Спутниковые навигационные системы кажутся всемогущими: телефон показывает координаты почти в любом месте под открытым небом. Стоит зайти в метро, глубокий подвал или шахту, как позиционирование исчезает. Причина лежит не в программном обеспечении и не в заговоре производителей. Сигнал GPS физически слишком слаб, а частоты, на которых он работает, плохо проходят через плотные материалы.
Спутники излучают радиоволны с мощностью, сравнимой с обычной лампочкой. К моменту, когда волна достигает поверхности Земли, её энергия падает до ничтожных значений. Любое серьёзное препятствие - слой почвы, бетонная плита, металл - полностью поглощает или отражает этот слабый поток. Поэтому под землёй приёмник просто не слышит спутники.
Какую мощность реально излучают спутники GPS
Каждый навигационный спутник передаёт сигнал мощностью порядка 20-50 ватт. Это действительно уровень обычной лампочки накаливания. Однако спутник находится на высоте около 20 000 километров. Энергия расходится по огромной сфере, и до квадратного метра земной поверхности доходит лишь ничтожная доля.
На входе приёмника уровень сигнала обычно составляет от -120 до -130 дБм и ниже. В ваттах это примерно 10 в степени минус 15 - 10 в степени минус 16 ватт. Для сравнения, мощность сигнала сотовой сети часто на порядки выше. GPS работает на грани теоретического предела обнаружения. Современные приёмники используют длительное накопление и корреляцию с известным кодом, чтобы вытащить полезный сигнал из шума.
Именно поэтому даже небольшие препятствия оказываются критичными. Листва, мокрый снег, тонированные стёкла автомобиля уже заметно ухудшают приём. Плотный грунт, скальная порода или бетон перекрытия метро полностью перекрывают путь волне.
Какие частоты используют системы GPS и зачем их несколько
Основной гражданский сигнал передаётся на частоте L1 - 1575,42 МГц. Это диапазон L, микроволны. Второй гражданский сигнал идёт на L2 - 1227,60 МГц. Позже добавили L5 на 1176,45 МГц. Военные сигналы используют те же несущие, но с другими кодами.
Несколько частот нужны для компенсации влияния ионосферы. Задержка радиоволны в ионосфере зависит от частоты. Измерив разницу времени прихода на двух частотах, приёмник может вычислить ионосферную ошибку и частично её убрать. Это повышает точность.
Микроволны выбранного диапазона хорошо проходят через атмосферу в ясную погоду и относительно слабо поглощаются водяным паром. Однако они почти не дифрагируют вокруг препятствий и сильно затухают в проводящих и диэлектрических средах с потерями. Почва, особенно влажная, бетон с арматурой, вода - всё это эффективно поглощает энергию на частотах около 1,2-1,6 ГГц.
Как атмосфера влияет на спутниковый сигнал
Путь от спутника до приёмника проходит через ионосферу и тропосферу. Ионосфера содержит свободные электроны, которые замедляют групповую скорость радиоволны. Задержка может достигать десятков метров в пересчёте на расстояние и меняется в течение суток, от сезона и солнечной активности.
Тропосфера добавляет задержку из-за водяного пара и изменения показателя преломления воздуха. Этот эффект вообще не зависит от частоты сигналов GPS, поэтому двухчастотные измерения никак не помогают его устранить. Вместо этого приёмники используют математические модели атмосферы (учитывающие давление и влажность) или получают дифференциальные поправки с наземных станций.
В хорошую погоду атмосфера лишь вносит ошибки в единицы-десятки метров. Под землёй атмосфера уже ни при чём. Сигнал просто не доходит. Даже если представить гипотетический сверхмощный передатчик на спутнике, почва и бетон всё равно поглотили бы основную часть энергии на этих частотах.
Почему грунт и бетон полностью блокируют GPS
Радиоволна частоты около 1,5 ГГц имеет длину примерно 20 сантиметров. В сухом песке она ещё может проникнуть на небольшую глубину, теряя силу. Во влажном грунте проводимость резко возрастает, и глубина проникновения падает до сантиметров или даже миллиметров. Бетон с металлической арматурой работает почти как экран: часть энергии отражается, часть поглощается вихревыми токами в металле.
