谷歌利用数百万部 Android 手机绘制 GPS 最糟糕的敌人

“我们可以扭转乾坤。”
Professor Jade Morton (co-author) posing with a phone and a monitoring station at the University of Colorado, Boulder. A monitoring station has a large and expensive antenna. Phones have smaller antennas, which leads to noisier measurements, but phones are present in more parts of the world.
合著者 Jade Morton 教授在科罗拉多大学博尔德分校与一部手机和一个监测站合影。监测站配有大型且昂贵的无线电天线。手机的天线较小,这导致测量结果“嘈杂”,但手机在全球范围内分布更广。来源:Jade Morton

如果你曾经 使用导航应用 结果却偏离了路线,那么导致这种混淆的罪魁祸首可能就在距离地表 50-200 英里(约 80-320 公里)的高空。地球大气层中有一个被称为 电离层 的区域,其中含有不同浓度的自由电子。当这些电子高度集中时,会减慢从卫星传输到设备接收器的 GPS 信号。这种延迟,就像一个人在拥挤的城市街道上匆忙穿梭后迟到上班一样,是导航系统误差的主要原因之一。

在本周发表于《自然》杂志 上的论文中,谷歌研究人员展示了他们如何利用从数百万部匿名安卓手机收集的 GPS 信号测量数据来绘制电离层地图。虽然单一部手机的信号“嘈杂”到不足以让研究人员了解电离层的大部分信息,但当有许多其他设备可供比较时,这种“嘈杂”就可以得到纠正。最终,研究人员能够利用庞大的安卓手机网络,以与监测站相媲美的精度绘制出电离层地图。在印度和中非等地区,安卓手机的这项技术甚至远远超过了单独使用监测站的精度。

世界各地的科学家可以通过一个高质量的地面监测站网络来测量这种电离层活动(官方称为总电子含量 (TEC))。这些探测工具非常有效,但建造和维护成本相对较高,因此在世界发展中地区不太常见。监测站准入的不平等导致全球电离层测绘精度存在差异。谷歌的研究人员试图通过利用 全球大多数人口已经拥有的 东西——手机——来解决这种不匹配的问题。

2023 年 10 月 12 日 UTC 时间下午 2:00,利用十分钟的手机数据绘制的全球大气电离情况图。颜色渐变显示了电离程度,从紫色(低电离密度)到黄色(高电离密度)。水平黄色条纹是赤道异常的一部分。数据捕获在拥有足够测量值的地区:地球的白天一侧和人口密度较高的地区。来源:谷歌

谷歌研究员兼论文合著者 Brian Williams 在接受《大众科学》采访时表示,他在参与安卓产品开发时,曾亲眼目睹电离层的变化如何影响 GPS 的功能。他认为,这个项目为他提供了一个机会,可以同时为科学进步做出贡献,并提高日常移动设备用户的精度。

“与其将电离层视为干扰 GPS 定位的因素,不如我们把它扭转过来,将 GPS 接收器视为测量电离层的仪器,”Williams 说。“通过结合数百万部手机的传感器测量数据,我们可以创建一个详细的电离层视图,这是以前不可能实现的。”

数百万部安卓手机如何成为“分布式传感器网络”

现代智能手机配备了 GPS 接收器,可以测量来自距离地表约 1,200 英里(约 1,930 公里)的中地球轨道 (MEO) 卫星的无线电信号。接收器计算自身与卫星之间的距离,并利用这些信息来确定位置,精度约为 15 英尺(约 4.6 米)。这些信号在太空中快速传播且不受阻碍,直到遇到电离层。由于季节、一天中的时间或与赤道的距离等变量,这一高层大气区域的密度可能会有所不同,这些变量最终都会导致 GPS 精度误差。大多数手机接收器都配备了校正模型,能够清除大约一半的估计误差。

谷歌的研究人员想知道,安卓手机接收器的数据测量是否能够有效地复制更先进监测站进行的电离层测绘。从性能和成本比来看,监测站比手机有明显优势。首先,它们的无线电天线比手机大得多。它们通常位于开阔的天空下,不像手机经常被城市建筑或用户的裤子口袋遮挡。每部手机还有其独特的测量偏差,可能相差几微秒。但手机在个体复杂性上的不足,通过其庞大的数量得到了弥补。

