Система координат (СК) — величины, при помощи которых определяется положение объекта. Общий принцип построения СК: выбирается основная координатная плоскость системы и в ней – направление основной оси и расположение начала СК.

В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.

В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.

Альманах- совокупность эфемерид (эфемерис) всех спутников глобальной навигационной системы. А эфемеридами называют совокупность координат, определяющих положение и скорость спутника в пространстве.

На каждом спутнике имеется эталонный генератор основной частоты f₀ = 10,23 МГц, из колебаний которого образуются сигналы, обозначаемые как L1 и L2. Они используются в качестве несущих для передачи кодов и посылки данных, а также для наиболее точных измерений дальностей между спутником и потребителем.

Точностные характеристики навигационных спутниковых систем определяются уровнем основных ошибок измерений и геометрическим расположением используемых спутников и потребителя. 

Геометрический фактор представляет собой коэффициент пересчета единичной погрешности измерения радионавигационного параметра в погрешность определения соответствующего параметра. В понятие геометрического фактора можно вкладывать разный смысл. Так, например, если оценивается точность пространственного (трехмерного) местоопределения, то речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в пространстве, обозначаемым Гп. При оценке точности двумерного (горизонтального) местоопределения речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в горизонтальной плоскости Гг, а при оценке точности только высоты о геометрическом факторе высоты Гв. Для оценки точности временного параметра говорят о геометрическом факторе времени Гт. При оценке точности четырехмерного пространственно временного вектора используют геометрический фактор ГΣ. Часто вместо термина «геометрический фактор» применяется обозначение DOP (Dilution of Precision - уменьшение точности). Это связано с тем, что по определению геометрический фактор означает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений при оценке того или иного параметра.

Для четырехмерного геометрического фактора ГΣ. используется обозначение GDOP (Geometrical DOP - означает учет всех составляющих четырехмерного вектора). 

     -Геометрическому фактору Гп соответствует PDOP (Position DOP – означает учет составляющих вектора положения в пространстве). 

     -Геометрическому фактору Гг соответствует HDOP (Horizontal DOP - означает учет составляющих вектора положения в горизонтальной плоскости). 

     -Геометрическому фактору высоты Гв соответствует VDOP (Vertical DOP). 

     -Геометрическому фактору времени Гт соответствует TDOP (Time DOP).

Система GPS – глобальная навигационная спутниковая система двойного применения. Орбитальная группировка системы включает 24 навигационных спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях по 4 спутника в плоскости, высота орбиты 20180 км, наклонение 55°. Возможно увеличение количества спутников в каждой плоскости до 6.В настоящее время в составе орбитальной группировки GPS находится 30 навигационных спутников в штатном использовании.

Каждый из 24-ёх спутников выделяет приемники сигналов, которые определяют местонахождение путем расчета разницы между моментом, когда сигнал отправляется и временем его получения. GPS спутники оборудованы атомными часами, которые обеспечивают чрезвычайно точный момент временного интервала. Время информации размещается в кодах вещания спутника так, что приемник может постоянно определять время регистрации сигнала в эфир. Сигнал содержит данные, которые приемник (одного из спутников) использует для расчета местоположения спутников и делает другие необходимые коррективы для точного определения координат. Получатель использует разницу по времени между временем приема сигнала и эфирного времени для расчета расстояния, до спутника. Получатель должен учитывать распространения задержки, или снижение скорости сигнала, вызванные ионосферой и тропосферой. С информацией о диапазонах трех спутников и их местоположения, получатель может вычислить свою собственную трехмерную позицию. Атомные часы, синхронизированные с GPS необходимы для расчета параметров из этих трех сигналов. Однако, приняв измерения от четвертого спутника, нет необходимости создания атомных часов на получателе. Таким образом, получатель использует четыре спутника для расчета широты, долготы, высоты и времени.

Основой системы являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли с частотой 2 оборота в сутки и двигаясь по 6-ти круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), высотой примерно 20180 км. Спутники излучают открытые для использования сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц (начиная с Блока IIR-M), а модели IIF будут излучать также на L5=1176,45 МГц . Навигационная информация может быть принятаантенной(обычно в условиях прямой видимости спутников) и обработана при помощи GPS-приёмника.

