谷歌利用数百万Android手机绘制电离层地图，将提高GPS定位精度

谷歌研究人员在《自然》杂志发表论文，展示了如何利用数百万台Android设备的GPS数据绘制电离层地图。单个设备信号不足以了解电离层，但大量设备数据可纠正噪声，实现高精度地图，甚至在某些地区超过监测站精度。科学家通常使用昂贵的地面监测站网络来测量电离层流量，但这些监测站在发展中地区较少。谷歌的研究旨在利用广泛普及的手机来解决这一不平等，提高全球电离层测绘的精度。

果您曾经按照导航应用程序导航，但结果却偏离了路线，那么造成这种混乱的罪魁祸首可能就在50-200英里的高空。地球大气层中被称为电离层的区域可能包含不同程度的自由电子，当这些电子高度集中时，会减慢卫星和设备接收器之间传输的GPS信号的速度。这种延迟类似于有人在拥挤的城市街道上疯狂穿梭后上班迟到，这是导致导航系统出错的主要原因之一。

在本周发表于《自然》杂志的一篇论文中，谷歌研究人员展示了他们能够利用从数百万台匿名Android移动设备中提取的GPS信号测量结果绘制电离层地图。虽然来自任何单个移动设备的信号都过于“嘈杂”，无法让研究人员了解电离层的情况，但当有许多其他设备可供比较时，这种噪声就会得到纠正。最终，研究人员能够利用庞大的Android手机网络绘制出电离层地图，其精度可与监测站相媲美。在印度和中非等地区，Android技术的精度实际上远远超过了监测站本身的精度。

通过高质量的地面监测站网络，世界各地的科学家可以测量这种电离层流量（正式名称为总电子含量TEC）。这些检测工具虽然有效，但建造和维护起来也相对昂贵，这使得它们在世界发展中地区不太常见。监测站的使用不平等导致了全球电离层测绘精度的差异。谷歌的研究人员试图通过依靠世界上大多数人口已经拥有的东西来解决这种不匹配的问题：手机。

谷歌研究员兼论文合著者Brian Williams告诉《大众科学》，他之前曾亲眼目睹电离层的变化如何影响Android产品的GPS功能。他说，他认为这个项目是一个机会，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准确度。

“我们不应该认为电离层会干扰GPS定位，而是可以反过来将GPS接收器视为测量电离层的仪器。”Williams说道，“通过整合数百万部手机的传感器测量数据，我们可以详细了解电离层，而这在其他情况下是不可能实现的。”

数百万Android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，可以测量中地球轨道(MEO)上空约1,200英里处卫星发射的无线电信号。接收器计算它们与卫星之间的距离，并以此确定位置，精确到15英尺左右。这些信号在太空中快速畅通无阻地传播，直到到达电离层。根据季节、一天中的时间或与赤道的距离等变量，这块高层大气的拥挤程度可能或多或少，所有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，可以清除大约一半的估计误差。

谷歌的研究人员想看看Android手机接收器的测量结果是否能复制更先进的监测站的电离层测绘结果。就质量而言，监测站比手机有明显的优势。首先，它们的天线比手机大得多。它们通常位于晴朗的天空下，而手机则经常被城市建筑或用户的牛仔裤口袋遮挡。每部手机也有自己独特的测量偏差，误差可能只有几微秒。但手机在个体复杂性方面的不足可以用数量来弥补。

在实验中，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Android手机的卫星导航信号。谷歌表示，这些测量数据经过了“汇总”和“去识别化”，来自已启用定位和其他相关设置的Android设备样本。为了进一步保护隐私，研究人员仅使用了与手机相关的“粗略位置”（约10公里）。研究中使用的手机数量庞大，研究人员可以通过相互比较这些设备来纠正个人偏见。一旦将所有这些测量结果结合起来，研究人员就能够创建电离层中自由电子的详细全球地图。

谷歌研究人员在一篇博客文章中写道：“庞大的众包聚合信号网络可以充当高度敏感的科学仪器。”

研究人员随后将Android手机地图与数据库中的测量结果进行了比较，该数据库包含来自世界各地监测站的读数。手机方法大大扩大了覆盖范围，特别是在缺乏监测站的印度和东欧地区。在上图中，蓝点显示了全球大约100,000个地点，这些地点有足够数量的手机测量数据可用于帮助绘制电离层地图。相比之下，只有9,000个监测站。

谷歌博客文章写道：“在世界许多地方，我们模型的性能相当于使用根据监测站测量结果拟合的最先进的全球电离层地图。”

电离层地图可以使GPS更加精确

所有这些可能很快就会转化为消费者更精确的导航工具。在这项研究中，研究人员声称，他们基于手机的电离层地图比大多数手机中已经使用的标准电离层误差校正效果更好。展望未来，谷歌告诉《大众科学》，它计划将一些定位精度优势引入未来的Android设备。这可能意味着在规划路线时不会出现那么多恼人的导航错误。看似微小或微不足道的精度改进实际上在极端紧急的情况下可以发挥关键作用。威廉姆斯解释说，这种新的精度水平可以帮助更好地区分高速公路和平行的崎岖辅路，这对于试图尽快到达现场的急救人员来说是一个至关重要的细节。

手机地图数据的广泛覆盖范围也使研究人员有机会使用有限的专业设备观察和记录有趣的电离层现象，如等离子气泡。在一个令人惊讶的案例中，谷歌研究人员能够使用手机地图识别南亚赤道异常现象，而该地区的少数监测站却没有注意到这一现象。

“当我们第一次获得显示日落时分等离子泡在印度上空移动所需的分辨率时，我被震惊了。”威廉姆斯说，“科学家们以前也见过赤道等离子泡，但从未在世界这一地区见过如此精细的等离子泡。当NASA的COSMIC-2卫星之一穿过这些等离子泡之一并测量到离子密度下降时，我们能够证实我们的观察结果，我们非常激动，就像手机测量的那样。”

Android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，当他们分析Android接收测量值时，他们能够检测到与今年早些时候发生的两次强烈太阳风暴相对应的电磁活动特征，其中包括2024年5月10日至11日在北美发生的一次。该地区手机测量的电离层活动明显激增，随后迅速减少。尽管那场风暴被监测站捕捉到，但研究指出，在没有监测站的地区使用手机进行电离层测量可以提供更多关于太阳风暴或地磁活动的见解，否则可能会被遗漏。分析这些数据可以帮助科学家更好地了解如何最好地准备和应对未来潜在的危险事件。

“通过手机测量生成的电离层地图比以前更详细地揭示了某些地区的电离层动态。”威廉姆斯说，“我们希望通过手机测量揭示的电离层新视图将帮助科学家更好地了解地磁风暴对电离层的影响。”