Google gebruikt miljoenen smartphones om de ionosfeer van de aarde in kaart te brengen en GPS te verbeteren

Google gebruikt miljoenen smartphones om de ionosfeer van de aarde in kaart te brengen en GPS te verbeteren

Voor het eerst hebben onderzoekers realtime gegevens van ongeveer 40 miljoen mobiele telefoons gebruikt om de omstandigheden in de ionosfeer in kaart te brengen – een gebied in de bovenste atmosfeer waar sommige luchtmoleculen zijn geïoniseerd. Dergelijke crowdsourced-signalen zouden de satellietnavigatie kunnen verbeteren, vooral in delen van de wereld waar gegevens anders schaars zijn, zoals Afrika, Zuid-Amerika en Zuid-Azië.

De haalbaarheidsstudie van het Google-team werd op 13 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature 1.

“Het is een verbazingwekkende dataset”, zegt Anthea Coster, atmosferisch natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. “Het completeert de kaart aanzienlijk in gebieden waar we dringend meer informatie nodig hebben.”

Gegevens van mobiele telefoons kunnen GPS-fouten in sommige gebieden met 10-20% verminderen, en zelfs nog meer in achtergestelde regio's, schat Ningbo Wang, een atmosferisch fysicus bij het Aerospace Information Research Institute van de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing. Zelfs met aanpassingen blijft de verstoring van de ionosfeer een uitdaging, vooral tijdens zonnestormen die fragmentarische omstandigheden in de ionosfeer veroorzaken. “De gepresenteerde resultaten zijn echt indrukwekkend.”

Dubbele banden

Wanneer de lucht gedeeltelijk geïoniseerd is, vertragen de vrij bewegende elektronen enigszins en beïnvloeden ze de radiosignalen die via GPS en andere navigatiesatellieten naar de aarde komen. Dit kan van invloed zijn op de temporele synchronisatie op nanosecondeniveau die door satellietnavigatieapparatuur wordt gebruikt om hun locaties te bepalen. Dit heeft potentieel ernstige gevolgen voor vliegtuiglandingen en autonome voertuigen.

Real-time kaarten van de dichtheid van deze elektronen worden vaak gebruikt om fluctuaties in de ionosfeer te corrigeren. Ingenieurs maken de kaarten met behulp van gegevens van ontvangststations op de grond die de aankomsttijden kunnen detecteren van twee verschillende frequenties van radiogolven die van dezelfde satelliet worden ontvangen. Elektronen in de ionosfeer vertragen laagfrequente golven meer dan hoogfrequente golven, met ongeveer een nanoseconde. Dit verschil geeft informatie over de elektronendichtheid waar de golf doorheen ging op weg naar een ontvanger.

Zonder deze correcties zou GPS ongeveer vijf meter onnauwkeurig zijn en tijdens zonnestormen tientallen meters onnauwkeurig, wanneer geladen deeltjes van de zon de elektronendichtheid verhogen. Maar in veel delen van de wereld ontbreken de ontvangststations op de grond om deze kaarten te maken.

achtergrondgeluid

Hoewel niet alle navigatiesystemen met meerdere frequenties kunnen werken, doen moderne telefoons dat vaak wel. Volgens Brian Williams, computerwetenschapper bij Google in Mountain View, Californië, en co-auteur van het onderzoek, werden telefoonsensoren voorheen niet als praktisch beschouwd voor het in kaart brengen van de ionosfeer. Dit komt doordat de gegevens van mobiele telefoons veel meer ruis veroorzaken dan die van speciaal ontworpen wetenschappelijke ontvangstapparatuur, vooral omdat deze slechts met tussenpozen signalen ontvangen en de radiogolven worden gereflecteerd door nabijgelegen gebouwen in stedelijke gebieden.

Het Google-team was mede succesvol dankzij de grote hoeveelheid data die ze ontvingen. “Als grote hoeveelheden worden gecombineerd, verdwijnen de geluiden en krijg je nog steeds een duidelijk signaal”, zegt Williams. “Het is alsof er in elke stad waar telefoons zijn een wetenschappelijk meetstation is.”

Iedereen die een Android-telefoon bezit en Google toestaat sensorgegevens te verzamelen om de locatienauwkeurigheid te verbeteren, zou aan het onderzoek kunnen bijdragen. De gegevens zijn echter samengevoegd, zodat individuele apparaten niet kunnen worden geïdentificeerd, legt het bedrijf uit.

Williams legt uit dat er al wordt gewerkt aan het gebruik van deze techniek om de locatienauwkeurigheid voor Android-gebruikers te verbeteren. Maar de gegevens zouden ook nuttig moeten zijn voor wetenschappelijke studies van de bovenste atmosfeer van de aarde. De kaart heeft al bellen in geïoniseerd gas, bekend als plasma, boven Zuid-Amerika onthuld die nog niet eerder in detail zijn waargenomen.

Om de wetenschap echt ten goede te komen, moet Google de gegevens publiceren, zegt Coster, die werkt aan de Madrigal-database, een gezamenlijke geospatiale gegevensbron die ionosferische gegevens van duizenden grondstations samenbrengt. Een Google-woordvoerder vertelde het nieuwsteam van Nature dat de gegevens achter het onderzoek naast het artikel zullen worden gepubliceerd, maar er zijn momenteel geen plannen om nieuwe gegevens in realtime te verstrekken.

Onderzoekers werken eraan om andere smartphonesensoren op verschillende manieren te gebruiken. Het Android-aardbevingswaarschuwingssysteem van Google uit 2020 liet zien hoe versnellingsmeters in de smartphones van mensen aardbevingen konden detecteren en anderen konden waarschuwen die nog steeds getroffen zouden kunnen worden. Apple-gebruikers hebben toegang tot een app die vergelijkbare technologie gebruikt.

Tot nu toe hebben wetenschappers telefoons gezien als eindgebruikers van navigatiediensten, zegt Wang. Deze omkering om telefoongegevens als invoergegevens te gebruiken is ‘onbekend terrein’, zegt hij. “Deze studie markeert een opwindende verandering.”

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

   Google Scholar

Referenties downloaden