Сигнал с кодом стандартной точности (C/A код — модуляцияBPSK), передаваемый в диапазоне L1 (и сигнал L2C (модуляция BPSK) в диапазоне L2 начиная с аппаратов IIR-M), распространяется без ограничений на использование. Первоначально используемое на L1 искусственное загрубление сигнала (режим селективного доступа — SA) с мая 2000 года отключён. С 2007 года США окончательно отказались от методики искусственного загрубления. Планируется с запуском аппаратов Блок III введение нового сигнала L1C (модуляция BOC(1,1)) в диапазоне L1. Он будет иметь обратную совместимость, улучшенную возможность прослеживания пути и в большей степени совместим с сигналамиGalileoL1.

Для военных пользователей дополнительно доступны сигналы в диапазонах L1/L2, модулированные помехоустойчивым криптоустойчивым P(Y) кодом (модуляция BPSK(10)). Начиная с аппаратов IIR-M введён в эксплуатацию новый М-код (используется модуляция BOC(15,10)). Использование М-кода позволяет обеспечить функционирование системы в рамках концепции Navwar (навигационная война). М-код передается на существующих частотах L1 и L2. Данный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, и его достаточно для определения точных координат (в случае с P-кодом было необходимо получение и кода C/A). Еще одной особенностью M-кода станет возможность его передачи для конкретной области диаметром в несколько сотен километров, где мощность сигнала будет выше на 20 децибел. Обычный сигнал М уже доступен в спутниках IIR-M, а узконаправленный будет доступен только при помощи спутников GPS-III.

C запуском спутника блока IIF введена новая частота L5 (1176.45 МГц). Этот сигнал также называют safety of life (охрана жизни человека). Сигнал на частоте L5 мощнее на 3 децибела, чем гражданский сигнал, и имеет полосу пропускания в 10 раз шире. Сигнал смогут использовать в критических ситуациях, связанных с угрозой для жизни человека. Полноценно сигнал будет использоваться после 2014 года.

В состав наземного сегмента как GPS так и ГЛОНАСС системы входят космодром, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления. Отличие заключается в том, что в ГЛОНАСС эфемеридная и частотно-временная информация поставляется на КА разными подсистемами наземного комплекса управления — в отличие от GPS, где все эти данные формируются в центре управления. Для вычисления частотно-временных поправок в системе ГЛОНАСС создана специальная подсистема частотно-временного обеспечения, включающая в себя центральный синхронизатор (на основе водородного атомного стандарта частоты) и две измерительные станции.

Группировки системы ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, размещенных равномерно в трех плоскостях, наклоненных на 63° к экваториальной плоскости и разнесенных по долготе на 120°, на круговых околосинхронных орбитах, высотой около 20 000 км. 

 Номинальная группировка американской системы GPS также состоит из 24 спутников. Однако они размещены равномерно в 6 плоскостях с наклонением 55° к экватору; плоскости разнесены по долготе на 60°.

Основу спутника «Глонасс-М» составляет цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1,350 м, в котором размещаются служебные системы и специальная аппаратура. С выдвинутой (раскрытой) штангой магнитометра его длина составляет 7,840 м. На «нижнем» (в положении штатной ориентации) днище спутника смонтирована платформа с антенно-фидерным устройствами и панелью уголковых отражателей; на «верхнем»- топливные баки и штанга магнитометра. На боковой поверхности гермоконтейнера закреплены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два раскрывающихся на орбите радиатора системы терморегулирования, два блока двигателей и датчики ориентации. Питание всех подсистем производится от солнечных батарей, ширина которых в раскрытом виде составляет 7,230 м. Общая масса составляет 1415 (1487) кг. При этом масса конструкции равна всего 237 кг.

 В число систем спутника входят: бортовые навигационный передатчик (БНП), хронизатор (БХ) («часы»), управляющий комплекс (БУК), средства заправки и обеспечения параметров среды в гермоконтейнере; системы ориентации и стабилизации (СО), коррекции, электропитания (СЭП), терморегулирования (СТР); элементы конструкции и кабельная сеть. Время активного существования на орбите составляет 3-5 лет.

Система GPS последовательно базировалась и базируется на постоянно совершенствуемых навигационных космических аппаратах (НКА) Блок-I, Блок-II, Блок-IIА.

В состав бортового оборудования спутника входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые «часы», бортовое вычислительное устройство в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения и на орбите, телеметрии, приема команд и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания. Антенная система в линии передачи данных использует конические и спирально-конические антенны. Для передачи навигационных сигналов используются фазированные антенные решетки из спиральных излучающих элементов.

