Les chercheurs de Google ont dvelopp une approche innovante en utilisant les smartphones Android comme instruments de cartographie de l’ionosphre, une couche de la Terre qui impacte la prcision des systmes de navigation par satellite (GNSS). Grce des milliards de tlphones quips de rcepteurs GNSS double frquence, Google a pu transformer ces appareils en capteurs collectant des donnes utiles pour tudier l’ionosphre. Cependant, la manire dont ces donnes sont recueillies soulve plusieurs interrogations sur la nature des informations collectes et la manire dont elles sont utilises.
En principe, les tlphones se connectent directement aux satellites pour dterminer la position de l’utilisateur, en mesurant la latence du signal entre le satellite et l’appareil. Ce processus implique non seulement des calculs lis la position terrestre du tlphone, mais galement des informations sur la localisation des satellites. Si la collecte des donnes est dcrite comme tant relativement discrte, il faut nanmoins se rappeler que chaque tlphone ncessite une localisation prcise pour dterminer l’impact de l’ionosphre sur les signaux GNSS. Ainsi, rduire ce processus une simple mesure de latence omet une partie importante du travail effectu en coulisse, notamment lintgration de donnes provenant de diverses sources pour obtenir des rsultats fiables.
Le projet a permis d’largir la couverture de mesure de l’ionosphre, doublant ainsi la porte des stations GNSS terrestres classiques, qui souffrent d’une couverture gographique limite. Toutefois, la collecte de donnes grande chelle prsente des dfis : les tlphones, contrairement aux stations de surveillance fixes, sont soumis des interfrences dues leur environnement immdiat, comme les poches ou les zones urbaines denses. De plus, le bruit dans les donnes collectes par les tlphones est beaucoup plus lev, ncessitant un traitement minutieux pour extraire des informations prcieuses. Malgr ces obstacles, les rsultats 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’ide de transformer des millions de smartphones en capteurs scientifiques soit impressionnante, elle soulve des questions sur la gestion des donnes personnelles et l’ampleur de la collecte d’informations. Bien que le projet semble avoir un potentiel pour amliorer la prcision de la navigation par satellite, il n’est pas exempt de critiques sur la nature des donnes collectes et lutilisation de la latence des signaux pour analyser l’ionosphre.
L’ionosphre est la couche suprieure de l’atmosphre terrestre ionise par les rayons UV solaires. Elle s’tend depuis environ 80 km d’altitude jusqu’au-del de 1000 km, et ses effets sur les signaux GNSS peuvent entraner des erreurs de positionnement. Traditionnellement, les stations au sol collectent des donnes sur l’ionosphre, mais ces stations n’offrent qu’une couverture limite, particulirement dans les rgions moins bien desservies.
Utilisation des smartphones Android pour combler les lacunes de couverture de l’ionosphre
Les chercheurs ont utilis l’API GNSS d’Android pour recueillir des donnes provenant de millions de tlphones, telles que les temps de parcours et les frquences des signaux satellitaires, afin d’estimer le contenu total en lectrons (TEC) de l’ionosphre. Bien que les mesures des smartphones soient moins prcises que celles des stations spcialises, la collecte massive de donnes a permis d’obtenir des rsultats robustes et fiables.
Cette approche a permis de rsoudre des phnomnes complexes, comme les temptes solaires et les variations de la densit du plasma. En combinant les donnes de millions de smartphones, les chercheurs ont amlior la prcision des modles TEC et ont observ des phnomnes spcifiques, comme des anomalies quatoriales et des creux au-dessus de certaines latitudes. De plus, cette mthode a permis de combler les lacunes de couverture dans des rgions comme l’Inde, l’Amrique du Sud, et l’Afrique, qui taient souvent sous-surveilles par les mthodes traditionnelles.
