نقشه‌برداری از یونوسفر با میلیون‌ها گوشی موبایل

چکیده

یونوسفر لایه‌ای از پلاسمای یونیزه شده ضعیف است که در میدان ژئومغناطیسی زمین قرار دارد و حدود 50 تا 1,500 کیلومتر بالاتر از سطح زمین امتداد می‌یابد. محتوای الکترونی کل یونوسفر در پاسخ به محیط فضایی زمین تغییر می‌کند و این تغییرات با سیگنال‌های سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS) تداخل می‌کند که یکی از بزرگ‌ترین منابع خطا در خدمات موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی به شمار می‌رود. شبکه‌های ایستگاه‌های زمینی GNSS با کیفیت بالا نقشه‌هایی از محتوای الکترونی کل یونوسفر را فراهم می‌کنند تا این خطاها را اصلاح کنند، اما شکاف‌های فضایی-زمانی بزرگ در داده‌های این ایستگاه‌ها به این معنی است که این نقشه‌ها ممکن است خطاهایی داشته باشند.

در این مقاله نشان می‌دهیم که یک شبکه توزیع‌شده از حسگرهای پر سر و صدا – به شکل میلیون‌ها گوشی اندرویدی – می‌تواند بسیاری از این شکاف‌ها را پر کند و پوشش اندازه‌گیری را دو برابر کند، که تصویری دقیق از یونوسفر در مناطقی از جهان که زیرساخت‌های مرسوم در آنها کم است، ارائه می‌دهد. با استفاده از اندازه‌گیری‌های گوشی‌های هوشمند، ویژگی‌هایی مانند حباب‌های پلاسما در هند و آمریکای جنوبی، چگالی افزایش یافته ناشی از طوفان‌های خورشیدی در آمریکای شمالی و فرورفتگی یونوسفر در اروپا را شبیه‌سازی می‌کنیم.

همچنین نشان می‌دهیم که نقشه‌های به‌دست‌آمده از یونوسفر می‌توانند دقت موقعیت‌یابی را بهبود دهند که هدف اصلی ما است. این تحقیق پتانسیل استفاده از یک شبکه توزیع‌شده بزرگ از گوشی‌های هوشمند را به عنوان یک ابزار علمی قدرتمند برای نظارت بر زمین نشان می‌دهد.

مقدمه

تلفن‌های همراه هوشمند، به لطف تجهیزاتی مانند گیرنده‌های GPS داخلی، دوربین‌های باکیفیت، سنسورهای حرکتی و اپلیکیشن‌های تخصصی، امروزه قابلیت‌هایی فراتر از ارتباطات و سرگرمی دارند. این دستگاه‌ها امکان جمع‌آوری داده‌های مکانی با دقت مناسب را فراهم می‌کنند و به کاربران، حتی بدون نیاز به تجهیزات حرفه‌ای، اجازه می‌دهند که عملیات نقشه‌برداری را انجام دهند. این تحول به ویژه در حوزه‌هایی که سرعت، هزینه کم و سهولت استفاده اهمیت بالایی دارند، کاربردی شده است.

یکی از عوامل کلیدی در گسترش نقشه برداری با موبایل، پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری‌های مکان‌یابی (مانند GPS، GLONASS، Galileo و BeiDou) است. این فناوری‌ها که حالا به بخشی جدایی‌ناپذیر از اکثر تلفن‌های همراه تبدیل شده‌اند، امکان تعیین موقعیت مکانی با دقتی که تا چند سال پیش تنها با دستگاه‌های حرفه‌ای ممکن بود را فراهم کرده‌اند. علاوه بر این، پردازنده‌های قدرتمند و امکانات گرافیکی تلفن‌های همراه، قابلیت پردازش سریع داده‌های مکانی را ایجاد کرده‌اند، که به کاربران امکان می‌دهد داده‌های جمع‌آوری‌شده را بلافاصله تحلیل یا نمایش دهند.

یکی دیگر از جنبه‌های مهم این تحول، توسعه اپلیکیشن‌های کاربردی نقشه‌برداری است. این نرم‌افزارها، که از ساده‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری تا پلتفرم‌های پیچیده تحلیل داده‌ها را شامل می‌شوند، به کاربران این امکان را می‌دهند که به راحتی اطلاعات مکانی مورد نیاز خود را جمع‌آوری و مستندسازی کنند. برخی از این اپلیکیشن‌ها حتی امکان اتصال به سامانه‌های ذخیره‌سازی ابری و اشتراک‌گذاری داده‌ها را فراهم می‌کنند که این ویژگی‌ها به‌ویژه در پروژه‌های تیمی و مطالعات گسترده بسیار مفید است.

