Google bruker millioner av smarttelefoner for å kartlegge jordens ionosfære og forbedre GPS

Google bruker millioner av smarttelefoner for å kartlegge jordens ionosfære og forbedre GPS

For første gang har forskere brukt sanntidsdata fra rundt 40 millioner mobiltelefoner for å kartlegge forholdene i ionosfæren - et område i den øvre atmosfæren hvor noen luftmolekyler er ionisert. Slike crowdsourcede signaler kan forbedre satellittnavigasjon, spesielt i regioner i verden der data ellers er knappe, som Afrika, Sør-Amerika og Sør-Asia.

Google-teamets mulighetsstudie ble publisert 13. november i tidsskriftet Nature 1.

"Det er et fantastisk datasett," sier Anthea Coster, en atmosfærisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det kompletterer kartet betydelig i områder der vi trenger mer informasjon umiddelbart."

Mobiltelefondata kan redusere GPS-feil med 10-20 % i enkelte områder og enda mer i undertjente regioner, anslår Ningbo Wang, en atmosfærisk fysiker ved Aerospace Information Research Institute ved det kinesiske vitenskapsakademiet i Beijing. Selv med justeringer er ionosfæriske forstyrrelser fortsatt en utfordring, spesielt under solstormer som utløser ujevnheter i ionosfæren. "Resultatene som presenteres er virkelig imponerende."

Doble band

Når luften er delvis ionisert, bremses de fritt bevegelige elektronene litt ned og påvirker radiosignalene som kommer til jorden fra GPS og andre navigasjonssatellitter. Dette kan påvirke den tidsmessige synkroniseringen på nanosekundnivå som brukes av satellittnavigasjonsenheter for å bestemme plasseringene deres. Dette har potensielt alvorlige konsekvenser for flylandinger og autonome kjøretøy.

Sanntidskart over tettheten til disse elektronene brukes ofte for å korrigere for svingninger i ionosfæren. Ingeniører lager kartene ved å bruke data fra bakkebaserte mottaksstasjoner som kan oppdage ankomsttidene til to forskjellige frekvenser av radiobølger mottatt fra samme satellitt. Elektroner i ionosfæren bremser lavfrekvente bølger mer enn høyfrekvente, med omtrent et nanosekund. Denne forskjellen gir informasjon om tettheten av elektroner som bølgen passerte på vei til en mottaker.

Uten disse korreksjonene ville GPS vært unøyaktig med omtrent 5 meter og med dusinvis av meter under solstormer, når ladede partikler fra solen øker elektrontettheten. Men mange regioner i verden mangler bakkebaserte mottaksstasjoner for å lage disse kartene.

bakgrunnsstøy

Selv om ikke alle navigasjonsenheter kan fungere med flere frekvenser, gjør moderne telefoner det ofte. According to Brian Williams, a computer scientist at Google in Mountain View, California, and co-author of the study, phone sensors were not previously considered practical for mapping the ionosphere. This is because the data from cell phones is much noisier than that from specially designed scientific receiving devices, particularly because they only receive signals intermittently and the radio waves are reflected off nearby buildings in urban areas.

Google-teamet var vellykket delvis takket være den store mengden data de mottok. "Når store mengder kombineres, opphører støyene og du får fortsatt et klart signal," sier Williams. "Det er som om det er en vitenskapelig overvåkingsstasjon i hver by der det er telefoner."

Alle som eier en Android-telefon og lar Google samle inn sensordata for å forbedre posisjonsnøyaktigheten, kan bidra til studien. Imidlertid ble dataene samlet slik at individuelle enheter ikke kan identifiseres, forklarer selskapet.

Williams forklarer at arbeidet allerede er i gang med å bruke denne teknikken for å forbedre posisjonsnøyaktigheten for Android-brukere. Men dataene skal også være nyttige for vitenskapelige studier av jordens øvre atmosfære. Kartet har allerede avslørt bobler i ionisert gass, kjent som plasma, over Sør-Amerika som ikke tidligere har blitt observert i detalj.

For virkelig å være til nytte for vitenskapen, må Google publisere dataene, sier Coster, som jobber med Madrigal-databasen, en geospatial dataressurs som samler ionosfæriske data fra tusenvis av bakkestasjoner. En talsperson for Google fortalte Natures nyhetsteam at dataene bak studien vil bli publisert ved siden av artikkelen, men det er foreløpig ingen planer om å levere ferske data i sanntid.

Forskere jobber med å bruke andre smarttelefonsensorer på forskjellige måter. Googles Android jordskjelvvarslingssystem i 2020 viste hvordan akselerometre i folks smarttelefoner kunne oppdage jordskjelv og advare andre som fortsatt kan være berørt. Apple-brukere kan få tilgang til en app som bruker lignende teknologi.

Til nå har forskere sett på telefoner som sluttbrukere av navigasjonstjenester, sier Wang. Denne reverseringen for å bruke telefondata som inndata er "ukjent territorium," sier han. "Denne studien markerer et spennende skifte."

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

   Google Scholar

Last ned referanser