在他们的实验中,研究人员收集了全球数百万部配备双频全球导航卫星系统的安卓手机的卫星导航信号。谷歌表示,这些测量数据是“聚合”且“去识别化”的,来自已经启用位置和其他相关设置的安卓设备样本。为了进一步保护隐私,研究人员只使用了与手机相关的“粗略位置”(约 10 公里)。研究中使用的庞大手机数量,让研究人员能够通过相互比较来纠正个体偏差。一旦将所有这些测量数据合并,研究人员就能创建一份详细的全球电离层自由电子地图。

“一个庞大的众包信号聚合网络可以充当高灵敏度的科学仪器,”谷歌研究人员在一篇博文中写道。

上图中的蓝色圆点显示了安卓电离层地图精度超过监测站的几个区域。来源:谷歌

研究人员随后将安卓手机地图与包含全球监测站读数的 数据库中的测量数据 进行了比较。手机方法大大扩展了覆盖范围,尤其是在监测站稀少的印度和东欧地区。在上图中,蓝色圆点显示了全球约 10 万个有足够数量手机测量值可用于绘制电离层地图的地点。相比之下,监测站只有 9,000 个。

“在世界许多地方,我们模型的性能相当于使用了基于监测站测量数据的最先进的全球电离层地图,”谷歌的博文写道。

电离层地图可提高 GPS 精度

所有这一切可能很快就会转化为更精确的消费者导航工具。研究人员在研究中声称,他们基于手机的电离层地图的表现优于大多数手机中已有的标准电离层误差校正。谷歌告诉《大众科学》,未来计划将一些定位精度优势引入未来的安卓设备。这可能会意味着在规划路线时减少恼人的导航错误。看似微小或无关紧要的精度改进,在极端紧急情况下可能发挥至关重要的作用。Williams 解释说,这种新的精度水平可以帮助更好地区分高速公路和并行的崎岖引道,这对于试图尽快赶到现场的急救人员来说是一个关键细节。

手机地图数据的广泛覆盖范围也为研究人员提供了机会,可以使用有限的专业设备来观察和记录有趣的电离层现象,例如 等离子体气泡。在一个令人惊讶的案例中,谷歌研究人员利用手机地图识别出了南亚上空的赤道异常,而该地区的少数监测站并未注意到这一点。

“当我们首次达到显示等离子体气泡在日落时分掠过印度的分辨率时,我惊呆了,”Williams 说。“科学家们以前见过等离子体气泡,但在这个世界的这个地区从未达到如此精细的程度。当我们能够确认我们的观察结果——一个 NASA COSMIC-2 卫星穿过一个等离子体气泡,并测量到与手机测量的电离密度下降相符时,我们非常兴奋。”

安卓电离层地图还有其他一些不那么直接的好处。研究人员表示,在分析安卓接收测量数据时,他们能够检测到与今年早些时候发生的两场强大太阳风暴 相对应的电磁活动信号,其中一场于 2024 年 5 月 10-11 日在北美发生。该地区手机测量的电离层显示出明显的活动峰值,随后迅速衰减。尽管监测站也探测到了这次风暴,但研究指出,在没有监测站的地区,基于手机的电离层测量可以为太阳风暴或地磁活动提供更多见解,而这些活动本可能被忽略。分析这些数据有助于科学家更好地了解如何为未来潜在的危险事件做好准备和应对。

“用手机测量产生的电离层地图在一些地点的电离层动态细节方面比以前更加丰富,”Williams 说。“我们希望,手机测量揭示的对电离层的新视角能帮助科学家更好地理解地磁风暴对电离层的影响。”

 

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Mack DeGeurin

撰稿人

Mack DeGeurin 是一名科技记者,多年来一直致力于研究科技与政治的交汇点。他的作品曾刊登于 Gizmodo、Insider、New York Magazine 和 Vice。


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