Global Positioning System

Artykuł ten został zgłoszony do umieszczenia na stronie głównej w rubryce „Czy wiesz”.
Pomóż nam go sprawdzić: oceń zgłoszoną nominację.

Ten artykuł dotyczy amerykańskiego systemu nawigacji satelitarnej. Zobacz też: nawigacja satelitarna – ogólnie o rodzaju systemu nawigacyjnego.

Global Positioning System (GPS)

Państwo	Stany Zjednoczone
Rodzaj	globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS), wojskowy i cywilny
Właściciel	Departament Obrony Stanów Zjednoczonych (rząd USA)
Operator	Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych
Zasięg	globalny
Konstelacja bazowa	24 satelity w 6 płaszczyznach orbitalnych (utrzymywane co najmniej 24 operacyjne przez 95% czasu)
Orbita	Średnia orbita okołoziemska (MEO), ok. 20 200 km
Pierwszy start	22 lutego 1978 (Block I, SVN 1)
Wstępna zdolność operacyjna	8 grudnia 1993
Pełna zdolność operacyjna	17 lipca 1995
Strona internetowa	gps.gov

Global Positioning System (GPS; pierwotnie znany jako NAVSTAR GPS) – amerykański globalny system nawigacji satelitarnej opracowany przez Departament Obrony Stanów Zjednoczonych i utrzymywany przez Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych. System umożliwia odbiornikom na Ziemi i w jej pobliżu wyznaczanie położenia i dokładnego czasu oraz prowadzenie nawigacji^[1]. Jest jednym z kilku globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS)^[2]. Oprócz nawigacji służy jako powszechne źródło wzorca czasu dla telekomunikacji, energetyki i finansów^[3][4.1] oraz jako narzędzie pomiarowe w geodezji, rolnictwie i naukach o Ziemi^[5][6][7].

System składa się z trzech segmentów: kosmicznego (konstelacja satelitów na średniej orbicie okołoziemskiej), naziemnego (stacje kontrolne i monitorujące) oraz użytkownika (odbiorniki)^[1]. Działanie polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Na tej podstawie i z danych o orbitach satelitów, nadawanych w depeszy nawigacyjnej^[8], odbiornik wyznacza własną pozycję – zwykle w układzie odniesienia WGS 84^[9.1] – oraz czas GPS. Dokładność wynosi od kilku metrów w smartfonach do centymetrów w pomiarach z systemami wspomagającymi^[10]. Sygnał docierający do odbiornika jest słaby, przez co łatwo go zagłuszyć lub sfałszować^{[11.1][12.1][13.1]}.

Program GPS uruchomiono w 1973 roku^{[14][15.1][16.1]}, a pełną zdolność operacyjną ogłoszono w 1995 roku^[17]. Wyłączenie w 2000 roku celowego pogarszania dokładności sygnału cywilnego przyspieszyło upowszechnienie precyzyjnej nawigacji cywilnej^[18]. System jest stale modernizowany przez wprowadzanie nowych sygnałów cywilnych i wojskowych oraz kolejnych generacji satelitów^[19]. System kontroluje rząd Stanów Zjednoczonych, a przepisy federalne nakazują świadczenie cywilnej usługi na całym świecie, w sposób ciągły i bez bezpośrednich opłat od użytkowników^[1][20].

Pierwszy system nawigacji satelitarnej powstał z odwrócenia zadania śledzenia Sputnika na podstawie dopplerowskiego przesunięcia częstotliwości. Z położenia stacji można było wyznaczać orbitę satelity, a z sygnału satelity o znanej orbicie można było wyznaczać położenie użytkownika. Pomysł ten stał się podstawą systemu Transit dla okrętów podwodnych i nawodnych marynarki USA^[21][15.2]. W praktyce okręty podwodne używały sygnałów Transit do okresowego korygowania nawigacji inercyjnej^[15.3], a po latach GPS zastąpił w tej roli zarówno Transit, jak i LORAN^[22]. Transit nie zapewniał jednak ciągłej nawigacji. Pozycję wyznaczano z pomiarów przesunięcia Dopplera w ciągu kilkunastu minut, gdy satelita był nad horyzontem, a na poruszającej się jednostce wynik zależał od znajomości jej własnej prędkości^[23.1][15.4]. Odstęp między kolejnymi pozycjami zależał od szerokości geograficznej. Przy pięciu satelitach wynosił średnio od około 100 minut w pobliżu równika do około 35 minut w wysokich szerokościach^[24.1][25.1]. W połowie lat 80. XX wieku orbity satelitów nie były już rozmieszczone równomiernie, więc zdarzały się przerwy dłuższe niż sześć godzin^[26.1]. GPS przejął z systemu Transit m.in. algorytmy prognozowania orbit satelitów^[27.1][25.1].

Korzenie samego systemu NAVSTAR GPS sięgają lat 60. XX wieku, kiedy Departament Obrony USA zaczął rozważać budowę globalnego, stale dostępnego i dokładnego systemu nawigacji, działającego w każdych warunkach pogodowych i opartego na sygnałach radiowych z satelitów^[27.2]. Odrębnym programem marynarki był rozwijany od 1964 roku TIMATION(inne języki), którego satelity posłużyły do rozwoju bardzo stabilnych zegarów i przesyłania czasu, potwierdzając możliwość precyzyjnej synchronizacji czasu za pomocą systemów satelitarnych^[27.1][15.5]. Równolegle siły powietrzne rozwijały koncepcję Systemu 621B, która miała zapewniać ciągłą nawigację trójwymiarową. Do 1972 roku w programie tym zademonstrowano nowy rodzaj sygnału do pomiaru odległości, oparty na szumie pseudolosowym (PRN, ang. pseudo-random noise)^[15.6]. Sprawdzano go w testach z samolotami na poligonie White Sands, w których rolę satelitów odgrywały nadajniki naziemne i umieszczone na balonach^[27.1].

Program NAVSTAR GPS uruchomiono w 1973 roku jako odpowiedź na ograniczenia wcześniejszych systemów nawigacyjnych^[14][16.1]. Według ekspozycji National Air and Space Museum Instytutu Smithsona przy tworzeniu GPS połączono technologie rozwijane wcześniej równolegle w programach Transit i TIMATION marynarki wojennej, 621B sił powietrznych oraz SECOR(inne języki) armii. W kwietniu 1973 roku zastępca sekretarza obrony powierzył siłom powietrznym połączenie tych koncepcji w jeden system, nazwany Defense Navigation Satellite System (DNSS) i później przemianowany na NAVSTAR GPS^[28][27.3]. Pierwsza próba uzyskania zgody na budowę systemu, przedstawionego jako program 621B, nie powiodła się w sierpniu 1973 roku. Zażądano wtedy rozszerzenia koncepcji o wymagania wszystkich rodzajów sił zbrojnych. Nową koncepcję opracowała w długi weekend Święta Pracy (Labor Day) 1973 roku w Pentagonie grupa około dwunastu członków wspólnego biura programu. Nie była ona przedłużeniem żadnego z wcześniejszych programów, lecz łączyła ich rozwiązania^[15.1][16.1]. Strukturę sygnału i częstotliwości przejęto z programu 621B, a orbity oparto na proponowanych dla TIMATION, lecz wyższych, o okresie 12 zamiast 8 godzin^[27.3]. W grudniu 1973 roku Departament Obrony zatwierdził pierwszą z trzech faz programu^[27.4][15.7]. Pierwszymi satelitami programu NAVSTAR były satelity technologiczne NTS-1 i NTS-2, wywodzące się z programu TIMATION i wystrzelone w 1974 i 1977 roku^[27.4][15.8]. W programie TIMATION Naval Research Laboratory badało działanie zegarów atomowych w przestrzeni kosmicznej, a satelita NTS-2 z dwoma cezowymi zegarami atomowymi pomógł wykazać możliwość nawigacji satelitarnej opartej na precyzyjnym czasie^[29][15.9].

