Атмосфера Земли имеет загадочный и слабоисследованный слой – ионосферу. Ионосферу сложно исследовать, поскольку она плавно переходит в космос. Но это закрученное море заряженных частиц оказывает существенное влияние на земную жизнь. Google придумал дешевый способ исследования ионосферы – с помощью смартфонов Android.
В статье, опубликованной на этой неделе в Nature, исследователи Google продемонстрировали, что они могут использовать измерения GPS-сигнала, полученные из миллионов анонимных мобильных устройств Android, чтобы составить карту ионосферы.
Хотя сигнал от любого отдельного мобильного устройства слишком «шумный», чтобы рассказать исследователям об ионосфере, этот шум корректируется, когда есть много других сравнительных устройств. Наконец, исследователи смогли использовать огромную сеть телефонов Android, чтобы нанести на карту ионосферу с уровнем точности, соответствующим станциям мониторинга. В таких регионах как Индия и Центральная Африка методика Android фактически значительно превзошла точность только станций мониторинга.
Ученые могут измерять ионосферный трафик (официально названный общим содержанием электронов (TEC) с помощью сети высококачественных наземных станций мониторинга. Эти средства обнаружения эффективны, но они также относительно дороги в создании и обслуживании
Исследователь Google и соавтор статьи Брайан Уильямс рассказал Popular Science, что раньше своими глазами видел, как изменения в ионосфере могут препятствовать возможностям GPS. Он говорит, что увидел в этом проекте возможность одновременно внести вклад в научные достижения и повысить точность для обычных пользователей мобильных устройств.
«Вместо того, чтобы думать, что ионосфера мешает позиционированию GPS, мы можем перевернуть это с ног на голову и думать о приемнике GPS как об инструменте для измерения ионосферы», — сказал Уильямс. «Сочетая измерения датчиков миллионов телефонов, мы создаем детальное представление об ионосфере, которое иначе было бы невозможно».
Как миллионы телефонов Android стали «распределенной сенсорной сетью»
Современные смартфоны оснащены GPS-приемниками, принимающими радиосигналы, поступающие со спутников, вращающихся на орбите примерно 2000 км, и слушаются на средней околоземной орбите (MEO). Приемники вычисляют расстояние между собой и спутниками и используют его для определения местоположения с точностью до трех метров.
Эти сигналы быстро и беспрепятственно распространяются в космосе, пока не попадают в ионосферу. Эта часть верхних слоев атмосферы может быть более или менее переполнена электронами в зависимости от таких переменных, как время года, время суток или расстояние от экватора, и все это может привести к ошибкам точности GPS. Большинство телефонных приемников оснащено корректирующей моделью, которая способна устранить примерно половину этой оценочной ошибки.
Исследователи Google хотели увидеть, могут ли измерения, сделанные из приемников в телефонах Android, по существу повторять картирование ионосферы, происходящее на более продвинутых станциях мониторинга.
Несомненно, что станции мониторинга имеют явное преимущество перед мобильными телефонами. Во-первых, у них гораздо большие антенны, чем мобильные телефоны. Они также обычно сидят под чистым открытым небом, в отличие от мобильных телефонов, часто закрывающих городские здания или карманы джинсов пользователя. Каждый отдельный телефон также имеет свою уникальную погрешность измерения, которая может быть отклонена на несколько микросекунд. Но то, что телефонам не хватает в индивидуальной сложности, они компенсируют простым количеством.
Для своего эксперимента исследователи собрали спутниковые навигационные сигналы из миллионов телефонов Android по всему миру
Для этого исследования использовали набор измерений, сделанных в дневное время с американской GPS и европейской спутниковой группировкой Galileo на частотах L1 и L5. Эти измерения включали данные от 200 000 до 2 миллионов телефонов в час, около 40 миллионов ежедневно.
Чтобы объединить измерения, экспертам пришлось сгруппировать их в пространстве и времени. Это стало компромиссом: меньшие группы дают более высокое разрешение, но большие группы дают лучшую статистику. Эксперты остановились на сетке карты ионосферы примерно 70 км и временные интервалы 10 минут как баланс между ними.
«Во многих частях света производительность нашей модели эквивалентна использованию самой современной глобальной карты ионосферы, которая соответствует измерениям станций мониторинга», — говорится в сообщении в блоге Google.
Широкая зона охвата данных телефонной карты также позволяет исследователям увидеть и задокументировать интересные ионосферные явления, такие как пузырьки плазмы. В одном из удивительных случаев исследователи Google смогли определить экваториальную аномалию над Южной Азией, которую не заметили несколько станций мониторинга в этом районе.
Проанализировав измерения, полученные со смартфонов Android, исследователи сказали, что им удалось обнаружить сигнатуры электромагнитной активности, соответствовавшие паре мощных солнечных штормов, произошедших в начале этого года, включая произошедшее в Северной Америке между 10 и 11 мая 2024 года.
