Η Google χρησιμοποιεί εκατομμύρια smartphone για να χαρτογραφήσει την ιονόσφαιρα της Γης και να βελτιώσει το GPS

Η Google χρησιμοποιεί εκατομμύρια smartphone για να χαρτογραφήσει την ιονόσφαιρα της Γης και να βελτιώσει το GPS

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δεδομένα σε πραγματικό χρόνο από περίπου 40 εκατομμύρια κινητά τηλέφωνα για να χαρτογραφήσουν τις συνθήκες στην ιονόσφαιρα - μια περιοχή της ανώτερης ατμόσφαιρας όπου ιονίζονται ορισμένα μόρια αέρα. Τέτοια σήματα crowdsourced θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη δορυφορική πλοήγηση, ιδιαίτερα σε περιοχές του κόσμου όπου τα δεδομένα είναι κατά τα άλλα σπάνια, όπως η Αφρική, η Νότια Αμερική και η Νότια Ασία.

Η μελέτη σκοπιμότητας της ομάδας της Google δημοσιεύθηκε στις 13 Νοεμβρίου στο περιοδικό Nature 1.

«Είναι ένα καταπληκτικό σύνολο δεδομένων», λέει η Anthea Coster, ατμοσφαιρικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ. "Ολοκληρώνει σημαντικά τον χάρτη σε περιοχές όπου χρειαζόμαστε επειγόντως περισσότερες πληροφορίες."

Τα δεδομένα κινητών τηλεφώνων θα μπορούσαν να μειώσουν τα σφάλματα GPS κατά 10-20% σε ορισμένες περιοχές και ακόμη περισσότερο σε υποεξυπηρετούμενες περιοχές, εκτιμά ο Ningbo Wang, ατμοσφαιρικός φυσικός στο Ινστιτούτο Αεροδιαστημικής Έρευνας Πληροφοριών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών στο Πεκίνο. Ακόμη και με προσαρμογές, η διαταραχή της ιονόσφαιρας παραμένει πρόκληση, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια ηλιακών καταιγίδων που προκαλούν αποσπασματικές συνθήκες στην ιονόσφαιρα. «Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι πραγματικά εντυπωσιακά».

Διπλή ζώνη

Όταν ο αέρας είναι μερικώς ιονισμένος, τα ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια επιβραδύνουν ελαφρώς και επηρεάζουν τα ραδιοφωνικά σήματα που έρχονται στη Γη από το GPS και άλλους δορυφόρους πλοήγησης. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τον χρονικό συγχρονισμό σε επίπεδο νανοδευτερόλεπτου που χρησιμοποιείται από συσκευές δορυφορικής πλοήγησης για τον προσδιορισμό των τοποθεσιών τους. Αυτό έχει δυνητικά σοβαρές επιπτώσεις για τις προσγειώσεις αεροσκαφών και τα αυτόνομα οχήματα.

Οι χάρτες σε πραγματικό χρόνο της πυκνότητας αυτών των ηλεκτρονίων χρησιμοποιούνται συχνά για τη διόρθωση των διακυμάνσεων στην ιονόσφαιρα. Οι μηχανικοί δημιουργούν τους χάρτες χρησιμοποιώντας δεδομένα από επίγειους σταθμούς λήψης που μπορούν να ανιχνεύσουν τους χρόνους άφιξης δύο διαφορετικών συχνοτήτων ραδιοκυμάτων που λαμβάνονται από τον ίδιο δορυφόρο. Τα ηλεκτρόνια στην ιονόσφαιρα επιβραδύνουν τα κύματα χαμηλής συχνότητας περισσότερο από τα υψηλής συχνότητας, κατά περίπου ένα νανοδευτερόλεπτο. Αυτή η διαφορά παρέχει πληροφορίες σχετικά με την πυκνότητα των ηλεκτρονίων μέσω των οποίων πέρασε το κύμα στο δρόμο του προς έναν δέκτη.

Χωρίς αυτές τις διορθώσεις, το GPS θα ήταν ανακριβές κατά περίπου 5 μέτρα και κατά δεκάδες μέτρα κατά τη διάρκεια ηλιακών καταιγίδων, όταν τα φορτισμένα σωματίδια από τον ήλιο αυξάνουν την πυκνότητα ηλεκτρονίων. Αλλά πολλές περιοχές του κόσμου δεν διαθέτουν τους επίγειους σταθμούς λήψης για τη δημιουργία αυτών των χαρτών.