Les rsultats ont montr que cette mthode tait plus efficace que d’autres approches existantes, comme le modle Klobuchar, souvent utilis dans les appareils mobiles. Grce cette initiative, des cartes TEC en temps rel et haute rsolution ont pu tre produites, offrant ainsi un outil puissant pour amliorer la navigation et la comprhension de l’ionosphre.
dans une tude publie dans Nature, des chercheurs de Google Research ont dmontr une solution innovante en utilisant des millions de smartphones Android comme rseau distribu de capteurs. Le contenu total en lectrons de l’ionosphre varie en fonction de l’environnement spatial de la Terre et interfre avec les signaux du systme 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 rseaux de stations GNSS terrestres de haute qualit fournissent des cartes du contenu total en lectrons de l’ionosphre pour corriger ces erreurs, mais les grandes lacunes spatio-temporelles dans les donnes de ces stations signifient que ces cartes peuvent contenir des erreurs.
Les chercheurs dmontrons ici qu’un rseau distribu de capteurs bruyants – sous la forme de millions de tlphones Android – peut combler bon nombre de ces lacunes et doubler la couverture des mesures, fournissant ainsi une image prcise de l’ionosphre dans les rgions du monde mal desservies par l’infrastructure conventionnelle. En utilisant les mesures des smartphones, ils rsolvent des caractristiques telles que les bulles de plasma au-dessus de l’Inde et de l’Amrique du Sud, la densit renforce par les temptes solaires au-dessus de l’Amrique du Nord et un creux ionosphrique de latitude moyenne au-dessus de l’Europe. Ils montrent galement que les cartes de l’ionosphre qui en rsultent peuvent amliorer la prcision de la localisation, ce qui tait lobjectif lobjectif principal des travaux des chercheurs.
Ce travail dmontre le potentiel de l’utilisation d’un grand rseau distribu de smartphones comme instrument scientifique puissant pour la surveillance de la Terre.
Couverture gographique des tlphones et des stations de surveillance. a-c. Les 9 036 stations de surveillance (points orange) contribuent la base de donnes Madrigal, qui consolide des dizaines de rseaux de stations mondiales et rgionales. Les points bleus indiquent environ 100 000 lieux o des mesures tlphoniques sont disponibles. Un site dans une grande ville peut avoir des milliers de tlphones.
La carte mondiale
- montre que certaines parties du monde (comme les tats-Unis et l’Europe) sont densment couvertes par des stations de surveillance.
- En zoomant sur l’Europe (b), on constate que la couverture des tlphones est encore plus dense. La couverture des tlphones portables est encore plus dense.
- En Inde (c), la couverture relative des tlphones est encore plus importante. L’emplacement des stations est tir de la base de donnes Madrigal.
- Les emplacements o se trouvent des tlphones proviennent de la prsente tude.
Les tlphones mobiles constituent une ressource prcieuse pour la cartographie du TEC. Le graphique ci-dessus compare la distribution mondiale des stations de surveillance avec celle des zones o les tlphones Android gnrent des mesures GNSS double frquence. Bien que les stations et les tlphones offrent une couverture dense dans de nombreuses rgions, les tlphones mobiles assurent une couverture exceptionnelle, notamment dans l’Est du pays. Ils offrent une couverture sans quivalent dans des zones telles que l’Europe de l’Est, l’Inde, l’Asie du Sud, une grande partie de l’Europe, l’Amrique du Sud et certaines rgions d’Afrique.
L’ionosphre a t cartographie partir des mesures collectes par une population d’appareils Android, dont la localisation et les paramtres pertinents sont activs pour capter des signaux satellites afin de dterminer leur position. Les utilisateurs d’Android peuvent autoriser la collecte de donnes de capteurs pour amliorer la prcision de la localisation. Par le pass, ces amliorations ont permis d’aider la localisation en intrieur lorsque le positionnement par satellite tait impossible.
La cartographie de l’ionosphre, ralise partir de donnes satellitaires recueillies par les tlphones, permettra d’amliorer la prcision des localisations en extrieur en rduisant les erreurs dues une mauvaise connaissance de l’ionosphre. Pour plus de dtails sur la collecte de ces donnes, se rfrer la section Mthodes. L’API GNSS d’Android17 fournit des donnes similaires celles des stations de surveillance GNSS, telles que l’identifiant du satellite, la frquence porteuse et les temps d’mission et de rception des signaux.
