Google usa milhões de smartphones para mapear a ionosfera da Terra e melhorar o GPS

Google usa milhões de smartphones para mapear a ionosfera da Terra e melhorar o GPS

Pela primeira vez, os investigadores usaram dados em tempo real de cerca de 40 milhões de telemóveis para mapear as condições na ionosfera – uma região da alta atmosfera onde algumas moléculas de ar são ionizadas. Esses sinais de crowdsourcing poderiam melhorar a navegação por satélite, especialmente em regiões do mundo onde os dados são escassos, como África, América do Sul e Sul da Ásia.

O estudo de viabilidade da equipe do Google foi publicado em 13 de novembro na revista Nature 1.

“É um conjunto de dados incrível”, diz Anthea Coster, física atmosférica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge. “Isso completa significativamente o mapa em áreas onde precisamos urgentemente de mais informações.”

Os dados dos telemóveis podem reduzir os erros de GPS em 10-20% em algumas áreas e ainda mais em regiões mal servidas, estima Ningbo Wang, físico atmosférico do Instituto de Investigação de Informação Aeroespacial da Academia Chinesa de Ciências, em Pequim. Mesmo com ajustes, a perturbação ionosférica continua a ser um desafio, especialmente durante tempestades solares que provocam condições irregulares na ionosfera. “Os resultados apresentados são realmente impressionantes.”

Bandas duplas

Quando o ar está parcialmente ionizado, os elétrons que se movem livremente diminuem ligeiramente a velocidade e afetam os sinais de rádio que chegam à Terra vindos do GPS e de outros satélites de navegação. Isso pode afetar a sincronização temporal em nível de nanossegundos usada pelos dispositivos de navegação por satélite para determinar suas localizações. Isto tem implicações potencialmente graves para a aterragem de aeronaves e veículos autónomos.

Mapas em tempo real da densidade desses elétrons são frequentemente usados ​​para corrigir flutuações na ionosfera. Os engenheiros criam os mapas usando dados de estações receptoras terrestres que podem detectar os tempos de chegada de duas frequências diferentes de ondas de rádio recebidas do mesmo satélite. Os elétrons na ionosfera desaceleram as ondas de baixa frequência mais do que as de alta frequência, em cerca de um nanossegundo. Essa diferença fornece informações sobre a densidade dos elétrons através dos quais a onda passou em seu caminho até um receptor.

Sem essas correções, o GPS seria impreciso em cerca de 5 metros e em dezenas de metros durante tempestades solares, quando as partículas carregadas do Sol aumentam a densidade dos elétrons. Mas muitas regiões do mundo não dispõem de estações receptoras terrestres para criar estes mapas.

ruído de fundo

Embora nem todos os dispositivos de navegação possam funcionar com múltiplas frequências, os telefones modernos costumam fazê-lo. De acordo com Brian Williams, cientista da computação do Google em Mountain View, Califórnia, e coautor do estudo, os sensores de telefone não eram anteriormente considerados práticos para mapear a ionosfera. Isto acontece porque os dados dos telemóveis são muito mais ruidosos do que os dos dispositivos de recepção científica especialmente concebidos, especialmente porque apenas recebem sinais de forma intermitente e as ondas de rádio são reflectidas em edifícios próximos em áreas urbanas.

A equipe do Google teve sucesso em parte graças à grande quantidade de dados que recebeu. “Quando grandes quantidades são combinadas, os ruídos são anulados e você ainda obtém um sinal claro”, diz Williams. “É como se houvesse uma estação de monitoramento científico em cada cidade onde há telefones.”

Qualquer pessoa que possua um telefone Android e permita que o Google colete dados de sensores para melhorar a precisão da localização poderia contribuir para o estudo. No entanto, os dados foram agregados para que os dispositivos individuais não possam ser identificados, explica a empresa.

Williams explica que já está em andamento um trabalho para usar essa técnica para melhorar a precisão da localização para usuários do Android. Mas os dados também deverão ser úteis para estudos científicos da alta atmosfera da Terra. O mapa já revelou bolhas em gás ionizado, conhecido como plasma, sobre a América do Sul que não haviam sido observadas em detalhes anteriormente.

Para beneficiar verdadeiramente a ciência, a Google precisa de publicar os dados, diz Coster, que trabalha na base de dados Madrigal, um recurso colaborativo de dados geoespaciais que reúne dados ionosféricos de milhares de estações terrestres. Um porta-voz do Google disse à equipe de notícias da Nature que os dados por trás do estudo serão publicados junto com o artigo, mas atualmente não há planos de fornecer dados novos em tempo real.

Os pesquisadores estão trabalhando no uso de outros sensores de smartphones de maneiras diferentes. O sistema Android de alerta de terremotos do Google em 2020 mostrou como os acelerômetros nos smartphones das pessoas poderiam detectar terremotos e alertar outras pessoas que ainda poderiam ser afetadas. Os usuários da Apple podem acessar um aplicativo que usa tecnologia semelhante.

Até agora, os cientistas viam os telefones como utilizadores finais de serviços de navegação, diz Wang. Essa reversão no uso de dados telefônicos como dados de entrada é “território desconhecido”, diz ele. “Este estudo marca uma mudança emocionante.”

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

   Google Acadêmico

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