Умные часы научились определять свое местоположение с точностью до сантиметров. Почему часы Samsung точнее, чем часы Google?

GPS в вашем телефоне определяет ваше местоположение с точностью до нескольких метров. Этого достаточно, чтобы заказать такси или найти подходящий ресторан. А что, если вам нужна сантиметровая точность? Такая точность очень важна, например, для геодезистов, создателей автономных дронов и систем дополненной реальности. До сих пор это могло обеспечить только дорогостоящее специализированное оборудование.

Но прогресс не стоит на месте, и новое исследование показывает, что обычные устройства, которые люди носят на запястьях, приблизились к тому, чтобы сделать это возможным. Ученые впервые доказали, что некоторые модели умных часов могут определять свое положение с точностью до сантиметров.

Почему стандартный GPS неточен?

Сначала нужно понять, почему стандартный GPS неправильный. Спутниковый сигнал искажается при прохождении через атмосферу. Сигнал также отражается от зданий и других объектов. Это создает помехи, которые называются многолучевыми. В результате на приемник вашего телефона поступает смешанный сигнал, дающий погрешность в несколько метров.

Специалисты используют кинематическую технологию реального времени (РТК – Кинематика в реальном времени) для достижения высокой точности. Как это работает?

Для метода RTK требуется два устройства.. На земле имеется стационарная «базовая станция» с точным местоположением. Он и ваше устройство — назовем его марсоходом — принимают сигналы от одних и тех же спутников. Базовая станция знает свои координаты и может рассчитать ошибку входящих сигналов. Затем он передает эту корректирующую информацию на марсоход. Ровер использует эти поправки для своих измерений, очищает сигнал и получает координаты с точностью до сантиметра.

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

Эксперимент: три этапа для умных часов

Чтобы проверить возможности современных устройств, ученые провели конкурс. Для сравнения в него вошли Google Pixel Watch 1 (GW1), Samsung Galaxy Watch 6 (SW6) и смартфон Google Pixel 5 (GP5). Целью было чтобы проверить, могут ли часы работать как пара RTK, где одно устройство является базой, а другое — марсоходом.

Схема экспериментальной установки для умных часов и смартфонов

Тестирование состояло из трех этапов: сначала в идеальных условиях, а затем в реальных.

Лабораторные испытания. Все устройства подключаются к одной профессиональной наружной антенне. Это гарантирует, что все устройства получат одинаковый четкий сигнал. В итоге все три гаджета, включая две модели часов, показали почти 100% успешность расчета точных координат. Это подтвердило, что их электронные компоненты могут выполнять расчеты RTK.
Полевые испытания с внешними антеннами. Устройства вновь получили внешние профессиональные антенны, но на этот раз их разместили на улице на расстоянии нескольких метров друг от друга. Здесь уже проявились факторы реальной среды. Результат снова оказался очень хорошим. Координация успеха составила более 99,5% для всех устройств.
Испытайте в реальных условиях. Это самый важный этап. Устройства должны были работать со встроенными антеннами. Пары часов и смартфонов были расставлены на траве в парке. Это был тест, чтобы увидеть, как их крошечные внутренние антенны справятся со слабым и шумным сигналом.

На этом этапе появилась разница. Смартфон Google Pixel 5 и Samsung Galaxy Watch 6 работали отлично. Они достигли сантиметровой точности с вероятностью успеха 99,4% и 99,3%. Google Pixel Watch 1 показал плохие результаты: показатель успеха составил всего 81,9%.

Тестирование умных часов и смартфонов в реальных условиях – с помощью их встроенных антенн. Все устройства размещаются вертикально на травянистой площадке в парке на расстоянии около 1,5 м друг от друга.

Почему одни часы добились успеха, а другие нет?

Причина – качество принимаемого сигнала. Ученые измерили отношение несущей к шуму (C/N₀). Это мера четкости и силы спутникового сигнала, принимаемого антенной.

У Google Pixel Watch 1 было самое низкое соотношение C/N₀. Его антенна оказалась очень чувствительной к помехам. Антенна в Samsung Galaxy Watch 6 обеспечивает гораздо лучший приём сигнала, почти как у смартфона.

Оказывается, главным препятствием для сверхточной навигации в носимых устройствах является физическая антенна, а не электроника. Чипсы в порядке. Теперь задача инженеров — разместить в маленьком корпусе часов антенну, хорошо фильтрующую помехи.

Сравнение качества сигнала (вверху) и уровня помех (внизу) для устройств: (а) смартфон GP5 (в) часы GW1 и (в) часы SW6. На графиках выше показано качество приема сигнала (C/N₀). Черная линия — среднее значение. Видно, что часы Google (GW1) имеют самый слабый и нестабильный сигнал. На графиках ниже показан уровень помех сигнала. Google Watch (GW1) — высший уровень. Зеленые точки (сверхточные измерения) наглядно показывают, что даже при них помехи в сотни раз меньше, чем при стандартных измерениях (серые точки).

Так когда же выйдет новый пользовательский стиль?

Возможность сантиметровой точности на запястье открывает новые возможности использования.. Например, спортивное программное обеспечение сможет более детально отслеживать движения спортсменов, чтобы анализировать их технику. Системы дополненной реальности смогут размещать виртуальные объекты в пространстве без тряски. Это может помочь слабовидящим людям ориентироваться в пространстве или координировать действия спасателей.

Исследования показывают, что такая технология уже существует. Так что это просто вопрос улучшения качества антенн.