Nowy system miał świadczyć globalną, pasywną usługę wyznaczania położenia i czasu^[23.2]. Odbiornik miał wyznaczać położenie biernie, bez nadawania własnego sygnału, który mógłby zdradzić przeciwnikowi położenie użytkownika, a depeszę nawigacyjną chroniono przed celowym zagłuszaniem kodami o widmie rozproszonym^[23.3]. Ogólne wymagania wobec wojskowych systemów nawigacyjnych obejmowały też obsługę nieograniczonej liczby użytkowników i działanie w czasie rzeczywistym^[26.2].

Satelita Navigation Technology Satellite II z programu TIMATION

Gladys West, której prace nad modelowaniem geoidy miały znaczenie dla GPS

Do twórców GPS należeli m.in. Roger L. Easton(inne języki) z Naval Research Laboratory^[15.10], Ivan A. Getting(inne języki) z The Aerospace Corporation oraz Bradford Parkinson(inne języki), który jako oficer Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych kierował wspólnym biurem programu GPS^[15.6]. Gladys West pracowała nad geodezyjnym modelem Ziemi wykorzystywanym przy precyzyjnym wyznaczaniu orbit satelitów^[30]. BBC opisywało jej pracę nad przetwarzaniem danych satelitarnych jako istotny wkład w matematyczne podstawy GPS^[31].

Pierwszego satelitę testowego Block I, oznaczonego SVN 1 (od ang. space vehicle number), wystrzelono 22 lutego 1978 roku, a kolejne satelity tej serii trafiały na orbitę do 1985 roku^[11.2][9.2]. W latach 1978–1979 ograniczenia budżetu obronnego zmniejszyły finansowanie programu o blisko 500 mln dolarów, przez co planowaną konstelację operacyjną zmniejszono z 24 do 18 satelitów w sześciu płaszczyznach orbitalnych, uzupełnionych trzema satelitami zapasowymi na orbicie. W 1983 roku siły powietrzne zawarły jeden z pierwszych wieloletnich kontraktów zakupowych Departamentu Obrony, o wartości 1,17 mld dolarów, na produkcję 28 satelitów^[16.2]. Po katastrofie promu Challenger planowane starty satelitów operacyjnych Block II przeniesiono z wahadłowca na rakiety Delta II^{[32.1][15.11]}. Do czasu przygotowania rakiet Delta II nie było innego środka wynoszenia, dlatego pierwszy satelita Block II poleciał ponad trzy lata po ostatnim satelicie Block I, dopiero na początku 1989 roku^[23.4]. Wstępną zdolność operacyjną (ang. Initial Operational Capability) Departamenty Obrony i Transportu ogłosiły wspólnie 8 grudnia 1993 roku. Oznaczała ona, że system może w sposób ciągły i na całym świecie świadczyć standardową usługę pozycjonowania dla użytkowników cywilnych^[27.5]. Pełną zdolność operacyjną ogłoszono 17 lipca 1995 roku, po zbudowaniu konstelacji zapewniającej globalne, całodobowe pokrycie^[17][33.1].

Po zestrzeleniu samolotu Korean Air 007 w 1983 roku Biały Dom zapowiedział, że po uruchomieniu systemu będzie gotów udostępnić go lotnictwu cywilnemu^[34]. Przyjęta w 1996 roku amerykańska polityka w sprawie GPS potwierdziła ciągłe i bezpłatne udostępnianie standardowej usługi cywilnej na całym świecie oraz zapowiedziała w ciągu dekady wyłączenie mechanizmu Selective Availability (SA), celowo pogarszającego dokładność cywilnego sygnału^[35]. Wyłączono go o północy z 1 na 2 maja 2000 roku^[11.3][36], co przyspieszyło upowszechnienie precyzyjnej nawigacji cywilnej^[18].

Kolejne etapy rozwoju obejmowały modernizację sygnałów i segmentu naziemnego. W latach 90. XX wieku i w pierwszej dekadzie XXI wieku zapowiadano wprowadzanie nowych sygnałów cywilnych, w tym L2C i L5. Późniejsze generacje satelitów Block IIR-M, Block IIF, GPS III i GPS IIIF wiązano z większą dokładnością, odpornością oraz interoperacyjnością z innymi systemami GNSS^{[19][37][11.4]}. Osobnym etapem była przebudowa infrastruktury naziemnej, obejmująca m.in. plan ewolucji architektury segmentu kontroli (ang. Architecture Evolution Plan) oraz długo rozwijany system OCX, anulowany w 2026 roku^[38][39].

Konstelację zaprojektowano tak, aby przy niezasłoniętym niebie użytkownik miał dostęp do sygnałów co najmniej czterech satelitów w dowolnym punkcie globu^[23.1]. Lokalna zabudowa^[40.1], ukształtowanie terenu i zakłócenia radiowe mogą tę dostępność ograniczyć^[12.1]. Konstelacja zapewnia użytkownikom informacje o położeniu, prędkości i czasie w dowolnym miejscu świata oraz w każdych warunkach pogodowych^[41].

Segment kosmiczny obejmuje bazową konstelację 24 satelitów rozmieszczonych w sześciu równomiernie rozłożonych płaszczyznach orbitalnych, ale w praktyce utrzymuje się więcej aktywnych satelitów, aby poprawić pokrycie i zwiększyć nadmiarowość konstelacji. Płaszczyzny orbit są nachylone pod kątem 55° do płaszczyzny równika, a w każdej z sześciu płaszczyzn, oznaczanych literami od A do F, wyznaczono cztery nominalne pozycje (sloty) satelitów^[23.5][33.2]. Odstępy między slotami w obrębie płaszczyzny są nierówne, co zwiększa odporność konstelacji na awarie pojedynczych satelitów^[11.3][9.3]. Pierwotnie planowano trzy płaszczyzny orbitalne rozdzielone o 120°, z ośmioma satelitami w każdej^{[23.6][15.12][16.1]}. Nachylenie orbit, ustalone początkowo na 63°, zmniejszono później do 55°, aby satelity można było wynosić wahadłowcem^[23.7]. Stany Zjednoczone zobowiązują się utrzymywać dostępność co najmniej 24 satelitów operacyjnych przez 95% czasu, a rozszerzona konstelacja obejmuje także satelity nadmiarowe, które pomagają utrzymać pokrycie podczas obsługi lub wycofywania jednostek bazowych^[42]. W czerwcu 2011 roku konstelację przestawiono na układ „Expandable 24”: trzy z 24 slotów rozszerzono, a sześć satelitów przesunięto, tak że trzy satelity nadmiarowe weszły do konstelacji bazowej. W efekcie GPS działa w praktyce jako konstelacja 27-slotowa^[42][9.3].

Satelity GPS krążą po średniej orbicie okołoziemskiej na wysokości około 20 200 km, a każdy z nich obiega Ziemię dwa razy na dobę gwiazdową^{[42][23.7][9.3]}. Wynikający z tego okres powtarzania geometrii konstelacji, nieco krótszy od doby słonecznej, ma znaczenie m.in. dla analizy błędów wielodrożności^[43.1]. Według zwyczajowo przyjmowanej reguły geometria konstelacji powtarza się co dobę o 4 minuty (240 s) wcześniej^{[44.1][16.3][33.3]}, czyli w przybliżeniu po upływie doby gwiazdowej (krótszej od słonecznej o 235,9 s). Pomiary pokazały jednak, że rzeczywisty okres powtarzania położeń topocentrycznych jest średnio o 247 s krótszy od doby, różni się między satelitami konstelacji i na wysokich szerokościach geograficznych zmienia się w ciągu doby nawet o 2,5 s^[44.1].

