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近期，來自Google的研究團隊首次使用約4000萬支手機的即時數據繪製出電離層（ionosphere）〔註〕的狀況。這種從群眾身上收集到的訊號有望改善衛星導航的功能，幫助研究人員了解電離層，尤其是在非洲、南美、南亞等一些數據較少的地區。相關研究結果已刊登於《自然》（Nature）期刊中。

〔註〕電離層為高層大氣的一個區域，其中的一些空氣分子被電離。

當空氣被部分電離時，自由移動的電子會稍微降低GPS及其他導航衛星傳送到地球的無線電訊號速度，這可能影響衛星導航進行精確定位時的精度，進而對飛機著陸和自動駕駛汽車（簡稱自駕車）產生潛在的影響。而工程師可以利用地面接收站的數據建立即時的電子密度地圖，藉此校正電離層的波動。地面接收站可以檢測同一顆衛星接收到地表發射的高頻、低頻無線電波到達衛星的時間，由於電離層中的電子會使低頻波比高頻波慢約一奈秒（nanosecond）抵達，研究人員便可以藉由時間差異分析出波在傳播路徑上電子的密度。若是不校正誤差，便可能使GPS定位出現約五公尺的落差；且在太陽風暴期間，來自太陽的帶電粒子會提高電離層的電子密度，甚至有可能使GPS誤差達到數十公尺。但目前這種校正技術在某些地方遭遇困難，因為世界上有許多地區缺乏用於製作即時電子密度地圖的地面接收站。

在本次Google發表的技術中，研究團隊使用了人人都有的手機來彌補此問題。雖然智慧型手機可以在多種頻率下工作，但在過去，研究人員並不認為手機的感測器能夠用於繪製電離層地圖。原因在於來自手機的資料比來自專用科學接收器的資料包含更多雜訊，再加上它只能間歇性地接收訊號，而無線電波還會從建築區附近的建築物反射，因此不適合用於感測。儘管如此，Google團隊卻透過收集大量數據來彌補此問題。該研究的作者威廉斯（Brian Williams）表示，當非常大量的數據結合時，雜訊會變得平均，因此仍然可以獲得清晰的訊號，而這樣的做法就像是在每個有手機的城市都設立了一座科學監測站。任何擁有Android手機並允許Google收集感測器數據，以提高位置準確性的人都有資格參與這項研究。而針對隱私權的部分，Google表示這些收集到的數據已經過匯總，無法辨識出單一設備的位置。

目前，團隊已開始使用這種技術來提高Android用戶的定位準確性。他們也認為這些數據能協助大氣科學的研究。透過手機數據繪製出的電離層地圖，已經能協助分析南美洲上空、之前尚未被詳細觀測的電漿（plasma）。來自麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）、中國科學院的研究人員對這項研究成果感到驚歎。他們認為此研究成果將能填補地圖上許多空白之處，並讓研究人員世界上某些未知角落的訊息。此外，在某些地區，從手機訊號獲得的數據還可以使GPS誤差減少10∼20%。

為了讓更多研究人員受益，Google將會發布相關數據，但目前還未有提供即時數據的計畫。現階段研究人員正在研究智慧型手機感測器在其他科學研究中的潛力，希望這些研究能重新翻轉我們對手機的認識。

新聞來源
Gibney, E. (13 November 2024). Google uses millions of phones to map Earth’s ionosphere and improve GPS. Nature, https://www.nature.com/articles/d41586-024-03725-3.