Спутниковая навигация хорошо работает под открытым небом, но быстро теряет точность рядом с высотными зданиями, под землёй и внутри помещений. Исследователи предложили дополнять GPS сигналами от обычных оптоволоконных кабелей, уже проложенных под дорогами и тротуарами. Такая система сможет продолжать отслеживать движение человека даже при полном исчезновении спутникового сигнала.
Разработка получила название JDG, сокращение от Joint DAS and GNSS. Она объединяет глобальную спутниковую навигацию GNSS, к которой относится GPS, с распределённой акустической сенсорикой DAS.
Технология DAS превращает оптоволоконный кабель в длинный датчик вибраций. Световой импульс проходит по волокну, а прибор анализирует слабые изменения отражённого сигнала. Шаги, движение транспорта и другие механические воздействия слегка деформируют кабель и меняют характеристики проходящего света.
По характеру колебаний можно определить, что рядом с кабелем движется человек или другой объект. Само оптоволокно при этом не требуется заменять или оснащать датчиками через каждые несколько метров. Для измерений используют уже существующую линию связи и оборудование, которое посылает в неё световые импульсы и принимает отражения.
Во время испытания на юге Англии добровольцы шли вдоль дороги, рядом с которой проходил оптоволоконный кабель. Исследователи параллельно записывали координаты GPS и вибрации, возникавшие в волокне при движении людей.
Оба набора данных передали модели глубокого обучения. Алгоритм сопоставлял спутниковые координаты с характерными вибрационными следами и учился определять дальнейшее положение человека. После обучения модель могла продолжать расчёт маршрута, когда GPS работал с помехами, передавал координаты лишь время от времени или полностью пропадал.
Спутниковый приёмник без внешней помощи в подобных условиях обычно теряет актуальное положение. Он может попытаться продолжить маршрут по прежней скорости и направлению, но ошибка постепенно накапливается. Вибрации в оптоволокне дают системе дополнительный источник данных и позволяют корректировать прогноз.
JDG показала более высокую точность, чем отслеживание только по GPS и другие методы предсказания положения. Преимущество сохранялось даже во время полного отключения спутниковой навигации.
Система также работала с устройствами, которые реже фиксируют координаты. Смартфоны и датчики интернета вещей часто уменьшают частоту измерений, чтобы экономить заряд аккумулятора и вычислительные ресурсы. Из-за больших промежутков между точками обычному алгоритму сложнее восстановить маршрут, однако сочетание GPS и вибрационных данных частично компенсировало нехватку координат.
Новая технология не превращает оптоволокно в самостоятельный аналог спутниковой навигации. Кабель регистрирует движение только рядом с проложенной линией и не сообщает координаты напрямую. Модель должна знать расположение волокна, сопоставлять вибрации с предыдущими точками маршрута и отделять шаги человека от транспорта, строительных работ и других источников шума.
Главное преимущество подхода связано с уже существующей инфраструктурой. В городах под улицами проложены обширные сети оптоволоконных линий. При наличии доступа к подходящему кабелю их можно использовать одновременно для передачи данных и измерения вибраций без установки отдельной системы датчиков вдоль всего маршрута.
Технология может пригодиться городскому транспорту, аварийным службам и автономным машинам. В плотной застройке спутниковые сигналы отражаются от фасадов и приходят к приёмнику с задержкой, из-за чего устройство рассчитывает неверное положение. В туннелях, подземных переходах, на парковках и внутри зданий сигнал часто исчезает полностью.
Для спасателей непрерывная навигация особенно важна в местах, где обычные карты и GPS перестают помогать. Оптоволоконная сеть может предоставить дополнительную информацию о перемещении людей или техники в туннеле, на подземном объекте либо в городской зоне с плохим спутниковым приёмом.
Автономный транспорт тоже нуждается в нескольких независимых способах определения положения. Камеры, лидары, инерциальные датчики и спутниковая навигация имеют собственные ограничения. Данные от дорожного оптоволокна могут дополнить такие системы на участках, где сигнал со спутников становится нестабильным.
Пока исследователи проверили JDG на движении добровольцев вдоль одной дорожной линии. Для практического применения потребуется испытать систему на более сложных маршрутах, при большом числе людей, интенсивном движении транспорта и разных типах грунта. Также предстоит выяснить, насколько точно алгоритм сможет разделять несколько движущихся объектов, создающих вибрации одновременно.
Проведённый эксперимент подтвердил основную идею: подземный оптоволоконный кабель способен поддерживать отслеживание маршрута, когда спутниковые координаты становятся ненадёжными или исчезают. Следующий этап должен показать, сможет ли метод сохранять точность в шумной городской среде и работать на протяжённых участках реальной инфраструктуры.