Utrzymanie rozbudowanej konstelacji satelitów jest kosztowne. Wymaga całodobowego monitorowania stanu satelitów, regularnego zastępowania jednostek, które zakończyły pracę lub utraciły pełną sprawność, oraz wielu rozwiązań zapasowych zapewniających ciągłość pracy^[45]. Government Accountability Office (GAO) ostrzegał w 2009 roku, że opóźnienia w rozwoju satelitów GPS IIIA mogłyby zwiększyć ryzyko spadku liczby dostępnych satelitów poniżej poziomu usługi deklarowanego przez rząd USA, a taki ubytek mógłby mieć daleko idące skutki dla użytkowników GPS^[46].

Już przed startem pierwszych satelitów Block I zaplanowano, że satelity GPS będą przenosić także czujniki NUDET (ang. nuclear detonation), przeznaczone do wykrywania wybuchów jądrowych^[27.4][33.4]. Satelity przekazują dane z tych czujników amerykańskim systemom wojskowym^[47][16.3]. Zestaw czujników może wykrywać wybuchy jądrowe w atmosferze lub przestrzeni kosmicznej^[9.2] i wyznaczać ich położenie metodą triangulacji. Czujniki optyczne i impulsu elektromagnetycznego oraz procesory dostarcza Sandia National Laboratories, a detektory promieniowania rentgenowskiego i cząstek – Los Alamos National Laboratory^[48].

Kolejne generacje satelitów GPS odzwierciedlają stopniową modernizację całego systemu. Po satelitach Block IIA wprowadzano kolejno rodziny Block IIR, Block IIR-M, Block IIF i GPS III, a następną generacją ma być GPS IIIF^[42][19].

Najwcześniejsze satelity eksperymentalne Block I i późniejsze satelity Block II/IIA stworzyły podstawę operacyjnej konstelacji. Według Smithsonian kontrakt na budowę satelitów GPS otrzymał w 1974 roku Rockwell International^[9.7], a do początku 1995 roku na orbicie znalazł się pełny zestaw 24 satelitów potrzebny do pokrycia globalnego^[60][15.14]. W następnych generacjach rozwijano odporność systemu, niezawodność segmentu kosmicznego i zestaw transmitowanych sygnałów^[19].

Wprowadzenie satelitów Block IIR i ich zmodernizowanej odmiany Block IIR-M było jednym z pierwszych dużych etapów unowocześniania systemu^[9.8]. Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych opisują GPS III i GPS IIIF jako generacje z dokładniejszymi zegarami atomowymi oraz silniejszymi, bezpieczniejszymi i bardziej interoperacyjnymi sygnałami, co ma poprawiać dokładność pomiaru czasu przelotu i odporność na zakłócenia^[61]. W 2026 roku Space Systems Command opisywało zakończenie serii GPS III i przejście do przygotowań generacji GPS IIIF, która ma rozwijać odporność oraz funkcje wojskowe systemu^[62][58].

Współczesna modernizacja GPS wiąże się przede wszystkim z wprowadzaniem nowych sygnałów cywilnych i wojskowych, zwiększaniem odporności systemu na zakłócenia oraz stopniowym zastępowaniem starszych satelitów bardziej zaawansowanymi konstrukcjami^[19]. GPS.gov przedstawia rozwój wojskowego sygnału M-Code jako element modernizacji, który ma zwiększyć bezpieczeństwo i odporność GPS wykorzystywanego przez siły zbrojne USA i sojuszników. Sygnał ten jest nadawany na częstotliwościach L1 i L2^[9.5][33.6] i ma być używany przez nowsze, kompatybilne odbiorniki wojskowe^[63].

Raport GAO z 2021 roku opisywał M-Code jako silniejszy i bezpieczniejszy sygnał wojskowy. Oceniał jednak, że do jego szerokiego wdrożenia w Departamencie Obrony pozostają jeszcze lata z powodu złożoności technologii, opóźnień odbiorników i zależności między satelitami, segmentem naziemnym i wyposażeniem użytkownika^[64]. Wcześniejszy raport GAO z 2017 roku wskazywał, że integracja M-Code wymagała prac nad ponad 700 systemami uzbrojenia, a szacunek integracji i testów tylko części z nich przekraczał 2,5 mld dolarów do roku budżetowego 2021^[65]. Raport GAO z 2024 roku ponownie wskazywał, że mimo postępów program mierzył się z opóźnieniami we wszystkich trzech segmentach, w tym z ryzykiem harmonogramu dla satelitów, dalszymi testami segmentu naziemnego i problemami z integracją odbiorników wojskowych^[66].

GPS.gov określa modernizację jako wielomiliardowy, ciągły program rozbudowy funkcji i poprawy ogólnej wydajności GPS, obejmujący zarówno nowe sygnały cywilne i wojskowe, jak i kolejne serie satelitów oraz modernizację segmentu kontroli^[19]. Biały Dom ogłosił w 1999 roku inicjatywę modernizacyjną wartą 400 mln dolarów, zakładającą dodanie dwóch nowych sygnałów cywilnych do przyszłych satelitów GPS. Były to drugi sygnał na 1227,60 MHz oraz trzeci sygnał na 1176,45 MHz, przeznaczony m.in. do zastosowań w lotnictwie cywilnym, od których zależy bezpieczeństwo życia^[67]. Do modernizowanych sygnałów cywilnych należą L2C, L5 i L1C. L2C jest przeznaczony dla zastosowań komercyjnych i odbiorników dwuczęstotliwościowych. L5 jest nadawany w paśmie chronionym na potrzeby bezpieczeństwa lotniczego^{[11.7][68.1][33.8]} i innych wymagających zastosowań transportowych, a L1C zaprojektowano z myślą o interoperacyjności GPS z innymi systemami GNSS^{[37][69][33.9]}. Według stanu z 2026 roku L2C i L5 mają jednak status sygnałów przedoperacyjnych, z których do czasu formalnego ogłoszenia operacyjności korzysta się na własne ryzyko. L1C ma status sygnału rozwojowego i nie przenosi danych nawigacyjnych^[37].

L1 pozostaje najważniejszym pasmem nawigacyjnym w zastosowaniach masowych, a nadawany na nim jawny kod cywilny C/A jest najczęściej wykorzystywany w dotychczasowych odbiornikach. Wojskowy M-Code zaprojektowano tak, by zapewniał większą odporność na zakłócanie i bezpieczniejszą pracę niż szyfrowany sygnał precyzyjny P(Y)^[70][33.10]. L1C jest zgodny z dotychczasowym L1, nadawany z większą mocą^[9.9] i zaprojektowany z myślą o interoperacyjności z Galileo E1^[57.2][71.1]. Inni dostawcy nawigacji satelitarnej przyjmują go jako przyszły standard współdziałania^{[72][73.1][33.11]}.

Parametry sygnałów cywilnych i kodów nadawanych na częstotliwościach L1, L2 i L5 oraz przydziały kodów PRN określają dokumenty interfejsu IS-GPS-200, IS-GPS-705 i IS-GPS-800, a gwarantowane parametry usługi cywilnej – standardy wydajności standardowej usługi pozycjonowania (ang. Standard Positioning Service, SPS). Do dokładniejszych obliczeń publikowane są też dane anten satelitów^[74][75]. Szersze planowanie federalnych usług pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu (ang. positioning, navigation and timing, PNT)^[76] opisuje federalny plan radionawigacji (ang. Federal Radionavigation Plan), przygotowywany wspólnie przez Departamenty Obrony, Bezpieczeństwa Krajowego i Transportu. Edycja z 2017 roku ujmuje GPS jako kluczowy element krajowej architektury PNT i omawia zarówno jego modernizację, jak i plany ograniczania skutków zakłóceń dla zastosowań cywilnych, wojskowych i infrastrukturalnych^[77].

