Google utilizó millones de teléfonos Android para mapear al peor enemigo del GPS
Si alguna vez ha seguido una aplicación de navegación y se ha desviado de su rumbo, el culpable de la confusión puede estar flotando entre 50 y 200 millas sobre su cabeza. Esa región de la atmósfera terrestre llamada ionosfera puede contener niveles variables de electrones libres que, cuando están altamente concentrados, pueden ralentizar las señales de GPS que viajan entre satélites y receptores de dispositivos. Ese retraso, similar al de alguien que llega tarde al trabajo después de balancearse y zigzaguear frenéticamente por una calle concurrida de una ciudad, es uno de los principales factores que contribuyen a los errores en los sistemas de navegación.
En un artículo publicado esta semana en Naturalezalos investigadores de Google demostraron que podían utilizar mediciones de señales GPS extraídas de millones de dispositivos móviles Android anónimos para mapear la ionosfera. Aunque la señal de cualquier dispositivo móvil es demasiado “ruidosa” para decir mucho a los investigadores sobre la ionosfera, ese ruido se corrige cuando hay muchos otros dispositivos con los que comparar. Al final, los investigadores pudieron utilizar la vasta red de teléfonos Android para mapear la ionosfera con un nivel de precisión comparable al de las estaciones de monitoreo. En áreas como India y África Central, la técnica de Android superó con creces la precisión de las estaciones de monitoreo por sí solas.
Los científicos de todo el mundo pueden medir este tráfico ionosférico (oficialmente llamado contenido total de electrones (TEC) a través de una red de estaciones de seguimiento terrestres de alta calidad. Estas herramientas de detección son efectivas pero también son relativamente costosas de construir y mantener, lo que las hace menos comunes en las regiones en desarrollo del mundo. Ese acceso desigual a las estaciones de monitoreo genera disparidades en la precisión de los mapas ionosféricos globales. Los investigadores de Google intentaron solucionar este desajuste apoyándose en algo que ya propiedad de la mayoría de la población mundial
Investigador de Google y coautor del artículo. Brian Williams dijo Ciencia popular Anteriormente había visto de primera mano cómo los cambios en la ionosfera podrían obstaculizar las capacidades del GPS mientras trabajaba en productos Android. Dice que vio este proyecto como una oportunidad para contribuir simultáneamente con avances científicos y mejorar la precisión para los usuarios cotidianos de dispositivos móviles.
“En lugar de pensar que la ionosfera interfiere con el posicionamiento GPS, podemos darle la vuelta a esto y pensar en el receptor GPS como un instrumento para medir la ionosfera”, dijo Williams. “Al combinar las mediciones de los sensores de millones de teléfonos, creamos una vista detallada de la ionosfera que de otro modo no sería posible”.
Cómo millones de teléfonos Android se convirtieron en una ‘red de sensores distribuidos’
Los teléfonos inteligentes modernos vienen equipados con receptores GPS que miden las señales de radio emitidas desde satélites que orbitan aproximadamente a 1.200 millas y que se escuchan en la órbita terrestre media (MEO). Los receptores calculan la distancia entre ellos y los satélites y la utilizan para determinar la ubicación, Precisión de alrededor de 15 pies.. Esas señales viajan rápidamente y sin obstáculos a través del espacio hasta llegar a la ionosfera. Esa porción de la atmósfera superior puede estar más o menos poblada según variables como la estación, la hora del día o la distancia desde el ecuador, todo lo cual puede eventualmente contribuir a errores de precisión del GPS. La mayoría de los receptores telefónicos vienen equipados con un modelo correccional que es capaz de corregir aproximadamente la mitad de ese error estimado.
Los investigadores de Google querían ver si las mediciones tomadas desde receptores en teléfonos Android podrían esencialmente replicar el mapeo de la ionosfera que ocurre en estaciones de monitoreo más avanzadas. Libra por libra, las estaciones de monitoreo tienen una clara ventaja sobre los teléfonos móviles. Para empezar, tienen antenas mucho más grandes que las de los teléfonos móviles. También suelen estar bajo cielos abiertos y despejados, a diferencia de los teléfonos móviles, que a menudo se ven obstruidos por edificios urbanos o por el bolsillo de los vaqueros del usuario. Cada teléfono individual también tiene su propio sesgo de medición único que puede variar en varios microsegundos. Pero lo que les falta a los teléfonos en complejidad individual lo compensan con números.
