Kable pod ulicą wiedzą, gdzie jesteś. GPS nie jest im potrzebny

GPS jest wygodny, dopóki nie wjedziemy do tunelu, między wysokie budynki albo pod ziemię. W takich momentach nagle okazuje się, jak bardzo polegamy na sygnale z kosmosu i jak łatwo go stracić. Wystarczy kilka betonowych ścian, gęsta zabudowa albo kilkadziesiąt metrów pod ziemią, by nasza cyfrowa mapa zaczęła zgadywać, zamiast prowadzić. Nowy system pokazuje jednak, że w takich miejscach nie jesteśmy skazani na całkowitą ślepotę. Pozycję mogą pomagać ustalać kable światłowodowe ukryte pod ulicą, które zamiast przesyłać tylko dane, zaczynają słuchać tego, co dzieje się wokół nich.

Przez lata światłowód kojarzył się przede wszystkim z szybkim internetem, niskimi opóźnieniami i kablem, który ma po prostu jak najszybciej przepchnąć dane z jednego punktu do drugiego. To nadal jego podstawowe zadanie, ale coraz częściej okazuje się, że włókno szklane można wykorzystać także w zupełnie innej roli. Nie jako kabel komunikacyjny, lecz jako długi, bardzo czuły sensor.

Chodzi o technologię DAS, czyli rozproszone wykrywanie akustyczne. Do światłowodu wysyłane są impulsy laserowe, a system analizuje mikroskopijne zmiany w świetle odbitym wewnątrz włókna. Jeżeli w pobliżu kabla ktoś przejdzie, przejedzie samochód, ruszy ciężki sprzęt albo ziemia zacznie lekko drżeć, kabel rejestruje zmianę. Nie dlatego, że widzi obraz jak kamera. On po prostu wyczuwa wibracje.

To brzmi jak technologia z pogranicza monitoringu i sejsmologii, bo właśnie z takiego świata się wywodzi. Światłowody potrafią działać jak rozciągnięte na kilometry ucho przyłożone do ziemi. Różnica polega na tym, że teraz taki sygnał można łączyć z danymi satelitarnymi i obrabiać za pomocą modeli uczenia maszynowego. W efekcie uzyskujemy lokalizację, która nie kończy się w chwili, gdy GPS zaczyna wariować.

W codziennym języku mówimy GPS, choć często chodzi szerzej o GNSS, czyli globalne systemy nawigacji satelitarnej. GPS jest amerykańskim systemem, ale telefon może korzystać także z europejskiego Galileo, rosyjskiego GLONASS czy chińskiego BeiDou. Z punktu widzenia użytkownika różnica zwykle jest niewidoczna. Mapa ma pokazać kropkę. Kropka ma być tam, gdzie stoimy.

Problem zaczyna się jednak w mieście. Sygnał z satelitów jest słaby, odbija się od fasad budynków, ginie pod ziemią i traci precyzję w tunelach. W skrajnych przypadkach smartfon pokazuje pozycję po drugiej stronie ulicy, za rogiem albo kilkaset metrów dalej. Dla pieszego to irytujące. Dla autonomicznego pojazdu, służb ratunkowych, logistyki czy infrastruktury krytycznej to może być realny problem.

Jak pisaliśmy w tekście: Mapa pokazuje Królewiec, a jesteś w Warszawie. Nowa broń Kremla, sygnał GNSS może być nie tylko słaby, ale też celowo zakłócany. W regionie Bałtyku temat jest elementem bezpieczeństwa. Gdy pozycjonowanie satelitarne staje się podatne na zakłócenia, każde sensowne wsparcie z ziemi nabiera większego znaczenia.

Nowy system łączy dane satelitarne z sygnałami DAS. Badacze nazwali go JDG, od Joint DAS and GNSS. Oznacza to hybrydę: GPS lub szerzej GNSS daje pozycję, kiedy działa dobrze, a światłowód pod drogą dostarcza dodatkowych informacji o ruchu w otoczeniu. Gdy sygnał satelitarny jest zaszumiony, rzadki albo całkowicie znika, model nadal próbuje przewidywać położenie na podstawie drgań.

W teście przeprowadzonym w południowej Anglii ochotnicy poruszali się wzdłuż trasy, przy której znajdował się światłowód. Zespół z Queen Mary University w Londynie rejestrował jednocześnie dane GPS oraz sygnały wibracyjne z kabla. Potem połączone dane trafiały do modelu głębokiego uczenia, czyli systemu uczącego się wzorców z dużej liczby przykładów. Model miał rozpoznawać, jak konkretne ruchy w przestrzeni przekładają się na zapis w światłowodzie.

Najważniejsze jest to, że system nie potrzebował idealnego GPS-u przez cały czas. Potrafił podtrzymywać przewidywanie pozycji wtedy, gdy sygnał satelitarny był gorszy, przerywany albo niedostępny. To właśnie w tym miejscu zaczyna się najciekawsza część historii, bo mówimy o technologii, która nie dokłada kolejnej kamerki na słupie, tylko wykorzystuje infrastrukturę już leżącą pod ziemią.

