Η Google χρησιμοποίησε εκατομμύρια τηλέφωνα Android για να χαρτογραφήσει τον χειρότερο εχθρό του GPS

Εάν έχετε ακολουθήσει ποτέ μια εφαρμογή πλοήγησης μόνο για να την απομακρύνετε από την πορεία της, ο ένοχος που είναι υπεύθυνος για το μπέρδεμα μπορεί να αιωρείται 50-200 μίλια από πάνω. Αυτή η περιοχή της ατμόσφαιρας της Γης που ονομάζεται ιονόσφαιρα μπορεί να περιέχει ποικίλα επίπεδα ελεύθερων ηλεκτρονίων που, όταν είναι πολύ συγκεντρωμένα, μπορούν να επιβραδύνουν τα σήματα GPS που ταξιδεύουν μεταξύ δορυφόρων και δεκτών συσκευών. Αυτή η καθυστέρηση, παρόμοια με κάποιον που αργεί να εργαστεί μετά από μανιωδώς τρύπημα και ύφανση σε έναν πολυσύχναστο δρόμο της πόλης, είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που συμβάλλουν σε σφάλματα στα συστήματα πλοήγησης.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στο Φύσηοι ερευνητές της Google απέδειξαν ότι ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσουν μετρήσεις σήματος GPS που αντλήθηκαν από εκατομμύρια ανώνυμες κινητές συσκευές Android για να χαρτογραφήσουν την ιονόσφαιρα. Αν και ένα σήμα από οποιαδήποτε κινητή συσκευή είναι πολύ «θορυβώδες» για να πει στους ερευνητές πολλά για την ιονόσφαιρα, αυτός ο θόρυβος διορθώνεται όταν υπάρχουν πολλές άλλες συσκευές για σύγκριση. Στο τέλος, οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τον τεράστιο ιστό των τηλεφώνων Android για να χαρτογραφήσουν την ιονόσφαιρα με ένα επίπεδο ακρίβειας που ταιριάζει με τους σταθμούς παρακολούθησης. Σε περιοχές όπως η Ινδία και η Κεντρική Αφρική, η τεχνική Android στην πραγματικότητα ξεπέρασε κατά πολύ την ακρίβεια μόνο των σταθμών παρακολούθησης.

Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο μπορούν να μετρήσουν αυτή την ιονόσφαιρα κυκλοφορία (επίσημα ονομάζεται συνολική περιεκτικότητα ηλεκτρονίων (TEC) μέσω ενός δικτύου επίγειων σταθμών παρακολούθησης υψηλής ποιότητας. Αυτά τα εργαλεία ανίχνευσης είναι αποτελεσματικά, αλλά είναι επίσης σχετικά ακριβά στην κατασκευή και τη συντήρηση, γεγονός που τα καθιστά λιγότερο συνηθισμένα στις αναπτυσσόμενες περιοχές του κόσμου. Αυτή η άνιση πρόσβαση στους σταθμούς παρακολούθησης οδηγεί σε διαφορές στην ακρίβεια της παγκόσμιας ιονοσφαιρικής χαρτογράφησης. Ερευνητές από την Google προσπάθησαν να αντιμετωπίσουν αυτήν την αναντιστοιχία βασιζόμενοι σε κάτι ήδη ανήκει στην πλειοψηφία του παγκόσμιου πληθυσμού: κινητά τηλέφωνα.

Ερευνητής της Google και συν-συγγραφέας της εργασίας Μπράιαν Ουίλιαμς είπε Λαϊκή Επιστήμη είχε δει στο παρελθόν από πρώτο χέρι πώς οι αλλαγές στην ιονόσφαιρα θα μπορούσαν να εμποδίσουν τις δυνατότητες GPS ενώ εργαζόταν σε προϊόντα Android. Λέει ότι είδε αυτό το έργο ως μια ευκαιρία για να συνεισφέρει ταυτόχρονα στην επιστημονική πρόοδο και να βελτιώσει την ακρίβεια για τους καθημερινούς χρήστες κινητών συσκευών.