Para su experimento, los investigadores recopilaron señales de navegación por satélite de millones de teléfonos Android en todo el mundo equipados con un sistema de navegación por satélite global de doble frecuencia. Google dice que las mediciones fueron “agregadas” y “desidentificadas” y provinieron de una muestra de dispositivos Android que ya tenían habilitadas la ubicación y otras configuraciones relevantes. Para preservar aún más la privacidad, el investigador sólo utilizó la “ubicación del rumbo” (alrededor de 10 kilómetros) asociada con los teléfonos. La gran escala de teléfonos utilizados en el estudio permitió a los investigadores corregir el sesgo individual comparando los dispositivos entre sí. Una vez que se combinaron todas estas mediciones, los investigadores pudieron crear un mapa global detallado de los electrones libres en la ionosfera.
“Una vasta red colaborativa de señales agregadas puede actuar como un instrumento científico altamente sensible”. Los investigadores de Google escribieron en una publicación de blog.
Luego, los investigadores compararon el mapa del teléfono Android con mediciones de una base de datos eso incluye lecturas de estaciones de monitoreo de todo el mundo. El método telefónico amplió enormemente la cobertura, particularmente en áreas de India y Europa del Este donde faltan estaciones de monitoreo. En la imagen de arriba, los puntos azules muestran aproximadamente 100.000 ubicaciones en todo el mundo donde había suficientes mediciones telefónicas disponibles para ayudar a mapear la ionosfera. Eso es en comparación con sólo 9.000 estaciones de monitoreo.
“En muchas partes del mundo, el rendimiento de nuestro modelo es equivalente al uso del mapa de ionosfera global de última generación en mediciones desde estaciones de monitoreo”, se lee en la publicación del blog de Google.
Los mapas de la ionosfera podrían hacer que el GPS sea más preciso
Todo esto pronto podría traducirse en herramientas de navegación más precisas para los consumidores. En el estudio, los investigadores afirman que sus mapas de ionosfera basados en teléfonos superaron la corrección de errores de ionosfera estándar que ya se utiliza en la mayoría de los teléfonos. En el futuro, dijo Google Ciencia popular tiene planes de llevar algunos de los beneficios de precisión de la ubicación a futuros dispositivos Android. Esto podría significar potencialmente errores de navegación menos molestos al trazar una ruta. Las mejoras de precisión aparentemente pequeñas o triviales podrían en realidad desempeñar un papel crucial cuando se aplican en entornos de emergencia extremos. Este nuevo nivel de precisión, explicó Williams, podría ayudar a distinguir mejor entre una carretera y una carretera lateral accidentada paralela, un detalle crucial para los socorristas que intentan llegar al lugar lo más rápido posible.
La amplia área de cobertura de los datos del mapa telefónico también brinda a los investigadores la oportunidad de ver y documentar fenómenos interesantes de la ionosfera, como burbujas de plasmacon una cantidad limitada de equipo especializado. En un caso sorprendente, los investigadores de Google pudieron utilizar el mapa telefónico para identificar una anomalía ecuatorial sobre el sur de Asia que pasó desapercibida para las pocas estaciones de monitoreo de la zona.
“Cuando logramos por primera vez la resolución necesaria para mostrar las burbujas de plasma moviéndose sobre la India cerca del atardecer, quedé impresionado”, dijo Williams. “Los científicos han visto burbujas de plasma ecuatorial antes, pero no con este nivel de detalle en esta parte del mundo. Nos emocionó poder confirmar nuestras observaciones cuando uno de los satélites COSMIC-2 de la NASA pasó a través de una de estas burbujas de plasma y midió una caída en la densidad de iones tal como lo estaban midiendo los teléfonos”.
También existen otros beneficios menos inmediatos de los mapas de ionosfera de Android. Cuando analizaron las mediciones de recepción de Android, los investigadores dijeron que pudieron detectar firmas de actividad electromagnética que correspondían con un par de poderosas tormentas solares que ocurrieron a principios de este año, incluida una que ocurrió en América del Norte entre el 10 y 11 de mayo de 2024. La ionosfera medida por teléfonos en esa zona mostró un claro aumento de actividad seguido de un rápido agotamiento posterior. Aunque esa tormenta fue captada por estaciones de monitoreo, el estudio señala que las mediciones telefónicas de la ionosfera en áreas sin estaciones de monitoreo podrían proporcionar más información sobre las tormentas solares o la actividad geomagnética que de otro modo podrían pasar desapercibidas. El análisis de estos datos podría ayudar a los científicos a comprender mejor cuál es la mejor manera de prepararse y responder ante eventos potencialmente peligrosos en el futuro.
“Los mapas de la ionosfera producidos con mediciones telefónicas revelan la dinámica de la ionosfera con más detalle en algunos lugares de lo que estaba disponible antes”, dijo Williams. “Esperamos que la nueva visión de la ionosfera revelada por las mediciones telefónicas ayude a los científicos a comprender mejor el efecto de las tormentas geomagnéticas en la ionosfera”.