|
|
通过数百万部 Android 手机的汇总测量，我们现在可以更好地了解电离层。
电离层是位于地球高层大气中的一片旋转的带电粒子海。当太阳辐射与大气气体分子碰撞时，离子会积聚，从而撞掉一些电子。电离层内自由电子密度的变化是全球定位系统(GPS)等卫星导航系统最大的误差来源之一。电离层等离子体随季节、一天中的时间和地理因素（例如距离赤道的距离）而产生的空间和时间波动会影响卫星信号的轨迹并干扰 GPS 定位精度。太阳风暴的辐射爆发会对卫星通信和导航系统造成更严重的干扰——比如2024 年 5 月的爆发，它在北半球和南半球都产生了壮观的极光。
在今日出版的《自然》杂志上的一项新研究中，我们报告了利用来自数百万部 Android 手机的聚合传感器测量数据绘制电离层地图的方法，其精度与传统监测基础设施相当（在世界某些地区甚至远远超过传统监测基础设施）。尽管每部手机本身都会提供嘈杂的读数，但我们证明，庞大的众包聚合信号网络可以充当高度灵敏的科学仪器。最重要的是，我们可以在保持重要的隐私保护的同时做到这一点，而无需识别任何做出贡献的单个设备。这种方法在印度、东南亚和中非等监测站稀少但手机使用普遍的地区尤其有益。
我们正努力将这项研究带来的定位精度改进提供给 Android 用户。了解当前的电离层状况可使 GPS 接收器将定位误差减少几米。这种精度的提高对用户非常有帮助。例如，能够区分高速公路和平行的崎岖辅路可确保调度员将正确的急救人员派往正确地点并更快地提供帮助。此外，我们发现手机测量可以捕捉到具有科学意义的电离层特征，在监测站很少的地区提供前所未有的细节。随着全世界对大型太阳风暴的风险和后果的担忧日益加剧，手机传感器电离层测绘可能为了解电离层现象提供必要的见解。
电离层如何影响 GPS 信号
GPS 和其他导航信号源自距离地球约 19,000-40,000 公里的卫星。这些信号大部分不受干扰地在太空中传播，直到它们到达电离层的等离子体。就像在拥挤的街道上行走会减慢您的速度一样，电离层中较高的自由电子浓度会减慢和分散卫星信号。GPS 接收器依靠极其精确的无线电信号计时来确定接收器位置。因此，电离层造成的延迟会导致定位错误。
大多数手机中的 GPS 接收器使用简单的校正模型，可以消除大约一半的误差。我们想知道，当今手机中传感器技术的进步以及大量手机用户是否能够实现更详细的电离层测绘，从而提高定位精度。
世界各地的专用监测站通过测量无线电信号之间的时间差来检测卫星信号并纠正电离层引起的误差。至关重要的是，信号之间的延迟取决于无线电信号的频率以及电离层条件。因此，如果我们测量来自同一颗卫星的两个不同频率的信号到达时间的差异，那么我们就可以测量沿该路径的电离层条件。
使用双频安卓手机绘制电离层地图
如今，许多 Android 手机都配有 GPS 或其他接收器，可以检测两种频率的无线电信号，因此原则上，这些手机可以完成与固定监测站相同的计算。但手机的天线要小得多，而且与位于露天的监测站不同，一些卫星的信号会被建筑物甚至携带手机的人遮挡。此外，每部手机都有自己的偏差，为其所有计时测量添加微秒级的固定偏移，而延迟测量则是纳秒级的。
必须测量和校正这些偏差才能获得有意义的结果。使用多部手机进行测量解决了这个问题，因为我们可以通过将每部手机与其他手机进行比较来找出每部手机的偏差。两部同时接收穿过同一片天空的信号的手机应该会观察到相同的电离层延迟。通过解决巨大的一致性条件，这一约束让我们可以推断出每部手机贡献了多少偏差。将这些偏差与到达时间的差异结合起来，我们可以绘制出全球电离层地图。
之前使用手机传感器绘制电离层地图的 努力因只能从数十或数百部手机中建模测量而受阻。每部手机捕获的信号都非常嘈杂，因此业内人士对手机测量电离层能否产生可用数据存在极大怀疑。
在本概念验证研究中，我们使用了一组白天从美国GPS和欧洲伽利略卫星星座在 L1 和 L5 频率上捕获的手机测量数据——这是手机最常用的双频测量数据。这些测量数据包括每小时 20 万到 200 万部手机的数据，每天总计约 4000 万部。
为了整合测量数据，我们必须按空间和时间对它们进行分组。这需要权衡：分组越小，分辨率越高，而分组越大，统计数据越好。我们决定采用约 70 公里的电离层地图网格和 10 分钟的时间间隔来平衡两者。