«Αντί να θεωρούμε ότι η ιονόσφαιρα παρεμβαίνει στον εντοπισμό θέσης GPS, μπορούμε να το ανατρέψουμε και να σκεφτούμε τον δέκτη GPS ως όργανο για τη μέτρηση της ιονόσφαιρας», είπε ο Williams. «Συνδυάζοντας τις μετρήσεις των αισθητήρων από εκατομμύρια τηλέφωνα, δημιουργούμε μια λεπτομερή άποψη της ιονόσφαιρας που διαφορετικά δεν θα ήταν δυνατή».

Πώς εκατομμύρια τηλέφωνα Android έγιναν ένα «κατανεμημένο δίκτυο αισθητήρων»

Τα σύγχρονα smartphone είναι εξοπλισμένα με δέκτες GPS που μετρούν τα ραδιοφωνικά σήματα που εκπέμπονται από δορυφόρους σε τροχιά περίπου 1.200 μιλίων που ακούγονται σε μέση τροχιά Γης (MEO). Οι δέκτες υπολογίζουν την απόσταση μεταξύ τους και των δορυφόρων και τη χρησιμοποιούν για να προσδιορίσουν την τοποθεσία, με ακρίβεια περίπου 15 πόδια. Αυτά τα σήματα ταξιδεύουν γρήγορα και ανεμπόδιστα στο διάστημα μέχρι να χτυπήσουν την ιονόσφαιρα. Αυτό το κομμάτι της ανώτερης ατμόσφαιρας μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο γεμάτο με βάση μεταβλητές όπως η εποχή, η ώρα της ημέρας ή η απόσταση από τον ισημερινό, τα οποία μπορούν τελικά να συμβάλουν σε σφάλματα ακρίβειας GPS. Οι περισσότεροι δέκτες τηλεφώνου είναι εξοπλισμένοι με ένα διορθωτικό μοντέλο που μπορεί να καθαρίσει περίπου το ήμισυ αυτού του εκτιμώμενου σφάλματος.

Οι ερευνητές της Google ήθελαν να δουν εάν οι μετρήσεις που λαμβάνονται από δέκτες σε τηλέφωνα Android θα μπορούσαν ουσιαστικά να αναπαράγουν τη χαρτογράφηση της ιονόσφαιρας που συμβαίνει σε πιο προηγμένους σταθμούς παρακολούθησης. Λίρα προς λίβρα, οι σταθμοί παρακολούθησης έχουν σαφές πλεονέκτημα έναντι των κινητών τηλεφώνων. Για αρχή, έχουν πολύ μεγαλύτερες κεραίες από τα κινητά τηλέφωνα. Επίσης, συνήθως κάθονται κάτω από καθαρό ανοιχτό ουρανό, σε αντίθεση με τα κινητά τηλέφωνα που συχνά εμποδίζονται από αστικά κτίρια ή την τσέπη του τζιν του χρήστη. Κάθε μεμονωμένο τηλέφωνο έχει επίσης τη δική του μοναδική προκατάληψη μέτρησης που μπορεί να απενεργοποιηθεί κατά αρκετά μικροδευτερόλεπτα. Αλλά αυτό που λείπει από τα τηλέφωνα σε ατομική πολυπλοκότητα το αναπληρώνουν σε τεράστιους αριθμούς.

