Навигация по оптоволокну: ГНСС не нужна
Спутниковая навигация отлично функционирует на открытом пространстве, но её точность резко снижается в условиях плотной застройки, под землёй и в закрытых помещениях. Исследователи предложили интегрировать сигналы ГНСС с данными от оптоволоконных кабелей, уже проложенных вдоль дорог и тротуаров, информирует интернет-портал SecurityLab_ru. Эта система способна отслеживать движение человека даже при полном отсутствии спутникового сигнала.
Разработанная технология получила название JDG, что расшифровывается как Joint DAS and GNSS (объединение глобальной спутниковой навигации и распределённой акустической сенсорики).
Принцип работы DAS заключается в преобразовании оптоволоконного кабеля в длинный датчик вибраций. Световой импульс проходит по волокну, а специальный прибор анализирует малейшие изменения отражённого сигнала. Шаги, движение транспорта и прочие механические воздействия вызывают деформацию кабеля, что отражается на характеристиках проходящего света.
По характеру этих колебаний можно определить, проходит ли рядом с кабелем человек или другой объект. При этом само оптоволокно не требует замены или установки датчиков через каждые несколько метров. Для измерений используется уже существующая линия связи и оборудование, которое посылает световые импульсы и фиксирует их отражения.
Во время испытаний на юге Англии добровольцы передвигались вдоль дороги, рядом с которой находился оптоволоконный кабель. Исследователи одновременно фиксировали ГНСС-координаты и вибрации, возникающие в кабеле при движении людей.
Эти данные передали модели глубокого обучения, которая сопоставляла спутниковые координаты с вибрационными сигналами и училась предсказывать дальнейшее местоположение человека. После обучения модель смогла продолжать расчёт маршрута даже в условиях, когда навигационный сигнал работал с помехами, передавал координаты нерегулярно или полностью отключался.
Спутниковый приёмник в таких условиях обычно теряет актуальность и может попытаться продолжить движение по прежней скорости и направлению, что приводит к накоплению ошибки. Вибрации в оптоволокне предоставляют системе дополнительный источник данных, позволяя корректировать прогноз.
Система JDG показала более высокую точность по сравнению с отслеживанием только по ГНСС и другими методами. Преимущество сохранялось даже при полном отключении спутниковой навигации.
Технология также эффективно работает с устройствами, которые реже фиксируют координаты, такими как смартфоны и датчики интернета вещей. Эти устройства часто уменьшают частоту измерений для экономии заряда аккумулятора и вычислительных ресурсов. Из-за больших промежутков между точками восстановление маршрута становится сложнее, однако сочетание ГНСС и вибрационных данных помогает частично компенсировать эту проблему.
JDG не заменяет оптоволокно на аналог спутниковой навигации. Кабель фиксирует движение только рядом с проложенной линией и не предоставляет координаты напрямую. Модель должна знать расположение волокна, сопоставлять вибрации с предыдущими точками маршрута и различать шаги человека от движения транспорта, строительных работ и других источников шума.
Основное преимущество подхода заключается в использовании уже существующей инфраструктуры. В городах под землёй проложены обширные сети оптоволоконных линий, которые можно использовать для передачи данных и измерения вибраций без установки дополнительной системы датчиков вдоль всего маршрута.
Эта технология может быть полезна городскому транспорту, аварийным службам и автономным машинам. В условиях плотной застройки спутниковые сигналы отражаются от фасадов и приходят к приёмнику с задержкой, что приводит к неверному расчёту положения. В туннелях, подземных переходах, на парковках и внутри зданий сигнал часто пропадает полностью.
Для спасателей непрерывная навигация особенно важна в местах, где обычные карты и ГНСС становятся бесполезными. Оптоволоконная сеть может предоставить дополнительную информацию о перемещении людей или техники в туннеле, на подземном объекте или в городской зоне с плохим спутниковым приёмом.
Автономный транспорт также нуждается в нескольких независимых способах определения положения. Камеры, лидары, инерциальные датчики и спутниковая навигация имеют свои ограничения. Данные от дорожного оптоволокна могут дополнить эти системы на участках, где спутниковый сигнал становится нестабильным.
Пока исследователи проверили JDG только на движении добровольцев вдоль одной дорожной линии. Для практического применения система должна быть испытана на более сложных маршрутах, при большом числе людей, интенсивном движении транспорта и различных типах грунта. Также предстоит определить, насколько точно алгоритм сможет различать несколько движущихся объектов, создающих вибрации одновременно.
Эксперимент подтвердил основную идею: подземный оптоволоконный кабель способен поддерживать отслеживание маршрута даже при ненадёжных или отсутствующих спутниковых координатах. Следующий этап должен показать, сможет ли метод сохранять точность в шумной городской среде и работать на протяжённых участках реальной инфраструктуры.