Google nutzt Millionen von Smartphones zur Kartierung der Ionosphäre der Erde und zur Verbesserung von GPS

Erstmals haben Forscher Echtzeitdaten von rund 40 Millionen Mobiltelefonen genutzt, um Bedingungen in der Ionosphäre zu kartieren — einem Bereich der oberen Atmosphäre, in dem einige Luftmoleküle ionisiert sind. Solche crowdsourceten Signale könnten die Satellitennavigation verbessern, insbesondere in Regionen der Welt, in denen Daten ansonsten rar sind, wie Afrika, Südamerika und Südasien.

Die Machbarkeitsstudie des Google-Teams wurde am 13. November in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht1.

„Es handelt sich um einen erstaunlichen Datensatz“, sagt Anthea Coster, Atmosphärenphysikerin am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. „Er vervollständigt die Karte erheblich in Bereichen, in denen wir dringend mehr Informationen benötigen.“

Die Daten von Mobiltelefonen könnten GPS-Fehler in einigen Gebieten um 10–20% reduzieren und noch mehr in unterversorgten Regionen, schätzt Ningbo Wang, Atmosphärenphysiker am Aerospace Information Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Auch mit Anpassungen bleibt die Störung durch die Ionosphäre eine Herausforderung, insbesondere während Sonnenstürme, die ungleichmäßige Bedingungen in der Ionosphäre auslösen. „Die präsentierten Ergebnisse sind wirklich beeindruckend.“

Duale Bänder

Bei partieller Ionisierung der Luft verlangsamen sich die frei beweglichen Elektronen leicht und beeinflussen die Radiosignale, die von GPS- und anderen Navigationssatelliten zur Erde gelangen. Dies kann das zeitliche Synchronisieren auf Nanosekundenebene, welches von den Satellitennavigationsgeräten zur Bestimmung ihrer Standorte verwendet wird, beeinträchtigen. Dies hat potenziell ernsthafte Auswirkungen auf Flugzeuglandungen und autonome Fahrzeuge.

Echtzeitkarten der Dichte dieser Elektronen werden häufig verwendet, um Schwankungen in der Ionosphäre zu korrigieren. Ingenieure erstellen die Karten mithilfe von Daten von bodengestützten Empfangsstationen, die die Ankunftszeiten von zwei verschiedenen Frequenzen von Radiowellen, die vom selben Satelliten empfangen werden, erkennen können. Elektronen in der Ionosphäre verlangsamen niederfrequente Wellen stärker als hochfrequente, um etwa eine Nanosekunde. Dieser Unterschied gibt Aufschluss über die Dichte der Elektronen, durch die die Welle auf dem Weg zu einem Empfänger durchgegangen ist.

Ohne diese Korrekturen wäre das GPS um etwa 5 Meter ungenau und während Sonnenstürme um Dutzende Meter, wenn geladene Teilchen von der Sonne die Elektronendichte erhöhen. Aber viele Regionen der Welt fehlen die bodengestützten Empfangsstationen, um diese Karten zu erstellen.

Geräuschkulisse

Obwohl nicht alle Navigationsgeräte mit mehreren Frequenzen arbeiten können, tun dies moderne Telefone oft. Laut Brian Williams, Informatiker bei Google in Mountain View, Kalifornien, und Mitautor der Studie, wurden Telefonsensoren zuvor nicht als praktikabel zur Kartierung der Ionosphäre angesehen. Dies liegt daran, dass die Daten von Mobiltelefonen viel rauschhafter sind als die von speziell entwickelten wissenschaftlichen Empfangsgeräten, insbesondere weil sie Signale nur intermittierend empfangen und die Radiowellen in städtischen Gebieten an nahegelegenen Gebäuden reflektiert werden.

Das Google-Team hatte teilweise dank der Vielzahl der erhaltenen Daten Erfolg. „Wenn große Mengen kombiniert werden, gleichen sich die Geräusche aus und man erhält dennoch ein klares Signal“, sagt Williams. „Es ist, als gäbe es eine wissenschaftliche Überwachungsstation in jeder Stadt, in der Telefone sind.“

Jeder, der ein Android-Telefon besitzt und Google erlaubt, Sensordaten zur Verbesserung der Standortgenauigkeit zu sammeln, konnte zur Studie beitragen. Die Daten wurden jedoch aggregiert, sodass individuelle Geräte nicht identifizierbar sind, erklärt das Unternehmen.

Williams erklärt, dass bereits daran gearbeitet wird, diese Technik zur Verbesserung der Standortgenauigkeit für Android-Nutzer zu nutzen. Aber die Daten sollten auch für wissenschaftliche Studien der oberen Atmosphäre der Erde nützlich sein. Die Karte hat bereits Blasen in ionisiertem Gas, bekannt als Plasma, über Südamerika enthüllt, die zuvor nicht im Detail beobachtet wurden.

Um der Wissenschaft wirklich zu nutzen, muss Google die Daten veröffentlichen, sagt Coster, die an der Madrigal-Datenbank arbeitet, einer Gemeinschaftsressource für geospatiale Daten, die Ionosphärendaten von Tausenden von Bodenstationen zusammenführt. Ein Sprecher von Google teilte dem Nachrichtenteam von Nature mit, dass die Daten hinter der Studie zusammen mit dem Artikel veröffentlicht werden, es jedoch derzeit keine Pläne gibt, frische Daten in Echtzeit bereitzustellen.

Forscher arbeiten daran, andere Smartphonesensoren auf andere Weise zu nutzen. Das Android-Erdbebenwarnsystem von Google im Jahr 2020 zeigte, wie Beschleunigungssensoren in den Smartphones der Menschen Erdbeben erkennen und andere warnen konnten, die noch betroffen werden könnten. Apple-Nutzer können auf eine App zugreifen, die eine ähnliche Technologie verwendet.

Bisher haben Wissenschaftler Telefone als Endnutzer von Navigationsdiensten betrachtet, sagt Wang. Diese Umkehrung, um Telefondaten als Eingabedaten zu verwenden, ist „Neuland“, sagt er. „Diese Studie markiert einen spannenden Wandel.“

1. Smith, J. et al. Nature 635, 365–369 (2024).

   Google Scholar

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