To bardzo kusząca wizja dla inteligentnych miast. Zamiast montować tysiące oddzielnych czujników, można użyć kabli, które już biegną wzdłuż ulic, torów, tuneli, mostów czy rurociągów. Jeden światłowód może zostać zamieniony w długi sensor, który wykrywa ruch, wstrząsy, prace ziemne albo nietypową aktywność w pobliżu infrastruktury.

Jak pisaliśmy w tekście: Orange pokazał, jak szybka będzie sieć w Polsce. Absurdalny wynik testu, podobny kierunek widać już w Polsce. Orange pokazywał zastosowanie światłowodów jako czujników do ochrony infrastruktury krytycznej. Wtedy chodziło m.in. o wykrywanie drgań, prac ziemnych czy ruchu w pobliżu ważnych obiektów. Nowe badanie dokłada do tego kolejny scenariusz: nie tylko wykryć, że coś się dzieje, ale wykorzystać te sygnały do lepszego pozycjonowania.

To może mieć szczególne znaczenie dla transportu publicznego, pojazdów autonomicznych, służb ratunkowych i aplikacji działających w miejscach, gdzie mapa często traci orientację. Wyobraźmy sobie tunel kolejowy, podziemny dworzec, gęste centrum miasta albo drogę między wysokimi budynkami. Tam klasyczny odczyt satelitarny ma ograniczenia, ale kabel pod ziemią nadal może odbierać drgania.

Kable pod ulicą wiedzą, gdzie jesteś, więc miasto zamienia się w jeden wielki podsłuch? Rzeczywistość jest ciekawsza. Taki system nie działa jak wszechwiedząca kamera z boskim widokiem na każdy chodnik. Potrzebuje dostępu do odpowiedniego włókna, specjalnego urządzenia pomiarowego, kalibracji, danych odniesienia i modelu, który potrafi sensownie interpretować sygnał.

Światłowód rejestruje drgania, a nie twarze, nazwiska czy numery telefonów. Sam sygnał z kabla nie mówi automatycznie, że przy latarni stoi konkretny człowiek. Pokazuje raczej zaburzenia mechaniczne w otoczeniu włókna. Dopiero połączenie z innymi danymi i odpowiednim modelem może zamienić to w informację o ruchu albo przybliżonej pozycji.

Nie znaczy to jednak, że temat prywatności można zbyć wzruszeniem ramion. Jeżeli infrastruktura miejska zaczyna pełnić funkcję rozproszonego czujnika, trzeba będzie jasno określić, kto ma dostęp do takich danych, jak długo są przechowywane, czy są anonimizowane i w jakich scenariuszach można je łączyć z innymi źródłami. Technologia, która pomaga odnaleźć karetkę w tunelu, może być świetna. Ta sama technologia użyta bez reguł zaczyna pachnieć problemem.

Najbardziej prawdopodobny scenariusz nie polega na tym, że światłowody zastąpią GPS. Raczej staną się jednym z elementów. Telefon, samochód albo miejski system zarządzania ruchem będą korzystać naraz z wielu źródeł: satelitów, sieci komórkowej, Wi-Fi, Bluetooth, czujników bezwładnościowych, kamer, radarów, lidarów i właśnie kabli pod ziemią.

Jak pisaliśmy w tekście: Mapy Google nauczyły się nowej sztuczki. Nie zgubisz się, gdy stracisz połączenie, próby łatania dziur w nawigacji już trwają. W tunelach można wykorzystywać specjalne nadajniki Bluetooth, które pomagają aplikacji utrzymać pozycję tam, gdzie satelity nie mają szans. DAS nie wysyła użytkownikowi sygnału nawigacyjnego, tylko zamienia otoczenie drogi w źródło danych.

Przeczytaj także:

To ważna różnica. Bluetooth w tunelu mówi urządzeniu: jesteś mniej więcej tutaj. Światłowód pod ulicą może mówić systemowi: coś porusza się w tym miejscu, z takim wzorcem drgań, wzdłuż tej trasy. Połączenie tych metod może sprawić, że przyszła nawigacja będzie mniej zależna od jednego sygnału z kosmosu.

Najciekawsze jest jednak to, jak niepozorna staje się ta zmiana. Nie trzeba czekać na futurystyczne satelity ani budować miasta od zera. Część infrastruktury już leży pod naszymi stopami. Przez lata służyła do przesyłania internetu, a teraz może zacząć pełnić funkcję układu nerwowego miasta. GPS nadal będzie potrzebny, ale jego monopol na lokalizację coraz wyraźniej pęka. I chyba dobrze, bo świat, w którym jeden słaby sygnał z orbity decyduje o tym, czy wiemy, gdzie jesteśmy, jest po prostu zbyt kruchy.

*Źródło grafiki wprowadzającej: jamoimages, Canva Pro