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GPS: cos’è e come funziona

Il funzionamento del sistema GPS è affascinante, a nostro avviso, e ha a che fare con i principi della relatività generale e della teoria della relatività speciale di Einstein. Il GPS (Global Positioning System) è un sistema di navigazione satellitare che consente di determinare la posizione, la velocità e il tempo preciso in qualsiasi parte del mondo.

Storia del GPS

Il concetto di sistema di navigazione basato su satelliti è stato proposto per la prima volta negli anni ’60. Tuttavia, il sistema GPS (Global Positioning System) è stato sviluppato e implementato principalmente dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti d’America. Ecco una cronologia degli eventi principali legati all’invenzione e allo sviluppo del GPS:

Anni ’60:

  • Il concetto di un sistema di navigazione satellitare fu proposto da Ivan Getting e Roger L. Easton.
  • Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti iniziò a esplorare la possibilità di sviluppare un sistema di posizionamento basato su satelliti per scopi militari.

Anni ’70:

  • Il primo satellite sperimentale GPS, chiamato “Navstar 1”, fu lanciato nel 1978.

Anni ’80:

  • Furono lanciati ulteriori satelliti GPS e furono condotti test per valutare la loro precisione e affidabilità.
  • Nel 1983, il presidente degli Stati Uniti Ronald Reagan dichiarò che il GPS sarebbe stato aperto anche all’uso civile una volta completato.

Anni ’90:

  • Durante gli anni ’90, il sistema GPS divenne pienamente operativo con la costellazione di satelliti che consentiva il calcolo accurato della posizione.
  • Nel 1996, fu completata la piena capacità operativa iniziale del sistema GPS.

Anni 2000:

  • Nel corso degli anni, il sistema GPS è stato costantemente aggiornato e migliorato per aumentare la precisione e l’affidabilità.
  • Altri paesi hanno sviluppato propri sistemi di navigazione satellitare, come il GLONASS russo e il Galileo europeo.

In generale, possiamo dire che il GPS è stato sviluppato principalmente durante gli anni ’70 e ’80 e ha continuato ad essere perfezionato nel corso dei decenni successivi. Oggi, il GPS è ampiamente utilizzato in tutto il mondo per una vasta gamma di applicazioni, tra cui la navigazione, il trasporto, le attività all’aperto, la ricerca e molte altre.

Come funziona il GPS

Ecco come funziona in modo semplice:

  1. Satelliti GPS: Il sistema GPS è composto da una costellazione di satelliti in orbita intorno alla Terra. Questi satelliti trasmettono segnali radio che contengono informazioni sulla loro posizione e il tempo preciso.
  2. Ricevitori GPS: Gli utenti che utilizzano il GPS, come smartphone, navigatori per auto e dispositivi di navigazione, sono dotati di ricevitori GPS. Questi ricevitori ricevono i segnali trasmessi dai satelliti.
  3. Calcolo della posizione: Il ricevitore GPS raccoglie i segnali provenienti da più satelliti. Ogni segnale contiene un marchio temporale che indica quando è stato trasmesso. Poiché la velocità della luce è costante e nota, il ricevitore può calcolare quanto tempo impiega il segnale a raggiungerlo.
  4. Triangolazione: Sapendo quanto tempo ci mette il segnale a viaggiare dal satellite al ricevitore, il ricevitore può calcolare la distanza tra sé stesso e ogni satellite. Utilizzando questa informazione da diversi satelliti, il ricevitore è in grado di determinare la sua posizione esatta in base al principio della triangolazione.

Ora, qui entra in gioco la teoria della relatività di Einstein:

  • Dilatazione del tempo: A causa della velocità a cui i satelliti GPS si muovono rispetto alla Terra, il tempo scorre leggermente più lentamente per loro rispetto agli orologi sulla superficie terrestre. Questo effetto, predetto dalla teoria della relatività speciale, è noto come “dilatazione del tempo” e deve essere considerato per ottenere misurazioni accurate.
  • Deformazione gravitazionale: Inoltre, a causa della forza di gravità più debole che agisce sui satelliti a causa della loro altitudine, gli orologi sui satelliti avanzano leggermente più velocemente rispetto a quelli sulla Terra, secondo la teoria della relatività generale.

Entrambi questi effetti, se non vengono corretti, porterebbero a errori significativi nel calcolo della posizione da parte dei ricevitori GPS. Pertanto, i sistemi GPS sono progettati per prendere in considerazione sia la dilatazione del tempo che la deformazione gravitazionale, garantendo posizioni accurate.

In breve, il sistema GPS sfrutta la combinazione di segnali trasmessi dai satelliti e i principi della relatività di Einstein per calcolare posizioni precise e fornire informazioni di navigazione a livello globale. Foto di Brecht Denil su Unsplash

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