Per què el GPS no funciona sota terra

Qualsevol que hagi baixat a una andana amb el mòbil a la mà ho ha vist: el punt blau del mapa es queda quiet, comença a saltar o desapareix. És una molèstia menor quan busques una sortida. És un problema seriós quan d’això depèn saber on és l’equip de vigilància que ha d’atendre una incidència.

Aquest article explica què passa exactament, per què el problema és pitjor del que sembla i quines alternatives hi ha.

Un cronòmetre a vint mil quilòmetres

El GPS —i els seus equivalents Galileo, GLONASS o BeiDou— no és un sistema de posicionament, és un sistema de cronometratge. Cada satèl·lit emet contínuament un senyal que diu, en essència, «soc el satèl·lit número tal i això ho vaig emetre en aquest instant exacte». El receptor compara aquest instant amb el seu propi rellotge, calcula quant ha trigat el senyal a arribar, ho multiplica per la velocitat de la llum i n’obté una distància. Amb quatre satèl·lits a la vista, resol un sistema d’equacions i sap on és.

Tot depèn d’una condició: veure els satèl·lits. I aquí hi ha el problema, perquè aquests senyals arriben a la superfície terrestre amb una potència ridícula, de l’ordre de −130 dBm. Són senyals que ja han recorregut vint mil quilòmetres i que arriben més febles que el soroll tèrmic de fons del mateix receptor. El truc que fa funcionar el GPS és que el senyal està codificat de manera que es pot recuperar per correlació fins i tot quan està enterrat en soroll.

Però aquest truc té un límit. Un sostre de formigó armat atenua el senyal entre 20 i 30 dB. Dues plantes sota terra, amb bigues metàl·liques i una estructura d’estació pel mig, l’atenuen tant que ja no hi ha res a correlacionar.

El que fa el telèfon quan es queda sense satèl·lits

Aquí ve la part que més mal fa en un entorn operatiu, i que rarament s’explica.

El telèfon no diu «no sé on soc». Continua retornant una posició. Ho fa perquè el sistema operatiu combina diverses fonts i, quan el GPS deixa d’aportar, es recolza en les que queden:

• L’última posició coneguda, que pot ser de fa deu minuts i de l’entrada de l’estació.
• La xarxa de telefonia mòbil, triangulant per cel·la. Amb errors que en un entorn urbà dens poden ser de centenars de metres.
• Bases de dades de xarxes Wi-Fi visibles, que situen el dispositiu segons quins punts d’accés detecta. Sota terra solen ser punts d’accés de la mateixa estació, que en aquestes bases de dades hi figuren malament o no hi figuren.

El resultat és una posició plausible, presentada amb la mateixa aparença que una posició bona. I aquest és el problema real: un centre de control que veu un punt en un mapa no té manera de saber si aquest punt val res.

Si un sistema et diu que el teu agent és al vestíbul quan en realitat és a l’andana del sentit contrari, has pres una decisió sobre dades falses, i amb més confiança que si no haguessis tingut cap dada.

Les alternatives, ordenades pel que costen

Quan el satèl·lit no hi arriba, cal mesurar contra alguna cosa que sí que hi sigui, allà sota. Les opcions es redueixen a quatre famílies, i la diferència entre elles no és tant de precisió com d’infraestructura que exigeixen.

Balises UWB

La banda ultraampla és la referència en precisió: entre 10 i 30 centímetres en condicions raonables. Funciona mesurant temps de vol amb polsos molt curts, cosa que la fa força immune al multicamí.

El preu és la infraestructura. Calen àncores cablejades i alimentades, distribuïdes per totes les zones que es vulguin cobrir, i una etiqueta activa a cada persona o objecte que es vulgui localitzar. En un magatzem o en una fàbrica és assumible. En una xarxa de metro en explotació vol dir projecte d’obra, permisos, feina en finestra nocturna i mesos de calendari.

Bluetooth amb angle d’arribada

El BLE amb AoA rebaixa el cost per punt respecte a l’UWB i ofereix precisions submètriques. Continua necessitant locators instal·lats per zona i continua necessitant una etiqueta o un dispositiu emissor a la persona.

Wi-Fi per potència de senyal (RSSI)

Aquesta és l’opció que no requereix maquinari nou, i per això fa vint anys que s’intenta. La idea és estimar la distància a cada punt d’accés segons com de fort arriba el seu senyal.

El problema és que la potència rebuda depèn de massa coses que no són la distància: el model de telèfon, l’orientació de l’antena, si l’aparell va a la mà o a la butxaca, quanta gent hi ha al voltant i quins obstacles hi ha pel mig. Dos telèfons diferents en el mateix punt poden donar lectures molt diferents. Per compensar-ho cal fer fingerprinting: recórrer tot el recinte prenent mostres i construir un mapa de ràdio. Que cal refer cada vegada que es mou un punt d’accés o es canvia el mobiliari.

