Les chercheurs de Google ont développé une approche innovante en utilisant les smartphones Android comme instruments de cartographie de l'ionosphère, une couche de la Terre qui impacte la précision des systèmes de navigation par satellite (GNSS). Grâce à des milliards de téléphones équipés de récepteurs GNSS à double fréquence, Google a pu transformer ces appareils en capteurs collectant des données utiles pour étudier l'ionosphère. Cependant, la manière dont ces données sont recueillies soulève plusieurs interrogations sur la nature des informations collectées et la manière dont elles sont utilisées.En principe, les téléphones se connectent directement aux satellites pour déterminer la position de l'utilisateur, en mesurant la latence du signal entre le satellite et l'appareil. Ce processus implique non seulement des calculs liés à la position terrestre du téléphone, mais également des informations sur la localisation des satellites. Si la collecte des données est décrite comme étant relativement discrète, il faut néanmoins se rappeler que chaque téléphone nécessite une localisation précise pour déterminer l'impact de l'ionosphère sur les signaux GNSS. Ainsi, réduire ce processus à une simple mesure de latence omet une partie importante du travail effectué en coulisse, notamment l’intégration de données provenant de diverses sources pour obtenir des résultats fiables.
Le projet a permis d'élargir la couverture de mesure de l'ionosphère, doublant ainsi la portée des stations GNSS terrestres classiques, qui souffrent d'une couverture géographique limitée. Toutefois, la collecte de données à grande échelle présente des défis : les téléphones, contrairement aux stations de surveillance fixes, sont soumis à des interférences dues à leur environnement immédiat, comme les poches ou les zones urbaines denses. De plus, le bruit dans les données collectées par les téléphones est beaucoup plus élevé, nécessitant un traitement minutieux pour extraire des informations précieuses. Malgré ces obstacles, les résultats montrent que cette approche, bien que novatrice, repose sur des techniques de nettoyage et de filtrage complexes pour offrir des informations utiles.
Ainsi, bien que l'idée de transformer des millions de smartphones en capteurs scientifiques soit impressionnante, elle soulève des questions sur la gestion des données personnelles et l'ampleur de la collecte d'informations. Bien que le projet semble avoir un potentiel pour améliorer la précision de la navigation par satellite, il n'est pas exempt de critiques sur la nature des données collectées et l’utilisation de la latence des signaux pour analyser l'ionosphère.
L'ionosphère est la couche supérieure de l'atmosphère terrestre ionisée par les rayons UV solaires. Elle s'étend depuis environ 80 km d'altitude jusqu'au-delà de 1000 km, et ses effets sur les signaux GNSS peuvent entraîner des erreurs de positionnement. Traditionnellement, les stations au sol collectent des données sur l'ionosphère, mais ces stations n'offrent qu'une couverture limitée, particulièrement dans les régions moins bien desservies.
Utilisation des smartphones Android pour combler les lacunes de couverture de l'ionosphère
Les chercheurs ont utilisé l'API GNSS d'Android pour recueillir des données provenant de millions de téléphones, telles que les temps de parcours et les fréquences des signaux satellitaires, afin d'estimer le contenu total en électrons (TEC) de l'ionosphère. Bien que les mesures des smartphones soient moins précises que celles des stations spécialisées, la collecte massive de données a permis d'obtenir des résultats robustes et fiables.
Cette approche a permis de résoudre des phénomènes complexes, comme les tempêtes solaires et les variations de la densité du plasma. En combinant les données de millions de smartphones, les chercheurs ont amélioré la précision des modèles TEC et ont observé des phénomènes spécifiques, comme des anomalies équatoriales et des creux au-dessus de certaines latitudes. De plus, cette méthode a permis de combler les lacunes de couverture dans des régions comme l'Inde, l'Amérique du Sud, et l'Afrique, qui étaient souvent sous-surveillées par les méthodes traditionnelles.