θόρυβος φόντου

Αν και δεν μπορούν να λειτουργήσουν όλες οι συσκευές πλοήγησης με πολλές συχνότητες, τα σύγχρονα τηλέφωνα συχνά λειτουργούν. Σύμφωνα με τον Brian Williams, επιστήμονα υπολογιστών στην Google στο Mountain View της Καλιφόρνια και συν-συγγραφέα της μελέτης, οι αισθητήρες τηλεφώνου δεν θεωρούνταν προηγουμένως πρακτικοί για τη χαρτογράφηση της ιονόσφαιρας. Αυτό συμβαίνει επειδή τα δεδομένα από τα κινητά τηλέφωνα είναι πολύ πιο θορυβώδη από αυτά των ειδικά σχεδιασμένων επιστημονικών συσκευών λήψης, ιδιαίτερα επειδή λαμβάνουν μόνο σήματα κατά διαστήματα και τα ραδιοκύματα αντανακλώνται από τα κοντινά κτίρια σε αστικές περιοχές.

Η ομάδα της Google πέτυχε εν μέρει χάρη στον μεγάλο όγκο δεδομένων που έλαβε. "Όταν συνδυάζονται μεγάλες ποσότητες, οι θόρυβοι εξαφανίζονται και εξακολουθείτε να έχετε ένα σαφές σήμα", λέει ο Williams. «Είναι σαν να υπάρχει ένας επιστημονικός σταθμός παρακολούθησης σε κάθε πόλη όπου υπάρχουν τηλέφωνα».

Οποιοσδήποτε διαθέτει τηλέφωνο Android και επιτρέπει στην Google να συλλέγει δεδομένα αισθητήρων για τη βελτίωση της ακρίβειας τοποθεσίας θα μπορούσε να συμβάλει στη μελέτη. Ωστόσο, τα δεδομένα συγκεντρώθηκαν, έτσι ώστε οι μεμονωμένες συσκευές να μην μπορούν να αναγνωριστούν, εξηγεί η εταιρεία.

Η Williams εξηγεί ότι ήδη βρίσκεται σε εξέλιξη εργασία για τη χρήση αυτής της τεχνικής για τη βελτίωση της ακρίβειας τοποθεσίας για τους χρήστες Android. Αλλά τα δεδομένα θα πρέπει επίσης να είναι χρήσιμα για επιστημονικές μελέτες της ανώτερης ατμόσφαιρας της Γης. Ο χάρτης έχει ήδη αποκαλύψει φυσαλίδες σε ιονισμένο αέριο, γνωστό ως πλάσμα, πάνω από τη Νότια Αμερική που δεν είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν λεπτομερώς.

Για να ωφελήσει πραγματικά την επιστήμη, η Google πρέπει να δημοσιεύσει τα δεδομένα, λέει ο Coster, ο οποίος εργάζεται στη βάση δεδομένων Madrigal, έναν συνεργατικό πόρο γεωχωρικών δεδομένων που συγκεντρώνει ιονοσφαιρικά δεδομένα από χιλιάδες επίγειους σταθμούς. Ένας εκπρόσωπος της Google είπε στην ειδησεογραφική ομάδα του Nature ότι τα δεδομένα πίσω από τη μελέτη θα δημοσιευτούν παράλληλα με το άρθρο, αλλά προς το παρόν δεν υπάρχουν σχέδια για παροχή νέων δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.

Οι ερευνητές εργάζονται για τη χρήση άλλων αισθητήρων smartphone με διαφορετικούς τρόπους. Το σύστημα προειδοποίησης σεισμών Android της Google το 2020 έδειξε πώς τα επιταχυνσιόμετρα στα smartphone των ανθρώπων θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν σεισμούς και να προειδοποιήσουν άλλους που θα μπορούσαν να επηρεαστούν ακόμα. Οι χρήστες της Apple μπορούν να έχουν πρόσβαση σε μια εφαρμογή που χρησιμοποιεί παρόμοια τεχνολογία.

Μέχρι τώρα, οι επιστήμονες θεωρούσαν τα τηλέφωνα ως τελικούς χρήστες υπηρεσιών πλοήγησης, λέει ο Wang. Αυτή η αντιστροφή της χρήσης δεδομένων τηλεφώνου ως δεδομένων εισόδου είναι «αχαρτογράφητη περιοχή», λέει. "Αυτή η μελέτη σηματοδοτεί μια συναρπαστική αλλαγή."

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

   Google Scholar

Λήψη παραπομπών