Google bruger millioner af smartphones til at kortlægge jordens ionosfære og forbedre GPS

Google bruger millioner af smartphones til at kortlægge jordens ionosfære og forbedre GPS

For første gang har forskere brugt realtidsdata fra omkring 40 millioner mobiltelefoner til at kortlægge forhold i ionosfæren-et område i den øvre atmosfære, hvor nogle luftmolekyler ioniseres. Sådanne crowddsourced signaler kunne forbedre satellitnavigationen, især i regioner i verden, hvor data ellers er knappe, såsom Afrika, Sydamerika og Sydasien.

Google -teamets mulighedsundersøgelse blev offentliggjort 13. november i tidsskriftet Nature 1.

”Det er et fantastisk datasæt,” siger Anthea Coster, en atmosfærisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. ”Det afslutter kortet i områder, hvor vi presserende har brug for mere information.”

Mobiltelefondata kunne reducere GPS-fejl med 10-20% i nogle områder og endnu mere i undervurderede regioner, estimerer Ningbo Wang, en atmosfærisk fysiker ved Aerospace Information Research Institute of the Chinese Academy of Sciences i Beijing. Selv med justeringer forbliver ionosfærisk forstyrrelse en udfordring, især under solstorme, der udløser uklare forhold i ionosfæren. ”De præsenterede resultater er virkelig imponerende.”

Dual Bands

Når luften delvist er ioniseret, bremser de frit bevægelige elektroner lidt og påvirker radiosignalerne, der kommer til Jorden fra GPS og andre navigationssatellitter. Dette kan påvirke den temporale synkronisering på nanosekundniveau, der bruges med satellitnavigationsenheder til at bestemme deres placeringer. Dette har potentielt alvorlige konsekvenser for luftfartøjer og autonome køretøjer.

I realtidskort over densiteten af ​​disse elektroner bruges ofte til at korrigere til udsving i ionosfæren. Ingeniører opretter kortene ved hjælp af data fra jordbaserede modtagestationer, der kan registrere ankomsttiderne for to forskellige frekvenser af radiobølger modtaget fra den samme satellit. Elektroner i ionosfæren bremser lavfrekvente bølger mere end højfrekvente, med ca. et nanosekund. Denne forskel giver information om densiteten af ​​elektroner, gennem hvilken bølgen passerede på vej til en modtager.

Uden disse korrektioner ville GPS være unøjagtige med ca. 5 meter og med snesevis af meter under solstorme, når ladede partikler fra solen øger elektrondensiteten. Men mange regioner i verden mangler de jordbaserede modtagestationer for at skabe disse kort.

Baggrundsstøj

Selvom ikke alle navigationsenheder kan arbejde med flere frekvenser, gør moderne telefoner ofte. Ifølge Brian Williams, en computerforsker ved Google i Mountain View, Californien og medforfatter til undersøgelsen, blev telefonsensorer ikke tidligere betragtet som praktiske til kortlægning af ionosfæren. Dette skyldes, at dataene fra mobiltelefoner er meget støjende end dem fra specielt designet videnskabelige modtagelsesenheder, især fordi de kun modtager signaler med mellemrum, og radiobølgerne reflekteres fra nærliggende bygninger i byområder.

Google -teamet havde delvis succes takket være den store mængde data, de modtog. ”Når store mængder kombineres, annullerer støjene, og du får stadig et klart signal,” siger Williams. ”Det er som om der er en videnskabelig overvågningsstation i hver by, hvor der er telefoner.”

Enhver, der ejer en Android -telefon og tillader Google at indsamle sensordata for at forbedre placeringsnøjagtigheden, kan bidrage til undersøgelsen. Imidlertid blev dataene samlet, så individuelle enheder ikke kan identificeres, forklarer virksomheden.

Williams forklarer, at arbejdet allerede er i gang for at bruge denne teknik til at forbedre placeringsnøjagtigheden for Android -brugere. Men dataene skal også være nyttige til videnskabelige undersøgelser af Jordens øvre atmosfære. Kortet har allerede afsløret bobler i ioniseret gas, kendt som plasma, over Sydamerika, som ikke tidligere er blevet observeret i detaljer.

For virkelig at gavne videnskaben er Google nødt til at offentliggøre dataene, siger Coster, der arbejder på Madrigal -databasen, en samarbejdsvillig geospatial dataressource, der samler ionosfæriske data fra tusinder af jordstationer. En Google -talsmand fortalte Nature's News Team, at dataene bag undersøgelsen vil blive offentliggjort sammen med artiklen, men der er i øjeblikket ingen planer om at give friske data i realtid.

Forskere arbejder på at bruge andre smartphone -sensorer på forskellige måder. Googles Android -jordskælvadvarselssystem i 2020 viste, hvordan accelerometre i folks smartphones kunne opdage jordskælv og advare andre, der stadig kunne blive påvirket. Apple -brugere kan få adgang til en app, der bruger lignende teknologi.

Indtil nu har forskere set telefoner som slutbrugere af navigationstjenester, siger Wang. Denne vending til at bruge telefondata, da inputdata er "ubeskyttet territorium," siger han. "Denne undersøgelse markerer et spændende skift."

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

   Google Scholar

Download referencer