 Опытный Блок-I был сконструирован так, чтобы обеспечивать нормальную работу по определению места в течение 3-4 дней без контакта с землей. Оперативные спутники получили наименование Блок-II, Блок-IIА, Блок-IIR.

Блок-II должен был обеспечивать местоопределение без контакта с землей в течение 14 дней. Блок-IIА должен обеспечивать функционирование системы в течение 180 дней без контакта с землей. Повышение автономности работы достигается за счет прогнозирования и компенсации погрешностей координатно-временного обеспечения НКА на коротком и длительном интервалах работы, обеспечиваемых за счет записи большого количества данных в памяти бортового компьютера НКА. В первом случае, через 14 дней погрешности местоопределения могут достигать 425 м, во втором случае, через 180 дней СВО может достичь величины 10 км.

Блок-IIR должен обеспечивать местоопределеиие без контакта с землей по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-IIA и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации при работе только спутников Блок-IIR.

НКА Блок-IIF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование cтpуктуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.

В системе GPS предусмотрено применение двух различающихся кодированных сигналов: кода Р (precision – точный) и С/A (clear acquisition – легко обнаруживаемый). 

Оба кода передаются на общей частоте f₁ = 1575.42 МГц (длина волны λ₁=19 см), но двумя несущими, сдвинутыми на λ/2 для удобства их разделения. Сигналы на частоте f₁ обычно называют сигналами L1. Для передачи служебной информации применяется двоичный код D (Date – данные), которым модулируются обе несущие.

Для повышения точности измерений применяется двухчастотный способ измерений. В связи с этим наряду с частотой f1 предусмотрена частота f2=1227.6 МГц (λ₂=24.4 см), которая так же модулируется точным измерительным кодом Р, а также кодом служебной информации D. Сигналы на частоте f2 называют сигналами L₂. В системе ГЛОНАСС также предусмотрено применение двух типов сигналов: сигнал высокой точности и сигнал стандартной точности, передаваемых на различных частотах. В отличие от системы GPS, реализующей кодовое разделение сигналов в системе ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов. Если в системе GPS используются две частоты передачи сигналов, то в системе ГЛОНАСС используются два диапазона частот. По аналогии с системой GPS диапазон частот сигнала стандартной точности называют диапазоном L₁, а диапазон частот высокой точности – L₂.

Сегмент потребителей включает приемники ГЛОНАСС и сообщество самих пользователей. Навигационная аппаратура потребителя (НАП) принимает сигналы ГЛОНАСС (практически все современные образцы НАП принимают также и сигналы системы GPS), обрабатывает их, измеряет и определяет радионавигационные параметры, вычисляет геоцентрические координаты Х, У, Z и на их основе - геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в системе координат ПЗ-90 (возможна также работа в системах WGS-84, СК-42, Гаусса-Крюгера и др.), поправку к местной шкале времени Т относительно системного времени ГЛОНАСС (GPS) и составляющие вектора скорости.

Сегмент потpебителей включает приемники GPS и сообщество самих пользователей. Аппаратура потребителя принимает сигналы GPS, обрабатывает их, измеряет радионавигационные параметры и определяет на их основе координаты и составляющие скорости в ГСК и поправку к местной шкале времени ТGPS) относительно системного времени GPS и ее уход, а затем геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в системе координат WGS-84 и составляющие вектора скорости. Возможно также определение координат в какой-либо иной системе (Меркатора, Гаусса-Крюгера н т.д.).

В целях развития системы ГЛОНАСС утверждена федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». Она предусматривает создание глобального навигационного поля для определения координат объектов с высокой степенью точности и достоверности, внедрение спутниковых навигационных технологий в информационные контуры управления движением, повышение уровня безопасности в дорожно-транспортном комплексе страны, значительное снижение эксплуатационных расходов, отказ в перспективе от использования традиционных наземных навигационных радиотехнических средств.

Для развития системы GPS предусмотрена следующая программа:

Повышается точность гражданского навигационного сигнала (снимается сигнальный селективный доступ; планируется создание новых навигационных спутников с повышенными тактико-техническими характеристиками; прорабатываются технические возможности реализации пространственного селективного доступа, которой позволит реализовать, по желанию США, навигационное обеспечение с пониженной точностью в любом районе Земного шара, либо совсем исключить этот район из зоны обслуживания системы GPS; проводится активная работа по разработке стандартов на систему GPS и принятия их в качестве международных;