Google は GPS の最大の敵をマッピングするために数百万台の Android スマートフォンを使用しました

ナビゲーション アプリを追跡した結果、コースを外れてしまった経験がある場合、取り違えの原因は 80 ～ 200 マイル上空に浮かんでいる可能性があります。地球の大気圏の電離層と呼ばれる領域には、さまざまなレベルの自由電子が含まれている可能性があり、高度に濃縮されると、衛星とデバイス受信機の間を移動する GPS 信号が遅くなる可能性があります。この遅れは、混雑した市内の通りを必死にふらふらと歩き回って仕事に遅れた人に似ており、ナビゲーション システムのエラーの主な原因の 1 つです。

今週発表された論文では、 自然Googleの研究者らは、数百万台の匿名のAndroidモバイルデバイスから取得したGPS信号測定値を利用して電離層の地図を作成できることを実証した。単一のモバイル デバイスからの信号は、研究者に電離層について多くを伝えるには「ノイズ」が多すぎますが、比較する他のデバイスが多数ある場合、そのノイズは補正されます。最終的に、研究者らは Android スマートフォンの広大なウェブを使用して、監視ステーションと一致するレベルの精度で電離層の地図を作成することができました。インドや中央アフリカなどの地域では、Android 技術は実際に監視ステーションだけの精度をはるかに上回りました。

世界中の科学者は、高品質の地上監視ステーションのネットワークを通じて、この電離層トラフィック (正式には総電子量 (TEC) と呼ばれます) を測定できます。これらの検出ツールは効果的ですが、構築と維持に比較的費用がかかるため、世界の発展途上地域ではそれほど一般的ではありません。監視ステーションへのアクセスが不平等であるため、世界の電離層マッピングの精度に格差が生じています。Google の研究者は、世界の人口の大多数がすでに所有しているものに頼ることで、この不一致に対処しようとしました。携帯電話。

Googleの研究者で論文の共著者であるブライアン・ウィリアムズ氏はこう語った。 ポピュラーサイエンス 彼は以前、Android 製品の開発中に電離層の変化がどのように GPS 機能を妨げる可能性があるかを直接目にしていました。同氏は、このプロジェクトを、科学の進歩に貢献すると同時に日常のモバイル デバイス ユーザーの精度を向上させる機会と捉えていたと述べています。

「電離層がGPS測位を妨害していると考える代わりに、これをひっくり返して、GPS受信機を電離層を測定する機器として考えることができます」とウィリアムズ氏は語った。 「数百万台の携帯電話からのセンサー測定値を組み合わせることで、他の方法では不可能な電離層の詳細なビューを作成します。」

数百万台の Android スマートフォンがどのようにして「分散センサー ネットワーク」になったのか

最新のスマートフォンには、中地球軌道 (MEO) 上空約 1,200 マイルを周回する衛星から送信される無線信号を測定する GPS 受信機が搭載されています。受信機は自分自身と衛星の間の距離を計算し、それを使用して位置を特定します。精度は約 15 フィートです。これらの信号は、電離層に到達するまで、宇宙空間を遮るものなく急速に伝わります。高層大気のその部分は、季節、時刻、赤道からの距離などの変数に基づいて多かれ少なかれ混雑する可能性があり、これらすべてが最終的に GPS 精度誤差の原因となる可能性があります。ほとんどの電話の受信機には、推定誤差の約半分を除去できる補正モデルが搭載されています。

Google の研究者たちは、Android スマートフォンの受信機から取得した測定値が、より高度な監視ステーションで発生する電離層マッピングを本質的に再現できるかどうかを確認したいと考えていました。ポンドごとに監視ステーションは携帯電話より明らかに有利です。まず、携帯電話よりもはるかに大きなアンテナを備えています。また、都市部の建物やユーザーのジーンズのポケットに邪魔されることが多い携帯電話とは異なり、通常は澄んだ広い空の下に設置されます。個々の電話機には、数マイクロ秒単位で異なる可能性がある独自の測定バイアスもあります。しかし、携帯電話に欠けている個々の複雑さは、膨大な数で補われています。

