Google utilise des millions de smartphones pour cartographier l'ionosphère terrestre et améliorer le GPS

Google utilise des millions de smartphones pour cartographier l'ionosphère terrestre et améliorer le GPS

Pour la première fois, des chercheurs ont utilisé des données en temps réel provenant d'environ 40 millions de téléphones portables pour cartographier les conditions dans l'ionosphère, une région de la haute atmosphère où certaines molécules d'air sont ionisées. De tels signaux issus du crowdsourcing pourraient améliorer la navigation par satellite, en particulier dans les régions du monde où les données sont autrement rares, comme l'Afrique, l'Amérique du Sud et l'Asie du Sud.

L'étude de faisabilité de l'équipe de Google a été publiée le 13 novembre dans la revue Nature. 1.

«C'est un ensemble de données incroyable», déclare Anthea Coster, physicienne de l'atmosphère au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge. "Cela complète considérablement la carte dans les zones où nous avons un besoin urgent de plus d'informations."

Les données des téléphones portables pourraient réduire les erreurs GPS de 10 à 20 % dans certaines zones et encore plus dans les régions mal desservies, estime Ningbo Wang, physicien de l'atmosphère à l'Institut de recherche sur l'information aérospatiale de l'Académie chinoise des sciences à Pékin. Même avec des ajustements, la perturbation de l’ionosphère reste un défi, en particulier lors des tempêtes solaires qui déclenchent des conditions inégales dans l’ionosphère. « Les résultats présentés sont vraiment impressionnants. »

Doubles bandes

Lorsque l'air est partiellement ionisé, les électrons en mouvement libre ralentissent légèrement et affectent les signaux radio qui parviennent à la Terre en provenance du GPS et d'autres satellites de navigation. Cela peut affecter la synchronisation temporelle au niveau de la nanoseconde utilisée par les appareils de navigation par satellite pour déterminer leur emplacement. Cela a des implications potentiellement graves pour les atterrissages d’avions et les véhicules autonomes.

Des cartes en temps réel de la densité de ces électrons sont souvent utilisées pour corriger les fluctuations de l'ionosphère. Les ingénieurs créent les cartes à l’aide de données provenant de stations de réception au sol capables de détecter les heures d’arrivée de deux fréquences différentes d’ondes radio reçues du même satellite. Les électrons de l’ionosphère ralentissent davantage les ondes basse fréquence que les ondes haute fréquence, d’environ une nanoseconde. Cette différence fournit des informations sur la densité d’électrons traversés par l’onde avant d’atteindre un récepteur.

Sans ces corrections, le GPS serait inexact d’environ 5 mètres et de plusieurs dizaines de mètres lors de tempêtes solaires, lorsque les particules chargées du soleil augmentent la densité électronique. Mais de nombreuses régions du monde ne disposent pas de stations de réception au sol pour créer ces cartes.

bruit de fond

Bien que tous les appareils de navigation ne puissent pas fonctionner avec plusieurs fréquences, les téléphones modernes le font souvent. Selon Brian Williams, informaticien chez Google à Mountain View, en Californie, et co-auteur de l'étude, les capteurs téléphoniques n'étaient auparavant pas considérés comme pratiques pour cartographier l'ionosphère. En effet, les données des téléphones portables sont beaucoup plus bruyantes que celles des appareils de réception scientifiques spécialement conçus, notamment parce qu'ils ne reçoivent les signaux que par intermittence et que les ondes radio sont réfléchies par les bâtiments voisins dans les zones urbaines.

L’équipe Google a réussi en partie grâce à la grande quantité de données reçues. "Lorsque de grandes quantités sont combinées, les bruits s'annulent et vous obtenez toujours un signal clair", explique Williams. "C'est comme s'il y avait une station de surveillance scientifique dans chaque ville où il y a des téléphones."

Toute personne possédant un téléphone Android et permettant à Google de collecter des données de capteurs pour améliorer la précision de la localisation pourrait contribuer à l'étude. Cependant, les données ont été regroupées afin que les appareils individuels ne puissent pas être identifiés, explique l'entreprise.

Williams explique que des travaux sont déjà en cours pour utiliser cette technique afin d'améliorer la précision de la localisation des utilisateurs d'Android. Mais ces données devraient également être utiles aux études scientifiques sur la haute atmosphère terrestre. La carte a déjà révélé des bulles de gaz ionisé, appelé plasma, au-dessus de l’Amérique du Sud qui n’avaient pas encore été observées en détail.

Pour réellement profiter à la science, Google doit publier les données, explique Coster, qui travaille sur la base de données Madrigal, une ressource de données géospatiales collaborative qui rassemble des données ionosphériques provenant de milliers de stations au sol. Un porte-parole de Google a déclaré à l'équipe de presse de Nature que les données à l'origine de l'étude seraient publiées parallèlement à l'article, mais qu'il n'est actuellement pas prévu de fournir de nouvelles données en temps réel.

Les chercheurs travaillent sur l’utilisation d’autres capteurs de smartphones de différentes manières. Le système d'alerte aux tremblements de terre Android de Google a montré en 2020 comment les accéléromètres des smartphones des gens pouvaient détecter les tremblements de terre et avertir les autres personnes qui pourraient encore être affectées. Les utilisateurs Apple peuvent accéder à une application utilisant une technologie similaire.

Jusqu'à présent, les scientifiques considéraient les téléphones comme des utilisateurs finaux de services de navigation, explique Wang. Ce renversement consistant à utiliser les données téléphoniques comme données d’entrée est un « territoire inexploré », dit-il. "Cette étude marque un changement passionnant."

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

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