Google používá miliony chytrých telefonů k mapování zemské ionosféry a zlepšování GPS

Google používá miliony chytrých telefonů k mapování zemské ionosféry a zlepšování GPS

Vědci poprvé použili data v reálném čase z přibližně 40 milionů mobilních telefonů k mapování podmínek v ionosféře - oblasti horní atmosféry, kde jsou některé molekuly vzduchu ionizovány. Takové crowdsourcingové signály by mohly zlepšit satelitní navigaci, zejména v oblastech světa, kde jsou data jinak vzácná, jako je Afrika, Jižní Amerika a jižní Asie.

Studie proveditelnosti týmu Google byla zveřejněna 13. listopadu v časopise Nature 1.

"Je to úžasný soubor dat," říká Anthea Coster, atmosferická fyzika z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge. "Výrazně doplňuje mapu v oblastech, kde naléhavě potřebujeme více informací."

Údaje z mobilních telefonů by mohly v některých oblastech snížit chyby GPS o 10–20 % a v regionech s nedostatečnou obsluhou ještě více, odhaduje Ningbo Wang, atmosférický fyzik z Ústavu leteckého výzkumu Čínské akademie věd v Pekingu. I po úpravách zůstává narušení ionosféry výzvou, zejména během slunečních bouří, které vyvolávají nerovnoměrné podmínky v ionosféře. "Předložené výsledky jsou opravdu působivé."

Duální pásma

Když je vzduch částečně ionizován, volně se pohybující elektrony mírně zpomalují a ovlivňují rádiové signály, které přicházejí na Zemi z GPS a dalších navigačních satelitů. To může ovlivnit časovou synchronizaci na nanosekundové úrovni, kterou používají satelitní navigační zařízení k určení jejich polohy. To má potenciálně vážné důsledky pro přistávání letadel a autonomní vozidla.

Mapy hustoty těchto elektronů v reálném čase se často používají ke korekci fluktuací v ionosféře. Inženýři vytvářejí mapy pomocí dat z pozemních přijímacích stanic, které dokážou detekovat časy příchodu dvou různých frekvencí rádiových vln přijímaných ze stejného satelitu. Elektrony v ionosféře zpomalují nízkofrekvenční vlny více než vysokofrekvenční, zhruba o nanosekundu. Tento rozdíl poskytuje informaci o hustotě elektronů, kterými vlna prošla na své cestě k přijímači.

Bez těchto korekcí by byla GPS nepřesná asi o 5 metrů a o desítky metrů při slunečních bouřích, kdy nabité částice ze slunce zvyšují hustotu elektronů. Ale mnoho regionů světa postrádá pozemní přijímací stanice k vytvoření těchto map.

hluk na pozadí

Ačkoli ne všechna navigační zařízení umí pracovat s více frekvencemi, moderní telefony často ano. Podle Briana Williamse, počítačového vědce ze společnosti Google v Mountain View v Kalifornii a spoluautora studie, nebyly senzory telefonů dříve považovány za praktické pro mapování ionosféry. Je to proto, že data z mobilních telefonů jsou mnohem hlučnější než data ze speciálně navržených vědeckých přijímacích zařízení, zejména proto, že přijímají signály pouze přerušovaně a rádiové vlny se odrážejí od blízkých budov v městských oblastech.

Tým Google byl úspěšný částečně díky velkému množství dat, která obdržel. „Když se spojí velké množství, zvuky se vyruší a stále dostanete jasný signál,“ říká Williams. "Je to jako kdyby v každém městě, kde jsou telefony, byla vědecká monitorovací stanice."

Do studie by mohl přispět každý, kdo vlastní telefon s Androidem a umožní Googlu shromažďovat data ze senzorů pro zlepšení přesnosti polohy. Údaje však byly agregovány, takže jednotlivá zařízení nelze identifikovat, vysvětluje společnost.

Williams vysvětluje, že již probíhají práce na použití této techniky ke zlepšení přesnosti polohy pro uživatele Androidu. Data by však měla být také užitečná pro vědecké studie horní atmosféry Země. Mapa již odhalila bubliny v ionizovaném plynu, známém jako plazma, nad Jižní Amerikou, které dosud nebyly podrobně pozorovány.

Aby byl Google skutečně přínosem pro vědu, musí data zveřejnit, říká Coster, který pracuje na databázi Madrigal, kolaborativním geoprostorovém datovém zdroji, který shromažďuje ionosférická data z tisíců pozemních stanic. Mluvčí Google řekl zpravodajskému týmu Nature, že data za studií budou zveřejněna spolu s článkem, ale v současné době se neplánuje poskytovat čerstvá data v reálném čase.

Výzkumníci pracují na využití jiných senzorů smartphonů různými způsoby. Systém varování před zemětřesením od Googlu v roce 2020 ukázal, jak mohou akcelerometry v chytrých telefonech lidí detekovat zemětřesení a varovat ostatní, kteří by stále mohli být zasaženi. Uživatelé Apple mají přístup k aplikaci, která používá podobnou technologii.

Až dosud vědci považovali telefony za koncové uživatele navigačních služeb, říká Wang. Toto obrácení k použití dat z telefonu jako vstupních dat je „neprobádané území,“ říká. "Tato studie znamená vzrušující posun."

1. Smith, J. a kol. Příroda 635, 365–369 (2024).

   Google Scholar

Stáhněte si reference