Google lässt Nutzer die Ionosphäre vermessen

Die Ionosphäre ist eine Schicht der Erdatmosphäre, die sich in Höhenlagen von etwa 50 bis 1.500 Kilometern befindet und durch ionisierte Gase gekennzeichnet ist. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Reflexion von Funksignalen, was die Kommunikation und Navigation auf der Erde beeinflusst.
Für eine genaue Positionsbestimmung durch Satellitennavigation wird über die Laufzeit von Funksignalen zwischen Satelliten und Endgeräten die Distanz berechnet. Durch Triangulation kann dann die Position errechnet werden. Voraussetzung für eine hohe Genauigkeit ist aber, dass die Laufzeit der Signale vorhersagbar ist.
Da sich die Ausdehnung und Dichte der Ionosphäre durch Interaktion mit dem Sonnenwind ständig verändert, können sich die Laufzeiten von Funksignalen z.B. auch des GPS-Signals minimal unterscheiden und die Genauigkeit negativ beeinflussen.

Um diese Störungen auszugleichen, messen Bodenstationen, welche über die ganze Welt verteilt sind die Laufzeiten in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Da die Einflüsse der Ionosphäre sich in unterschiedlichen Frequenzbereichen unterschiedlich stark auswirken, kann so die Dichte und lokalen Beschaffenheit der Ionosphäre im Bereich der Bodenstation gemessen werden. Diese Korrekturdaten können dann in Kombination mit unterschiedlichen Verfahren (z.B. EGNOS) verwendet werden, um die Laufzeiten zu korrigieren und die Genauigkeit zu verbessern.

Doch die ca. 9000 Bodenstationen sind weltweit sehr unterschiedlich verteilt, während z.B. in Europa und Nordamerika eine hohe Dichte solcher Stationen vorliegt, sind im Asien z.B. in Indien nur sehr wenige Stationen verfügbar, was die Genauigkeit der Korrekturdaten negativ beeinflusst.

Google hat nun in einer Studie versucht, die Qualität der Korrekturdaten zu verbessern, indem es Daten normaler Smartphone Nutzer auswertet, die ein Smartphone verwenden dessen GNSS-Empfänger (GPS, Galileo, Glonass etc.) Multifrequenzen unterstützt. Durch Vergleich der Laufzeiten der Frequenzen, kann direkt am Smartphone ein Korrekturfaktor berechnet werden. Die Genauigkeit der Consumer-Empfänger ist einzeln genommen zu ungenau, um diese Werte direkt für eine Korrektur am Endgerät zu verwenden. Kombiniert man die Messwerte aller in einer Region verfügbaren Smartphone, erreicht man damit eine globale Karte der Ionosphäre, welche dann geeignet ist, gute Korrekturdaten zu liefern. Google verwendet für diese Studie die Daten ganz normaler Nutzer und weist auch in seinen Nutzungsbedingungen auf diese Art der Nutzung hin: https://policies.google.com/technologies/location-data

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die so gewonnenen Korrekturdaten mit den bisherigen Korrekturmodellen (Klobuchar, JPL) durchaus konkurrieren können bzw. in einigen Teilen der Welt (mit wenigen Bodenstationen) sogar zu einer deutlichen Steigerung der Positionsgenauigkeit führen können. Konkret konnte z.B. für Indien der mittlere Fehler durch die Einflüsse der Ionosphäre von 5.0 Meter (Klobuchar) bzw. 3,3 Meter (JPL) auf nur 2,7 Meter mit Hilfe der Smartphone Daten reduziert werden.

Die Studie lässt offen, ob die Erkenntnisse bzw. Messwerte nun auch dauerhaft von google bzw. dem Betriebssystem Android produktiv verwendet werden, um die Genauigkeit für den Nutzer zu erhöhen. Es zeigt sich jedoch, dass eine hohe Anzahl von Geräten mit geringer Messgenauigkeit gleiche oder bessere Ergebnisse liefern kann, wie ein teures und aufwendiges Netz professioneller Messstationen. Um die genannte Genauigkeit zu erreichen, wertet google Research die Messwerte von 200.000 bis 2 Millionen Smartphones pro Stunden bzw. 40 Millionen Smartphones pro Tag aus.

Quelle und weitere Informationen:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08072-x