Pierwotnie zapowiadano, że wsparcie bezkodowego i półbezkodowego dostępu cywilnego do wojskowych sygnałów P(Y), czyli ich śledzenia bez znajomości klucza szyfrującego, potrwa do końca 2020 roku. Późniejsze zobowiązania rządu USA zastąpiły ten termin^[9.10]. Charakterystyki sygnałów umożliwiające taki dostęp mają zostać utrzymane co najmniej przez dwa lata od chwili, gdy 24 satelity operacyjne będą nadawać sygnał L5 z w pełni funkcjonalną depeszą nawigacyjną. Zobowiązania opisują też przejście tych użytkowników na zmodernizowane sygnały cywilne L2C i L5. Podkreślają zarazem, że zmiana ta nie dotyczy typowych odbiorników konsumenckich korzystających wyłącznie z podstawowego sygnału L1 C/A^[78].

Działanie GPS polega na tym, że satelity nieustannie nadają sygnały radiowe zawierające informację o czasie i o ich położeniu. Sygnał dociera do użytkownika na częstotliwościach nośnych L1 = 1575,42 MHz i L2 = 1227,60 MHz^[11.6][79.1], a satelity od bloku IIF nadają także na częstotliwości L5 = 1176,45 MHz^{[11.6][33.12]}. Porównanie czasu nadania i odbioru sygnału pozwala wyznaczyć czas jego propagacji, a tym samym pseudoodległość między satelitą a odbiornikiem. Odbiornik musi przy tym uwzględnić opóźnienia propagacji w jonosferze i troposferze. Pomiary od trzech satelitów dają położenie przestrzenne tylko przy zegarze zsynchronizowanym z GPS, natomiast pomiar od czwartego satelity pozwala jednocześnie wyznaczyć szerokość, długość, wysokość i poprawkę czasu odbiornika^{[80][23.8][16.4]}. Prędkość odbiornika oblicza się osobno, m.in. na podstawie zmian pomiarów lub przesunięcia Dopplera^[81][33.13]. Na wynik wpływają między innymi warunki propagacji w jonosferze, dlatego w praktyce stosuje się poprawki transmitowane w depeszy nawigacyjnej lub pochodzące z systemów wspomagających, takich jak DGPS^[15.15]. W zastosowaniach precyzyjnych uwzględnia się dodatkowo efekty jonosferyczne wyższego rzędu, istotne dla dokładności na poziomie milimetrowym^[82].

Identyfikacja satelitów opiera się na wielodostępie z podziałem kodowym (CDMA). Oznacza to, że satelity nadają na tych samych częstotliwościach^[11.6][23.3], a odbiornik rozróżnia ich sygnały po odmiennych kodach modulujących, korelując je z lokalną kopią kodu^{[74][16.5][13.2]}.

Poszczególne satelity odbiornik rozróżnia dzięki kodom szumu pseudolosowego (PRN)^[33.14]. W publicznym komunikacie centrum nawigacyjnego Straży Przybrzeżnej USA (NAVCEN) o stanie systemu satelity operacyjne są zestawiane m.in. według numeru PRN, opisanego jako niepowtarzalna sekwencja identyfikacyjna wytwarzana przez danego satelitę^[83]. Kody PRN modulują falę nośną, rozpraszają widmo sygnału i pozwalają mierzyć odległość^{[9.11][33.15]}. W sygnale GPS L1 C/A stosowane są kody Golda^{[84][11.6][13.3]}.

Odbiornik nie wysyła sygnału do satelitów, lecz jedynie odbiera ich transmisje^{[23.3][33.16]}. Depesza nawigacyjna, czyli strumień danych nadawany przez każdego satelitę, zawiera m.in. efemerydy (dokładną orbitę nadającego satelity), almanach (przybliżone orbity wszystkich satelitów), poprawki zegara i informacje o stanie systemu^{[8][9.12][16.6]}. Na podstawie efemeryd i poprawek zegara odbiornik oblicza położenie satelitów w chwili nadania sygnału^[23.9], a następnie – wykorzystując pomiary pseudoodległości – własną pozycję. Almanach służy natomiast do planowania obserwacji i przyspiesza wyszukiwanie sygnałów^{[23.9][33.17]}. Ze względu na wymaganą precyzję pomiaru czasu obliczenia muszą uwzględniać błędy zegara odbiornika i opóźnienia propagacji sygnału, a ze względu na ruch satelitów i różnicę potencjału grawitacyjnego także efekty relatywistyczne w zegarach satelitów, w tym dylatację czasu^{[85][86][87.1]}.

Czas ma kluczowe znaczenie dla poprawnej pracy systemu. Każdy satelita ma na pokładzie bardzo stabilne zegary atomowe, a wszystkie satelity korzystają ze wspólnej skali czasu GPS. Odchyłkę zegara danego satelity od tej skali opisują poprawki nadawane w depeszy nawigacyjnej^{[23.10][33.18]}. Zegary atomowe satelitów GPS utrzymują czas z dokładnością rzędu trzech nanosekund, a wszystkie satelity muszą nadawać sygnały danych w tym samym czasie. Ich sygnały są stale monitorowane i korygowane w razie potrzeby^[88]. Sygnał biegnie z prędkością światła, dlatego do ustalania położenia z dokładnością rzędu metra systemy nawigacyjne potrzebują zegarów mierzących miliardowe części sekundy i stabilnych w dłuższych przedziałach czasu^[89]. W efekcie odbiornik GPS może wyznaczać nie tylko pozycję, ale także bardzo dokładny czas. National Institute of Standards and Technology (NIST) podkreśla, że efekty relatywistyczne są istotne zarówno dla działania GPS, jak i dla światowych porównań czasu, a algorytmy GPS stały się przykładem uwzględniania takich efektów w systemach nawigacyjnych^[86].

Poprawka relatywistyczna obejmuje dylatację czasu wynikającą z prędkości satelitów oraz grawitacyjne przesunięcie częstotliwości^[90]. Łącznie wzorcowy zegar na orbicie chodzi szybciej niż na geoidzie, głównie z powodu grawitacyjnego przesunięcia częstotliwości ku fioletowi. Bez kompensacji jego częstotliwość byłaby względnie wyższa o 4,4647·10⁻¹⁰. Dlatego jeszcze przed startem stosuje się ujemne przesunięcie częstotliwości o tę wartość, obniżając częstotliwość wzorcową zegara satelity z 10,23 MHz do 10,22999999543 MHz^{[90.1][33.19]}. W przeliczeniu na dobę ruch orbitalny opóźnia zegary satelitów względem zegarów na Ziemi o około 7 mikrosekund, a słabsze pole grawitacyjne przyspiesza je o około 45 mikrosekund, więc bez tej korekty spieszyłyby się o około 38 mikrosekund na dobę^[33.19]. Satelity Block IIF, pierwsze nadające operacyjne sygnały na trzech częstotliwościach, otrzymały nową generację zegarów rubidowych. W pierwszym z nich (SVN62) wykryto pozorne okresowe wahania przesunięcia zegara, odpowiadające 10–40 cm w pomiarze odległości^[91.1].

