Agora podemos entender melhor a ionosfera graças às medições agregadas de milhões de telefones Android.

A ionosfera é um mar rodopiante de partículas carregadas que fica na atmosfera superior da Terra. Os íons se acumulam quando a radiação solar colide com moléculas de gás atmosférico, eliminando alguns de seus elétrons.

Variações na densidade de elétrons livres na ionosfera são uma das maiores fontes de erro em sistemas de navegação por satélite, como o Sistema de Posicionamento Global (GPS). Flutuações espaciais e temporais no plasma da ionosfera com base na estação, hora do dia e fatores geográficos, como distância do equador, afetam a trajetória dos sinais de satélite e interferem na precisão da localização do GPS. Interrupções mais poderosas nos sistemas de comunicação e navegação por satélite são causadas por explosões de radiação de tempestades solares — como as de maio de 2024 , que produziram auroras espetaculares nos hemisférios norte e sul.

Em um novo estudo publicado hoje na Nature , relatamos o uso de medições agregadas de sensores de milhões de telefones Android para mapear a ionosfera em um nível de precisão que corresponde — ou, em algumas partes do mundo, excede em muito — ao da infraestrutura de monitoramento convencional.

Embora cada telefone celular por si só forneça leituras ruidosas, demonstramos que uma vasta rede de crowdsourcing de sinais agregados pode atuar como um instrumento científico altamente sensível . Mais importante, podemos fazer isso mantendo importantes proteções de privacidade — sem identificar nenhum dispositivo individual contribuinte. Essa abordagem produz benefícios particulares em regiões como Índia, Sudeste Asiático e África Central, onde as estações de monitoramento são esparsas, mas o uso de telefones celulares é generalizado.

Esforços estão em andamento para entregar as melhorias de precisão de localização habilitadas por esta pesquisa para usuários do Android. Conhecer as condições ionosféricas atuais permite que um receptor GPS reduza o erro de localização em vários metros. Este nível de precisão aumentada pode ser incrivelmente útil para os usuários. Por exemplo, ser capaz de diferenciar entre uma rodovia e uma estrada paralela de fachada acidentada pode garantir que os despachantes enviem os primeiros socorristas corretos para o local correto e forneçam ajuda mais rapidamente.

Além disso, descobrimos que as medições de telefones celulares capturam características cientificamente importantes da ionosfera, fornecendo detalhes sem precedentes em regiões com poucas estações de monitoramento. À medida que a preocupação mundial sobre os riscos e consequências de uma grande tempestade solar cresce , o mapeamento da ionosfera do sensor do telefone pode fornecer a percepção necessária sobre os fenômenos ionosféricos.

As impressionantes exibições de luz da aurora, como esta observada em 11 de maio de 2024, em Saskatchewan, Canadá, ocorrem quando explosões de energia produzidas por tempestades solares interagem com o campo magnético da Terra. Foto de Gunjan Sinha cortesia do projeto Aurorasaurus da NASA .

Como a ionosfera afeta os sinais de GPS

GPS e outros sinais de navegação se originam de satélites orbitando cerca de 19.000–40.000 km acima da Terra . Esses sinais viajam em grande parte sem perturbações pelo espaço até atingirem o plasma da ionosfera. Assim como caminhar por uma rua lotada pode atrasá-lo, maiores concentrações de elétrons livres na ionosfera desaceleram e dispersam os sinais de satélite. Um receptor de GPS depende de um tempo extremamente preciso do sinal de rádio para descobrir a posição do receptor. Portanto, os atrasos causados ​​pela ionosfera levam a erros de localização.

Os receptores de GPS na maioria dos telefones usam um modelo de correção simples que pode remover cerca de metade desse erro. Nós nos perguntamos se os avanços na tecnologia de sensores disponíveis nos telefones celulares de hoje, juntamente com o grande número de usuários de telefones celulares, poderiam permitir um mapeamento mais detalhado da ionosfera que poderia melhorar a precisão da localização.

Estações de monitoramento dedicadas ao redor do mundo detectam sinais de satélite e corrigem erros induzidos pela ionosfera medindo diferenças de tempo entre sinais de rádio. Crucialmente, o atraso entre sinais depende da frequência do sinal de rádio , bem como das condições da ionosfera. Então, se medirmos a diferença nos tempos de chegada para dois sinais do mesmo satélite em duas frequências diferentes, então obtemos uma medição das condições da ionosfera ao longo desse caminho.

Mapeando a ionosfera usando telefones Android de dupla frequência

Muitos telefones Android hoje têm GPS ou outros receptores que podem detectar sinais de rádio em duas frequências , então, em princípio, esses telefones celulares podem realizar o mesmo cálculo que estações de monitoramento estacionárias.

