Segment satelitarny składa z 24 sat. umieszczonych po 4 na 6 orbitach nachylonych względem równika pod kątem 55° równomiernie rozłożonych w dł. geograf. Satelity GPS poruszają się po orbitach prawie kołowych na wys. ok. 20200 km. Okres jednego obiegu takiego sat. wokół Ziemi wynosi ok. 12h. Takie rozmieszczenie sat. w przestrzeni zapewnia możliwość jednoczesnego obserwowania przynajmniej 4 sat. GPS z dowolnego punktu na Ziemi. Każdy sat. systemu wysyła 2 fale nośne o częstotliwościach L1=1575.42 MHz L2=1227.60 MHz. Fala nośna L1 modulowana jest kodem C/A o częstotliwości 1.023 MHz. Na falę L1 nakładana jest dodatkowo depesza pozwalająca na przesyłanie wiadomości z satelitów do odbiornika zawierająca m. in. efemerydy pokładowe satelity parametry równania zegara satelity, współczynniki modelu jonosfery. Fale nośne L1 i L2 mogą być także modulowane precyzyjnym kodem P (Protected) o częstotliwości 10.23 MHz lub wymienione kodem Y, który jest zastrzeżony dla armii amerykańskiej. Częstotliwości nośne i modulujące kontrolowane są przez zegary atomowe, umieszczone na satelitach. System kontrolny składa się z 5 stacji śledzących rozmieszczonych dookoła kuli ziemskiej. System pełni następujące funkcje: stacje śledzące, które rozmieszczone są w okolicy równika, przez cały czas wykonują obserwacje satelitów, celem określenia parametrów ich orbit, a także współczynników równania zegara. Wielkości te wyznaczane są na 12h do przodu dla każdej orbity. Ponadto stacje śledzące wyposażone są w najlepsze odbiorniki dwuczęstotliwościowe, którymi wykonują pionowe sondowanie atmosfery dla wyznaczenia poprawek troposferycznych, 3 z 5 stacji wykonują transmisję danych do sat. (efemerydy pokładowe, współczynniki równania zegara, itp.), stacja centralna, prowadzi opracowanie wyników obserwacji z pozostałych stacji śledzących, oblicza nowe efemerydy i współczynniki równania zegara. Stacja ta może kierować manewrami satelitów na orbitach. Segment użytkowników skupia wszystkich użytkowników, zarówno cywilnych, jak i wojskowych, którzy używają różnego rodzaju odbiorniki, odbierające sygnały z satelitów, do wyznaczenia pozycji punktów w układzie geocentrycznym WGS-84.
Prawa Keplera:1) orbit- wszystkie sat. poruszają się po orbitach eliptycznych, w którym w jednym z ognisk znajduje się Ziemia2)pól-odcinek łączący sat. z Ziemią zakreśla w równych odstępach czasu równe pole3)okresowości- kwadrat okresu obiegu każdego sat. jest wprost proporcjonalny do sześcianu śr. odl. sat. od Ziemi T2/a3=const Parametry orb.: położenie orb.: 1)Kąt inklinacji (i)- określa nachylenie pł. orbity do pł. odniesienia (ekliptyki - pł. wyznaczana przez równik), pł. orbity przechodzi przez środek Ziemi. Jest to kąt między pł. orbity i pł. równika.0-180. Określa też korytarz szer. geogr., w jakim porusza się sat. 2)Długość(rektascensja) węzła wstępującego (Ω) - Kąt (mierzony od śr. Ziemi) między miejscem przekroczenia równika przez Słońce i miejscem przekroczenia równika przez orbitę satelity (węzeł wstępujący) 0 do 360 3)arg.perygeum (ω) - Kąt pomiędzy linią absyd(łączącą pery. i apo.) a linią węzłów 0-360 położenie sat: 4)Anomalia prawdziwa (v) - kąt pomiędzy aktualnym położeniem satelity na orbicie a perygeum (mierzony w płaszczyźnie orbity) kształt: 5)Półoś wielka (a) - określa rozmiary orbity, jest połową sumy odległości perygeum i apogeum 6)Mimośród orbity (e) - ekscentryczność, mówi o kształcie elipsy. Kiedy e= 0, orbita jest okręgiem, kiedy e jest bliskie 1, orbita jest elipsą, bardzo długa i płaska. Dla orbit satelitów e musi się zawierać w przedziale pomiędzy 0 a 1 7)Śr. prędkość obiegu - sat. o orbitach niskich są bardzo szybkie, o wysokich- wolne. Sat. posiadające orbitę kołową, mają stałą prędkość, o orbicie nie będącej okręgiem poruszają się szybciej, gdy są bliżej Ziemi i wolniej gdy się oddalają. Okres obiegu definiowany jest jako czas upływający od jednego perygeum do następnego. Typowe wartości dla satelitów mieszczą się w zakresie od 1 do 16 obr/dzień 6)Epoka - ściśle określony czas dla którego określa się pozostałe parametry orbity i ich odchyłki.
