Google utilizza milioni di smartphone per mappare la ionosfera terrestre e migliorare il GPS

Google utilizza milioni di smartphone per mappare la ionosfera terrestre e migliorare il GPS

Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato i dati in tempo reale provenienti da circa 40 milioni di telefoni cellulari per mappare le condizioni nella ionosfera, una regione dell’alta atmosfera dove alcune molecole d’aria sono ionizzate. Tali segnali di crowdsourcing potrebbero migliorare la navigazione satellitare, in particolare nelle regioni del mondo dove i dati sarebbero altrimenti scarsi, come Africa, Sud America e Asia meridionale.

Lo studio di fattibilità del team di Google è stato pubblicato il 13 novembre sulla rivista Nature 1.

"Si tratta di un set di dati straordinario", afferma Anthea Coster, fisica dell'atmosfera presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. "Completa in modo significativo la mappa nelle aree in cui abbiamo urgentemente bisogno di maggiori informazioni."

I dati dei telefoni cellulari potrebbero ridurre gli errori GPS del 10-20% in alcune aree e ancora di più nelle regioni meno servite, stima Ningbo Wang, fisico atmosferico presso l'Istituto di ricerca sull'informazione aerospaziale dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino. Anche con gli aggiustamenti, la distruzione della ionosfera rimane una sfida, in particolare durante le tempeste solari che innescano condizioni irregolari nella ionosfera. “I risultati presentati sono davvero impressionanti.”

Doppia banda

Quando l’aria è parzialmente ionizzata, gli elettroni che si muovono liberamente rallentano leggermente e influenzano i segnali radio che arrivano sulla Terra dal GPS e da altri satelliti di navigazione. Ciò può influenzare la sincronizzazione temporale a livello di nanosecondi utilizzata dai dispositivi di navigazione satellitare per determinare la loro posizione. Ciò ha implicazioni potenzialmente gravi per gli atterraggi degli aerei e i veicoli autonomi.

Le mappe in tempo reale della densità di questi elettroni vengono spesso utilizzate per correggere le fluttuazioni nella ionosfera. Gli ingegneri creano le mappe utilizzando i dati provenienti da stazioni riceventi a terra in grado di rilevare i tempi di arrivo di due diverse frequenze di onde radio ricevute dallo stesso satellite. Gli elettroni nella ionosfera rallentano le onde a bassa frequenza più di quelle ad alta frequenza, di circa un nanosecondo. Questa differenza fornisce informazioni sulla densità degli elettroni attraverso i quali l'onda passa nel suo percorso verso un ricevitore.

Senza queste correzioni, il GPS sarebbe impreciso di circa 5 metri e di decine di metri durante le tempeste solari, quando le particelle cariche provenienti dal sole aumentano la densità elettronica. Ma molte regioni del mondo non dispongono di stazioni riceventi a terra per creare queste mappe.

rumore di fondo

Sebbene non tutti i dispositivi di navigazione possano funzionare con più frequenze, spesso i telefoni moderni lo fanno. Secondo Brian Williams, informatico di Google a Mountain View, California, e coautore dello studio, i sensori dei telefoni non erano precedentemente considerati pratici per mappare la ionosfera. Questo perché i dati dei telefoni cellulari sono molto più rumorosi di quelli provenienti da dispositivi di ricezione scientifici appositamente progettati, soprattutto perché ricevono segnali solo in modo intermittente e le onde radio vengono riflesse dagli edifici vicini nelle aree urbane.

Il team di Google ha avuto successo in parte grazie alla grande quantità di dati ricevuti. "Quando si combinano grandi quantità, i rumori si annullano e si ottiene comunque un segnale chiaro", afferma Williams. “È come se ci fosse una stazione di monitoraggio scientifico in ogni città in cui sono presenti i telefoni”.

Chiunque possieda un telefono Android e consenta a Google di raccogliere dati dai sensori per migliorare la precisione della posizione potrebbe contribuire allo studio. Tuttavia, i dati sono stati aggregati in modo che i singoli dispositivi non possano essere identificati, spiega l’azienda.

Williams spiega che è già in corso il lavoro per utilizzare questa tecnica per migliorare la precisione della posizione per gli utenti Android. Ma i dati dovrebbero essere utili anche per gli studi scientifici sulla parte superiore dell’atmosfera terrestre. La mappa ha già rivelato bolle nel gas ionizzato, noto come plasma, sopra il Sud America, mai osservate in dettaglio in precedenza.

Per avvantaggiare veramente la scienza, Google deve pubblicare i dati, afferma Coster, che lavora al database Madrigal, una risorsa collaborativa di dati geospaziali che riunisce dati ionosferici provenienti da migliaia di stazioni di terra. Un portavoce di Google ha detto al team giornalistico di Nature che i dati alla base dello studio saranno pubblicati insieme all'articolo, ma al momento non ci sono piani per fornire dati aggiornati in tempo reale.

I ricercatori stanno lavorando per utilizzare altri sensori di smartphone in diversi modi. Il sistema di allarme terremoti Android di Google nel 2020 ha mostrato come gli accelerometri negli smartphone delle persone potrebbero rilevare i terremoti e avvisare coloro che potrebbero ancora essere colpiti. Gli utenti Apple possono accedere a un'app che utilizza una tecnologia simile.

Fino ad ora, gli scienziati hanno considerato i telefoni cellulari come utenti finali dei servizi di navigazione, afferma Wang. Questa inversione di utilizzo dei dati telefonici come dati di input è un “territorio inesplorato”, afferma. “Questo studio segna un cambiamento entusiasmante”.

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

   Google Scholar

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