Για το πείραμά τους, οι ερευνητές συνέλεξαν σήματα δορυφορικής πλοήγησης από εκατομμύρια τηλέφωνα Android σε όλο τον κόσμο εξοπλισμένα με παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης διπλής συχνότητας. Η Google λέει ότι οι μετρήσεις ήταν «συγκεντρωμένες» και «αποπροσδιορίστηκαν» και προήλθαν από ένα δείγμα συσκευών Android που είχαν ήδη ενεργοποιημένη την τοποθεσία και άλλες σχετικές ρυθμίσεις. Για να διατηρήσει περαιτέρω το απόρρητο, ο ερευνητής χρησιμοποίησε μόνο την «χονδροειδή τοποθεσία» (περίπου 10 χιλιόμετρα) που σχετίζεται με τα τηλέφωνα. Η τεράστια κλίμακα των τηλεφώνων που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη επέτρεψε στους ερευνητές να διορθώσουν μεμονωμένες προκαταλήψεις συγκρίνοντας τις συσκευές μεταξύ τους. Μόλις συνδυάστηκαν όλες αυτές οι μετρήσεις, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν έναν λεπτομερή, παγκόσμιο χάρτη των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην ιονόσφαιρα.

«Ένα τεράστιο δίκτυο αθροιστικών σημάτων με πληθώρα μπορεί να λειτουργήσει ως ένα εξαιρετικά ευαίσθητο επιστημονικό όργανο». Οι ερευνητές της Google έγραψαν σε μια ανάρτηση ιστολογίου.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέκριναν τον τηλεφωνικό χάρτη Android με μετρήσεις από βάση δεδομένων που περιλαμβάνει αναγνώσεις από σταθμούς παρακολούθησης σε όλο τον κόσμο. Η τηλεφωνική μέθοδος επέκτεινε σημαντικά την κάλυψη, ιδιαίτερα σε περιοχές της Ινδίας και της Ανατολικής Ευρώπης όπου υπάρχει έλλειψη σταθμών παρακολούθησης. Στην παραπάνω εικόνα, οι μπλε κουκκίδες δείχνουν περίπου 100.000 τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο όπου επαρκείς αριθμοί μετρήσεων τηλεφώνου ήταν διαθέσιμοι για να βοηθήσουν στη χαρτογράφηση της ιονόσφαιρας. Αυτό συγκρίνεται με μόλις 9.000 σταθμούς παρακολούθησης.

«Σε πολλά μέρη του κόσμου, η απόδοση του μοντέλου μας ισοδυναμεί με τη χρήση του υπερσύγχρονου παγκόσμιου χάρτη ιονόσφαιρας που ταιριάζει σε μετρήσεις από σταθμούς παρακολούθησης», αναφέρει η ανάρτηση ιστολογίου της Google.

Οι χάρτες ιονόσφαιρας θα μπορούσαν να κάνουν το GPS πιο ακριβές

Όλα αυτά θα μπορούσαν σύντομα να μεταφραστούν σε πιο ακριβή εργαλεία πλοήγησης για τους καταναλωτές. Στη μελέτη, οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι οι χάρτες ιονόσφαιρας που βασίζονται σε τηλέφωνο ξεπέρασαν την τυπική διόρθωση σφαλμάτων ιονόσφαιρας που χρησιμοποιείται ήδη στα περισσότερα τηλέφωνα. Προχωρώντας, είπε η Google Λαϊκή Επιστήμη έχει σχέδια να προσφέρει μερικά από τα πλεονεκτήματα της ακρίβειας τοποθεσίας σε μελλοντικές συσκευές Android. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να σημαίνει λιγότερο ενοχλητικά σφάλματα πλοήγησης κατά τη χαρτογράφηση μιας διαδρομής. Φαινομενικά μικρές ή ασήμαντες βελτιώσεις ακρίβειας θα μπορούσαν πραγματικά να διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο όταν εφαρμόζονται σε ακραίες, καταστάσεις έκτακτης ανάγκης. Αυτό το νέο επίπεδο ακρίβειας, εξήγησε ο Williams, θα μπορούσε να βοηθήσει στην καλύτερη διάκριση μεταξύ ενός αυτοκινητόδρομου και ενός παράλληλου κακοτράχαλου δρόμου, μια κρίσιμη λεπτομέρεια για τους πρώτους ανταποκριτές που προσπαθούν να φτάσουν στη σκηνή όσο το δυνατόν γρηγορότερα.