Les résultats ont montré que cette méthode était plus efficace que d'autres approches existantes, comme le modèle Klobuchar, souvent utilisé dans les appareils mobiles. Grâce à cette initiative, des cartes TEC en temps réel et à haute résolution ont pu être produites, offrant ainsi un outil puissant pour améliorer la navigation et la compréhension de l'ionosphère.
dans une étude publiée dans Nature, des chercheurs de Google Research ont démontré une solution innovante en utilisant des millions de smartphones Android comme réseau distribué de capteurs. Le contenu total en électrons de l'ionosphère varie en fonction de l'environnement spatial de la Terre et interfère avec les signaux du système mondial de navigation par satellite (GNSS), ce qui constitue l'une des plus grandes sources d'erreur pour les services de position, de navigation et de synchronisation. Les réseaux de stations GNSS terrestres de haute qualité fournissent des cartes du contenu total en électrons de l'ionosphère pour corriger ces erreurs, mais les grandes lacunes spatio-temporelles dans les données de ces stations signifient que ces cartes peuvent contenir des erreurs.
Les chercheurs démontrons ici qu'un réseau distribué de capteurs bruyants - sous la forme de millions de téléphones Android - peut combler bon nombre de ces lacunes et doubler la couverture des mesures, fournissant ainsi une image précise de l'ionosphère dans les régions du monde mal desservies par l'infrastructure conventionnelle. En utilisant les mesures des smartphones, ils résolvent des caractéristiques telles que les bulles de plasma au-dessus de l'Inde et de l'Amérique du Sud, la densité renforcée par les tempêtes solaires au-dessus de l'Amérique du Nord et un creux ionosphérique de latitude moyenne au-dessus de l'Europe. Ils montrent également que les cartes de l'ionosphère qui en résultent peuvent améliorer la précision de la localisation, ce qui était l’objectif l’objectif principal des travaux des chercheurs.
Ce travail démontre le potentiel de l'utilisation d'un grand réseau distribué de smartphones comme instrument scientifique puissant pour la surveillance de la Terre.
Couverture géographique des téléphones et des stations de surveillance. a-c. Les 9 036 stations de surveillance (points orange) contribuent à la base de données Madrigal, qui consolide des dizaines de réseaux de stations mondiales et régionales. Les points bleus indiquent environ 100 000 lieux où des mesures téléphoniques sont disponibles. Un site dans une grande ville peut avoir des milliers de téléphones.
La carte mondiale
- montre que certaines parties du monde (comme les États-Unis et l'Europe) sont densément couvertes par des stations de surveillance.
- En zoomant sur l'Europe (b), on constate que la couverture des téléphones est encore plus dense. La couverture des téléphones portables est encore plus dense.
- En Inde (c), la couverture relative des téléphones est encore plus importante. L'emplacement des stations est tiré de la base de données Madrigal.
- Les emplacements où se trouvent des téléphones proviennent de la présente étude.
Les téléphones mobiles constituent une ressource précieuse pour la cartographie du TEC. Le graphique ci-dessus compare la distribution mondiale des stations de surveillance avec celle des zones où les téléphones Android génèrent des mesures GNSS à double fréquence. Bien que les stations et les téléphones offrent une couverture dense dans de nombreuses régions, les téléphones mobiles assurent une couverture exceptionnelle, notamment dans l'Est du pays. Ils offrent une couverture sans équivalent dans des zones telles que l'Europe de l'Est, l'Inde, l'Asie du Sud, une grande partie de l'Europe, l'Amérique du Sud et certaines régions d'Afrique.
L'ionosphère a été cartographiée à partir des mesures collectées par une population d'appareils Android, dont la localisation et les paramètres pertinents sont activés pour capter des signaux satellites afin de déterminer leur position. Les utilisateurs d'Android peuvent autoriser la collecte de données de capteurs pour améliorer la précision de la localisation. Par le passé, ces améliorations ont permis d'aider à la localisation en intérieur lorsque le positionnement par satellite était impossible.
La cartographie de l'ionosphère, réalisée à partir de données satellitaires recueillies par les téléphones, permettra d'améliorer la précision des localisations en extérieur en réduisant les erreurs dues à une mauvaise connaissance de l'ionosphère. Pour plus de détails sur la collecte de ces données, se référer à la section Méthodes. L'API GNSS d'Android17 fournit des données similaires à celles des stations de surveillance GNSS, telles que l'identifiant du satellite, la fréquence porteuse et les temps d'émission et de réception des signaux.