Od strony matematycznej wyznaczenie pozycji sprowadza się do rozwiązania układu równań pseudoodległości: trzy niewiadome opisują współrzędne odbiornika, a czwarta poprawkę jego zegara względem czasu GPS^[92][33.20]. Dla tego układu znane są rozwiązania algebraiczne w postaci zamkniętej, m.in. metoda Bancrofta, pozwalające wyznaczyć pozycję bez iteracji^{[93][94.1][95.1][96]}. Zadanie to można też powiązać ze starożytnym problemem Apoloniusza: w trzech wymiarach problem ten sprowadza się do znalezienia sfery stycznej zewnętrznie do trzech danych sfer i przechodzącej przez dany punkt. Pozwala to zastąpić układ równań nieliniowych jednym równaniem kwadratowym i otrzymać rozwiązanie w postaci zamkniętej^[97.1]. Równania pseudoodległości mają przy tym charakter hiperboliczny^[94.1] i mogą dawać dwa rozwiązania nawet wtedy, gdy układ satelitów nie jest osobliwy^[97.2]. Warunki jednoznaczności formułuje się w języku iloczynu skalarnego Lorentza^[98.1]. W zastosowaniach naziemnych istnienie dwóch rozwiązań nie stanowi poważnego problemu, ponieważ zwykle jedno z nich ma współrzędne na Ziemi, a drugie wskazuje punkt w przestrzeni kosmicznej^[97.3]. W praktyce układ rozwiązuje się jednak najczęściej iteracyjnie metodą najmniejszych kwadratów^[99]. Przy założonej, znanej wysokości możliwa jest także praca w trybie 2D^{[15.16][16.7]}.

Czas GPS jest ciągłą skalą czasu, która w odróżnieniu od UTC nie uwzględnia sekund przestępnych, dlatego różni się od UTC o całkowitą, powoli rosnącą liczbę sekund^[9.1][33.21]. Po sekundzie przestępnej dodanej 31 grudnia 2016 roku różnica ta wzrosła do 18 s^[100]. Datę zapisuje się w nim jako numer tygodnia i liczbę sekund w tygodniu. W starszej depeszy nawigacyjnej LNAV (ang. Legacy Navigation Message), nadawanej w sygnale C/A, numer tygodnia jest kodowany na 10 bitach, dlatego co 1024 tygodnie (około 19,6 roku) następuje jego przepełnienie (ang. week number rollover)^{[9.13][33.22]}. Wystąpiło ono w 1999 i 2019 roku i wymagało aktualizacji niektórych starszych odbiorników, a kolejne przypadnie w listopadzie 2038 roku^[100][101]. Zmodernizowana depesza CNAV (ang. Civil Navigation Message) używa 13-bitowego numeru tygodnia, który przepełni się dopiero w 2137 roku^[101][33.22].

W praktyce GPS wykorzystuje dwie podstawowe grupy metod obserwacyjnych: pomiar kodowy i pomiar fazowy^[102][103].

Metoda kodowa polega na wyznaczeniu czasu przebiegu sygnału od satelity do odbiornika na podstawie porównania odebranego kodu ze wzorcem zapisanym w urządzeniu^[33.23]. Pozwala to obliczyć pseudoodległość od satelity, a po zestawieniu obserwacji z co najmniej czterech satelitów – pozycję odbiornika i poprawkę jego zegara. Metoda ta daje dokładność rzędu metrów, wystarczającą w typowych zastosowaniach nawigacyjnych^{[102][104][105.1]}.

Metoda fazowa opiera się na pomiarze fazy fali nośnej sygnałów GPS, tradycyjnie na częstotliwościach L1 i L2. Jest znacznie dokładniejsza od metody kodowej i w zastosowaniach geodezyjnych może zapewnić dokładność centymetrową, ale wymaga wyznaczenia nieoznaczoności pomiaru (nieznanej całkowitej liczby długości fali między satelitą a odbiornikiem) oraz bardziej złożonego opracowania obserwacji^{[102][106][107.1][33.24]}. Do rozwiązywania całkowitych nieoznaczoności fazy opracowano wyspecjalizowane metody, m.in. metodę najmniejszych kwadratów całkowitoliczbowych LAMBDA^[108][109.1], a poprawność wyznaczonych wartości całkowitych ocenia się testami walidacyjnymi^[110][109.2]. Szczególnie trudne jest to przy długich bazach pomiarowych (dużej odległości między odbiornikami), gdzie znaczenie mają niezamodelowane błędy atmosferyczne^[109.3]. Na początku lat 10. XXI wieku w sieciach stacji referencyjnych do pozycjonowania fazowego w czasie rzeczywistym odległość między stacjami ograniczano na niższych szerokościach geograficznych zwykle do około 50 km lub mniej, głównie z powodu silnych zaburzeń jonosferycznych^[109.3].

Odbiorniki łączą te techniki z poprawkami jonosferycznymi, systemami wspomagającymi i rosnącą mocą obliczeniową, co pozwala uzyskiwać znacznie większą dokładność niż w najstarszych cywilnych zastosowaniach GPS. W jednoczęstotliwościowych odbiornikach GPS do korekcji jonosferycznej stosuje się model Klobuchara^[111], a w systemie Galileo model NeQuick^[112][71.2]. Opracowanie modelu powierzyło Johnowi A. Klobucharowi biuro programu GPS (ang. GPS Joint Program Office). Model miał być nadawany z satelitów i korygować opóźnienie jonosferyczne u użytkowników jednoczęstotliwościowych^[113]. Jest opisany ośmioma współczynnikami nadawanymi w depeszy nawigacyjnej i usuwa w skali globalnej około 50% średniokwadratowego błędu jonosferycznego. Przyjęto to jako kompromis między objętością depeszy a dokładnością, ponieważ nawet najlepsze ówczesne modele jonosfery usuwały 70–80% tego błędu^[111.1][114]. Część profesjonalnych użytkowników korzystała już wcześniej z odbiorników dwuczęstotliwościowych (L1 i L2), a połączenie dwóch częstotliwości pozwala korygować opóźnienie jonosferyczne^[37][33.25]. Zmodernizowane sygnały L2C i L5 udostępniają drugą i trzecią częstotliwość także odbiornikom cywilnym^[115.1][116].

Segment naziemny odpowiada za śledzenie satelitów GPS, monitorowanie transmitowanych przez nie sygnałów, analizę stanu konstelacji oraz wysyłanie do niej komend i zaktualizowanych danych nawigacyjnych^{[117.1][87.2][33.26]}. Według stanu z 2026 roku segment kontroli obejmuje główną i zapasową stację kontroli, 11 anten dowodzenia i kontroli oraz globalną sieć 16 stanowisk monitorujących^[118]. Dane z tych stanowisk służą do tworzenia poprawek zegarów i efemeryd oraz komunikatów nawigacyjnych wysyłanych następnie do satelitów przez anteny naziemne^{[118][117.1][9.14][33.27]}. Na początku lat 90. XX wieku segment kontroli tworzyły główna stacja kontroli w Kolorado i stacje monitorujące na atolach Diego Garcia i Kwajalein, na Wyspie Wniebowstąpienia i na Hawajach^{[23.11][87.3]}. Anteny naziemne wysyłające dane do satelitów działały przy stacjach na Wyspie Wniebowstąpienia, Diego Garcia i Kwajalein oraz na przylądku Canaveral, a stacje na Hawajach i w Colorado Springs tylko monitorowały sygnały^{[117.1][87.4]}. W drugiej połowie lat 90. XX wieku główna stacja kontroli znajdowała się w Colorado Springs, a w normalnej pracy kontaktowano się z satelitami raz na dobę, aby utrzymać dokładność danych nawigacyjnych^[87.5]. Częstszy kontakt był możliwy w razie potrzeby, np. przy zmianie orbity satelity lub przeprogramowaniu jego procesora^{[117.1][16.6]}. Modele efemeryd o wydłużonym czasie ważności pozwalają przewidywać orbitę satelity nawigacyjnego nawet na dwa tygodnie naprzód z dokładnością wystarczającą do szybkiego pierwszego wyznaczenia pozycji lub nawigacji awaryjnej, gdy brakuje aktualizacji z segmentu naziemnego^[119.1]. Opracowuje się też metody adaptacyjnego odtwarzania orbit, gdy komunikat nawigacyjny jest niedostępny^[120]. Osobne procedury obsługują satelity nowo wyniesione, czasowo nieoperacyjne, zapasowe lub wycofywane ze służby po zakończeniu pracy^[121][33.28].