Η ευρεία περιοχή κάλυψης των δεδομένων του τηλεφωνικού χάρτη δίνει επίσης στους ερευνητές την ευκαιρία να δουν και να τεκμηριώσουν ενδιαφέροντα φαινόμενα ιονόσφαιρας, όπως φυσαλίδες πλάσματοςμε περιορισμένο αριθμό εξειδικευμένου εξοπλισμού. Σε μια εκπληκτική περίπτωση, οι ερευνητές της Google μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τον τηλεφωνικό χάρτη για να εντοπίσουν μια ισημερινή ανωμαλία στη Νότια Ασία που πέρασε απαρατήρητη από τους λίγους σταθμούς παρακολούθησης στην περιοχή.

«Όταν επιτύχαμε για πρώτη φορά την ανάλυση που χρειαζόταν για να δείξουμε τις φυσαλίδες πλάσματος να κινούνται πάνω από την Ινδία κοντά στο ηλιοβασίλεμα, συγκλονίστηκα», είπε ο Williams. «Οι επιστήμονες έχουν δει στο παρελθόν φυσαλίδες πλάσματος του Ισημερινού, αλλά όχι σε αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας σε αυτό το μέρος του κόσμου. Ήμασταν ενθουσιασμένοι όταν μπορέσαμε να επιβεβαιώσουμε τις παρατηρήσεις μας όταν ένας από τους δορυφόρους της NASA COSMIC-2 πέρασε μέσα από μία από αυτές τις φυσαλίδες πλάσματος και μέτρησε μια πτώση στην πυκνότητα ιόντων όπως ακριβώς μετρούσαν τα τηλέφωνα».

Υπάρχουν και άλλα, λιγότερο άμεσα οφέλη από τους χάρτες ιονόσφαιρας Android. Όταν ανέλυσαν τις μετρήσεις λήψης Android, οι ερευνητές είπαν ότι κατάφεραν να ανιχνεύσουν υπογραφές ηλεκτρομαγνητικής δραστηριότητας που αντιστοιχούσαν σε ένα ζευγάρι ισχυρών ηλιακών καταιγίδων που συνέβησαν νωρίτερα φέτος, συμπεριλαμβανομένης μιας που συνέβη στη Βόρεια Αμερική μεταξύ 10 και 11 Μαΐου 2024. Η ιονόσφαιρα που μετρήθηκε από τηλέφωνα σε εκείνη την περιοχή έδειξε μια σαφή αύξηση της δραστηριότητας που ακολουθήθηκε από μια γρήγορη εξάντληση στη συνέχεια. Αν και αυτή η καταιγίδα έγινε αντιληπτή από σταθμούς παρακολούθησης, η μελέτη σημειώνει ότι οι μετρήσεις της ιονόσφαιρας μέσω τηλεφώνου σε περιοχές χωρίς σταθμούς παρακολούθησης θα μπορούσαν να παρέχουν περισσότερες πληροφορίες για τις ηλιακές καταιγίδες ή τη γεωμαγνητική δραστηριότητα που διαφορετικά θα μπορούσαν να χαθούν. Η ανάλυση αυτών των δεδομένων θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς να προετοιμαστούν καλύτερα και να ανταποκριθούν σε δυνητικά επικίνδυνα γεγονότα που εξελίσσονται.

«Οι χάρτες ιονόσφαιρας που παράγονται με μετρήσεις τηλεφώνου αποκαλύπτουν τη δυναμική της ιονόσφαιρας με περισσότερες λεπτομέρειες σε ορισμένες τοποθεσίες από ό,τι ήταν διαθέσιμο πριν», είπε ο Williams. «Ελπίζουμε ότι η νέα άποψη της ιονόσφαιρας που αποκαλύφθηκε από μετρήσεις τηλεφώνου θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την επίδραση των γεωμαγνητικών καταιγίδων στην ιονόσφαιρα».