Google bruker millioner av smarttelefoner for å kartlegge jordas ionosfære og forbedre GPS

Google bruker millioner av smarttelefoner for å kartlegge jordas ionosfære og forbedre GPS

For første gang har forskere brukt sanntidsdata fra rundt 40 millioner mobiltelefoner for å kartlegge forhold i ionosfæren-et område i den øvre atmosfæren der noen luftmolekyler blir ionisert. Slike folkemengder kan forbedre satellittnavigasjonen, spesielt i regioner i verden der data ellers er knapp, som Afrika, Sør -Amerika og Sør -Asia.

Google -teamets mulighetsstudie ble publisert 13. november i tidsskriftet Nature 1.

"Det er et fantastisk datasett," sier Anthea Coster, en atmosfærisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det fullfører kartet betydelig i områder der vi presser mer informasjon."

Mobiltelefondata kan redusere GPS-feil med 10-20% på noen områder og enda mer i undervurderte regioner, anslår Ningbo Wang, en atmosfærisk fysiker ved Aerospace Information Research Institute of the Chinese Academy of Sciences i Beijing. Selv med justeringer er ionosfærisk forstyrrelse fortsatt en utfordring, spesielt under solstormer som utløser ujevn forhold i ionosfæren. "Resultatene som presenteres er virkelig imponerende."

Doble band

Når luften delvis er ionisert, bremser de fritt bevegelige elektronene litt ned og påvirker radiosignalene som kommer til jorden fra GPS og andre navigasjonssatellitter. Dette kan påvirke temporal synkronisering på nanosekundnivå brukt av satellittnavigasjonsenheter for å bestemme stedene deres. Dette har potensielt alvorlige implikasjoner for flylandinger og autonome kjøretøyer.

Sanntidskart over tettheten av disse elektronene brukes ofte til å korrigere for svingninger i ionosfæren. Ingeniører lager kartene ved hjelp av data fra bakkebaserte mottakstasjoner som kan oppdage ankomsttidene for to forskjellige frekvenser av radiobølger mottatt fra samme satellitt. Elektroner i ionosfæren bremser lavfrekvente bølger mer enn høyfrekvente, med omtrent et nanosekund. Denne forskjellen gir informasjon om tettheten av elektroner som bølgen passerte videre til en mottaker.

Uten disse korreksjonene ville fastlegene være unøyaktig med omtrent 5 meter og med dusinvis av meter under solstormer, når ladede partikler fra solen øker elektrontettheten. Men mange regioner i verden mangler de bakkebaserte mottakstasjonene for å lage disse kartene.

bakgrunnsstøy

Selv om ikke alle navigasjonsenheter kan fungere med flere frekvenser, gjør det ofte moderne telefoner. Ifølge Brian Williams, en informatiker ved Google i Mountain View, California, og medforfatter av studien, ble ikke telefonsensorer tidligere ansett som praktiske for å kartlegge ionosfæren. Dette er fordi dataene fra mobiltelefoner er mye støyere enn de fra spesialdesignede vitenskapelige mottakende enheter, spesielt fordi de bare mottar signaler periodisk og radiobølgene gjenspeiles i nærheten av bygninger i urbane områder.

Google -teamet lyktes delvis takket være den store datamengden de mottok. "Når store mengder er kombinert, avbryter støyene og du fremdeles får et klart signal," sier Williams. "Det er som om det er en vitenskapelig overvåkningsstasjon i hver by der det er telefoner."

Alle som eier en Android -telefon og lar Google samle sensordata for å forbedre stedets nøyaktighet kan bidra til studien. Dataene ble imidlertid samlet slik at individuelle enheter ikke kan identifiseres, forklarer selskapet.

Williams forklarer at det allerede pågår arbeid for å bruke denne teknikken for å forbedre stedets nøyaktighet for Android -brukere. Men dataene bør også være nyttige for vitenskapelige studier av jordas øvre atmosfære. Kartet har allerede avslørt bobler i ionisert gass, kjent som plasma, over Sør -Amerika som ikke tidligere har blitt observert i detalj.

For å virkelig være til nytte for vitenskap, må Google publisere dataene, sier Coster, som jobber med Madrigal -databasen, en samarbeidende geospatial dataressurs som samler ionosfæriske data fra tusenvis av bakkestasjoner. En talsperson for Google fortalte Nature's News Team at dataene bak studien vil bli publisert sammen med artikkelen, men det er foreløpig ingen planer om å gi ferske data i sanntid.

Forskere jobber med å bruke andre smarttelefonsensorer på forskjellige måter. Googles advarselssystem fra Android Earthquake i 2020 viste hvordan akselerometre i folks smarttelefoner kunne oppdage jordskjelv og advare andre som fremdeles kunne bli berørt. Apple -brukere kan få tilgang til en app som bruker lignende teknologi.

Til nå har forskere sett på telefoner som sluttbrukere av navigasjonstjenester, sier Wang. Denne reversering for å bruke telefondata som inndata er "Uncharted Territory," sier han. "Denne studien markerer et spennende skifte."

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

   Google Scholar

Last ned referanser