Toutefois, les tlphones mobiles prsentent certains dfis. Les antennes sont beaucoup plus petites et les rcepteurs GNSS moins sophistiqus que ceux des stations spcialises, ce qui entrane des mesures plus bruites. De plus, les stations de surveillance tant fixes et offrant une vue dgage du ciel, contrairement aux tlphones souvent stocks dans des poches ou dans des environnements urbains densment peupls, la qualit des mesures peut tre affecte. Chaque tlphone a galement son propre biais, en fonction de son matriel et des conditions environnementales. Pour garantir des rsultats prcis, il est essentiel d’attnuer le biais propre chaque appareil.
Un rcepteur GNSS mesure le TEC de l’ionosphre le long d’une ligne de vise partir d’un satellite en utilisant la diffrence des temps de parcours mesurs, t1 et t2, pour les signaux du satellite sur deux frquences diffrentes, f1 et f2. Le TEC le long de ce trajet est approxim au premier ordre par les frquences suivantes :
avec la constante de proportionnalit κ donne par
o c est la vitesse de la lumire et Re le rayon classique de l’lectron.
Un rseau de capteurs mobiles pour amliorer la prcision des cartes TEC
Les valeurs typiques de TEC peuvent atteindre 200 TECU. Notre analyse montre que le bruit dans les mesures brutes du tlphone a un cart 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 rduirait normalement le bruit davantage (jusqu’ 0,2 TECU), mais les mesures de la phase de la porteuse sont souvent peu fiables sur les tlphones. La figure ci-dessous compare la TEC mesure par une station de surveillance particulire avec les mesures de 1 011 stations de surveillance voisines. avec les mesures de 1 011 tlphones situs proximit. Malgr le bruit beaucoup plus important Malgr le bruit beaucoup plus important dans les mesures individuelles des tlphones, la moyenne est conforme aux mesures de la station. avec les mesures de la station.
Le TEC mesure l’intgrale de la densit d’lectrons le long du trajet en ligne droite entre un satellite et un tlphone. le long de la trajectoire en ligne droite entre un satellite et un tlphone. Nous adoptons un modle standard Nous adoptons un modle standard de l’ionosphre en coquille mince une hauteur de 350 km. Le cosinus de l’angle entre la ligne de vise et la normale 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’ionosphre en environ 98 000 cellules de surface peu prs gale (environ 75 km d’arte de longueur) en utilisant la bibliothque gomtrique S221 et nous supposons que la VTEC est constante dans chaque cellule.
Les valeurs typiques du TEC peuvent atteindre jusqu’ 200 TECU. Notre analyse rvle que le bruit dans les mesures brutes des tlphones prsente un cart-type d’environ 70 TECU, soit plus de 30 fois suprieur celui observ dans les mesures des stations de surveillance traditionnelles. En temps normal, le lissage de la phase de la porteuse permettrait de rduire ce bruit davantage, jusqu’ 0,2 TECU, mais les mesures de la phase de la porteuse sur les tlphones sont souvent peu fiables. La figure ci-dessous compare la TEC mesure par une station de surveillance spcifique avec celle des 1 011 stations de surveillance voisines et des 1 011 tlphones proximit. Bien que le bruit des mesures individuelles des tlphones soit beaucoup plus important, la moyenne des mesures est cohrente avec celle de la station de surveillance.
Le TEC mesure l’intgrale de la densit des lectrons le long du trajet direct entre un satellite et un tlphone. Nous adoptons un modle standard de l’ionosphre en coquille mince une altitude de 350 km. Le cosinus de l’angle entre la ligne de vise et la normale la coquille permet de convertir le TEC oblique (STEC) en TEC verticale (VTEC), qui reprsente la TEC pour un trajet direct vers le haut. Nous divisons la surface de l’ionosphre en environ 98 000 cellules de surface d’ peu prs gale taille (d’une longueur d’arte d’environ 75 km) en utilisant la bibliothque gomtrique S221 et supposons que la VTEC est constante au sein de chaque cellule.
