Почему GPS работает в метро Токио, но не в деревне под Рязанью?

На первый взгляд, вопрос звучит абсурдно. Как может работать спутниковая навигация под землёй, да ещё в многомиллионном городе, где бетонные стены, электромагнитные помехи и плотность населения запредельные? И почему в российской деревне, где поле до горизонта, сигнал то и дело пропадает?

Как работает GPS — и почему он уязвим

Спутниковая система навигации GPS (и её аналоги — ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou) основывается на приёме сигналов от спутников, находящихся на высоте около 20 тысяч километров. Чтобы определить точное местоположение, смартфону нужно «видеть» минимум четыре спутника одновременно. Это возможно только при прямой радиовидимости, то есть — если над вами открытое небо.

Сигнал GPS слабый. Его мощность на уровне минус 130 децибел — это в тысячи раз слабее сигнала от обычной радиоантенны. Он легко глушится стенами, крышей дома, листвой деревьев. И уж точно не проходит сквозь землю или бетон тоннеля. Именно поэтому GPS не работает под землёй нигде ни в Рязанской области, ни в центре Токио.

Почему же в токийском метро GPS вроде бы работает

Ключевое слово — «вроде бы». На самом деле в токийском метро работает не спутниковая навигация, а сложная система имитации, основанная на нескольких технологиях. Во-первых, в тоннелях и на станциях размещены специальные радиокабели, называемые leaky feeder — «протекающие антенны». Это кабели, которые не просто передают сигнал, но и «выпускают» его наружу вдоль всей своей длины. Их используют для ретрансляции мобильной связи и псевдо-GPS. Так телефон продолжает получать навигационный сигнал даже под землёй не от спутника, а от ближайшего кабеля.

Во-вторых, в метро используются Wi-Fi-точки и Bluetooth-маячки. Смартфон сканирует уровень сигнала от них, сравнивает с заранее записанной картой и определяет, на какой станции вы находитесь, в каком направлении движетесь и на каком уровне. Это называется Wi-Fi fingerprinting, и эта технология сегодня применяется не только в метро, но и в торговых центрах, музеях, аэропортах.

Третья технология — инерциальная навигация. Современный телефон знает, где он был, и с помощью гироскопа, акселерометра и шагомера может примерно рассчитать, куда и насколько он сместился. Это позволяет «дотянуть» позиционирование даже при отсутствии сигнала например, если вы находитесь в движущемся поезде.

Кроме того, в Японии применяют систему IMES — это японская разработка, которая имитирует GPS-сигнал, используя локальные передатчики. Смартфон воспринимает их как спутники, но на деле это обычные внутренние источники сигнала. Такая система работает только в определённых местах, например, на станциях метро.

И наконец, есть экспериментальные технологии, основанные на геомагнитном позиционировании и световых маяках. Геомагнитное поле Земли слегка меняется в зависимости от окружения — металлических конструкций, электропроводки. Эти изменения можно «снять» и использовать как уникальный отпечаток местности. А световые маяки — это особые лампы, которые мигают на определённой частоте, незаметной глазу, но различимой камерой смартфона. Это тоже позволяет понять, где находится пользователь. Все эти методы вместе создают иллюзию работы GPS в подземке. Но к настоящим спутникам они отношения не имеют.

Что происходит в деревне под Рязанью

В сельской местности под Рязанью никакой инфраструктуры, имитирующей GPS, нет. Есть только сам сигнал от спутников. Поэтому, если вы находитесь на улице, всё прекрасно. Чистое небо, минимум помех, и даже в лесу GPS часто работает. Хотя листва также может глушить сигнал. Но стоит зайти в дом, особенно с железобетонными перекрытиями, или спуститься в погреб и сигнал исчезает. Телефон не может «догадаться», где вы, потому что вокруг нет ни Wi-Fi-точек, ни ретрансляторов, ни даже стабильной сотовой связи.

При этом стоит отметить, что качество GPS в деревне на открытом воздухе, как правило, выше, чем в центре мегаполиса. В городе сигнал может отражаться от зданий, запаздывать, искажаться — возникает эффект «городского каньона». А в деревне на открытой местности этого нет. GPS там работает честно, без подмен и технологий-помощников, когда видно небо.

Вывод

Настоящий GPS работает только там, где смартфон может видеть небо. Всё, что происходит под землёй — это сложная комбинация ретрансляторов, датчиков и математических моделей. В Токио навигация под землёй работает не потому, что японские спутники сильнее, а потому что инженерная инфраструктура в метро умнее. В деревнях таких технологий нет и не нужно их винить за это. Просто там в основном всё зависит от природы, а не только от техники.