Toutefois, les téléphones mobiles présentent certains défis. Les antennes sont beaucoup plus petites et les récepteurs GNSS moins sophistiqués que ceux des stations spécialisées, ce qui entraîne des mesures plus bruitées. De plus, les stations de surveillance étant fixes et offrant une vue dégagée du ciel, contrairement aux téléphones souvent stockés dans des poches ou dans des environnements urbains densément peuplés, la qualité des mesures peut être affectée. Chaque téléphone a également son propre biais, en fonction de son matériel et des conditions environnementales. Pour garantir des résultats précis, il est essentiel d'atténuer le biais propre à chaque appareil.
Un récepteur GNSS mesure le TEC de l'ionosphère le long d'une ligne de visée à partir d'un satellite en utilisant la différence des temps de parcours mesurés, t1 et t2, pour les signaux du satellite sur deux fréquences différentes, f1 et f2. Le TEC le long de ce trajet est approximé au premier ordre par les fréquences suivantes :
avec la constante de proportionnalité κ donnée par
où c est la vitesse de la lumière et Re le rayon classique de l'électron.
Un réseau de capteurs mobiles pour améliorer la précision des cartes TEC
Les valeurs typiques de TEC peuvent atteindre 200 TECU. Notre analyse montre que le bruit dans les mesures brutes du téléphone a un écart type d'environ 70 TECU, soit plus de 30 fois plus que le bruit de mesure des stations de surveillance traditionnelles. Le lissage de la phase de la porteuse réduirait normalement le bruit davantage (jusqu'à 0,2 TECU), mais les mesures de la phase de la porteuse sont souvent peu fiables sur les téléphones. La figure ci-dessous compare la TEC mesurée par une station de surveillance particulière avec les mesures de 1 011 stations de surveillance voisines. avec les mesures de 1 011 téléphones situés à proximité. Malgré le bruit beaucoup plus important Malgré le bruit beaucoup plus important dans les mesures individuelles des téléphones, la moyenne est conforme aux mesures de la station. avec les mesures de la station.
Le TEC mesure l'intégrale de la densité d'électrons le long du trajet en ligne droite entre un satellite et un téléphone. le long de la trajectoire en ligne droite entre un satellite et un téléphone. Nous adoptons un modèle standard Nous adoptons un modèle standard de l'ionosphère en coquille mince à une hauteur de 350 km. Le cosinus de l'angle entre la ligne de visée et la normale à la coquille permet de convertir entre la TEC oblique (STEC) et la TEC verticale (VTEC), la TEC pour un trajet en ligne droite vers le haut. droit vers le haut. Nous divisons la surface de l'ionosphère en environ 98 000 cellules de surface à peu près égale (environ 75 km d'arête de longueur) en utilisant la bibliothèque géométrique S221 et nous supposons que la VTEC est constante dans chaque cellule.
Les valeurs typiques du TEC peuvent atteindre jusqu'à 200 TECU. Notre analyse révèle que le bruit dans les mesures brutes des téléphones présente un écart-type d'environ 70 TECU, soit plus de 30 fois supérieur à celui observé dans les mesures des stations de surveillance traditionnelles. En temps normal, le lissage de la phase de la porteuse permettrait de réduire ce bruit davantage, jusqu'à 0,2 TECU, mais les mesures de la phase de la porteuse sur les téléphones sont souvent peu fiables. La figure ci-dessous compare la TEC mesurée par une station de surveillance spécifique avec celle des 1 011 stations de surveillance voisines et des 1 011 téléphones à proximité. Bien que le bruit des mesures individuelles des téléphones soit beaucoup plus important, la moyenne des mesures est cohérente avec celle de la station de surveillance.
Le TEC mesure l'intégrale de la densité des électrons le long du trajet direct entre un satellite et un téléphone. Nous adoptons un modèle standard de l'ionosphère en coquille mince à une altitude de 350 km. Le cosinus de l'angle entre la ligne de visée et la normale à la coquille permet de convertir le TEC oblique (STEC) en TEC verticale (VTEC), qui représente la TEC pour un trajet direct vers le haut. Nous divisons la surface de l'ionosphère en environ 98 000 cellules de surface d'à peu près égale taille (d'une longueur d'arête d'environ 75 km) en utilisant la bibliothèque géométrique S221 et supposons que la VTEC est constante au sein de chaque cellule.