تحولات اجتماعی و اقتصادی نیز نقش مهمی در افزایش استفاده از نقشه برد‌اری با موبایل داشته است. افزایش تعداد کاربران تلفن‌های هوشمند و نیاز به دسترسی به اطلاعات مکانی در حوزه‌هایی مانند مدیریت بحران، کشاورزی هوشمند، پایش محیط‌زیست و حتی بازاریابی مکانی، اهمیت نقشه‌برداری با موبایل را دوچندان کرده است. علاوه بر این، با کاهش قیمت تجهیزات حرفه‌ای نقشه‌برداری در مقایسه با موبایل‌ها، استفاده از این ابزارها به یک گزینه ایده‌آل برای بسیاری از کاربران تبدیل شده است.

در نتیجه، نقشه‌برداری با موبایل نه تنها راهکاری برای انجام وظایف پایه در نقشه برداری است، بلکه به‌عنوان یک ابزار تحول‌آفرین، در حال شکل‌دهی به آینده‌ی این حوزه است. این فناوری، با کاهش موانع ورود به دنیای نقشه‌برداری و ارائه ابزارهای کاربرپسند، نقش بزرگی در ارتقای دسترسی به داده‌های مکانی و تسهیل فرایندهای تصمیم‌گیری ایفا می‌کند.

روش‌ها

گیرنده‌های سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) و سایر گیرنده‌های GNSS فاصله‌ها را با اندازه‌گیری زمان رسیدن سیگنال رادیویی از ماهواره به گیرنده تخمین می‌زنند. محتوای الکترونی یونوسفر سرعت انتشار امواج رادیویی را تحت تأثیر قرار می‌دهد و باعث بروز خطاهای قابل توجهی در محاسبات فاصله گیرنده‌ها به ماهواره‌ها می‌شود. این یکی از بزرگ‌ترین منابع خطای مکان‌یابی است و بسیاری از گیرنده‌های GNSS از یک مدل فضایی-زمانی ضعیف از TEC یونو‌سفر برای جبران آن استفاده می‌کنند. بیشتر گوشی‌ها از یک مدل 8 پارامتری استفاده می‌کنند که حدود 50% از خطای یو‌نوسفر را کاهش می‌دهد. این مدل ساده در روزهای اولیه GPS توسعه داده شده بود و برای محاسبات محدود و پهنای باند موجود در آن زمان بهینه شده بود.

اگرچه خطای یونو‌سفر چالشی برای ناوبری به حساب می‌آید، اما همین اثر به ما این امکان را می‌دهد که با استفاده از یک گیرنده GNSS، محتوای الکترونی یو‌نوسفر را اندازه‌گیری کنیم. یونوسفر تأثیر کمتری بر سیگنال‌های با فرکانس بالاتر دارد. با اندازه‌گیری اختلاف زمان سفر بین سیگنال‌های مختلف فرکانس، می‌توانیم TEC را در مسیر دید مستقیم بین یک گیرنده دوفرکانسی GNSS و یک ماهواره تخمین بزنیم. این روش مدت‌ها است که با ایستگاه‌های GNSS زمینی با کیفیت بالا استفاده شده است، اما این ایستگاه‌ها برای نصب و نگهداری هزینه زیادی دارند و برخی از مناطق به‌طور پراکنده پوشش داده می‌شوند که باعث شکاف‌هایی در تصویر یونوسفر می‌شود.

با استفاده از یک شبکه حسگر توزیع‌شده متشکل از میلیون‌ها گوشی موبایل، می‌توانیم پدیده‌های یو‌نوسفری را با پوشش اندازه‌گیری تقریباً دو برابر حل کنیم. اگرچه پیش از این پیشنهاد شده است که از گیرنده‌های کم‌هزینه برای بهبود وضوح فضایی-زمانی نقشه‌های TEC استفاده شود، این تلاش‌ها تا کنون به مرحله اجرا نرسیده‌اند و با چالش‌های سازمانی و فنی قابل توجهی در نظارت بر یو‌نو‌سفر روبه‌رو بوده‌اند. ما نشان می‌دهیم که تعداد کافی گوشی‌های موبایل می‌تواند یک منبع ارزشمند برای نقشه‌برداری از TEC باشد.