В метро, туннелях и подземных парковках ситуация ещё жёстче. Толстые перекрытия, множество металлических конструкций, экранирующие свойства грунта вокруг создают зону полной радиотени. Приёмник не получает ни одного спутника, и алгоритм позиционирования не может вычислить координаты.
Некоторые системы пытаются обойти ограничение за счёт инерциальных датчиков, сигналов сотовых сетей или заранее построенных карт магнитных и радиочастотных отпечатков помещений. Однако сам спутниковый сигнал под землёй остаётся недоступным. Физика распространения микроволн не меняется от желания пользователя.
Как приёмники всё-таки работают на грани возможностей
Современные чипы GPS/ГЛОНАСС/Galileo используют сверхчувствительные корреляторы. Они накапливают сигнал в течение относительно долгого времени и ищут известную псевдослучайную последовательность. Благодаря этому удаётся принимать сигналы, которые на 20-30 дБ слабее теплового шума.
В открытом небе этого достаточно для уверенного приёма 8-12 спутников одной навигационной системы. Современный мультисистемный чип, одновременно обрабатывающий GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, обычно видит и использует от 25 до 40 спутников. В городе с высокими зданиями число видимых спутников падает, точность ухудшается. Под плотной листвой или в глубоком дворе приём становится прерывистым. Под землёй накопление уже не помогает: входной сигнал равен нулю или лежит ниже любого разумного порога обнаружения.
Инженеры добавляют поддержку нескольких созвездий, улучшают антенны, применяют алгоритмы сглаживания. Всё это расширяет зону работоспособности, но не отменяет фундаментального ограничения. Там, где радиоволна физически не проходит, координаты со спутников получить невозможно.
Что происходит с точностью когда сигнал всё-таки проходит
Даже под открытым небом точность гражданских приёмников ограничена. Ионосферные и тропосферные задержки, многолучёвость от отражений, ошибки часов спутника и приёмника, геометрия созвездия - всё это даёт погрешность в несколько метров. Дифференциальные методы и RTK снижают ошибку до сантиметров, но требуют дополнительных данных.
Под землёй эти тонкости уже не важны. Нет сигнала - нет решения. Поэтому в шахтах, метро и глубоких подвалах используют совсем другие принципы: инерциальную навигацию, ультразвуковые маяки, лидары, заранее размеченные реперы или инфраструктуру наземных передатчиков.
Физика спутниковых сигналов объясняет границу применимости системы простым образом. Мощность на Земле ничтожна. Частоты выбраны так, чтобы хорошо идти через атмосферу, но плохо - через плотные материалы. Пока эти два фактора сохраняются, GPS и аналогичные системы остаются инструментами открытого пространства. Под землёй им просто нечего принимать.
Дополнительно стоит отметить роль поляризации и антенн. Спутники GPS излучают сигнал с круговой поляризацией. Это помогает бороться с отражениями, потому что при отражении от поверхности поляризация меняется. Приёмные антенны тоже рассчитывают на круговую поляризацию. Под землёй, однако, даже идеальная антенна не поможет, если до неё не доходит энергия.
Влияние солнечной активности тоже проявляется именно в атмосфере. Во время сильных вспышек ионосфера становится более неспокойной, задержки растут, иногда появляются быстрые мерцания сигнала. Приёмники с двумя частотами частично компенсируют эти эффекты. Для подземных условий солнечная активность снова не имеет значения: волны просто не достигают приёмника.
Интересно сравнить GPS с другими радиосистемами. Сигналы сотовой связи на частотах 700-2600 МГц тоже плохо проходят сквозь толстый грунт, но базовые станции расположены гораздо ближе и излучают большую мощность в сторону Земли. Поэтому в метро иногда ловится слабый сотовый сигнал через вентиляционные шахты или специальные ретрансляторы. У GPS таких "близких" передатчиков нет - только далёкие спутники.