Już w drugiej połowie lat 90. XX wieku Siły Powietrzne USA przenosiły segment kontroli z komputera typu mainframe na rozproszoną sieć stacji roboczych. Według ówczesnego planu ewolucji architektury przejście miało przebiegać w czterech fazach i zakończyć się w 1999 roku^[117.2]. Zmodernizowany w jego ramach segment kontroli (AEP, ang. Architecture Evolution Plan) wszedł do eksploatacji we wrześniu 2007 roku i wprowadził zapasową główną stację kontroli w bazie Vandenberg^[9.14]. Następcą starszych elementów kontroli i zapleczem dla zmodernizowanych sygnałów cywilnych oraz wojskowych miał być program OCX (ang. Next Generation Operational Control System)^{[38][122][9.15][33.28]}. Program był wielokrotnie opóźniany. GAO wskazywał na wzrost kosztów, problemy harmonogramowe oraz zależności między nowym segmentem kontroli a wyposażeniem wojskowych użytkowników^[123]. W kwietniu 2026 roku Siły Kosmiczne Stanów Zjednoczonych poinformowały o anulowaniu OCX, uznając, że program nie zapewnia wymaganych zdolności w terminie przydatnym z operacyjnego punktu widzenia i przy akceptowalnym ryzyku. Dalsze prace mają koncentrować się na rozwijaniu obecnego segmentu kontroli^[39].

Odbiorniki GPS można dzielić według przeznaczenia i używanych sygnałów. Najprostsze urządzenia cywilne korzystały tradycyjnie z jawnego sygnału C/A na L1, natomiast modernizacja cywilna obejmuje także sygnały L2C, L5 i L1C, przeznaczone m.in. do zastosowań komercyjnych i transportowych oraz zapewniające interoperacyjność z innymi GNSS^[37]. Profesjonalne odbiorniki geodezyjne i pomiarowe zwykle wykorzystują wiele częstotliwości oraz korekty zewnętrzne, a odbiorniki wojskowe mogą korzystać z szyfrowanych sygnałów P(Y) i M-Code. Ten ostatni wyróżnia się przede wszystkim większą odpornością i kontrolowanym dostępem, ważnymi w zastosowaniach wojskowych^[124].

Odbiornik GPS wyznacza położenie i czas na podstawie sygnałów nadawanych przez satelity systemu, rozwiązując opisany wyżej układ równań pseudoodległości^[125].

Do współczesnych odbiorników GPS należy bardzo szeroka gama urządzeń: od modułów zintegrowanych ze smartfonami, zegarkami, pojazdami i systemami pokładowymi po specjalistyczne odbiorniki geodezyjne oraz wojskowe. Typowy odbiornik ma antenę dostrojoną do częstotliwości nadawanych przez satelity i stabilny zegar odniesienia, a może też zawierać wyświetlacz lub interfejs przekazywania danych do innych urządzeń^[126].

Pod koniec lat 80. XX wieku kilka firm zaczęło opracowywać odbiorniki GPS dla szerszego rynku cywilnego i komercyjnego. Mimo braku dostępu do najdokładniejszych sygnałów wczesne urządzenia cywilne mogły podawać współrzędne mapowe w dowolnym miejscu globu^[127]. Wydane w 1996 roku przez amerykańską Federalną Komisję Łączności wymogi E911 (faza II) dla połączeń z numerem alarmowym 911 nakazały dokładniejsze lokalizowanie telefonów komórkowych i natychmiastowe przekazywanie ich położenia do centrów przyjmujących zgłoszenia. Od tego czasu GPS stał się podstawową technologią w większości usług lokalizacyjnych telefonii komórkowej^[128.1].

Segment użytkownika tworzą odbiorniki, procesory i anteny pracujące w paśmie L, które odbierają sygnały GPS, wyznaczają pseudoodległości i inne wielkości obserwowane, a następnie rozwiązują równania nawigacyjne w celu uzyskania współrzędnych oraz bardzo dokładnego czasu^[85]. Odbiornik obejmuje część radiową odbierającą sygnał z anteny, sekcję przetwarzania sygnału z kanałami śledzącymi oraz procesor nawigacyjny obliczający pozycję, prędkość i czas. W praktyce urządzenia różnią się liczbą kanałów, obsługiwanymi częstotliwościami i przeznaczeniem^[129]. Do akwizycji (wyszukania sygnału i wstępnego dostrojenia) i śledzenia słabych sygnałów w trudnych warunkach odbioru opracowano specjalne architektury odbiorników^[130][13.4] oraz techniki wspomaganej, wysokoczułej akwizycji^{[131][128.2][105.2]}.

Wskutek względnego ruchu satelity i odbiornika odbierany sygnał GPS jest przesunięty względem częstotliwości L1 (1575,42 MHz). Dla odbiornika spoczywającego na Ziemi to przesunięcie Dopplera wynosi co najwyżej około ±5 kHz^[33.29], a ruch samego odbiornika może je zwiększyć. Utrudnia to przeszukiwanie częstotliwości przy akwizycji. Oszacowanie tego przesunięcia z wyprzedzeniem ułatwia i skraca akwizycję, a tym samym czas uruchomienia odbiornika^[132.1]. W technice wspomaganej (A-GPS, ogólniej A-GNSS) odbiornik w telefonie korzysta z danych serwera sieci komórkowej wyposażonego w referencyjną stację GNSS. Serwer przekazuje m.in. identyfikatory satelitów, oczekiwane przesunięcie Dopplera i fazę kodu, co zawęża przeszukiwany zakres, zwiększa czułość akwizycji i skraca czas do pierwszego wyznaczenia pozycji^[128.3]. O dokładności pomiaru decyduje ostrość piku korelacji (maksimum zgodności odebranego kodu z jego kopią w odbiorniku). Rośnie ona z szerokością pasma sygnału, którą wyznacza częstotliwość taktowania kodu, wynosząca dla kodu P(Y) 10,23 MHz, a dla kodu C/A tylko 1,023 MHz^{[16.6][33.23]}. Kody z modulacją BOC (ang. binary offset carrier) dają pik jeszcze ostrzejszy, ale wytwarzają silne piki wtórne, na których odbiornik może błędnie zablokować śledzenie^[130.1].

Dane pozycyjne są wyrażane w geocentrycznym układzie WGS 84^[133.1]. Jest to czwarty z serii światowych systemów geodezyjnych, po WGS 60, WGS 66 i WGS 72. Opracowała go amerykańska agencja kartograficzna Departamentu Obrony (Defense Mapping Agency) na podstawie danych i technik dostępnych do początku 1984 roku^[134.1]. W zależności od zastosowania dane te mogą być łączone z mapami cyfrowymi, czujnikami inercyjnymi, korekcjami różnicowymi i usługami wspomagającymi^[1][135].

Wiele odbiorników określanych potocznie jako „GPS” to w rzeczywistości odbiorniki wielosystemowe, zdolne do jednoczesnego korzystania także z sygnałów innych systemów GNSS, takich jak GLONASS, Galileo czy BeiDou. Poprawia to dostępność sygnału i stabilność rozwiązania pozycyjnego, zwłaszcza w trudniejszych warunkach odbioru^{[136][137.1][115.2]}. Łączne przetwarzanie obserwacji z wielu systemów i częstotliwości stosuje się także w precyzyjnym pozycjonowaniu punktowym (PPP)^{[138][139.1][140.1]}.