نتایج

ما با استفاده از اندازه‌گیری‌های گوشی‌های اندرویدی که ویژگی‌ها و تنظیمات مربوطه را فعال کرده‌اند و از سیگنال‌های ماهواره‌ای برای تعیین موقعیت استفاده می‌کنند، یونوسفر را نقشه‌برداری می‌کنیم. کاربران اندروید می‌توانند اجازه دهند که داده‌های حسگر برای بهبود دقت موقعیت جمع‌آوری شود. نقشه‌برداری از یو‌نوسفر با استفاده از اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ای از گوشی‌ها دقت موقعیت‌یابی در فضای باز را با کاهش خطاهای ناشی از دانش نادرست یونوسفر بهبود می‌بخشد. ما از روش‌هایی برای محاسبه داده‌ها استفاده می‌کنیم که در جزئیات روش‌ها آورده شده است.

با مقایسه نقشه‌های TEC به‌دست‌آمده از گوشی‌ها با داده‌های ایستگاه‌های موجود و پایگاه داده Madrigal، نتایج ما نشان می‌دهند که نقشه‌های TEC گوشی‌ها با داده‌های ایستگاه‌ها توافق خوبی دارند و پوشش وسیع‌تری را در مناطق مختلف فراهم می‌آورد. این تحقیق نشان می‌دهد که استفاده از یک شبکه توزیع‌شده از گوشی‌های موبایل می‌تواند ابزاری قدرتمند برای نظارت علمی و بهبود دقت موقعیت‌یابی در مقیاس جهانی باشد.

چنانچه علاقه‌مند به مطالعه در زمینه مدل‌سازی‌های سه‌بعدی هستید، پیشنهاد می‌شود این مقاله را مطالعه کنید.

مقایسه پوشش اندازه‌گیری‌های یونوسفر بین ایستگاه‌ها و تلفن‌ها

برای مقایسه پوشش اندازه‌گیری یونوسفر بین ایستگاه‌ها و تلفن‌ها، نسبت دقایق سلولی که شامل مقداری از پایگاه داده Madrigal و نقشه‌های TEC مبتنی بر تلفن است، محاسبه شد. در بخش‌های وسیعی از کره‌ زمین (به‌ویژه آسیا، آفریقا، اروپای شرقی و آمریکای جنوبی)، تلفن‌ها اندازه‌گیری‌هایی از TEC یونوسفر ارائه می‌دهند که در زمان‌ها و مکان‌های نادیده‌گرفته‌شده توسط ایستگاه‌های نظارتی انجام می‌شود. در طول کل دوره زمانی، ۱۴ درصد از یونوسفر تنها توسط ایستگاه‌ها اندازه‌گیری شد، در حالی که ۲۱ درصد تنها توسط تلفن‌ها اندازه‌گیری شد. اضافه کردن تلفن‌ها به ایستگاه‌های نظارتی منجر به اندازه‌گیری ۲۸ درصد از یونوسفر می‌شود که پوشش یو‌نوسفر را از اندازه‌گیری‌های ایستگاه‌های نظارتی به‌تنهایی دو برابر می‌کند.

توضیحات تصویر:

الف–ج: تعداد 9,036 ایستگاه نظارتی (نقاط نارنجی) به پایگاه داده Madrigal کمک می‌کنند، که شبکه‌های ایستگاه‌های جهانی و منطقه‌ای را تجمیع می‌کند. نقاط آبی تقریباً 100,000 مکانی را نشان می‌دهند که در آن اندازه‌گیری‌های تلفن همراه موجود است. یک مکان در داخل یک شهر بزرگ ممکن است دارای هزاران تلفن باشد. نقشه جهانی (الف) نشان می‌دهد که برخی از نقاط جهان (مانند ایالات متحده و اروپا) با ایستگاه‌های نظارتی به طور فشرده پوشش داده شده‌اند. بزرگ‌نمایی روی اروپا (ب) نشان می‌دهد که تلفن‌ها پوششی حتی متراکم‌تر دارند. در هند (ج)، پوشش نسبی تلفن‌ها باز هم بیشتر است. موقعیت ایستگاه‌ها از پایگاه داده Madrigal گرفته شده است، و موقعیت‌های تلفن‌ها از مطالعه حاضر استخراج شده‌اند.