Ещё один практический момент касается автомобилей и самолётов. В салоне машины сигнал уже ослаблен металлом кузова и тонировкой. Современные приёмники справляются благодаря высокой чувствительности. В салоне самолёта иллюминаторы прозрачны для радиоволн, поэтому GPS работает. Под водой ситуация ещё хуже, чем под землёй: морская вода обладает высокой проводимостью и полностью экранирует частоты L-диапазона уже на глубине нескольких сантиметров.
Таким образом, ограничение GPS под землёй - это прямое следствие выбранных параметров системы. Низкая мощность на огромном расстоянии плюс частоты, которые хорошо идут через воздух и плохо - через почву. Инженеры могут улучшать приёмники, добавлять созвездия и алгоритмы, но физический предел остаётся. Там, где волна не проходит, координаты со спутника получить нельзя.
Многие сталкивались с ситуацией, когда в глубоком дворе между высотками телефон долго ищет спутники или показывает большую ошибку. Это та же физика, только в более мягком варианте. Здания перекрывают прямую видимость, сигнал приходит только от спутников высоко в небе, геометрия созвездия ухудшается, растёт фактор PDOP. Под землёй прямая видимость отсутствует полностью.
Разработчики навигационных приложений давно учитывают эти ограничения. В режиме "пешеход" или "автомобиль" система переключается на совместное использование GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou, данных сотовых вышек и инерциальных датчиков. В момент, когда спутниковый сигнал пропадает, приложение продолжает показывать примерное положение по другим источникам. Но это уже не чистый GPS, а гибридная навигация.
Для профессиональной геодезии и точного земледелия используют двухчастотные и многочастотные приёмники, внешние антенны, размещённые на крыше, и поправки от базовых станций. Даже в этих случаях работа ведётся под открытым небом. Никто не пытается проводить RTK-съёмку в шахте с помощью спутниковых сигналов.
Физика остаётся неумолимой. Радиоволна несёт крайне малую энергию. Любой материал с потерями быстро превращает эту энергию в тепло. Почва, бетон, металл - эффективные поглотители на частотах GPS. Пока спутники светят с орбиты слабым "фонариком", а частоты остаются в L-диапазоне, подземелье будет оставаться зоной, недоступной для спутниковой навигации.
Стоит отдельно сказать о роли длины волны. На частоте L1 длина волны составляет примерно 19 сантиметров. Для сравнения, FM-радио работает на метрах, и его волны лучше огибают препятствия. Микроволны GPS ведут себя почти как свет: идут прямо, отражаются от гладких поверхностей и сильно поглощаются в "непрозрачных" средах. Поэтому аналогия с лампочкой работает не только по мощности, но и по характеру распространения.
Когда инженеры проектировали систему в 1970-х годах, они сознательно выбрали компромисс. Нужно было обеспечить глобальное покрытие, приемлемую точность и возможность работы через атмосферу. Мощность передатчика на спутнике ограничена энергосистемой аппарата. Увеличение мощности в десятки раз потребовало бы совсем другой конструкции спутников и создало бы проблемы с помехами. Выбранный уровень оказался достаточным для открытого пространства и недостаточным для проникновения сквозь землю.
Сегодня появляются проекты альтернативных систем позиционирования для помещений и подземелий. Они используют ультразвук, видимый свет, инфракрасные маяки, магнитные поля, сигналы Wi-Fi и Bluetooth, а также инерциальные блоки. Все эти подходы работают именно потому, что не пытаются пробить грунт слабым спутниковым сигналом, а строят локальную инфраструктуру.
В итоге ответ на вопрос, почему GPS не работает под землёй, сводится к двум числам и одной особенности распространения. Мощность на Земле - ничтожные доли пиковатта. Частоты - около полутора гигагерц. Среда - почва и бетон с большими потерями. При таких параметрах радиоволна просто не доходит до приёмника. Никакие программные улучшения этого факта не изменят.