Powszechnie dostępne odbiorniki GPS bywają też objęte ograniczeniami eksportowymi mającymi utrudniać ich wykorzystanie w niektórych zastosowaniach wojskowych, zwłaszcza w systemach naprowadzania. Dawne wytyczne Reżimu Kontroli Technologii Rakietowych (ang. Missile Technology Control Regime, MTCR) obejmowały kontrolą odbiorniki zdolne podawać dane nawigacyjne jednocześnie przy prędkości ponad 515 m/s i na wysokości ponad 18 km^[141]. Biuro Handlu Kosmicznego (ang. Office of Space Commerce) Departamentu Handlu USA wskazywało przy reformie kontroli eksportu, że większość cywilnego i komercyjnego sprzętu GPS/GNSS nie spełnia kryteriów wojskowej kategorii przepisów o międzynarodowym obrocie bronią (ITAR), lecz podlega raczej przepisom eksportowym Departamentu Handlu (ang. Export Administration Regulations)^[142].

GPS jest szeroko wykorzystywany w transporcie lądowym, morskim i lotniczym. W transporcie drogowym i miejskim połączenie pozycji GPS z mapami cyfrowymi i systemami transmisji danych umożliwia nawigację pokładową, śledzenie pojazdów, zarządzanie flotą, informację pasażerską i monitoring punktualności^[143]. W pojazdach autonomicznych dokładne pozycjonowanie w gęstej zabudowie wymaga dodatkowych metod ograniczania błędów odbić i sygnałów spoza linii widoczności^[144.1]. Samo odrzucanie takich sygnałów przy ograniczonej widoczności satelitów pogarsza jednak geometrię ich układu i może uniemożliwić wyznaczenie pozycji. Dlatego Runzhi Hu i współpracownicy zaproponowali korygowanie zniekształconych pseudoodległości przez sieć neuronową, która łączy pomiary GNSS z obrazem otoczenia z kamery typu rybie oko^[144.2]. W żegludze i lotnictwie system służy do wyznaczania pozycji, kąta drogi i prędkości względem ziemi, pomaga utrzymać zaplanowaną trasę oraz wspiera procedury bezpieczeństwa, w tym poszukiwanie i ratownictwo oraz systemy nadzoru lotniczego^{[145][146][147]}. W zastosowaniach o podwyższonych wymaganiach bezpieczeństwa, zwłaszcza w lotnictwie, stosuje się autonomiczne monitorowanie integralności w odbiorniku (RAIM), które ostrzega o niewiarygodnych rozwiązaniach pozycji^[148][11.9]. Skuteczność takiej kontroli zależy od liczby widocznych satelitów. W symulacjach globalnych najmniejszy wykrywalny błąd pojedynczego pomiaru sięgał dla samego GPS około 312 m, a przy jednoczesnym korzystaniu z GPS, GLONASS i Galileo spadał do około 20 m^[148.1].

Poza nawigacją GPS służy do precyzyjnego pozycjonowania w rolnictwie, geodezji, kartografii, budownictwie i monitoringu środowiska. W rolnictwie precyzyjnym wykorzystuje się go m.in. do mapowania pól, poboru próbek gleby, prowadzenia maszyn i monitorowania plonów^[6]. Automatyczne prowadzenie ciągnika zademonstrowano doświadczalnie już wiosną 1996 roku, a osiągane dokładności śledzenia zadanego toru sięgały kilku centymetrów. Sam precyzyjny pomiar położenia jednak nie wystarcza, bo punkt sterowania nie pokrywa się z anteną. Błąd wyznaczenia orientacji rzędu 1° wnosi w tym punkcie dodatkową niepewność położenia sięgającą 4 cm^[149.1]. W geodezji i kartografii GPS wykorzystuje się do wydajniejszego zbierania danych i pomiarów o dokładności centymetrowej przy odpowiedniej infrastrukturze i odbiornikach^[5][33.30]. GPS bywa też łączony z systemami GIS i danymi nauk o Ziemi, m.in. w monitorowaniu środowiska, deformacji skorupy ziemskiej i zjawisk sejsmicznych lub wulkanicznych^[7][150].

Odbiorniki GPS wykorzystuje się również w badaniach przyrodniczych, np. w telemetrii i mapowaniu siedlisk dzikich zwierząt^[151.1]. Istotna jest tam znajomość rzeczywistej dokładności pozycji w terenie^[152][151.2]. W badaniach geodynamicznych służą m.in. do monitorowania zmian poziomu morza wspólnie z danymi mareografów i altimetrii satelitarnej^[153]. Precyzyjne pozycjonowanie kinematyczne z odbiorników GNSS wykorzystuje się również na pokładach samolotów, m.in. w grawimetrii lotniczej nad Antarktydą^[137.2].

Obserwacje GNSS o wysokiej częstotliwości próbkowania wykorzystuje się też w sejsmologii do wyznaczania przemieszczeń gruntu i szybkiej oceny magnitudy trzęsień ziemi. Szczytowe przemieszczenie gruntu wyznaczone z GNSS pozwala szacować magnitudę w czasie rzeczywistym bez nasycenia, jakiemu przy najsilniejszych wstrząsach ulegają czujniki sejsmiczne^[154]. W inżynierii lądowej GNSS służy do monitorowania przemieszczeń i charakterystyk dynamicznych dużych konstrukcji, na przykład mostów^[155].

Autorzy przeglądu z 2022 roku za pierwszy system monitorowania deformacji zapór za pomocą GPS uznają sieć stacji GPS pracujących w trybie ciągłym, która od 1995 roku rejestrowała przemieszczenia zapory Pacoima w Kalifornii. Środek zapory przesuwał się jesienią i zimą w dół rzeki, a wiosną i latem w górę, o około 20 mm^[156.1]. Jedna antena GPS na zaporze może jednocześnie służyć do wyznaczania przemieszczeń konstrukcji i, na podstawie sygnałów odbitych od powierzchni wody, poziomu wody w zbiorniku^[156.2].

Przydatność pomiarów kinematycznych czasu rzeczywistego (RTK) do pomiarów katastralnych sprawdzano już w połowie lat 90. XX wieku^[107.2]. W australijskim badaniu porównawczym z 1996 roku oszacowano, że 99% pozycji wyznaczonych tą techniką mieści się w promieniu 26 mm od pozycji uzyskanych z precyzyjnego ciągu poligonowego^[107.3].

W geodezji satelitarnej obserwacje GNSS – łączone m.in. z laserowym pomiarem odległości do satelitów (SLR) – służą do wyznaczania precyzyjnych orbit, ruchu bieguna i innych parametrów orientacji Ziemi^{[157][158][159]}. GNSS jest też jedną z czterech technik geodezji kosmicznej – obok SLR, interferometrii wielkobazowej (VLBI) i systemu DORIS – na których oparto Międzynarodowy Ziemski Układ Odniesienia w wersji ITRF2014^[159]. Pomiary SLR wykorzystywano m.in. do niezależnego wyznaczania orbit satelitów wielu systemów GNSS^[160][159], do oceny wkładu konstelacji GNSS w ziemski układ odniesienia^[159][161] oraz do badania ruchu geocentrum^[162]. Zestawy laserowych retroreflektorów do pomiarów SLR zamontowano eksperymentalnie na dwóch satelitach GPS wczesnego bloku IIA, podczas gdy w 2018 roku miały je wszystkie satelity nowych systemów GNSS, m.in. GLONASS, Galileo i BeiDou, oraz niektórych systemów regionalnych. Dane SLR z lat 2014–2017 obejmowały jednego aktywnego satelitę GPS wobec 31 satelitów GLONASS i 18 satelitów Galileo^[159]. Precyzyjne wyznaczanie orbit wymaga przy tym dokładnego modelowania sił niegrawitacyjnych, zwłaszcza ciśnienia promieniowania słonecznego^[163].

