Умные часы научились определять местоположение с точностью до сантиметра. Почему часы Samsung оказались точнее Google?

GPS в вашем телефоне определяет ваше местоположение с погрешностью в несколько метров. Этого хватает, чтобы заказать такси или найти нужное кафе. Но что, если нужна точность до сантиметра? Например, для геодезистов, создателей автономных дронов или систем дополненной реальности такая точность очень важна. Раньше её могло дать только дорогое специальное оборудование.

Но прогресс не стоит на месте, и новое исследование показало, что обычные устройства, которые люди носят на руке, приблизились к этой возможности. Ученые впервые доказали, что некоторые модели умных часов могут определять свое положение с сантиметровой точностью.

Почему стандартный GPS неточен?

Для начала нужно понимать, почему стандартный GPS вообще ошибается. Спутниковый сигнал искажается, когда проходит через атмосферу. Сигнал также отражается от зданий и других объектов. Это создает помехи, которые называют многолучевостью. В итоге приемник вашего телефона получает смешанный сигнал, что и дает ошибку в несколько метров.

Специалисты для высокой точности применяют технологию Real-Time Kinematic, или RTK. Как она действует?

Метод RTK требует двух устройств. На земле находится неподвижная «базовая станция» с известным местоположением. Она и ваше устройство — назовем его «ровер», получают сигналы от одних и тех же спутников. База знает свои координаты, поэтому она может рассчитать ошибку в поступающих сигналах. Затем она передает эту информацию о поправках на ровер. Ровер использует эти поправки для своих измерений, очищает сигнал и получает координаты с точностью до сантиметра.

Могут ли какое-то отношение к этому иметь умные часы? Их маленькие антенны и простые чипы всегда считались слишком слабыми для таких операций.

Эксперимент: три этапа для умных часов

Чтобы проверить возможности современных гаджетов, ученые провели соревнование. В нем участвовали умные часы Google Pixel Watch 1 (GW1), Samsung Galaxy Watch 6 (SW6) и смартфон Google Pixel 5 (GP5) для сравнения. Задача была проверить, могут ли часы работать как RTK-пара, где одно устройство — база, а другое — ровер.

Тестирование состояло из трех этапов, сначала в идеальных условиях, потом в настоящих.

1. Лабораторный тест. Все устройства соединили с одной профессиональной внешней антенной. Это обеспечило получение всеми устройствами одинакового чистого сигнала. В итоге, все три гаджета, включая обе модели часов, показали почти 100% успеха в вычислении точных координат. Это подтвердило, что их электронные компоненты могут выполнять RTK-расчеты.
2. Полевой тест с внешними антеннами. Устройствам снова дали внешние профессиональные антенны, но на этот раз их поставили на расстоянии нескольких метров друг от друга на улице. Здесь уже появились факторы реальной среды. Итог снова был очень хорошим. Успешность определения координат была выше 99.5% для всех устройств.
3. Тест в настоящих условиях. Это был самый главный этап. Устройствам пришлось работать со своими встроенными антеннами. Пары часов и смартфонов положили на траве в парке. Это была проверка, как их маленькие внутренние антенны справятся со слабым и шумным сигналом.

На этом этапе появилась разница. Смартфон Google Pixel 5 и часы Samsung Galaxy Watch 6 сработали отлично. Они достигли точности в несколько сантиметров с успехом 99.4% и 99.3%. А часы Google Pixel Watch 1 показали плохой результат: их показатель успеха составил всего 81.9%.

Почему одни часы справились, а другие нет?

Причина в качестве принимаемого сигнала. Ученые измерили показатель «отношение несущей к шуму» (C/N₀). Это мера чистоты и силы спутникового сигнала, который ловит антенна.

У Google Pixel Watch 1 был самый низкий показатель C/N₀. Их антенна оказалась очень восприимчивой к помехам. Антенна в Samsung Galaxy Watch 6 обеспечивала прием сигнала намного лучшего качества, почти как у смартфона.

Выходит, что главной преградой для сверхточной навигации в носимых гаджетах является физическая антенна, а не электроника. Чипы уже готовы. Задача инженеров теперь — поместить в маленький корпус часов антенну, которая хорошо фильтрует помехи.

Итак, когда новый пользовательский опыт?

Возможность иметь сантиметровую точность на запястье создает новые способы применения. Например, спортивные программы смогут подробнее отслеживать движения атлета для анализа его техники. Системы дополненной реальности смогут размещать виртуальные объекты в пространстве без дрожания. Это также может помочь в навигации для людей с плохим зрением или при координации спасателей.

Исследование показывает, что эта технология уже существует. Так что дело за малым — улучшать качество антенн.