Segment satelitarny
Segment satelitarny systemu GPS stanowi konstelacja 24 satelitów umieszczonych w odległości 20162,61 km nad równikiem (w systemie GPS promień równika przyjmuje się jako R=6378.137 km).
Satelity te umieszczone są na sześciu stałych orbitach kołowych. Orbity satelitów są równomiernie rozłożone wzdłuż równika (co 60° długości geograficznej) i nachylone do płaszczyzny równikowej pod kontem 55°.
Okres obiegu ziemi przez satelitę wynosi 11h 57min 27s, tak wiec w danym miejscu na powierzchni Ziemi każdego następnego dnia konstelacja powtarza się o około osiem minut wcześniej niż dnia poprzedniego. Na każdej orbicie znajdują się cztery satelity, rozłożone tak aby zapewnić widoczność co najmniej 4 satelitów o każdej porze doby z dowolnego miejsca na powierzchni Ziemi.
W rezultacie na całym obszarze Ziemi z prawdopodobieństwem 0.9996 można oczekiwać widoczności pięciu satelitów na wysokości co najmniej 5 stopni ponad horyzontem. Na niewielkich obszarach Ziemi, w okresach nie dłuższych niż 20 minut w ciągu doby, nie jest możliwe wyznaczenie pozycji trójwymiarowej (widoczne są mniej niż 4 satelity).
Nachylenie orbit pod kątem 55° do płaszczyzny równika powoduje, ze na szerokościach geograficznych większych od 55° satelity nigdy nie są obserwowane w zenicie. Liczba widocznych satelitów zależy od szerokości geograficznej obserwatora.
Pierwszymi satelitami systemy GPS były satelity Bloku I. Te satelity zostały już wycofane z użytku gdyż średni czas życia satelity wynosi ok. 7,5 roku a system był inicjowaniu na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych. Obecnie pracuje Blok II/IIA oraz zastępowane są one Blokiem IIR.
Następnym krokiem w modernizacje systemu będzie Blok IIF zwany także Blokiem III.
Segment kontrolny
Naziemny segment kontroli spełnia rolę nadzorująco - kontrolującą oraz wspierającą pracę systemu. Podstawowymi elementami tego segmentu jest 5 stacji nadzorujących rozmieszczonych na całym świecie.
Stacja centralna MCMS (ang. Master Control Monitor Station) znajduje się w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs, (Kalifornia, USA), a stacje śledzące rozmieszczone są na Hawajach (wschodni Pacyfik), Kwajalein (zachodni Pacyfik), Diego Garcia (Ocean Indyjski), Wyspy Wniebowstąpienia (Atlantyk).
Ostatnie trzy z wymienionych stacji zawierają anteny przekazujące informacje do satelitów, a pozostałe dwie to stacje kontrolne dla danych orbit satelitów. Stacje naziemne systemu:
prowadzą ciągły nasłuch sygnałów z satelitów,
sprawdzają poprawność działania satelitów,
komunikują się ze stacją główną na specjalnych kanałach łączności.
Stacje kontrolne rozmieszczone są możliwie równomiernie wokół Ziemi w paśmie równikowym, co pozwala na śledzenie satelitów w całym zakresie szerokości geograficznych (od 55°S do 55°N), w których satelity mogą znajdować się w zenicie. Obszary działania stacji naziemnych nakładają się, co pozwala na dodatkowe sprawdzenie ich działania poprzez porównanie wyników obserwacji oraz zwiększenie niezawodności systemu. Stacja centralna ma za zadanie:
obliczanie parametrów orbit satelitów (efemeryd),
wyznaczanie poprawek zegarów satelitów,
przekazywanie do satelitów danych efemeryd i poprawek zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnej satelitów.
Stacja centralna MCS znajduje się na większej szerokości geograficznej niż inne stacje, dlatego mogą występować przerwy odbierania przez nią sygnałów z satelitów, gdy znajdują się one na dużych szerokościach geograficznych półkuli południowej.
Pozostałe stacje nadzoru są stacjami bezobsługowymi wykorzystywanymi do:
śledzenia i telemetrycznego sprawdzania orbit satelitów (pomiar pseudo-odległości i przesunięć fazy nośnej) w celu wzorcowanie zegara satelity,
zbierania danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu,
przesyłania informacji do stacji centralnej MCS,
przekazywania informacji do satelitów (odświeżanie pamięci pozycji satelity, synchronizacja zegara z zegarem stacji naziemnej, poprawki na stan jonosfery).
Łączność stacji nadzorujących z satelitami odbywa się na dwóch kanałach roboczych w zakresie częstotliwości S.
W system GPS włączone są także inne instytucje wspomagające jego prace, takie jak:
Centrum Kontroli Satelitów Sił Powietrznych USA (ang. AFSCF - Air Force Satellite Control Facility) nadzorujące działanie wszystkich satelitów USA,
Obserwatorium Marynarki Wojennej USA (ang. USNO - US Naval Observatory) wyliczające wzorce czasu UTC,
Wojskowe Biuro Kartograficzne USA (ang. DMA - Defence Mapping Agency) określające dane potrzebne do wyznaczania orbit satelitów,
Jet Propulsion Laboratory - w zakresie obserwacji ciał niebieskich wpływających na położenie satelitów, głownie Słońca i Księżyca.
Ważnym elementem systemu jest sieć komputerowa przetwarzająca sygnały z satelitów, oraz sieć łączności między poszczególnymi stacjami i instytucjami wspierającymi, wykorzystywane w szczególności do synchronizacji czasu działania poszczególnych urządzeń.