研究者らは実験のために、二重周波数全地球航法衛星システムを搭載した世界中の数百万台の Android スマートフォンから衛星航法信号を収集しました。 Googleは、測定値は「集約」され「匿名化」されており、位置情報やその他の関連設定がすでに有効になっているAndroidデバイスのサンプルから得られたものであると述べている。プライバシーをさらに保護するために、研究者は電話に関連付けられた「大まかな位置」（約 10 キロメートル）のみを使用しました。研究では膨大な規模の携帯電話が使用されたため、研究者らはデバイスを相互に比較することで個人の偏見を修正することができました。これらの測定値をすべて組み合わせると、研究者らは電離層の自由電子の詳細な世界地図を作成することができました。

「シグナルを集約した広大なクラウドソーシングネットワークは、非常に機密性の高い科学機器として機能する可能性がある」とGoogleの研究者らはブログ投稿で書いている。

研究者らはその後、Android スマートフォンのマップを、世界中の監視ステーションからの測定値を含むデータベースの測定値と比較しました。電話による方法により、特に監視ステーションが不足しているインドや東ヨーロッパの地域で通信範囲が大幅に拡大しました。上の画像では、青い点は、電離層の地図作成に役立つ十分な数の電話測定が利用できる世界中の約 100,000 か所の場所を示しています。これに比べて、監視ステーションはわずか 9,000 か所です。

「世界の多くの地域において、私たちのモデルのパフォーマンスは、監視ステーションからの測定値に適合する最先端の全球電離層マップを使用するのと同等です」と Google のブログ投稿には書かれています。

電離層マップは GPS をより正確にする可能性がある

これらすべては、消費者にとってより正確なナビゲーション ツールに間もなく変換される可能性があります。この研究では、研究者らは、携帯電話ベースの電離層マップが、すでにほとんどの携帯電話で使用されている標準的な電離層誤差補正を上回ったと主張しています。今後の展開について、Google は次のように述べています。 ポピュラーサイエンス 将来の Android デバイスに位置精度の利点の一部をもたらす計画があります。これにより、ルートを計画する際の迷惑なナビゲーション エラーが減る可能性があります。一見小さな、または取るに足らない精度の向上は、極端な緊急事態に適用されると、実際には重要な役割を果たす可能性があります。ウィリアムズ氏は、この新しいレベルの精度は、高速道路と並行する険しい側道をより正確に区別するのに役立ち、できるだけ早く現場に到着しようとする初期対応者にとって非常に重要な詳細であると説明した。

また、電話地図データのカバー範囲が広いため、研究者は、限られた量の専用機器を使用して、プラズマバブルなどの興味深い電離層現象を観察し、記録する機会が得られます。驚くべきケースの 1 つは、Google の研究者が電話マップを使用して、その地域の少数の監視ステーションでは気づかれなかった南アジア上空の赤道の異常を特定することに成功したということです。

「日没近くにインド上空を移動するプラズマの泡を示すために必要な解像度を初めて達成したとき、私はびっくりしました」とウィリアムズ氏は語った。 「科学者たちはこれまでに赤道のプラズマバブルを観察したことがありますが、世界のこの地域ではこれほど詳細なレベルでは観察されていません。 NASA COSMIC-2 衛星の 1 つがこれらのプラズマバブルの 1 つを通過し、携帯電話が測定しているのと同じようにイオン密度の低下を測定したときに、観測結果を確認できたときは、私たちは感激しました。」

Android 電離層マップには、直接的ではない他の利点もあります。研究者らは、Androidの受信測定値を分析したところ、2024年5月10日から11日に北米で発生したものを含む、今年初めに発生した2つの強力な太陽嵐に対応する電磁活動の兆候を検出できたと述べた。その地域の電話で測定された電離層は、活動の明らかな急増と、その後の急速な減少を示しました。この嵐は監視局によって捕捉されたが、監視局のない地域での電話ベースの電離層測定により、他の方法では見逃される可能性のある太陽嵐や地磁気活動についてのより多くの洞察が得られる可能性があると研究は指摘している。このデータを分析することは、科学者が今後の潜在的に危険な出来事に備えて対応する最善の方法をより深く理解するのに役立つ可能性があります。

「電話による測定で作成された電離層マップでは、一部の場所では以前よりも詳細に電離層のダイナミクスが明らかになりました」とウィリアムズ氏は述べた。 「電話による測定によって明らかになった電離層の新しい見方が、磁気嵐が電離層に及ぼす影響を科学者がより深く理解するのに役立つことを願っています。」