Google använder miljontals smartphones för att kartlägga jordens jonosfär och förbättra GPS

Google använder miljontals smartphones för att kartlägga jordens jonosfär och förbättra GPS

För första gången har forskare använt realtidsdata från cirka 40 miljoner mobiltelefoner för att kartlägga förhållandena i jonosfären - en region i den övre atmosfären där vissa luftmolekyler joniseras. Sådana crowdsourcede signaler kan förbättra satellitnavigering, särskilt i regioner i världen där data annars är knapphändig, som Afrika, Sydamerika och Sydasien.

Google-teamets förstudie publicerades den 13 november i tidskriften Nature 1.

"Det är en fantastisk datauppsättning", säger Anthea Coster, en atmosfärsfysiker vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det kompletterar kartan avsevärt i områden där vi akut behöver mer information."

Mobiltelefondata kan minska GPS-fel med 10-20 % i vissa områden och ännu mer i underbetjänade regioner, uppskattar Ningbo Wang, en atmosfärsfysiker vid Aerospace Information Research Institute vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking. Även med justeringar förblir jonosfäriska störningar en utmaning, särskilt under solstormar som utlöser ojämna förhållanden i jonosfären. "Resultaten som presenteras är verkligen imponerande."

Dubbla band

När luften är delvis joniserad saktar de fritt rörliga elektronerna ner något och påverkar radiosignalerna som kommer till jorden från GPS och andra navigationssatelliter. Detta kan påverka den tidssynkronisering på nanosekundnivå som används av satellitnavigeringsenheter för att bestämma var de befinner sig. Detta har potentiellt allvarliga konsekvenser för flygplanslandningar och autonoma fordon.

Realtidskartor över tätheten hos dessa elektroner används ofta för att korrigera för fluktuationer i jonosfären. Ingenjörer skapar kartorna med hjälp av data från markbaserade mottagningsstationer som kan detektera ankomsttiderna för två olika frekvenser av radiovågor som tas emot från samma satellit. Elektroner i jonosfären bromsar lågfrekventa vågor mer än högfrekventa, med ungefär en nanosekund. Denna skillnad ger information om tätheten av elektroner genom vilka vågen passerade på väg till en mottagare.

Utan dessa korrigeringar skulle GPS vara inexakt med cirka 5 meter och med dussintals meter under solstormar, när laddade partiklar från solen ökar elektrontätheten. Men många regioner i världen saknar markbaserade mottagningsstationer för att skapa dessa kartor.

bakgrundsljud

Även om inte alla navigationsenheter kan fungera med flera frekvenser, gör moderna telefoner det ofta. Enligt Brian Williams, en datavetare på Google i Mountain View, Kalifornien, och medförfattare till studien, ansågs telefonsensorer inte tidigare vara praktiska för att kartlägga jonosfären. Detta beror på att data från mobiltelefoner är mycket bullrigare än från specialdesignade vetenskapliga mottagningsenheter, särskilt eftersom de bara tar emot signaler intermittent och radiovågorna reflekteras från närliggande byggnader i stadsområden.

Google-teamet var framgångsrikt delvis tack vare den stora mängden data de fick. "När stora mängder kombineras tar ljudet ut och du får fortfarande en tydlig signal", säger Williams. "Det är som att det finns en vetenskaplig övervakningsstation i varje stad där det finns telefoner."

Alla som äger en Android-telefon och låter Google samla in sensordata för att förbättra platsnoggrannheten kan bidra till studien. Datan var dock aggregerad så att enskilda enheter inte kan identifieras, förklarar företaget.

Williams förklarar att arbetet redan pågår för att använda denna teknik för att förbättra platsnoggrannheten för Android-användare. Men uppgifterna borde också vara användbara för vetenskapliga studier av jordens övre atmosfär. Kartan har redan avslöjat bubblor i joniserad gas, känd som plasma, över Sydamerika som inte tidigare har observerats i detalj.

För att verkligen gynna vetenskapen måste Google publicera data, säger Coster, som arbetar på Madrigal-databasen, en geospatial dataresurs som samlar jonosfäriska data från tusentals markstationer. En talesperson för Google berättade för Natures nyhetsteam att data bakom studien kommer att publiceras vid sidan av artikeln, men det finns för närvarande inga planer på att tillhandahålla färsk data i realtid.

Forskare arbetar med att använda andra smartphonesensorer på olika sätt. Googles Android-system för jordbävningsvarning 2020 visade hur accelerometrar i människors smartphones kunde upptäcka jordbävningar och varna andra som fortfarande kan vara drabbade. Apple-användare kan komma åt en app som använder liknande teknik.

Fram till nu har forskare sett telefoner som slutanvändare av navigationstjänster, säger Wang. Denna vändning att använda telefondata som indata är "okartat territorium", säger han. "Denna studie markerar ett spännande skifte."

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

   Google Scholar

Ladda ner referenser