Mas os telefones celulares têm antenas muito menores e, diferentemente das estações de monitoramento, que ficam sob um céu aberto, os sinais de alguns satélites são obstruídos por prédios ou até mesmo pela pessoa que carrega o telefone. Além disso, cada telefone tem seu próprio bias individual , adicionando um deslocamento fixo na ordem de microssegundos a todas as suas medições de tempo, enquanto a medição de atraso é na ordem de nanossegundos.

Os sinais de navegação por satélite passam pela ionosfera antes de chegar aos telefones no solo. A ionização atrasa os sinais por alguns nanossegundos extras, e os sinais de frequência mais baixa (L5) são atrasados ​​um pouco mais do que os de frequência mais alta (L1). Ao medir as diferenças no tempo de chegada, podemos inferir quanta ionização havia ao longo do caminho do sinal.

Esses vieses devem ser medidos e corrigidos para obter resultados significativos. Medir com muitos telefones resolve esse problema porque podemos descobrir o viés de cada telefone comparando-o com outros telefones. Dois telefones que recebem sinais passando pelo mesmo pedaço do céu ao mesmo tempo devem observar o mesmo atraso ionosférico. Essa restrição nos permite inferir quanto viés cada telefone contribui resolvendo uma gigantesca condição de consistência . Combinando esses vieses com as diferenças nos tempos de chegada, podemos mapear a ionosfera em todo o mundo.

Mapeando a ionosfera usando telefones Android de dupla frequência

Muitos telefones Android hoje têm GPS ou outros receptores que podem detectar sinais de rádio em duas frequências , então, em princípio, esses telefones celulares podem realizar o mesmo cálculo que estações de monitoramento estacionárias. Mas os telefones celulares têm antenas muito menores e, diferentemente das estações de monitoramento, que ficam sob um céu aberto, os sinais de alguns satélites são obstruídos por prédios ou até mesmo pela pessoa que carrega o telefone. Além disso, cada telefone tem seu próprio bias individual , adicionando um deslocamento fixo na ordem de microssegundos a todas as suas medições de tempo, enquanto a medição de atraso é na ordem de nanossegundos.

Os sinais de navegação por satélite passam pela ionosfera antes de chegar aos telefones no solo. A ionização atrasa os sinais por alguns nanossegundos extras, e os sinais de frequência mais baixa (L5) são atrasados ​​um pouco mais do que os de frequência mais alta (L1). Ao medir as diferenças no tempo de chegada, podemos inferir quanta ionização havia ao longo do caminho do sinal.

Esses vieses devem ser medidos e corrigidos para obter resultados significativos. Medir com muitos telefones resolve esse problema porque podemos descobrir o viés de cada telefone comparando-o com outros telefones. Dois telefones que recebem sinais passando pelo mesmo pedaço do céu ao mesmo tempo devem observar o mesmo atraso ionosférico. Essa restrição nos permite inferir quanto viés cada telefone contribui resolvendo uma gigantesca condição de consistência . Combinando esses vieses com as diferenças nos tempos de chegada, podemos mapear a ionosfera em todo o mundo.

Benefícios dos mapas da ionosfera baseados em telefone

Demonstramos como uma vasta rede de telefones poderia atuar como um poderoso instrumento científico, permitindo a medição de um fenômeno natural global. Isso, por sua vez, se traduzirá em melhor precisão de localização GPS para usuários do Android.

Melhorar a cobertura e a resolução do mapeamento global da ionosfera também tem implicações sociais e científicas importantes. Eventos geomagnéticos na ionosfera, como aqueles produzidos por tempestades solares, têm a capacidade de interromper redes de energia , comunicações de rádio e sistemas de navegação, perturbando assim elementos-chave da infraestrutura social, incluindo operações de resposta a emergências, assistência médica e governo . Embora a preparação para tempestades solares seja uma prioridade urgente nacional e internacional, os cientistas têm uma compreensão limitada da previsão do clima espacial. Nossa pesquisa oferece novos insights sobre a dinâmica da ionosfera durante tempestades solares e pode ajudar a apoiar novas descobertas na ciência da ionosfera.

Nossos esforços se alinham com outros projetos que visam usar sensores de telefones celulares para medir fenômenos naturais. Cientistas demonstraram, por exemplo, que medições de barômetros de telefone podem auxiliar na previsão do tempo e que os acelerômetros em telefones podem detectar terremotos para atuar como sistemas de alerta precoce. Estamos animados para ilustrar ainda mais como os dispositivos que muitos de nós carregamos em nossos bolsos podem ser usados ​​para fornecer medições úteis, o que por sua vez pode beneficiar a sociedade e expandir nossa compreensão científica do planeta.