Первый парень на Земле, который когда-либо заблудился, вероятно, сказал себе: “Прямо сейчас мне действительно не помешал бы набор географических координат, выраженных в виде широты и долготы”. Шло время, развивался неокортекс, и в конце концов компасы и секстанты уступили место глобальным навигационным спутниковым системам для определения местоположения и навигации.
Однако эти системы часто ненадежны и подвержены помехам и подмене. Магнитные компасы, хотя и остаются полезными, подвержены магнитным помехам, и небесная навигация возможна только ясной ночью без помех, связанных со световым загрязнением.
Французская исследовательская группа, разрабатывающая альтернативный метод геопозиционирования, искала примеры методов геолокации из биологии. В то время как многие виды птиц и насекомых калибруют свои магнитные компасы по движению звезд вокруг магнитного полюса Земли, они отметили, что некоторые виды мигрирующих птиц калибруют свой внутренний компас в течение дня на основе поляризации светового потока в крыше. Теория предполагает, что солнечный свет рассеивается мелкими частицами, присутствующими в атмосфере Земли, и на протяжении многих лет исследователи разрабатывали методы навигации без GPS, использующие эту модель.
Исследователи привели конкретный пример пустынного муравья Cataglyphis. Эти муравьи добывают пищу при дневном свете в поисках мертвых насекомых, охотясь зигзагообразно. Каждый раз, когда муравей меняет направление, он поднимает голову и смотрит на солнце. Когда он находит источник пищи, он возвращается прямо к гнезду по прямой линии, чтобы свести к минимуму прямое воздействие солнечного света в условиях сильной жары в пустыне, по сути вычисляя свой курс с помощью биологического анализа поляризации светового потока.
Исследовательская группа теперь сообщает о системе под названием Skypole, которая использует поляриметрическую камеру для измерения степени поляризации светового люка, вращающегося вместе с солнцем. Обработав полученные снимки неба, команда смогла определить положение северного небесного полюса и точно определить широту и азимут наблюдателя. Их исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Общепризнано, что животные используют поляризацию светового потока для определения геолокации, но неясно, как они используют эту информацию. Команда взяла за основу теорию о том, что такие виды животных, как Cataglyphis, используют временные свойства поляризационной картины светового окна, чтобы определить свое местоположение, и разработала систему, которая сравнивает поляриметрические изображения неба, чтобы определить истинный север.
Команда сравнила изображения, сделанные в два различных момента с интервалами времени от 30 до 60 минут, и вычислила различия по двум признакам: степени линейной поляризации и углу линейной поляризации. Их алгоритм учитывает постоянство степени линейной поляризации на северном полюсе неба, а также две переменные, запечатленные на изображениях.
Описанный ими метод имеет ряд преимуществ: используя только визуальную информацию, система определяет геолокацию с разумной точностью, не полагаясь на время, дату или начальное положение. Их пакет обработки изображений минимален и работает со скромными вычислительными ресурсами. Однако интервалы получения изображений и степень точности системы в настоящее время не позволяют использовать некоторые приложения для определения геолокации.
Исследователи пишут: “Однако стоит отметить, что этот алгоритм был сохранен настолько простым, насколько это возможно, и что более сложный алгоритм обработки данных, без сомнения, значительно повысил бы точность … в будущих исследованиях особое внимание следует уделить фильтрации изображений, чтобы уменьшить влияние шума”. Кроме того, они отмечают, что их исследование могло бы выдвинуть новую гипотезу относительно использования визуальной информации животными для геолокации.