隐私和数据保护
我们的电离层地图是使用卫星和 Android 设备接收器之间的无线电信号的汇总测量值创建的，这些测量值不会识别任何贡献的单个设备。这些测量值来自已启用位置和相关设置并使用卫星信号确定位置的 Android 设备群。您可以在我们的隐私政策中阅读有关 Android 如何使用这些数据的更多信息。
由于可以使用不同的卫星从多个位置测量电离层的同一部分，因此电离层的每个部分都由分布在广阔区域的手机测量。只使用手机的粗略位置（约 10 公里内），并且排除人口密度低或很少有其他手机贡献测量值的孤立手机。传感器校准使来自不同设备的测量结果更加相似，并消除了异常测量值。这些步骤有助于我们更好地了解电离层，同时掩盖任何单个设备的贡献。
扩大地图覆盖范围以捕捉不同的电离层特征
我们使用一个模型将数千个电离层参数和数百万个偏差项与数百万部手机的传感器测量值进行拟合，绘制了电离层中自由电子的详细地图。然后，我们将基于手机的电离层地图中的测量值与Madrigal 数据库中的测量值进行了比较，该数据库包含来自约 9,000 个监测站的数据。
监测站遍布美国、欧洲和其他地区，例如日本、澳大利亚、新西兰、南非和南美洲部分地区，但其他地区则比较稀疏。这些覆盖较少的地区的电离层地图时空分辨率较低。目前，这些空白是通过推断地球 24 小时自转早期的测量值以及基于电离层动态历史平均值的建模来填补的。我们基于 Android 手机的电离层地图覆盖的电离层面积是监测站的两倍。因此，我们能够显著提高监测站较少的地区（特别是东欧、南亚和东南亚、非洲大部分地区以及南美洲其他地区）电离层地图的分辨率。
我们的结果还表明，基于手机的电离层地图可以提高 Android 用户的定位精度，其性能远超目前手机上使用的简单误差校正模型。在世界许多地方，我们的模型的性能相当于使用监测站测量值创建的最先进的全球电离层地图。然而，在印度等手机覆盖密集但监测站很少的地方，我们的模型的性能甚至比使用监测站测量值生成的地图更好。
我们的手机地图可以清晰地显示电离层的波动和扰动。例如，我们的数据捕捉到了一种称为电离层赤道异常的现象的特征波峰和波谷。它们还显示了 2024 年 5 月 10 日至 11 日发生的一次大太阳风暴的迹象，其形式是北美上空电离层活动增加。我们捕捉到的一些现象以前从未被监测站的测量以这种详细程度记录过。例如，我们在南亚和巴西上空观察到向东移动的离子密度降低波，这与被称为等离子泡的结构相对应，已知等离子泡会干扰 GPS 信号。
基于手机的电离层地图的优势
我们展示了庞大的手机网络如何充当强大的科学仪器，从而测量全球自然现象。这反过来又会为 Android 用户带来更好的 GPS 定位精度。
提高全球电离层测绘的覆盖范围和分辨率也具有重要的社会和科学意义。电离层中的地磁事件（例如由太阳风暴产生的事件）能够破坏电网、无线电通信和导航系统，从而扰乱社会基础设施的关键要素，包括应急响应行动、医疗保健和政府。尽管太阳风暴防范是国内外的当务之急，但科学家对空间天气预报的了解有限。我们的研究为太阳风暴期间的电离层动力学提供了新的见解，并可能有助于支持电离层科学的新发现。
我们的努力与其他旨在使用手机传感器测量自然现象的项目相一致。例如，科学家已经证明，手机气压计的测量结果有助于天气预报，手机上的加速度计可以检测地震，从而充当预警系统。我们很高兴能够进一步说明我们许多人随身携带的设备如何用于提供有用的测量结果，从而造福社会并扩大我们对地球的科学了解。
致谢
我们想感谢本文的许多贡献者，特别是核心研究团队的其他成员（Anton Geraschenko、Jade Morton 和 Brian Williams）以及 Android 团队的同事（Frank van Diggelen、Imad Fattouch、Ari Moradi、Jennifer Wang、Jordan McClead 和 Emily Liu）。还要感谢 Alla Katsnelson 和 John Guilyard 对本文的帮助，以及 Lizzie Dorfman、Michael Brenner 和 John Platt 的支持和领导。
|
|
发表于 2024-12-2 21:49:57