谷歌使用数百万部智能手机绘制地球电离层地图并改进 GPS

谷歌使用数百万部智能手机绘制地球电离层地图并改进 GPS

研究人员首次使用来自约 4000 万部手机的实时数据来绘制电离层的状况图，电离层是高层大气中一些空气分子被电离的区域。这种众包信号可以改善卫星导航，特别是在世界上数据稀缺的地区，例如非洲、南美洲和南亚。

Google 团队的可行性研究于 11 月 13 日发表在《自然》杂志上 1 。

“这是一个令人惊叹的数据集，”剑桥麻省理工学院的大气物理学家 Anthea Coster 说道。 “它极大地完善了我们迫切需要更多信息的区域的地图。”

北京中国科学院空天信息研究所的大气物理学家王宁波估计，在某些地区，手机数据可以将 GPS 误差减少 10-20%，在服务欠缺的地区甚至更多。即使进行了调整，电离层破坏仍然是一个挑战，特别是在太阳风暴引发电离层不规则状况时。 “所呈现的结果确实令人印象深刻。”

双频

当空气部分电离时，自由移动的电子速度会稍微减慢，并影响从 GPS 和其他导航卫星传到地球的无线电信号。这可能会影响卫星导航设备用于确定其位置的纳秒级时间同步。这对飞机着陆和自动驾驶汽车具有潜在的严重影响。

这些电子密度的实时地图通常用于校正电离层的波动。工程师使用来自地面接收站的数据创建地图，这些接收站可以检测从同一卫星接收到的两种不同频率的无线电波的到达时间。电离层中的电子使低频波的减慢速度比高频波慢约一纳秒。这种差异提供了有关波在到达接收器时所经过的电子密度的信息。

如果没有这些修正，当来自太阳的带电粒子增加电子密度时，GPS 的准确度将下降约 5 米，在太阳风暴期间则下降数十米。但世界许多地区缺乏地面接收站来创建这些地图。

背景噪音

尽管并非所有导航设备都可以使用多个频率，但现代手机通常可以。该研究的合著者、加利福尼亚州山景城谷歌的计算机科学家布莱恩·威廉姆斯 (Brian Williams) 表示，此前人们认为手机传感器对于绘制电离层地图并不实用。这是因为来自手机的数据比专门设计的科学接收设备的数据噪音大得多，特别是因为它们只能间歇性地接收信号，并且无线电波会被城市地区附近的建筑物反射。

谷歌团队的成功部分归功于他们收到的大量数据。 “当大量信号混合在一起时，噪音就会相互抵消，但你仍然可以获得清晰的信号，”威廉姆斯说。 “这就好像每个有电话的城市都有一个科学监测站。”

任何拥有 Android 手机并允许 Google 收集传感器数据以提高位置准确性的人都可以为这项研究做出贡献。然而，该公司解释说，数据是汇总的，因此无法识别单个设备。

威廉姆斯解释说，使用这项技术来提高 Android 用户的位置准确性的工作已经在进行中。但这些数据对于地球高层大气的科学研究也应该有用。该地图已经揭示了南美洲上空电离气体（称为等离子体）中的气泡，这些气泡以前从未被详细观察过。

科斯特说，为了真正造福科学，谷歌需要发布这些数据。Madrigal 数据库是一个协作地理空间数据资源，汇集了来自数千个地面站的电离层数据。谷歌发言人告诉《自然》新闻团队，该研究背后的数据将与文章一起发布，但目前没有计划实时提供新数据。

研究人员正在研究以不同的方式使用其他智能手机传感器。谷歌 2020 年的 Android 地震预警系统展示了人们智能手机中的加速计如何检测地震并向其他可能受到影响的人发出警告。 Apple 用户可以访问使用类似技术的应用程序。

王说，到目前为止，科学家一直将手机视为导航服务的最终用户。他说，这种使用电话数据作为输入数据的逆转是“未知领域”。 “这项研究标志着一个令人兴奋的转变。”

1. 史密斯，J.等人。自然 635, 365–369 (2024)。

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