Концепция создания глобальной навигационной спутниковой системы возникла в пятидесятых годах прошлого века. Под руководством Ричарда Кершнера американские учёные фиксировали сигнал, исходивший с советского спутника, и установили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого сигнала увеличивается при приближении спутника и снижается при его удалении. Тем самым, точно зная свои координаты на Земле, можно определить положение и скорость спутника, а зная положение спутника, можно вычислить собственную скорость и координаты.
Первые попытки создания GPS начались в 1964 году, когда США запустили спутники по программе Timation на околоземную орбиту. Изначально навигационная система ориентировалась на военное применение, но впоследствии было решено адаптировать её под гражданское пользование — для этого точность была специально снижена алгоритмически. Советские учёные приступили к работе над отечественной системой ГЛОНАСС в 1976 году. Изначально она тоже рассматривалась лишь как военная разработка.
Система навигации состоит из трёх основных сегментов: космического, управляющего и пользовательского. Космический представлен 32-мя спутниками у GPS и 28-ю у ГЛОНАСС, вращающихся на средней орбите Земли. Управляющий сегмент состоит из нескольких станций мониторинга и наземных антенн, корректирующих данные о расположении объектов. Спутники транслируют сигнал из космоса, и все приёмники используют этот сигнал для вычисления своего положения в пространстве по координатам в режиме реального времени. Для этого приёмник должен принимать сигнал как минимум от трех (а лучше четырех) спутников.
Спутники GPS вращаются вокруг Земли по 6 круговым орбитальным траекториям по 4 спутника в каждой на высоте 20 180 км. За звездные сутки они совершают два полных витка вокруг Земли. Орбита спутников ГЛОНАСС в отличие от GPS располагается на высоте 19 400 км для более точного использования в северных и южных полярных регионах.
Спутники непрерывно отправляют сигнал на всю доступную поверхность планеты с информацией о своем расположении и времени на собственных часах. Они не принимают данных ни о каких устройствах-приемниках. Приемник получает координаты спутников и информацию о времени отправки сигналов и рассчитывает расстояние до каждого спутника. Это выполняется программой путем умножения скорости света на разницу между временем получения и временем отправки сигнала.
Учитывать приходится то, что время на часах принимающего устройства не совпадает с тем, что показывают часы спутников. Кроме того, спутники подвержены релятивистским и гравитационным искажениям хода времени. На высоте около 20 000 км гравитация слабее, а скорость движения спутников велика. Из-за таких факторов часы требуют коррекции примерно на 38 миллисекунд в сутки. Пренебрежение этим приводило бы к погрешности определения координат на Земле порядка десяти километров!
После вычисления расстояния до каждого из трёх–четырёх спутников приёмник анализирует полученные данные и устанавливает своё точное местоположение.
Недостатки навигационных систем заключаются в том, что в определённых условиях сигнал от спутников может не достигать приемника: к примеру, в подвале или тоннеле. Также качество приема может ухудшаться из-за сильной облачности и магнитных бурь.
