Стоит только подъехать к центру города, Красной площади или Дворцовой, как ваш навигатор виснет, а GPS-точка прыгает через дороги, заводит вас во дворы и упорно считает, что вы идёте по Неве, а не по тротуару. В городских джунглях GPS сталкивается с отражениями, перекрытиями сигналов и тёмными зонами, из-за которых точность падает до нескольких десятков метров, а иногда и сотен.

Разберёмся, какие механизмы приводят к «скачкам» позиционирования и как индустрия борется с тем, чтобы вы не терялись. Детали внутри ката.

В чём проблема: urban canyon и многопутевой приём

Задумывались ли вы, почему навигатор в центре города внезапно «тупит» и ведёт вас не туда — то по одной улице, то вообще показывает на соседний район? В густой застройке высотки превращают улицы в «городские каньоны», где спутников почти не видно, а отражённые сигналы от стеклянных и металлических фасадов запускают навигатор по ложному следу. А в крупных городах, по типу Москвы и Питера, так вообще стоят в некоторых местах глушилки. В результате ваш GPS рисует «прыгающую» и неточную траекторию, что особенно неприятно при незнакомом маршруте или в пробке.

Разберём две главные причины этой головоломки и посмотрим, как современная техника пытается с ними бороться.

Эффект urban canyon возникает, когда высокие здания по обе стороны улицы образуют узкий коридор, почти полностью закрывающий небо. GPS-приёмник остаётся «одинок» среди прямых спутниковых сигналов и вынужден работать лишь с теми, что видны вдоль улицы или почти над головой, остальные блокируются стенами. Из-за такой скудной геометрии, горизонтальное снижение точности (HDOP) резко возрастает, и навигатор перестаёт понимать, на какой из параллельных улиц вы едете.  

Многопутевой приём (multipath) добавляет к проблеме ложные эхо. Сигналы отражаются от фасадов, стёкол и металлических конструкций, и к антенне доходит сразу несколько копий одного и того же сигнала с разной задержкой. Приёмник не всегда способен отличить оригинал от отражённой версии, а алгоритмы расчёта псевдодистанций начинают мешать данные, что порождает скачки координат на десятки метров — навигатор может внезапно перескочить на другую сторону улицы или вовсе зависнуть на крыше. 

Современные методы смягчения этих эффектов включают GNSS Shadow Matching, где приёмник сопоставляет видимость спутников с цифровой 3D-моделью города и отбраковывает невозможные сигналы. Интеграция GPS с инерциальными (INS), визуальными и лидарными данными помогает компенсировать временные сбои и сгладить траекторию. А развитие 5G-позиционирования с его плотной сетью базовых станций и низкой задержкой открывает новые возможности для точного локаутмента даже в самых тесных городских улочках.

Технологии устойчивого позиционирования

Assisted-GNSS (A-GNSS). Ваш смартфон или другое устройство, через которое вы смотрите карту, нередко получает не только «живые» спутниковые сигналы, но и вспомогательные данные об их орбитах и времени через сотовую сеть. Это существенно сокращает время первой фиксации (TTFF) и позволяет уверенно определять координаты даже в «тёмных зонах» с плохим приёмом сигнала. Операторы или публичные серверы заранее загружают орбитальные данные  (альманах и эфемериды), а телефон, даже попав в зону глушилок или слабого сигнала, может за доли секунды получить эти коррекции и выйти на точность 5–10 м — вместо долгого ожидания чистого GPS-сигнала.

Альманах складывает в приёмнике «примерную карту неба»: в нём содержится информация об орбите спутникового транспортного средства. С его помощью устройство сразу формирует список «актуальных» спутников и не тратит время на попытки поймать тех, что вне зоны видимости.

Эфемериды же дают орбитальное положение каждого спутника в данный момент: они включают номер недели, возраст данных, поправки часов, а также подробные параметры орбиты с учётом её текущих отклонений. Получив данные, приёмник рассчитывает координаты спутника и, основываясь на времени прохождения сигнала, определяет местоположение.