Els errors típics es compten en desenes de metres. En una estació, això no distingeix ni la planta.

Wi-Fi per temps de vol (RTT/FTM)

És la que canvia el plantejament. Des del 2016, l’estàndard IEEE 802.11mc incorpora el protocol FTM (Fine Timing Measurement), que permet a un terminal i a un punt d’accés intercanviar una ràfega de trames i mesurar el temps d’anada i tornada amb precisió de nanosegons.

Com que el senyal viatja a la velocitat de la llum, aquest temps és una distància. I a diferència de l’RSSI, el temps no depèn de com subjectis el telèfon.

El que és important per a un operador de transport: no cal instal·lar res. Els punts d’accés ja estan muntats a les estacions —es van desplegar per donar servei als viatgers o per a ús intern— i molts només necessiten que se’ls activi la funció. I el dispositiu que mesura és el telèfon corporatiu que l’agent ja porta a sobre. Android exposa aquesta capacitat de manera nativa des d’Android 9.

Per què la xifra realista és 5-10 metres, i no 1-2

La literatura acadèmica reporta 1 o 2 metres d’error per al Wi-Fi RTT. Aquesta xifra és real, però correspon a condicions de línia de visió directa: el terminal i el punt d’accés es veuen sense res pel mig.

Una andana no és això. Hi ha columnes, hi ha cartells metàl·lics, hi ha un tren aturat que ocupa mitja estació i hi ha parets paral·leles que retornen ecos. Quan el senyal no arriba en línia recta sinó rebotat —el que s’anomena NLOS, sense línia de visió—, ha recorregut més camí del que hi ha en línia recta, així que la mesura de temps surt més gran i el sistema creu que ets més lluny del que ets.

I l’error no és aleatori: és esbiaixat. Sempre cap al mateix costat, mai compensant-se entre mesures.

Per això un sistema seriós per a aquest entorn no es pot quedar en la mesura crua. Necessita tres capes més:

1. Detectar les mesures dolentes. El perfil d’un senyal rebotat té trets identificables. Aquestes mesures es marquen i perden pes, en lloc d’entrar en el càlcul com si fossin bones.
2. Filtrar amb memòria. Un filtre probabilístic arrossega l’estat anterior, de manera que un pic aïllat no teletransporta ningú trenta metres.
3. Fer servir el plànol. I aquesta és la més potent de les tres.

El plànol de l’estació és informació gratuïta

Un sistema de localització genèric tracta l’espai com una superfície contínua on l’usuari pot ser a qualsevol punt. Una estació de metro no s’hi assembla gens: és un graf estret i molt restringit. Andana, vestíbul, passadís de correspondència, escala, túnel. La gent no travessa murs ni camina per la via.

Posar aquesta restricció dins de l’estimador —el que en navegació s’anomena map-matching— té un efecte que sorprèn la primera vegada que es veu: l’error operatiu acaba sent més petit que l’error geomètric de les mesures individuals. Encara que una mesura concreta falli per dotze metres, si aquests dotze metres apunten cap a dins d’un mur, el sistema sap que la posició no pot ser aquesta i la corregeix cap a l’espai transitable més probable.

Amb les tres capes aplicades, de 5 a 10 metres a l’estació és una xifra que aguanta una campanya de mesurament. I en la topologia d’una andana, cinc metres separen andana de vestíbul i deu en separen un sentit de circulació de l’altre.

Aleshores, 5-10 metres serveixen per a alguna cosa?

Depèn de per a què. Per guiar un robot per un magatzem, no. Per coordinar una incidència en una estació, n’hi ha de sobres.

Ningú en un centre de control no necessita saber sobre quina rajola és el seu agent. Necessita saber a quin punt enviar el suport, per quin accés entra i quin dels equips disponibles hi arriba abans. Per a això, la diferència entre saber la zona i no saber res és enorme; la diferència entre set metres i setanta centímetres, irrellevant.

I hi ha una segona meitat del problema que la precisió fina tampoc no resol: reconstruir després què va passar. Qui va arribar primer, quant va trigar, per on va entrar. Sense registre, això és la paraula de cadascú.

Per continuar llegint

A Localització indoor amb Wi-Fi RTT hi ha l’explicació tècnica completa: el protocol FTM, la detecció de NLOS, l’ajust al plànol i el full de ruta cap a IEEE 802.11az.

Referències

• Dai, J., Wang, M., Wu, B., Shen, J. i Wang, X. (2023). A survey of latest Wi-Fi assisted indoor positioning on different principles. Sensors, 23(18), 7961.
• Cao, H. et al. (2024). LOS compensation and trusted NLOS recognition assisted WiFi RTT indoor positioning algorithm. Expert Systems with Applications, 243, 122867.
• Android Open Source Project (2025). Wi-Fi RTT (IEEE 802.11mc, IEEE 802.11az).