Alapjai
A GPS elődjének tekintett Transit rendszer négy műholdból állt, amelyek 1.000 kilométeres magasságban keringtek a Föld körül. Ezzel a rendszerrel egy tengeralattjáró nagyjából 10-15 perc alatt tudta meghatározni saját földrajzi helyzetét. A Navstar műholdak 1996-ban váltották le teljesen a Transitot. Ebben a rendszerben már 24 műhold van, melyek 20 200 km-es magasságban keringenek, naponta kétszer teljesen megkerülve a Földet. A pályájukat úgy alakították ki, hogy a Föld bármely pontjáról egyszerre legalább négy műhold mindig látható legyen. Ha kellően nyitott területen vagyunk, akkor akár 12 műholddal is tudunk kapcsolatot teremteni, ez bőven elég a pontos beméréshez.
Műholdak
Egy GPS műhold kétféle frekvenciát sugároz a Föld felé, ezeket „L1” és „L2” frekvenciáknak hívják. A jelek szórt spektrumú, amit pszeudo-véletlen zajnak szoktak nevezni (PRN). A PRN jel minden műholdnál más és más, illetve maga a PRN kód két típusból áll. Az egyik a C/A (Coarse/Acquisition code), a másik a P (Precision code) kód. Itt rögtön előjön a GPS kettős felhasználási módja, ugyanis a P kód titkos és kizárólag katonai eszközökkel lehet dekódolni, továbbá ez a jel jóval pontosabb meghatározást tesz lehetővé, mint a civil felhasználásra szánt C/A kód. A GPS felhasználható a pontos idő terjesztésére is. Ehhez minden műholdon két atomóra van elhelyezve. Ezt a jelet a földi állomások folyamatosan figyelik, egyeztetik az UTC világidővel, továbbá az évente szükséges szökőmásodpercekhez való igazítás értékét közlik a műholddal, így a vevőkészüléken már a valós időt látjuk.
Mérés
Az első lépésben a GPS-vevő lekérdezi a műholdról a pontos időt. Ezt a PRN-kóddal tudja megtenni, ami jelzi, hogy melyik műholddal (műholdakkal) kommunikál, hiszen ez egyedi jel. A vevő a saját óráját szinkronizálja a műholdról kapott adattal. A második lépés a „háromszögelés”-nek hívott módszer, ami valójában nem teljesen fedi a valóságot, mert a pontatlanságok miatt legalább 4 műhold szükséges a beméréshez. A vevő kiszámolja a műholdaktól való távolságát, ez r1, r2 és r3 távolságot ad ki. A három távolság térbeli metszéspontja mutatja a vevő pontos helyét, azonban ez a háromdimenziós tér miatt két metszési helyet is ad, viszont a rendszer felismeri a hibásat, mert az vagy a Föld belsejébe vagy a világűrbe mutat. Viszont a pontossághoz szükség van arra is, hogy a vevő órája szinkronban legyen a műholdakkal. Ezért van szükség egy negyedik műholdra is, aminél az r4 távolság metszéspontja pontosan az r1-r2-r3 közös metszéspontban kell áthaladjon. Emiatt kell legalább 4 műhold a beméréshez és ezért nincs szükség rá, hogy a vevő készülékben is legyen atomóra.
A távolság kiszámításához viszont ismerni kell a műholdak éppen aktuális pozícióját. Harmadik lépésként a pálya adatokat tartalmazó jelet a vevő megkapja és így tudja kiszámolni, hogy épp hol is van a Föld felett az adott műhold. Persze a pálya nem lehet tökéletesen statikus és egyforma, ezért a Földről radarokkal figyelik és az eltéréseket „fellövik” a műholdra, amit aztán a vevőbe is lesugároznak, hogy az tényleg valós adatokkal számoljon. Az utolsó, negyedik lépés a hibák kiküszöbölése. Az atomórák igen precíz és pontos szerkezetek, de itt is lehetnek eltérések, amiket a Földről figyelnek és korrigálnak. Vannak hatások, melyek a műhold pályát zavarják, mint mondjuk a földi gravitáció egyenetlensége, a Nap és Hold gravitációs hatásai, illetve a napszél, napkitörések eltérítő ereje. Ezek még nem okoznak komolyabb problémát, ellentétben a légkörrel, aminek oka, hogy a rádióhullámok terjedési sebessége csak vákuumban állandó. Itt viszont az űrben lévő műholdról elinduló jel a légkör különböző rétegein áthaladva lelassul. Viszont a légkör mindig változik és sosem áll be kétszer pontosan ugyanolyan állapot. Ezt például az L1 és L2 frekvenciák különbözőségével lehet kiküszöbölni, viszont ilyen módszert csak egy katonai vevő képes használni.
Sajnos akadnak még más zavaró tényezők is, mint az épületek, a sűrű erdős területek, de még a felhők is megnehezíthetik, lelassíthatják a pontos bemérést. Egy mobiltelefon esetében ez még nem annyira életbevágó, ám vannak olyan felhasználási területet (például a repülés), ahol akár életek is múlhatnak a pontosságon.
