GPS состоит из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа. Спутниковая система GPS известна также под другим названием - NAVSTAR.

На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10^-9 сек, вычислительно кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Поэтому сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно, даже на полюсах, в любое время.

GPS приёмник или GPS навигатор - это прибор, позволяющий определить ваше местоположение в любой точке: на суше, на море и в околоземном пространстве. Исполнение GPS-приемников весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

· Портативные GPS приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.

· Автомобильные GPS приемники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приемо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.

· Морские GPS приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.

· Авиационные GPS приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Сигнал, передаваемый каждым спутником, содержит:

· "псевдослучайный код" (PRN - pseudo-random code), служащий для идентификации передающего спутника

· эфимерис (ephimeris), который информирует о состоянии спутника (рабочее или нерабочее) и текущей дате и времени

· альманах (almanach), который говорит о том, где в течение дня должны находиться все спутники.

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными системами является всепогодность. Другим фактором, влияющим на точность GPS, является геометрия спутников. Понятие "геометрия спутников" означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. В зависимости от геометрии сигнал спутника может быть сильнее или слабее. Источником ошибок может стать переотражение спутникового сигнала от различных объектов. В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле. Такие переотражения могут добавить около 5 м в общую ошибку.

Ошибки 

1. S/A режим - Selective Availability (Избирательный Доступ). Несколько лет назад Министерство Обороны США намеренно вносило искусственные ошибки в навигационные данные, передаваемые со спутников. При активированном S/A режиме величина среднеквадратического отклонения определения местоположения составляет, примерно, 30 м. Этот режим был отключен 1 мая 2000 года по распоряжению Билла Клинтона.

2. Ионосферные и атмосферные задержки сигналов. Использование системы GPS построено на предположении, что скорость распространения сигнала от спутников постоянна и равна скорости света. Однако на самом деле это условие выполняется только в вакууме. При прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. возникают задержки, которые делают невозможными точные вычисления расстояний до спутников. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью.

Существуют два метода коррекции погрешности, вносимой ионосферой. Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов на двух частотах. Этот метод корректировки достаточно сложен, кроме того, он, как мы помним, доступен только военным и авторизованным гражданским пользователям системы GPS, поскольку сигнал на второй частоте L2 передается в закодированном виде. Закрытие доступа к P-коду не позволяет двухчастотному приемнику, работающему с таким кодом, определить ионосферную задержку в реальном времени, и решение задачи определения координат становится более грубым.

После того, как сигналы от спутников пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в нижней части которой (в тропосфере) также возникают искажения и задержки, обусловленные различным содержанием водяных паров. К счастью, их вклад в погрешность достаточно мал.

3. Ошибки атомных часов и другие погрешности. Как бы ни были точны атомные часы на спутниках, все равно они являются источниками небольших погрешностей. Наземные станции постоянно следят за этими часами и могут корректировать их ход, если в этом возникает необходимость.

Приемники на Земле также иногда ошибаются. Компьютер приемника может округлить математическую операцию, или электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов.

4. Экранирование и отражение спутникового сигнала. При использовании GPS-приемника в сложных для приёма сигнала условиях: среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях точность позиционирования будет ухудшаться. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся в поле приёма сигнала спутников. Если неэкранированными останутся менее трех спутников, то местоположение определить вообще будет невозможно. Кроме того, сигналы могут отражаться от высотных объектов, при этом отраженному сигналу требуется больше времени для достижения приемника. Приемник "думает", что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле. Однако из-за большой скорости распространения радиоволн, которая равна скорости света, подобная ошибка невелика - она составляет не более 5 м.

5. Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между расчетным положением GPS-спутника, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника, и его фактическим положением. Значение погрешности обычно не больше 3 м. Станции слежения постоянно ведут наблюдение за всеми спутниками GPS-системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в "альманах" и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим GPS-приемникам.

6. Статистическая погрешность определения расстояния до спутников. Она вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелирована с другими видами погрешностей. Величина обычно не превышает 10 м.

7. Геометрический фактор. Поскольку измерение расстояния до спутников всегда сопряжено с рядом погрешностей, воображаемые сферы и окружности на их пересечении (см. как работает GPS) получаются не геометрически точными, а размытыми.

В зависимости от угла между направлениями на спутники область пересечения таких размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может иметь вид от небольшого квадрата до весьма вытянутого четырехугольника. Поэтому, чем больше угол между направлениями на разные спутники, тем точнее измерения.

Хорошие приемники всегда выбирают из всех доступных спутников те, геометрия расположения которых дает наименьшую неопределенность.

Все перечисленные выше погрешности суммируются и придают каждому GPS-измерению некоторую неопределенность. Типичная погрешность при использовании большинства обычных навигаторов составляет 18-30 метров, в наихудших случаях - до 60 метров, а при включенном S/A- режиме - до 100 метров.