Principi Fisici del GPS

GPS è l'abbreviazione di global positioning system, un sistema di navigazione basato su satelliti che permette a chiunque con un ricevitore GPS di determinare la propria posizione tridimensionale sulla, o sopra, la superficie terrestre. Il GPS consiste in una costellazione di 24 satelliti, sei stazioni a terra situate in tutto il mondo e ricevitori GPS, che possono essere portatili o montati su veicoli, navi o aerei.

Principio Base

I principi fisici del GPS includono la teoria quantistica, che portò all'invenzione dell'orologio atomico, e la teoria della relatività generale di Einstein. Il principio base dietro il GPS, tuttavia, è la misurazione della distanza, o range, tra i satelliti e il ricevitore. Il segnale da ogni satellite, muovendosi alla velocità della luce, impiega una quantità finita di tempo per raggiungere la superficie terrestre. Un ricevitore GPS calcola la distanza a un satellite moltiplicando la differenza tra l'ora in cui un segnale è ricevuto e l'ora in cui fu inviato per la velocità della luce.

Triangolazione

Un ricevitore GPS calcola la sua precisa latitudine, longitudine e altitudine misurando la distanza a quattro satelliti GPS separati. Se il ricevitore GPS misura la distanza a un singolo satellite GPS, può determinare che si trova da qualche parte su una sfera immaginaria con raggio uguale alla distanza al satellite. Se misura la distanza a due satelliti, può determinare che si trova da qualche parte sulla linea dove le due sfere si intersecano. Se misura la distanza a un terzo e quarto satellite, può calcolare la sua precisa posizione geografica.

Misurazione del Tempo

I segnali dai satelliti GPS viaggiano verso terra alla velocità della luce, quindi una misurazione accurata del tempo è fondamentale per il funzionamento del GPS. I satelliti GPS portano gli orologi più accurati disponibili, noti come orologi atomici, che sono accurati a un miliardesimo di secondo al giorno. Questi orologi permettono ai satelliti GPS di trasmettere segnali sincronizzati con quelli degli altri satelliti.

Correzione del Tempo

La teoria della relatività generale di Einstein predice e spiega correttamente che la gravità sembra rallentare, o dilatare, il flusso del tempo. In altre parole, la differenza tra la forza del campo gravitazionale sulla superficie terrestre e le 12.000 miglia o più sopra di essa significa che l'orologio su un ricevitore GPS scorre una frazione di secondo più lento dell'orologio su un satellite GPS. Gli orologi basati su satellite sono deliberatamente fabbricati per andare leggermente più lenti, quando sulla Terra, in modo che mantengano il tempo corretto una volta nello spazio.