Google bruger millioner af smartphones til at kortlægge jordens ionosfære og forbedre GPS

Google bruger millioner af smartphones til at kortlægge jordens ionosfære og forbedre GPS

For første gang har forskere brugt realtidsdata fra omkring 40 millioner mobiltelefoner til at kortlægge forholdene i ionosfæren - et område i den øvre atmosfære, hvor nogle luftmolekyler er ioniseret. Sådanne crowdsourcede signaler kan forbedre satellitnavigation, især i områder af verden, hvor data ellers er knappe, såsom Afrika, Sydamerika og Sydasien.

Google-teamets forundersøgelse blev offentliggjort den 13. november i tidsskriftet Nature 1.

"Det er et fantastisk datasæt," siger Anthea Coster, en atmosfærisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det fuldender kortet markant i områder, hvor vi har et presserende behov for mere information."

Mobiltelefondata kan reducere GPS-fejl med 10-20 % i nogle områder og endnu mere i undertjente områder, vurderer Ningbo Wang, en atmosfærisk fysiker ved Aerospace Information Research Institute ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing. Selv med justeringer forbliver ionosfærisk forstyrrelse en udfordring, især under solstorme, der udløser plettede forhold i ionosfæren. "De præsenterede resultater er virkelig imponerende."

Dual bands

Når luften er delvist ioniseret, bremses de frit bevægende elektroner en smule og påvirker de radiosignaler, der kommer til Jorden fra GPS og andre navigationssatellitter. Dette kan påvirke den tidsmæssige synkronisering på nanosekundniveau, der bruges af satellitnavigationsenheder til at bestemme deres placeringer. Dette har potentielt alvorlige konsekvenser for flylandinger og autonome køretøjer.

Realtidskort over tætheden af ​​disse elektroner bruges ofte til at korrigere for fluktuationer i ionosfæren. Ingeniører skaber kortene ved hjælp af data fra jordbaserede modtagestationer, der kan registrere ankomsttiderne for to forskellige frekvenser af radiobølger modtaget fra den samme satellit. Elektroner i ionosfæren bremser lavfrekvente bølger mere end højfrekvente bølger med omkring et nanosekund. Denne forskel giver information om tætheden af ​​elektroner, hvorigennem bølgen passerede på vej til en modtager.

Uden disse korrektioner ville GPS være unøjagtig med omkring 5 meter og med snesevis af meter under solstorme, når ladede partikler fra solen øger elektrontætheden. Men mange regioner i verden mangler de jordbaserede modtagestationer til at skabe disse kort.

baggrundsstøj

Selvom ikke alle navigationsenheder kan arbejde med flere frekvenser, gør moderne telefoner det ofte. Ifølge Brian Williams, en datalog hos Google i Mountain View, Californien, og medforfatter af undersøgelsen, blev telefonsensorer ikke tidligere anset for praktiske til at kortlægge ionosfæren. Dette skyldes, at data fra mobiltelefoner er meget mere støjende end fra specialdesignede videnskabelige modtageenheder, især fordi de kun modtager signaler med mellemrum, og radiobølgerne reflekteres fra bygninger i nærheden i byområder.

Google-teamet fik succes til dels takket være den store mængde data, de modtog. "Når store mængder kombineres, udligner lydene, og du får stadig et klart signal," siger Williams. "Det er som om, der er en videnskabelig overvågningsstation i hver by, hvor der er telefoner."

Enhver, der ejer en Android-telefon og tillader Google at indsamle sensordata for at forbedre placeringsnøjagtigheden, kan bidrage til undersøgelsen. Dataene blev dog samlet, så individuelle enheder ikke kan identificeres, forklarer virksomheden.

Williams forklarer, at der allerede arbejdes på at bruge denne teknik til at forbedre placeringsnøjagtigheden for Android-brugere. Men dataene skulle også være nyttige til videnskabelige undersøgelser af Jordens øvre atmosfære. Kortet har allerede afsløret bobler i ioniseret gas, kendt som plasma, over Sydamerika, som ikke tidligere er blevet observeret i detaljer.

For virkelig at gavne videnskaben er Google nødt til at offentliggøre dataene, siger Coster, der arbejder på Madrigal-databasen, en geospatial dataressource, der samler ionosfæriske data fra tusindvis af jordstationer. En talsmand for Google fortalte Natures nyhedshold, at dataene bag undersøgelsen vil blive offentliggjort sammen med artiklen, men der er i øjeblikket ingen planer om at levere friske data i realtid.

Forskere arbejder på at bruge andre smartphone-sensorer på forskellige måder. Googles Android-jordskælvsvarslingssystem i 2020 viste, hvordan accelerometre i folks smartphones kunne registrere jordskælv og advare andre, der stadig kunne være berørt. Apple-brugere kan få adgang til en app, der bruger lignende teknologi.

Indtil nu har videnskabsmænd betragtet telefoner som slutbrugere af navigationstjenester, siger Wang. Denne vending til at bruge telefondata som inputdata er "ukortlagt territorium," siger han. "Denne undersøgelse markerer et spændende skift."

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

   Google Scholar

Download referencer