утверждают, что готовы отказаться от вспомогательных систем. AstraNav, Oriient и SysNav заявляют, что современные алгоритмы способны определять положение устройства только по данным встроенного магнитометра и заранее подготовленной магнитной карте.

Идея выглядит особенно привлекательно потому, что магнитометр уже есть практически в каждом смартфоне, планшете и многих других мобильных устройствах. Если технология действительно заработает без дополнительных маяков и датчиков, владельцам зданий не придётся устанавливать дорогостоящую инфраструктуру.

Одним из главных сторонников подхода можно считать AstraNav. В ближайшие месяцы она должна продемонстрировать ВВС США работу системы на беспилотниках в рамках гранта программы SBIR стоимостью 1,8 миллиона долларов. Отдельно компания заключила соглашение с Sonitor, которая занимается системами отслеживания персонала и медицинского оборудования в больницах. Предполагается, что вместо ультразвуковых передатчиков, Bluetooth-маяков и других устройств местоположение сотрудников и техники можно будет определять по магнитному полю помещений.

По словам специалистов, развитию технологии помогли достижения в обработке сигналов. Раньше главной проблемой были помехи. Магнитометр фиксирует не только магнитное поле Земли, но и влияние корпуса устройства, аккумулятора, микросхем и окружающих предметов. Даже небольшое перемещение смартфона могло серьёзно изменить показания датчика.

Многие исследователи долго считали эту проблему практически неразрешимой. Более того, существовало мнение, что собственная электроника устройства создаёт достаточно шума, чтобы сделать точную навигацию невозможной. За последние 15 лет ситуация изменилась благодаря серии научных работ и накопленному практическому опыту.

Интерес к направлению проявляли и крупные технологические компании. В 2014 году Google наняла группу специалистов по магнитной навигации из Немецкого центра авиации и космонавтики. Несколько лет спустя важную роль сыграли исследования, показавшие, как математические методы, известные как гауссовские процессы, помогают точнее моделировать структуру магнитного поля.

Параллельно развивались технологии создания магнитных карт. Например, Hidonix использует специальные роботы или сотрудников с измерительным оборудованием, которые проходят по зданию и записывают характеристики магнитного поля в разных точках. После этого мобильные устройства могут сравнивать текущие показания датчиков с картой и определять своё положение.

Для создания таких карт понадобился прогресс и в других областях навигации. Во время обхода здания необходимо точно понимать, где именно находятся измерительные приборы. Поэтому используются акселерометры, гироскопы и методы инерциальной навигации, которые отслеживают перемещение без внешних сигналов.

Сейчас рынок переходит к следующему этапу. Некоторые фирмы пытаются отказаться даже от предварительного картографирования. Hidonix утверждает, что на открытой местности может определять координаты по магнитному полю без заранее подготовленной карты. На улице магнитная среда обычно проще, чем внутри зданий, где на неё влияет большое количество металлических конструкций.

AstraNav выбрала другой путь. Их команда собирает огромные объёмы данных о магнитном поле и обучает нейросети предсказывать локальные магнитные особенности даже там, где подробная карта отсутствует. Разработчики утверждают, что система может работать с разными устройствами и не требует специального оборудования. Кроме того, AstraNav стремится выполнять все вычисления непосредственно на устройстве. Такой подход особенно важен там, где связь может отсутствовать из-за глушения сигналов, толстых стен или других препятствий.

Потенциальный рынок для подобных решений огромен. Заводам нужна точная навигация для автономных роботов и складской техники. Больницы хотят отслеживать оборудование и персонал. Торговые центры заинтересованы в определении местоположения посетителей с точностью менее 1 метра, чтобы понимать, возле какого отдела находится человек.

Однако до массового внедрения остаются серьёзные вопросы. Реальная среда намного сложнее лабораторных условий. На магнитное поле влияют лифты, двери, строительные конструкции и даже человеческое тело. Любые изменения внутри здания способны менять магнитную картину. Поэтому главная задача разработчиков сейчас заключается не столько в достижении высокой точности, сколько в обеспечении стабильной работы в постоянно меняющихся условиях.

Именно надёжность станет главным испытанием для новой технологии. Построить систему, которая хорошо работает в научной статье или демонстрации, гораздо проще, чем обеспечить одинаковый результат в тысячах зданий, на разных моделях устройств и в самых непредсказуемых сценариях. Если разработчикам удастся решить эту задачу, магнитное поле Земли может превратиться из вспомогательного источника данных в полноценную навигацию без GPS там, где спутники оказываются бесполезны.