Les recherches menes par Google Research s’appuient sur les milliards de smartphones quips de rcepteurs GNSS double frquence pour combler les lacunes en matire de couverture. Contrairement aux stations GNSS classiques, les smartphones sont mobiles, largement distribus et capables de capturer de grandes quantits de donnes.
En agrgeant et en faisant la moyenne des mesures provenant de millions d’appareils, les chercheurs ont obtenu une prcision comparable celle des stations de surveillance spcialises, et ont mme rsolu des phnomnes tels que les temptes solaires et les structures de densit du plasma.
En utilisant les donnes des tlphones Android, les chercheurs ont doubl la couverture des mesures de l’ionosphre par rapport aux mthodes traditionnelles et ont pu cartographier les bulles de plasma au-dessus de l’Inde et de l’Amrique du Sud et la densit renforce par les temptes au-dessus de l’Amrique du Nord lors d’une tempte gomagntique en mai 2024.
Ils ont galement observ des creux de latitude moyenne au-dessus de l’Europe et des anomalies quatoriales – un phnomne auparavant inaccessible en raison de la faible couverture des stations. Des rgions comme l’Inde, l’Amrique du Sud et l’Afrique, souvent mal desservies par les rseaux de surveillance traditionnels, ont notamment bnfici de cette approche, qui a permis de produire des cartes TEC en temps rel et haute rsolution.
La cartographie de l’ionosphre : une avance prometteuse ou une collecte de donnes inquitante ?
Le projet men par les chercheurs de Google qui utilise les smartphones Android comme outils de cartographie de l’ionosphre est effectivement une avance technologique intressante, mais elle soulve plusieurs points importants qu’il convient de considrer.
Tout d’abord, bien que l’ide d’exploiter les smartphones, dj omniprsents, pour amliorer la couverture des mesures de l’ionosphre soit innovante, il est crucial de bien comprendre la nature des donnes collectes. Les smartphones sont capables de mesurer la latence entre les signaux satellites et l’appareil, ce qui permet de dduire l’impact de l’ionosphre sur les signaux GNSS. Cette latence est, certes, un paramtre essentiel pour l’obtention de donnes de correction ionosphrique utiles. Cependant, rduire cette collecte un simple processus de mesure de latence peut tre une simplification excessive. Il faut en effet rappeler que la prcision des mesures dpend galement de la position exacte du tlphone, un facteur cl dans l’extraction des donnes ionosphriques.
De plus, bien que l’initiative de Google soit prsente comme une manire discrte et non intrusive de collecter des donnes, il est difficile d’ignorer la question de la gestion de ces donnes, surtout lorsqu’elles proviennent d’une source aussi massive et ubiquitaire que les smartphones. Ce type de collecte n’est pas sans rappeler les donnes de trafic dj utilises depuis de nombreuses annes pour les services de navigation, un domaine o la collecte des informations reste souvent sous la surface, sans grande transparence quant leur utilisation.
Il est galement important de souligner que la collecte des donnes via les smartphones entrane invitablement des problmes de bruit, comme le montrent les carts par rapport aux mesures des stations GNSS traditionnelles. Le traitement et le nettoyage de ces donnes peuvent tre complexes et ncessitent des algorithmes sophistiqus pour en extraire des informations fiables, ce qui n’est pas sans dfis.
En somme, bien que cette approche de Google prsente un potentiel rel pour amliorer la prcision des systmes GNSS, elle soulve des questions sur la manire dont ces donnes sont collectes, traites et utilises. Il est ncessaire d’assurer une gestion responsable des informations recueillies, tout en garantissant la transparence et la protection de la vie prive des utilisateurs.
Source : Google Research
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L’utilisation des smartphones Android par les chercheurs de Google pour cartographier l’ionosphre est-elle une approche pertinente ?
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