چرخه روز و شب در نقشه‌های TEC

نقشه‌های TEC اندازه‌گیری‌شده توسط تلفن‌ها، تغییرات چرخه‌ای روز و شب را در یونوسفر نشان می‌دهند. این نقشه‌ها اوج یونیزاسیون را در ساعات اواسط بعدازظهر به تصویر می‌کشند و همچنین برجستگی‌های یونیزاسیون در شمال و جنوب خط استوا مغناطیسی را آشکار می‌سازند. این ویژگی در نواحی خاصی مانند جنوب آمریکای جنوبی به‌صورت چاله‌های یونوسفر قابل مشاهده است.

گسترش پوشش نقشه‌های TEC با استفاده از تلفن‌ها

اندازه‌گیری‌های تلفن به‌طور قابل توجهی پوشش نقشه‌های TEC با وضوح بالا را گسترش می‌دهند و این امکان را فراهم می‌کنند که پدیده‌های جالبی را در نقاطی از جهان که تعداد ایستگاه‌های نظارتی کمی دارند، مشاهده کنیم. شکل‌۴ ساختارهای طولی در ناهنجاری استوایی نزدیک به غروب آفتاب در جنوب آسیا را نشان می‌دهند که توسط ایستگاه‌های نظارتی معدودی که در این منطقه وجود دارند، شبیه‌سازی نشده است. این ساختارها چندین ساعت دوام آوردند و به‌طور شرق به‌غرب با سرعت حدود ۱۰۰ متر در ثانیه حرکت کردند.

ما این مشاهدات را با استفاده از ماهواره COSMIC-2 (سیستم مشاهده برای جوّشناسی، یونوسفر و اقلیم-۲) که در همان زمان از این ساختار عبور کرد، اعتبارسنجی کرده‌ایم و افت چگالی یون در آن تأیید شده است. مشاهدات تلفن همچنین با ویژگی‌ها (سرعت، شیب، عرض و فاصله) از حباب‌های پلاسما که در هند با استفاده از یک دوربین تمام‌آسمان شبانه در یک کمپین در سال ۲۰۰۸ مشاهده شده بود، مطابقت دارد.

توضیح تصویر:

اندازه‌گیری محتوای کل الکترون (TEC) یو‌نوسفر توسط ۱۰۱۱ تلفن همراه و یک ایستگاه نظارتی GNSS (TLSE00FRA) در تولوز، فرانسه، در تاریخ ۵ نوامبر ۲۰۲۳ انجام شده است.

• a) مقایسه داده‌های ایستگاه GNSS و تلفن‌های نزدیک در بازه زمانی مشابه. نقاط آبی نشان‌دهنده اندازه‌گیری‌های TEC توسط تلفن‌ها در محدوده ۱۰ کیلومتری ایستگاه است. خط آبی میانگین اندازه‌گیری‌های تلفن‌ها را نشان می‌دهد. خط نارنجی اندازه‌گیری‌های ایستگاه TLSE00FRA است.
• b) زاویه ارتفاع ماهواره در طول مسیر.
• c) نقشه موقعیت ایستگاه، مسیر ماهواره و مسیر سیگنال GPS.

داده‌های ایستگاه از خدمات GNSS بین‌المللی گرفته شده و داده‌های تلفن متعلق به این مطالعه هستند.

توضیح تصویر:

ما داده‌ها را با اندازه‌گیری‌های STEC (محتوای کل الکترون مسیر) از ایستگاه‌های نظارتی در مجموعه داده Madrigal از 10 سپتامبر تا 6 نوامبر 2023 مقایسه کردیم. برای هر اندازه‌گیری STEC در مسیر بین ایستگاه و ماهواره، مقدار معادل STEC را از نقشه VTEC (محتوای کل الکترون عمودی) مبتنی بر تلفن محاسبه کردیم (جزئیات در بخش روش‌ها توضیح داده شده است)

a) تفاوت‌های بین هر اندازه‌گیری ایستگاهی و STEC به‌دست‌آمده از تلفن.
b) مقایسه بین STEC گزارش‌شده توسط Madrigal و STEC پیش‌بینی‌شده توسط نقشه‌های مبتنی بر تلفن، که ضریب همبستگی پیرسون 0.94 را نشان می‌دهد. به دلیل تعداد زیاد نقاط داده (7 میلیارد اندازه‌گیری STEC)، مقادیر STEC به نزدیک‌ترین TECU (واحد محتوای کل الکترون) گرد شده و به‌صورت چگالی نمایش داده شده‌اند. محدوده محورها به گونه‌ای تنظیم شده است که مقادیر پرت حذف شوند و در عین حال 99٪ از داده‌ها را در بر گیرد. مجموعه کامل داده‌ها در بخش “داده منبع” موجود است. داده‌های ایستگاهی در هر دو نمودار از پایگاه داده Madrigal گرفته شده‌اند، و داده‌های تلفن همراه در هر دو مورد از مطالعه حاضر استخراج شده‌اند.