DGPS и SBAS. Для охвата больших территорий применяются «дифференциальные» системы: DGPS (локальные станции на земле) и глобальные аналоги SBAS (спутниковая система функционального дополнения) — EGNOS в Европе, WAAS в США, СДКМ в России. 

Как же они работают? По стране или региону разбросаны опорные станции с точно известными координатами, которые непрерывно замеряют погрешности спутниковых сигналов. Эти данные стекаются в центральный вычислительный центр, где формируются поправки и сообщения о целостности, то есть сигнал о том, когда точность падает ниже безопасного уровня.

Затем скорректированные данные «навешиваются» на обычный GNSS-сигнал и рассылаются назад пользователям через геостационарные спутники. Вся цепочка, от приёма на опорных станциях до трансляции окончательных поправок занимает менее 6 секунд, что позволяет абоненту вовремя узнать о чрезмерном отклонении и оставаться уверенным в своих координатах на уровне 1–3 метров.

А конкретно вещание сигналов СДКМ ведётся непрерывно в свободном доступе через геостационарные спутники МКСР ЛУЧ: Луч-5Б (16° з. д., PRN 125) и Луч-5В (95° в. д., PRN 140), в международном формате SBAS, на частоте GPS 1575,42 МГц.

Для промышленных и профессиональных задач, где требуется сантиметровая точность, используются технологии RTK (Real-Time Kinematic) и PPP (Precise Point Positioning). Работает по схеме «базовая станция + приёмник» в реальном времени: базовая станция рядом передаёт фазовые данные несущих волн и псевдодальности, и пользователь получает точность 1–2 см. 

Ограничение — радиус действия этой станции, обычно до нескольких километров. PPP (Precise Point Positioning) решает эту проблему глобально: поправки о состоянии спутников и атмосферы приходят через интернет или спутник, позволяя добиться сравнимой сантиметровой точности в любой точке Земли, хотя и с более долгим временем инициализации.

В 2024–2025 годах все эти технологии активно объединяют в гибридные навигационные решения для транспорта, сельского хозяйства, строительства и автономных систем. Комбинация A-GNSS «быстрого старта», DGPS/SBAS «широкого охвата» и RTK/PPP «сверхточности» позволяет справляться с городскими ловушками GPS и позиционироваться даже там, где бетон и стекло закрывают небо.

Sensor fusion: когда GPS дополняют «внутренним» зрением

Sensor fusion или сенсорное слияние в навигации объединяет данные от разных датчиков, чтобы вы не потерялись там, где GPS не совсем работает, проще говоря, недоступен. В смартфонах и автомобилях основу составляет инерциальный блок (IMU) — акселерометры и гироскопы считывают ускорения и угловые скорости, позволяя отслеживать движение в «слепых зонах» городских джунглей, тоннелей или подземных парковок между «хорошими» спутниковыми замерами. 

Ведущие исследовательские группы, например, Университет Южной Калифорнии, идут дальше, разрабатывая компактные квантовые акселерометры: они измеряют крошечные колебания ускорения и поворотов с ещё большей точностью, вне зависимости от наличия спутникового сигнала, что обещает бесшовную навигацию для автономных машин и роботов, даже если вокруг нет ни единого GPS-сигнала. 

Алгоритм map-matching «притягивает» полученную траекторию к дорожной карте: система анализирует, по каким улицам вы вполне могли бы ехать, и корректирует вылеты GPS или дрейф IMU.

Map-matching — это алгоритмическая обработка траектории движения, при которой вычисленная по данным сенсоров линия сопоставляется с цифровой картой улиц. Система анализирует, по каким дорогам и с какой вероятностью мог двигаться пользователь, корректируя ошибки GPS и инерциальных датчиков. Подход позволяет удерживать маршрут на реальной дорожной сети, если GNSS-координаты временно «прыгают» между зданиями или улицами.

А когда и это не спасает, например, в торговом центре или на перроне вокзала — на помощь приходят Wi-Fi и Bluetooth-маяки: по списку видимых точек доступа устройство высчитывает ваше местоположение с точностью в несколько метров, даже если спутники полностью пропали.

