Google používa milióny smartfónov na mapovanie zemskej ionosféry a zlepšovanie GPS

Google používa milióny smartfónov na mapovanie zemskej ionosféry a zlepšovanie GPS

Výskumníci po prvýkrát použili údaje v reálnom čase z približne 40 miliónov mobilných telefónov na zmapovanie podmienok v ionosfére - oblasti hornej atmosféry, kde sú niektoré molekuly vzduchu ionizované. Takéto crowdsourcingové signály by mohli zlepšiť satelitnú navigáciu, najmä v regiónoch sveta, kde sú údaje inak vzácne, ako je Afrika, Južná Amerika a Južná Ázia.

Štúdia uskutočniteľnosti tímu Google bola zverejnená 13. novembra v časopise Nature 1.

„Je to úžasný súbor údajov,“ hovorí Anthea Coster, atmosferická fyzička z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge. "Výrazne dopĺňa mapu v oblastiach, kde naliehavo potrebujeme viac informácií."

Údaje z mobilných telefónov by mohli znížiť chyby GPS o 10 až 20 % v niektorých oblastiach a ešte viac v regiónoch s nedostatočnou obsluhou, odhaduje Ningbo Wang, atmosférický fyzik z Inštitútu pre výskum leteckých informácií Čínskej akadémie vied v Pekingu. Dokonca aj po úpravách zostáva narušenie ionosféry výzvou, najmä počas slnečných búrok, ktoré vyvolávajú nejednotné podmienky v ionosfére. "Predložené výsledky sú skutočne pôsobivé."

Duálne pásma

Keď je vzduch čiastočne ionizovaný, voľne sa pohybujúce elektróny sa mierne spomalia a ovplyvňujú rádiové signály, ktoré prichádzajú na Zem z GPS a iných navigačných satelitov. To môže ovplyvniť časovú synchronizáciu na nanosekundovej úrovni, ktorú používajú satelitné navigačné zariadenia na určenie ich polohy. To má potenciálne vážne dôsledky pre pristávanie lietadiel a autonómne vozidlá.

Mapy hustoty týchto elektrónov v reálnom čase sa často používajú na korekciu fluktuácií v ionosfére. Inžinieri vytvárajú mapy pomocou údajov z pozemných prijímacích staníc, ktoré dokážu zistiť časy príchodu dvoch rôznych frekvencií rádiových vĺn prijímaných z toho istého satelitu. Elektróny v ionosfére spomaľujú nízkofrekvenčné vlny viac ako vysokofrekvenčné, asi o nanosekundu. Tento rozdiel poskytuje informáciu o hustote elektrónov, ktorými vlna prešla na svojej ceste k prijímaču.

Bez týchto korekcií by bolo GPS nepresné asi o 5 metrov a o desiatky metrov počas slnečných búrok, kedy nabité častice zo slnka zvyšujú hustotu elektrónov. V mnohých regiónoch sveta však chýbajú pozemné prijímacie stanice na vytváranie týchto máp.

hluk pozadia

Hoci nie všetky navigačné zariadenia dokážu pracovať s viacerými frekvenciami, moderné telefóny to často dokážu. Podľa Briana Williamsa, počítačového vedca zo spoločnosti Google v Mountain View v Kalifornii a spoluautora štúdie, sa senzory telefónov predtým nepovažovali za praktické na mapovanie ionosféry. Je to preto, že údaje z mobilných telefónov sú oveľa hlučnejšie ako údaje zo špeciálne navrhnutých vedeckých prijímacích zariadení, najmä preto, že prijímajú signály len prerušovane a rádiové vlny sa odrážajú od blízkych budov v mestských oblastiach.

Tím Google bol úspešný čiastočne vďaka veľkému množstvu údajov, ktoré dostal. „Keď sa skombinujú veľké množstvá, zvuky sa rušia a stále máte jasný signál,“ hovorí Williams. "Je to ako keby v každom meste, kde sú telefóny, bola vedecká monitorovacia stanica."

Do štúdie by mohol prispieť každý, kto vlastní telefón s Androidom a umožní spoločnosti Google zhromažďovať údaje zo senzorov na zlepšenie presnosti polohy. Údaje však boli agregované, takže jednotlivé zariadenia nemožno identifikovať, vysvetľuje spoločnosť.

Williams vysvetľuje, že už prebiehajú práce na použití tejto techniky na zlepšenie presnosti polohy pre používateľov systému Android. Údaje by však mali byť užitočné aj pre vedecké štúdie hornej atmosféry Zeme. Mapa už odhalila bubliny v ionizovanom plyne, známom ako plazma, nad Južnou Amerikou, ktoré predtým neboli podrobne pozorované.

Aby spoločnosť Google skutočne prospela vede, musí údaje zverejniť, hovorí Coster, ktorý pracuje na databáze Madrigal, kolaboratívnom geopriestorovom zdroji údajov, ktorý spája ionosférické údaje z tisícok pozemných staníc. Hovorca spoločnosti Google povedal spravodajskému tímu Nature, že údaje za štúdiou budú zverejnené spolu s článkom, ale v súčasnosti neexistujú žiadne plány na poskytovanie čerstvých údajov v reálnom čase.

Výskumníci pracujú na využití iných senzorov smartfónov rôznymi spôsobmi. Systém varovania pred zemetrasením od spoločnosti Google v roku 2020 ukázal, ako akcelerometre v smartfónoch ľudí dokážu rozpoznať zemetrasenia a varovať ostatných, ktorých by to stále mohlo postihnúť. Používatelia Apple majú prístup k aplikácii, ktorá využíva podobnú technológiu.

Vedci doteraz považovali telefóny za koncových používateľov navigačných služieb, hovorí Wang. Toto zvrátenie používania telefónnych údajov ako vstupných údajov je „neprebádané územie,“ hovorí. "Táto štúdia predstavuje vzrušujúci posun."

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

   Študovňa Google

Stiahnite si referencie