Данные смартфонов помогли составить карту ионосферы

Исследователи из Google, собрав данные GPS-навигации десятков миллионов смартфонов, построили карту ионосферы Земли 1️⃣. Данные смартфонов дополнили информацию, полученную стационарными станциями приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Предложенный метод позволил получать данные о состоянии верхних слоев атмосферы с хорошей детализацией, в том числе в районах, где станций ГНСС недостаточно.

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 влияют на работу ГНСС. Дело в том, что радиосигналы от спутников, проходя через ионосферу, замедляются по-разному в зависимости от концентрации электронов. Для ГНСС, 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 — total electron content (TEC). Это число электронов, находящихся внутри “трубки” сечением 1 кв. метр, соединяющей две точки пространства (например, передатчик и приемник сигнала ГНСС). TEC характеризует ослабление и задержку радиоволн, проходящих через ионосферу по конкретному пути. Для вертикальных “трубок” с высотой, равной толщине ионосферы, TEC называется vertical TEC или VTEC. Именно VTEC измеряет сеть наземных ГНСС-станций, или, как предлагают авторы статьи, сеть распределенных по всему миру миллионов устройств Android.

Сеть наземных станций ГНСС насчитывает около 9000 станций по всему миру 2️⃣. Во многих регионах, особенно в Африке и Южной Америке, их явно недостаточно. В то же время, современные смартфоны оснащены двухчастотными ГНСС-приемниками, способными измерять разницу во времени прихода сигналов разных частот. Хотя отдельный смартфон дает более “шумные” данные по сравнению со специализированным приемником, 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.

На приведённых картах уровень ионизации измерялся в единицах TECU (TEC Units; 1 TECU = 10^16 электронов на кв. метр). Поскольку время прохождения сигнала между спутником и мобильным устройством — ключевой параметр, который используется для ГНСС-позиционирования, неравномерная плотность VTEC в атмосфере приводит к неточности определения положения. Из-за этого во время солнечных бурь ошибки позиционирования могут многократно возрастать, достигая десятков метров. Для коррекции таких ошибок “на лету” в устройствах используются некоторые компенсационные модели, а также глобальные карты распределения VTEC в реальном времени.

Двухмесячное исследование, проведенное в 2023 году, показало хорошее соответствие между картами ионосферы, построенными по данным со смартфонов и профессиональных станций. Благодаря широкому распространению смартфонов в Восточной Европе, Индии, Южной Азии и некоторых частях Южной Америки и Африки, удалось получить более детальную картину ионосферы над этими регионами.

1️⃣ Карта ионизации атмосферы на основании 10 минут данных смартфонов 12 октября 2023 г.
2️⃣ Охват измерений свойств ионосферы при помощи стационарных станций и смартфонов (жёлтые и синие точки).

#ионосфера