Google używa milionów smartfonów do mapowania jonosfery Ziemi i ulepszania GPS

Google używa milionów smartfonów do mapowania jonosfery Ziemi i ulepszania GPS

Po raz pierwszy naukowcy wykorzystali dane w czasie rzeczywistym z około 40 milionów telefonów komórkowych do mapowania warunków w jonosferze – regionie górnej atmosfery, w którym niektóre cząsteczki powietrza są zjonizowane. Takie sygnały pochodzące z crowdsourcingu mogłyby usprawnić nawigację satelitarną, szczególnie w regionach świata, w których w przeciwnym razie danych byłoby niewiele, takich jak Afryka, Ameryka Południowa i Azja Południowa.

Studium wykonalności opracowane przez zespół Google zostało opublikowane 13 listopada w czasopiśmie Nature 1.

„To niesamowity zbiór danych” – mówi Anthea Coster, fizyk atmosfery w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. „W znaczący sposób uzupełnia mapę w obszarach, w których pilnie potrzebujemy więcej informacji”.

Dane z telefonów komórkowych mogłyby zmniejszyć błędy GPS o 10–20% na niektórych obszarach, a nawet więcej w regionach o niedostatecznym zasięgu sieci, szacuje Ningbo Wang, fizyk atmosfery w Instytucie Badań Informacji Kosmicznej Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie. Nawet po wprowadzeniu korekt zakłócenia jonosfery pozostają wyzwaniem, szczególnie podczas burz słonecznych, które powodują niejednolite warunki w jonosferze. „Zaprezentowane wyniki są naprawdę imponujące.”

Podwójne pasma

Kiedy powietrze jest częściowo zjonizowane, swobodnie poruszające się elektrony nieco zwalniają i wpływają na sygnały radiowe docierające do Ziemi z GPS i innych satelitów nawigacyjnych. Może to mieć wpływ na synchronizację czasową na poziomie nanosekund, wykorzystywaną przez urządzenia nawigacji satelitarnej do określania ich lokalizacji. Ma to potencjalnie poważne konsekwencje dla lądowań samolotów i pojazdów autonomicznych.

Mapy gęstości tych elektronów w czasie rzeczywistym są często wykorzystywane do korygowania wahań w jonosferze. Inżynierowie tworzą mapy, korzystając z danych z naziemnych stacji odbiorczych, które potrafią wykryć czasy przybycia dwóch różnych częstotliwości fal radiowych odbieranych z tego samego satelity. Elektrony w jonosferze spowalniają fale o niskiej częstotliwości bardziej niż fale o wysokiej częstotliwości, o około nanosekundę. Różnica ta dostarcza informacji o gęstości elektronów, przez które fala przeszła w drodze do odbiornika.

Bez tych poprawek GPS byłby niedokładny o około 5 metrów i dziesiątki metrów podczas burz słonecznych, kiedy naładowane cząstki pochodzące ze Słońca zwiększają gęstość elektronów. Jednak w wielu regionach świata brakuje naziemnych stacji odbiorczych umożliwiających tworzenie takich map.

hałas w tle

Chociaż nie wszystkie urządzenia nawigacyjne mogą pracować na wielu częstotliwościach, nowoczesne telefony często to robią. Według Briana Williamsa, informatyka w Google w Mountain View w Kalifornii i współautora badania, czujniki telefoniczne nie były wcześniej uważane za praktyczne w mapowaniu jonosfery. Dzieje się tak dlatego, że dane z telefonów komórkowych są znacznie głośniejsze niż dane pochodzące ze specjalnie zaprojektowanych naukowych urządzeń odbiorczych, zwłaszcza że odbierają one sygnały tylko sporadycznie, a fale radiowe odbijają się od pobliskich budynków na obszarach miejskich.

Zespół Google odniósł sukces po części dzięki dużej ilości otrzymanych danych. „W przypadku łączenia dużych ilości szumów wycisza się, a sygnał nadal jest wyraźny” – mówi Williams. „To tak, jakby w każdym mieście, w którym są telefony, znajdowała się naukowa stacja monitorująca”.

W badaniu może wziąć udział każdy, kto posiada telefon z Androidem i pozwala Google zbierać dane z czujników w celu poprawy dokładności lokalizacji. Jednak dane zostały zagregowane, więc nie można zidentyfikować poszczególnych urządzeń – wyjaśnia firma.

Williams wyjaśnia, że ​​trwają już prace nad wykorzystaniem tej techniki do poprawy dokładności lokalizacji dla użytkowników Androida. Dane powinny jednak przydać się także w badaniach naukowych górnych warstw atmosfery ziemskiej. Mapa ujawniła już bąbelki zjonizowanego gazu, zwane plazmą, nad Ameryką Południową, których wcześniej nie obserwowano szczegółowo.

Aby naprawdę przynieść korzyści nauce, Google musi opublikować dane, mówi Coster, który pracuje nad bazą danych Madrigal – wspólnym zasobem danych geoprzestrzennych gromadzącym dane jonosferyczne z tysięcy stacji naziemnych. Rzecznik Google powiedział zespołowi informacyjnemu Nature, że dane leżące u podstaw badania zostaną opublikowane wraz z artykułem, ale obecnie nie ma planów udostępniania świeżych danych w czasie rzeczywistym.

Naukowcy pracują nad wykorzystaniem innych czujników smartfonów na różne sposoby. System ostrzegania o trzęsieniach ziemi w Androidzie w 2020 r. pokazał, jak akcelerometry w smartfonach mogą wykrywać trzęsienia ziemi i ostrzegać inne osoby, które mogą je jeszcze doświadczyć. Użytkownicy Apple mogą uzyskać dostęp do aplikacji korzystającej z podobnej technologii.

Do tej pory naukowcy postrzegali telefony jako użytkowników końcowych usług nawigacyjnych, mówi Wang. To odwrócenie sposobu wykorzystywania danych telefonicznych jako danych wejściowych to „niezbadane terytorium” – mówi. „To badanie oznacza ekscytującą zmianę”.

1. Smith, J. i in. Natura 635, 365–369 (2024).

   Scholar Google

Pobierz referencje