چالش‌های اندازه‌گیری

اگرچه اندازه‌گیری‌های مربوط به هر تلفن فردی نویز بیشتری نسبت به ایستگاه‌های نظارتی دارند، ما نشان داده‌ایم که میلیون‌ها تلفن همراه به‌طور مشترک اندازه‌گیری‌های ارزشمندی از TEC یو‌نوسفر ارائه می‌دهند. کارهای اخیر دیگر نشان داده‌اند که شتاب‌سنج‌های تلفن همراه می‌توانند زلزله‌ها را برای هشدار زودهنگام شناسایی کنند و فشارسنج‌های تلفن همراه می‌توانند پیش‌بینی وضعیت جوی را بهبود بخشند. بر اساس این مثال‌ها، تحقیق ما همچنان پتانسیل حسگرهای تلفن همراه را به‌عنوان ابزاری قدرتمند برای بهبود درک علمی از سیاره‌مان روشن می‌کند.

نتیجه‌گیری

پژوهش‌های اخیر نشان‌دهنده اهمیت و پتانسیل بالای استفاده از تلفن‌های هوشمند برای اندازه‌گیری و نظارت بر ویژگی‌های یونوسفری و تأثیرات آن بر سیستم‌های ارتباطی و موقعیت‌یابی هستند. استفاده از تلفن‌ها به‌عنوان ابزاری برای اندازه‌گیری TEC (چگالی الکترون‌های یونوسفری) در مقایسه با ایستگاه‌های نظارتی سنتی، امکان پوشش بیشتر و دقیق‌تر مناطق مختلف جغرافیایی، به‌ویژه در نواحی دورافتاده و مناطقی که ایستگاه‌های نظارتی محدود هستند، را فراهم می‌آورد.

پوشش داده‌شده توسط تلفن‌ها نه‌تنها در مقایسه با ایستگاه‌های نظارتی افزوده می‌شود بلکه حتی توانایی شبیه‌سازی دقیق پدیده‌های پیچیده و ناهنجاری‌های یونو‌سفری مانند ساختارهای طولی و حباب‌های پلاسما را نیز فراهم می‌کند. این امر نشان‌دهنده پتانسیل بالای استفاده از این تکنولوژی برای بهبود دقت سیستم‌های موقعیت‌یابی، به‌ویژه برای کاربران در مناطق با پوشش ایستگاه‌های نظارتی محدود، می‌باشد.

همچنین، مشاهدات این پژوهش‌ها در رابطه با طوفان‌های خورشیدی و تأثیر آن‌ها بر یو‌نوسفر، و مشاهده تقویت‌های شدید TEC در طول طوفان‌های ژئومغناطیسی، نیز نشان می‌دهد که داده‌های تلفن‌ها می‌توانند به‌عنوان یک ابزار قدرتمند برای پیش‌بینی و ردیابی چنین رویدادهایی در مقیاس جهانی استفاده شوند.

در نهایت، پژوهش‌ها نشان می‌دهند که استفاده از تلفن‌های هوشمند و داده‌های جمع‌آوری‌شده از آن‌ها، به‌ویژه با توجه به گستردگی و تعدد این دستگاه‌ها، می‌تواند به یک منبع جدید و بسیار مؤثر برای تحقیقات علمی در زمینه‌های مختلف مانند پیش‌بینی وضعیت فضایی، بهبود دقت موقعیت‌یابی و پایش تغییرات یونو‌سفری تبدیل شود. این داده‌ها می‌توانند به‌عنوان مکمل داده‌های ایستگاه‌های نظارتی، دانش بشر را در زمینه دینامیک‌های فضایی و جوّی تکمیل کنند.

منبع

برگرفته از این مقاله‌ که در مجله Nature منتشر شده