Les recherches menées par Google Research s'appuient sur les milliards de smartphones équipés de récepteurs GNSS à double fréquence pour combler les lacunes en matière de couverture. Contrairement aux stations GNSS classiques, les smartphones sont mobiles, largement distribués et capables de capturer de grandes quantités de données.
En agrégeant et en faisant la moyenne des mesures provenant de millions d'appareils, les chercheurs ont obtenu une précision comparable à celle des stations de surveillance spécialisées, et ont même résolu des phénomènes tels que les tempêtes solaires et les structures de densité du plasma.
En utilisant les données des téléphones Android, les chercheurs ont doublé la couverture des mesures de l'ionosphère par rapport aux méthodes traditionnelles et ont pu cartographier les bulles de plasma au-dessus de l'Inde et de l'Amérique du Sud et la densité renforcée par les tempêtes au-dessus de l'Amérique du Nord lors d'une tempête géomagnétique en mai 2024.
Ils ont également observé des creux de latitude moyenne au-dessus de l'Europe et des anomalies équatoriales - un phénomène auparavant inaccessible en raison de la faible couverture des stations. Des régions comme l'Inde, l'Amérique du Sud et l'Afrique, souvent mal desservies par les réseaux de surveillance traditionnels, ont notamment bénéficié de cette approche, qui a permis de produire des cartes TEC en temps réel et à haute résolution.
La cartographie de l'ionosphère : une avancée prometteuse ou une collecte de données inquiétante ?
Le projet mené par les chercheurs de Google qui utilise les smartphones Android comme outils de cartographie de l'ionosphère est effectivement une avancée technologique intéressante, mais elle soulève plusieurs points importants qu'il convient de considérer.
Tout d'abord, bien que l'idée d'exploiter les smartphones, déjà omniprésents, pour améliorer la couverture des mesures de l'ionosphère soit innovante, il est crucial de bien comprendre la nature des données collectées. Les smartphones sont capables de mesurer la latence entre les signaux satellites et l'appareil, ce qui permet de déduire l'impact de l'ionosphère sur les signaux GNSS. Cette latence est, certes, un paramètre essentiel pour l'obtention de données de correction ionosphérique utiles. Cependant, réduire cette collecte à un simple processus de mesure de « latence » peut être une simplification excessive. Il faut en effet rappeler que la précision des mesures dépend également de la position exacte du téléphone, un facteur clé dans l'extraction des données ionosphériques.
De plus, bien que l'initiative de Google soit présentée comme une manière discrète et non intrusive de collecter des données, il est difficile d'ignorer la question de la gestion de ces données, surtout lorsqu'elles proviennent d'une source aussi massive et ubiquitaire que les smartphones. Ce type de collecte n'est pas sans rappeler les données de trafic déjà utilisées depuis de nombreuses années pour les services de navigation, un domaine où la collecte des informations reste souvent sous la surface, sans grande transparence quant à leur utilisation.
Il est également important de souligner que la collecte des données via les smartphones entraîne inévitablement des problèmes de bruit, comme le montrent les écarts par rapport aux mesures des stations GNSS traditionnelles. Le traitement et le nettoyage de ces données peuvent être complexes et nécessitent des algorithmes sophistiqués pour en extraire des informations fiables, ce qui n'est pas sans défis.
En somme, bien que cette approche de Google présente un potentiel réel pour améliorer la précision des systèmes GNSS, elle soulève des questions sur la manière dont ces données sont collectées, traitées et utilisées. Il est nécessaire d'assurer une gestion responsable des informations recueillies, tout en garantissant la transparence et la protection de la vie privée des utilisateurs.
Source : Google Research
Et vous ?
Quel est votre avis sur le sujet ? L'utilisation des smartphones Android par les chercheurs de Google pour cartographier l'ionosphère est-elle une approche pertinente ? Selon vous, la cartographie de l'ionosphère est une avancée prometteuse ou une collecte de données inquiétante ? En quoi l'utilisation des smartphones pour mesurer l'impact de l'ionosphère peut-elle poser des risques pour la vie privée des utilisateurs ?Voir aussi :
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