Google använder miljoner smartphones för att kartlägga jordens jonosfär och förbättra GPS

Google använder miljoner smartphones för att kartlägga jordens jonosfär och förbättra GPS

För första gången har forskare använt realtidsdata från cirka 40 miljoner mobiltelefoner för att kartlägga förhållanden i jonosfären-en region i den övre atmosfären där vissa luftmolekyler är joniserade. Sådana crowdsourced -signaler kan förbättra satellitnavigering, särskilt i regioner i världen där data annars är knappa, såsom Afrika, Sydamerika och Sydasien.

Google -teamets genomförbarhetsstudie publicerades 13 november i tidskriften Nature 1.

"Det är en fantastisk datauppsättning", säger Anthea Coster, en atmosfärisk fysiker vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det kompletterar kartan avsevärt i områden där vi brådskande behöver mer information."

Mobiltelefondata kan minska GPS-fel med 10-20% i vissa områden och ännu mer i undervärda regioner, uppskattar Ningbo Wang, en atmosfärisk fysiker vid Aerospace Information Research Institute vid Chinese Academy of Sciences in Peking. Även med justeringar förblir jonosfärisk störning en utmaning, särskilt under solstormar som utlöser fläckiga förhållanden i jonosfären. "Resultaten är riktigt imponerande."

Dualband

När luften är delvis joniserad, bromsar de fritt rörliga elektronerna något och påverkar radiosignalerna som kommer till jorden från GPS och andra navigationssatelliter. Detta kan påverka temporär synkronisering av nanosekundnivå som används av satellitnavigeringsenheter för att bestämma deras platser. Detta har potentiellt allvarliga konsekvenser för flygplan och autonoma fordon.

Kartor i realtid över tätheten för dessa elektroner används ofta för att korrigera för fluktuationer i jonosfären. Ingenjörer skapar kartorna med hjälp av data från markbaserade mottagningsstationer som kan upptäcka ankomsttiderna för två olika frekvenser av radiovågor som erhållits från samma satellit. Elektroner i jonosfären bromsar lågfrekventa vågor mer än högfrekventa, med ungefär ett nanosekund. Denna skillnad ger information om tätheten av elektroner genom vilken vågen överfördes på väg till en mottagare.

Utan dessa korrigeringar skulle GPS vara felaktiga med cirka 5 meter och med dussintals meter under solstormar, när laddade partiklar från solen ökar elektrondensiteten. Men många regioner i världen saknar de markbaserade mottagningsstationerna för att skapa dessa kartor.

bakgrundsbrus

Även om inte alla navigationsapparater kan arbeta med flera frekvenser, gör moderna telefoner ofta. Enligt Brian Williams, en datavetare på Google i Mountain View, Kalifornien, och medförfattare till studien, ansågs inte telefonsensorer vara praktiska för att kartlägga jonosfären. Detta beror på att uppgifterna från mobiltelefoner är mycket bullrare än från specialdesignade vetenskapliga mottagningsenheter, särskilt för att de bara får signaler intermittent och radiovågorna återspeglas från närliggande byggnader i stadsområden.

Google -teamet lyckades delvis tack vare den stora mängden data de fick. "När stora mängder kombineras avbryter ljudet och du får fortfarande en tydlig signal," säger Williams. "Det är som om det finns en vetenskaplig övervakningsstation i varje stad där det finns telefoner."

Den som äger en Android -telefon och tillåter Google att samla in sensordata för att förbättra platsnoggrannheten kan bidra till studien. Uppgifterna aggregerades emellertid så att enskilda enheter inte kan identifieras, förklarar företaget.

Williams förklarar att arbetet redan pågår för att använda denna teknik för att förbättra platsnoggrannheten för Android -användare. Men uppgifterna bör också vara användbara för vetenskapliga studier av jordens övre atmosfär. Kartan har redan avslöjat bubblor i joniserad gas, känd som plasma, över Sydamerika som inte tidigare har observerats i detalj.

För att verkligen gynna vetenskapen måste Google publicera uppgifterna, säger Coster, som arbetar med Madrigal -databasen, en samarbetsgivande geospatial dataresurs som samlar jonosfäriska data från tusentals markstationer. En talesman för Google berättade för Nature's News Team att uppgifterna bakom studien kommer att publiceras tillsammans med artikeln, men det finns för närvarande inga planer på att tillhandahålla färsk information i realtid.

Forskare arbetar med att använda andra smarttelefonsensorer på olika sätt. Googles varningssystem för Android jordbävning 2020 visade hur accelerometrar i människors smartphones kunde upptäcka jordbävningar och varna andra som fortfarande kunde påverkas. Apple -användare kan komma åt en app som använder liknande teknik.

Fram till nu har forskare betraktat telefoner som slutanvändare av navigationstjänster, säger Wang. Denna vändning för att använda telefondata som inmatningsdata är "okartat territorium", säger han. "Den här studien markerar en spännande förändring."

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

   Google Scholar

Ladda ner referenser