Исследователи из компании Google нашли неожиданное применение обычным смартфонам — с их помощью, собирая данные GPS-навигации десятков миллионов устойств, удалось создать подробную карту ионосферы Земли. Данные с телефонов дополняют информацию, получаемую со стационарных станций GNSS. Новый метод позволяет получать данные о состоянии верхних слоев атмосферы с хорошей детализацией особенно там, где станций мониторинга недостаточно, что особенно важно для работы систем спутниковой навигации.
Ионосфера — это слой атмосферы, расположенный на высоте от 50 до 1500 километров над поверхностью Земли. Здесь солнечное излучение ионизирует атомы и молекулы газов, превращая их в заряженные частицы (ионы). Образующаяся в результате слабоионизированная плазма играет ключевую роль в распространении радиоволн: отражая и преломляя их, она обеспечивает дальнюю радиосвязь.
Состояние ионосферы постоянно меняется под влиянием солнечной активности и геомагнитных бурь. Эти изменения существенно влияют на работу спутниковых навигационных систем (GNSS). Дело в том, что радиосигналы от спутников, проходя через ионосферу, замедляются по-разному в зависимости от концентрации электронов. Для систем GPS, требующих наносекундной точности в определении времени прохождения сигнала, эти задержки могут привести к ошибкам в определении координат до 5 метров и более.
Для описания состояния ионосферы используется интегральная характеристика под названием TEC — total electron content. Это общее число электронов, находящихся внутри некоторого объёма в виде трубы сечением 1 м2, соединяющей две точки пространства. По сути это — площадная плотность электронов с единицей измерения электрон на квадратный метр. Эта характеристика определяет, например, ослабление и задержку радиоволн, проходящих через ионосферу по конкретному пути. Если рассматривать вертикальные «трубки» размером со всю толщину ионосферы, то площадная плотность становится VTEC, то есть «вертикальной площадной плотностью электронов». Её как раз и измеряют при помощи множества измерительных станций, или, как предлагается в этой работе, с использованием распределённых данных от миллионов устройств Android. На приведённых картах уровень ионизации измеряется в единицах TECU (TEC Units), равных 1016 электронов на квадратный метр. Поскольку время прохождения сигнала между спутником и мобильным устройством — ключевой параметр, который используется для GPS-позиционирования, неравномерная плотность VTEC в атмосфере приводит к неточности определения положения. Во время солнечных бурь ошибки позиционирования из-за этого фактора могут многократно возрастать (до десятков метров). Для коррекции таких ошибок «на ходу» в устройствах используются некоторые компенсационные модели, а также глобальные карты распределения VTEC в реальном времени.
Традиционно для отслеживания состояния ионосферы используется сеть наземных станций GNSS. Однако таких станций всего около 9000 по всему миру, и во многих регионах, особенно в Африке и Южной Америке, их явно недостаточно. Мобильные телефоны, как оказалось, могут послужить полезным дополнением к стационарным станциям. Современные телефоны оснащены двухчастотными GNSS-приёмниками, способными, как и профессиональное оборудование, измерять разницу во времени прихода сигналов разных частот. Хотя отдельный смартфон даёт более шумные данные по сравнению со специализированным приёмником, это компенсируется большим количеством устройств. В исследовании приняли участие владельцы Android-смартфонов, давшие согласие на передачу данных с датчиков своих устройств. Ежедневно в измерениях участвовало около 40 миллионов телефонов — это позволило более чем вдвое увеличить охват наблюдений за ионосферой по сравнению с традиционной сетью наземных станций.
Двухмесячное сравнительное исследование в 2023 году показало высокую степень соответствия между картами ионосферы, построенными по данным со смартфонов и профессиональных станций. Более того, благодаря широкому распространению мобильных телефонов в Восточной Европе, Индии, Южной Азии и некоторых частях Южной Америки и Африки, удалось получить более детальную картину ионосферы над этими регионами.
Новый метод уже позволил сделать интересные открытия. Например, были обнаружены ранее не наблюдавшиеся плазменные пузыри над Индией и Южной Америкой, зафиксированы области повышенной плотности ионосферы над Северной Америкой во время солнечных бурь и среднеширотный ионосферный провал над Европой.
Исследование демонстрирует, как миллионы обычных смартфонов могут превратиться в мощный распределенный научный инструмент для мониторинга околоземного пространства. В перспективе это поможет повысить точность работы навигационных систем и улучшить наше понимание процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли.