В результате, благодаря слиянию данных от IMU, GPS, Wi-Fi, Bluetooth и map-matching, современные навигационные дают плавный, надёжный трэк в любых условиях.

Практические решения для приложений и водителей

Для того чтобы автопилот в вашем смартфоне не «взбрыкивал» каждые пару метров и не терял маршрут в центре города, навигационные приложения используют сразу несколько приёмов.

Адаптивный фильтр Калмана «затирает» резкие прыжки GPS-координат: он подстраивается под уровень шума и скорость движения, отбрасывает отражённые или потерянные сигналы и плавно склеивает реальную траекторию. 

Адаптивный ансцентный фильтр Калмана (ААФК) отлично проявляет себя в условиях городского хаоса, где шумов больше, чем смысла, а маршрут напоминает зигзаг между светофорами и ямами. Он «слушает» сигнал, оценивает уровень помех и сам настраивает параметры так, чтобы отсечь ложные скачки и не потерять реальное движение. Даже если GPS пару раз затормозит между домами, ААФК удержит траекторию. Хотя, будь он живым — после часа на МКАДе в пробке, возможно, и сам бы захотел отключиться и свернуть на заправку.

В эксперименте исследовали поведение GPS-приёмника при высоких ускорениях, характерных, например, для БПЛА. Весь период моделирования сигнал сохранялся на уровне 45 дБ-Гц, однако сам приёмник проходил через участки резкого ускорения — до 10 g. Приёмник «двигался» по заданному сценарию, а три алгоритма слежения — классический, фильтр Калмана и адаптивный ансцентный фильтр Калмана (ААФК) — в реальном времени оценивали параметры сигнала: C/N₀, доплеровский сдвиг и навигационные биты.

При резких ускорениях классический и стандартный фильтры Калмана теряются, тогда как адаптивный ансцентный фильтр Калмана (ААФК) остаётся точным, удерживая траекторию. То есть при равных условиях будет побеждать именно ААФК.

Когда спутниковый сигнал пропадает в узких дворах или под арками, в дело вступает гибридное позиционирование: Assisted-GNSS мгновенно подтягивает через интернет свежие эфемериды, а Wi-Fi Fingerprinting «привязывает» вас к базе известных точек доступа.

Наконец, пользователь видит экран HDOP/PDOP (Horizontal/Position Dilution of Precision), чтобы понимать, где он находится и не проехал ли свой поворот, а телефон заранее подгружает офлайн-карты и спутниковые данные, чтобы «холодный старт» после туннеля занял секунды, а не минуты.

Будущее: LEO-спутники и 5G-позиционирование

Глядя в будущее, мы видим две больших перемены, способные кардинально улучшить навигацию в бетонных джунглях. Во-первых, низкоорбитальные спутники (LEO-GNSS) поднимают сигнал с 20 000 км до 500–2000 км над землёй. Такой радиус означает меньше «тёмных зон» за небоскрёбами, более сильный сигнал и точность до 1–3 м даже в самых застроенных улицах. 

Ну или обилие спутников на орбите уже даст о себе знать, и мы получим не только местоположение, но и связь, хотя бы 4G, везде. Коммерческие решения на базе LEO-GNSS обещают появиться в ближайшие годы и дать GPS-навигаторам новый уровень устойчивости.

Во-вторых, 5G-позиционирование по технологии NR-RTT измеряет время «туда-обратно» сигнала между устройством и несколькими базовыми станциями, что тоже даёт точность около 1–3 м. Плотная сетка 5G-антенн особенно хороша на первых этажах домов, под мостами или в переходах там, где спутники обычно молчат.

Объединяя LEO-GNSS и NR-RTT, навигация сможет сама выбирать наиболее надёжный источник или скрещивать данные для бесшовного трека без «прыжков» координат. Это не просто улучшит ваше прокладывание маршрута в центре города — это откроет дорогу автономным такси, дронам-курьерам и многому другому.

А вы сталкивались с тем, что ваш навигатор решил подставить в незнакомом месте? Что вам помогло? Пишите в комментариях, разберёмся вместе!

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»