Атмосфера Землі має загадковий та слабодосліджений шар – іоносферу. Іоносферу складно досліджувати, оскільки вона плавно переходить в космос. Але це закручене море заряджених частинок суттєво впливає на земне життя. Google придумав дешевий спосіб дослідження іоносфери – за допомогою смартфонів Android.
У статті, опублікованій цього тижня в Nature, дослідники Google продемонстрували, що вони можуть використовувати вимірювання GPS-сигналу, отримані з мільйонів анонімних мобільних пристроїв Android, щоб скласти карту іоносфери.
Хоча сигнал від будь-якого окремого мобільного пристрою занадто «шумний», щоб розповісти дослідникам про іоносферу, цей шум коригується, коли є багато інших пристроїв для порівняння. Зрештою, дослідники змогли використати величезну мережу телефонів Android, щоб нанести на карту іоносферу з рівнем точності, який відповідає станціям моніторингу. У таких регіонах, як Індія та Центральна Африка, методика Android фактично значно перевершила точність лише станцій моніторингу.
Вчені можуть вимірювати іоносферний трафік (офіційно названий загальним вмістом електронів (TEC) за допомогою мережі високоякісних наземних станцій моніторингу. Ці засоби виявлення є ефективними, але вони також відносно дорогі у створенні та обслуговуванні
Дослідник Google і співавтор статті Брайан Вільямс розповів Popular Science, що раніше на власні очі бачив, як зміни в іоносфері можуть перешкоджати можливостям GPS. Він каже, що побачив у цьому проекті можливість одночасно зробити внесок у наукові досягнення та підвищити точність для звичайних користувачів мобільних пристроїв.
«Замість того, щоб думати, що іоносфера заважає позиціонуванню GPS, ми можемо перевернути це з ніг на голову і думати про приймач GPS як про інструмент для вимірювання іоносфери», — сказав Вільямс. «Поєднуючи вимірювання датчиків мільйонів телефонів, ми створюємо детальне уявлення про іоносферу, яке інакше було б неможливо».
Як мільйони телефонів Android стали «розподіленою сенсорною мережею»
Сучасні смартфони оснащені GPS-приймачами, які приймають радіосигнали, що надходять із супутників, що обертаються на орбіті приблизно 2000 км, і слухаються на середній навколоземній орбіті (MEO). Приймачі обчислюють відстань між собою та супутниками та використовують її для визначення місцезнаходження з точністю приблизно до трьох метрів.
Ці сигнали швидко і безперешкодно поширюються в космосі, поки не потрапляють в іоносферу. Ця частина верхніх шарів атмосфери може бути більш-менш переповненою електронами залежно від таких змінних, як пора року, час доби або відстань від екватора, і все це може призвести до похибок точності GPS. Більшість телефонних приймачів оснащено коригуючою моделлю, яка здатна усунути приблизно половину цієї оціночної помилки.
Дослідники Google хотіли побачити, чи можуть вимірювання, зроблені з приймачів у телефонах Android, по суті повторювати картування іоносфери, яке відбувається на більш просунутих станціях моніторингу.
Безсумнівно, станції моніторингу мають явну перевагу перед мобільними телефонами. По-перше, вони мають набагато більші антени, ніж мобільні телефони. Вони також зазвичай сидять під чистим відкритим небом, на відміну від мобільних телефонів, які часто закривають міські будівлі або кишені джинсів користувача. Кожен окремий телефон також має власну унікальну похибку вимірювання, яка може бути відхилена на кілька мікросекунд. Але те, чого телефонам не вистачає в індивідуальній складності, вони компенсують простою кількістю.
Для свого експерименту дослідники зібрали супутникові навігаційні сигнали з мільйонів телефонів Android по всьому світу
Для цього дослідження використали набір вимірювань, зроблених у денний час з американського GPS і європейського супутникового угруповання Galileo на частотах L1 і L5. Ці вимірювання включали дані від 200 000 до 2 мільйонів телефонів на годину, загалом близько 40 мільйонів щодня.
Щоб поєднати вимірювання, експертам довелося згрупувати їх у просторі та часі. Це стало компромісом: менші групи дають вищу роздільну здатність, але більші групи дають кращу статистику. Експерти зупинилися на сітці карти іоносфери приблизно 70 км і часові інтервали 10 хвилин як баланс між ними.
«У багатьох частинах світу продуктивність нашої моделі еквівалентна використанню найсучаснішої глобальної карти іоносфери, яка відповідає вимірам станцій моніторингу», — йдеться в повідомленні в блозі Google.
Широка зона охоплення даних телефонної карти також дає дослідникам можливість побачити та задокументувати цікаві іоносферні явища, такі як бульбашки плазми. В одному дивовижному випадку дослідники Google змогли визначити екваторіальну аномалію над Південною Азією, яку не помітили кілька станцій моніторингу в цьому районі.
Проаналізувавши вимірювання, отримані зі смартфонів Android, дослідники сказали, що їм вдалося виявити сигнатури електромагнітної активності, які відповідали парі потужних сонячних штормів, що відбулися на початку цього року, включно з тим, що стався в Північній Америці між 10 і 11 травня 2024 року.