RINEX - niezależny od odbiornika oraz programu przetwarzającego format wymiany danych, w systemie RINEX zdefiniowano: wielkości obserwowane (ciągłe fazy fal nośnych L1 i L2, błędy zegarów satelitarnych, epoka obserwacji w systemie czasu GPS), nazwy standardowe plików (w formie ssssdddf.yyt), standardowe formaty danych, porządek w nagłówkach rekordów, pominięte informacje, zaznaczenia umożliwiające rozpoznanie określonych rekordów, poprawki zegarów odbiorników, dodatkowe wskazówki i oznaczenia zakończeń KKKKDDDF.YYI gdzie: KKKK - czteroliterowy kod nazwy stacji - może to być czteroznakowy numer punktu lub skrót nazwy DDD - numer dnia w roku, w którym zostały przeprowadzone obserwacje F - numer sesji (w przypadku zbiorów całodobowych będzie to 0) YY - ostatnie dwie cyfry roku w którym wykonano obserwacje (np. dla roku 2002 będzie to 02) I - informacja o rodzaju pliku i tak: - dla pliku obs. w formacie RINEX - litera O - dla naw. -N Błędy pomiarów GPS: efemerydy- 1m, zakłócenia celowo wprowadzone do systemu- 10m, tropo. (1m), jono. (10m- w dobrych warunkach, do 60m przy max aktywnym Słońcu), ZRÓDŁA: *orbity (pokładowe/precyzyjne, są modelowane np. z pomiarów) *zegar satelity i odbiornika (eliminacja przez różnicowanie) 1m *przeskoki fazy (są wykrywane i naprawiane przez różnicowanie) *opóźnienie jonosferyczne (eliminowane przez kombinację L1/L2) *opóźnienie troposferyczne (modelowane np. z pomiarów) *odbicia (ograniczone przez konstrukcję anteny) 0,5m *zmienność centrum fazowego anteny (kalibracja anteny) 15m *geometria satelitów (DOP) *szum pomiarowy sygnału (L1, L2, L1/L2) *szum pomiarowy odbiornika *pomyłki, błędy grube (łatwe do wykrycia przez pomiary nadliczbowe) dziennik obserwacyjny nazwa kampanii obs., nr pkt, data wykonania pomiaru, czas rozpoczęcia i zakończenia POM., nr sesji obserwacyjnej na pkt w danym dniu, typ i nr seryjny odbiornika i anteny GPS użytych do pom., wys. anteny nad pkt pomierzona na początku i końcu sesji obserwacyjnej(sposób pomiaru), imię i nazwisko wykonującego pom., rodzaj stabili. pkt., warunki meteo podczas pom, inf o war. obs. sat.
Pseudoodległość jest to odległość pomiędzy satelitą a odbiornikiem w momentach transmisji i odbioru sygnału. Czas przejścia sygnału jest wyznaczany poprzez porównanie identycznego jak satelity pseudoszumowego kodu (PRN) wytwarzanego przez odbiornik. Pseudoodległość może być określana zarówno z pomocą kodu C/A jak i kodu P. Poprawki ze względu na refrakcję fali w jonosferze i troposferze są określane wprost - przy pomocy odpowiednich formuł. Dokładność pomiaru pseudoodległości, która jest obarczona szczątkowym wpływem niesynchronizacji zegara satelity i odbiornika, wynosi ok. 3 m. przy wykorzystaniu kodu C/A i 30 cm przy zastosowaniu precyzyjnego kodu P. Pomiary fazowe polegają na ciągłym zliczaniu przesunięcia fazy fali nośnej między falą generowaną przez odbiornik a falą wysyłaną przez satelitę, przesuniętą o efekt dopplerowski i odebraną przez odbiornik. Całkowita faza Φc składa się z części ułamkowej Fr(Φ), części całkowitej pełnych odłożeń Int(Φ) pomiędzy epoką rozpoczęcia zliczeń to a epoką pomiaru t oraz nieznanej ilości całkowitych odłożeń N w momencie rozpoczęcia pomiaru to. Podstawową trudnością w tym pomiarze jest określenie całkowitej ilości cykli fali gdyż dobrze mierzona jest część ułamkowa. Pomiar przesunięcia fazy fali nośnej daje przy wykorzystaniu częstotliwości L1 dokładność rzędu 2 mm. zintegrowana faza odtworzonej fali nośnej. Jest to wielkość analogiczna do pseudoodległości, mierzona jednak ze znacznie większą dokładnością. Ciągłe śledzenie fali nośnej ogranicza ilość wielkości nieoznaczonych do jednej, związanej z wartością fazy w momencie rozpoczęcia pomiaru.
Struktura sygnału GPS Każdy satelita wysyła zakodowane dwie fale nośne: jedną na częstotliwości L1 (1575.42MHz, 19.05 cm), drugą na częstotliwości L2 (1227.60 MHz, 24.45 cm). Zegar atomowy na pokładzie satelity użyty jest to generowania podstawowej częstotliwości L (10.23MHz). Częstotliwości L1 i L2 powstają przez pomnożenie podstawowego sygnału przez 154 i 120. Następnie na sygnały nakłada się kodowane wiadomości. Używane są trzy kody binarne (zero-jedynkowe): Kod C/A modulujący częstotliwość L1, nadawany w postaci 1MHz (293.1 m) sygnału binarnego (0, +1) co jedną milisekundę. C/A nadawany jest na poziomie szumu. Każdy satelita ma swój własny kod C/A. Jest on podstawowym kodem dla działalności cywilnej. Kod P (Precise) modulujący obie częstotliwości: L1 i L2. Kod ma częstotliwość 10MHz (29.31 m). Służy do precyzyjnego wyznaczania pozycji, niesie informację umożliwiającą poprawienie orbity o pierwszego rzędu efekty związane z jonosferą. Wiadomości nawigacyjne nadawane są na modulowanej przez C/A częstotliwości L1. Sygnał nawigacyjny ma częstotliwość 50 Hz, jest powtarzany co 30 sekund.