Osobnym obszarem zastosowań naukowych jest meteorologia GNSS^[164.1]. Opóźnienie troposferyczne sygnału, traktowane w nawigacji jako błąd, niesie informację o zawartości pary wodnej w atmosferze. Pomiary z naziemnych sieci GPS pozwalają więc wyznaczać zintegrowaną zawartość pary wodnej na potrzeby prognozowania pogody, i to z rozdzielczością czasową rzędu 10 minut^[165.1], a w ujęciu tomograficznym także trójwymiarowy rozkład pary wodnej w troposferze^[166]. Rekonstrukcja tego rozkładu jest zadaniem źle uwarunkowanym (niewielkie błędy danych silnie wpływają na wynik), ponieważ geometria promieni GNSS jest uboga, a układ równań tomograficznych bywa niedookreślony i wymaga metod iteracyjnych^[166]. Z kolei technika radiookultacji, w której sygnał GPS przechodzi stycznie przez atmosferę do odbiornika na satelicie niskoorbitalnym, umożliwia profilowanie temperatury i wilgotności atmosfery z dużą rozdzielczością pionową^[167]. Odbiorniki GPS na satelitach niskoorbitalnych pozwalają ponadto wyznaczać orbity samych tych satelitów^[168][169].

Odbite od powierzchni Ziemi sygnały GNSS wykorzystuje się w reflektometrii (GNSS-R) do zdalnego badania m.in. wilgotności gleby, stanu morza i pokrywy śnieżnej^[170][171]. Dokładność takich pomiarów oceniano na 0,04 m³/m³ dla wilgotności gleby i 0,04 m dla grubości pokrywy śnieżnej, przy obszarze uśredniania rzędu 1000 m², czyli pośrednim między zasięgiem czujnika naziemnego a rozdzielczością pomiaru satelitarnego^[171.1]. Sygnały odbierane przez niskoorbitalne satelity misji CYGNSS (ang. Cyclone Global Navigation Satellite System) wykorzystuje się m.in. do wyznaczania prędkości wiatru nad oceanami. Algorytm łączy dwa oszacowania prędkości wiatru średnią ważoną, nadając większą wagę temu, które przy danym stosunku sygnału do szumu jest pewniejsze^[172.1]. Sygnały CYGNSS służą także do szacowania wysokości powierzchni morza^[173].

Znaczenie gospodarcze GPS wynika z wielu równoległych zastosowań cywilnych i infrastrukturalnych, a nie z pojedynczej branży. Analiza NIST dotycząca sektora prywatnego USA wiąże korzyści systemu m.in. ze wzrostem produktywności, poprawą jakości usług i produktów oraz skutkami dla środowiska i zdrowia publicznego^[174]. System udostępniono nieodpłatnie do zastosowań cywilnych. Według opracowania NASA o społecznym wpływie lotów kosmicznych odbiorniki GPS kosztowały w 2006 roku już mniej niż 100 dolarów i montowano je w wielu produktach. Zastosowania komercyjne obejmowały m.in. nawigację samochodową i morską, geodezję, lokalizowanie osób i zwierząt, telefony komórkowe oraz rekreację^[175.1]. GPS i inne systemy GNSS są też używane jako odniesienia czasu i częstotliwości, ważne dla sieci telekomunikacyjnych, energetyki, finansów i innych systemów wymagających synchronizacji^[3][4.1]. Precyzyjny transfer czasu i częstotliwości realizuje się m.in. metodami opartymi na obserwacjach fazowych wielu częstotliwości^[176.1]. Amerykański Departament Bezpieczeństwa Krajowego uznawał, że od systemu GPS zależy wszystkich 16 sektorów infrastruktury krytycznej USA, a 13 z nich – w stopniu krytycznym^[169.1].

 Zobacz też: Czynniki wpływające na wynik pomiaru GPS.

Dokładność pozycjonowania GPS zależy nie tylko od jakości sygnału nadawanego przez satelity, ale także od geometrii widocznej konstelacji, przesłonięć terenu i zabudowy, warunków atmosferycznych oraz jakości odbiornika i jego anteny^[10][169]. Dokładność deklarowana dla sygnału w przestrzeni nie jest więc tym samym co dokładność osiągana przez konkretne urządzenie użytkownika^[10][9.1].

Ze względów geometrycznych wyznaczenie wysokości jest zwykle mniej dokładne niż wyznaczenie położenia poziomego, a na jakość rozwiązania wpływa także układ satelitów względem odbiornika, opisywany między innymi przez parametry DOP (ang. Dilution of Precision)^{[10][177][178.1]}. Współczynnik DOP przekłada błąd pomiarów odległości na przewidywany błąd rozwiązania pozycji i zależy od geometrii promieni odbiornik–satelity, dzięki czemu można go oszacować z almanachu bez wykonywania samych pomiarów^[179]. Współczynniki DOP dają się zapisać jako funkcje pól trójkątów i objętości czworościanów rozpiętych przez wektory jednostkowe odbiornik–satelita^[180.1]. Na Antarktydzie odbiornik widzi wprawdzie więcej satelitów niż na niskich szerokościach geograficznych, ale nisko nad horyzontem, co pogarsza pionowy współczynnik DOP (VDOP) i utrudnia dokładne wyznaczenie wysokości^[137.3]. Na wysokich szerokościach geograficznych słabnie też pionowa geometria samego GPS. Jakość VDOP zaczyna się pogarszać od szerokości 55°, równej nachyleniu orbit, czyli największej szerokości, na której satelity mogą przechodzić przez zenit. W Arktyce statki uzyskują mimo to bardzo dobrą dokładność poziomą, ale lotnictwo może mieć trudności wynikające ze słabej geometrii pionowej^[169].

Do pozostałych źródeł błędu należą m.in. wielodrożność (ang. multipath) oraz opóźnienie troposferyczne. Wielodrożność powstaje, gdy do anteny docierają sygnały odbite od budynków, gruntu lub innych powierzchni^[33.31]. Jest ona jednym z trudniejszych do wyeliminowania błędów, zwłaszcza w środowisku miejskim, i bywa ograniczana m.in. przez konstrukcję anteny i przetwarzanie sygnału^{[181][178.2][107.4][144.3][43.2]}. Nie usuwa jej różnicowanie obserwacji (odejmowanie od siebie odpowiadających sobie pomiarów)^[33.29], a w zabudowie miejskiej błędy pozycji wywołane sygnałami odbitymi i odbieranymi spoza linii widoczności (NLOS) mogą przekraczać 100 m^{[43.2][178.2]}. W precyzyjnych pomiarach geodezyjnych stosuje się m.in. anteny z pierścieniem tłumiącym (ang. choke ring), choć i one nie eliminują wielodrożności całkowicie^{[182][43.2][33.32]}. Opóźnienie troposferyczne, zależne od ciśnienia, temperatury i wilgotności powietrza^[87.6], modeluje się za pomocą funkcji odwzorowujących uwzględniających kąt elewacji satelity^[183]. Dokładność tych modeli spada przy bardzo małych kątach elewacji, a większość standardowych funkcji wyprowadzono z pomiarów radiosondażowych zebranych głównie w Europie i Ameryce Północnej, co ogranicza ich przydatność w innych strefach klimatycznych^[184.1]. Osobnym, istotnym źródłem błędu jest opóźnienie jonosferyczne. Na wysokich szerokościach geograficznych i podczas zaburzeń jonosfery scyntylacje sygnału (szybkie wahania jego amplitudy i fazy) mogą wyraźnie pogarszać dokładność pozycjonowania^[185][13.5]. Uwzględnia się też zmienność centrum fazowego anteny^[186], którą wyznacza się m.in. metodami kalibracji polowej^[187]. Kalibracja ta może przynieść wyraźną poprawę: dla platformy z trzema antenami oddalonymi o 15 cm pozwoliła zmniejszyć błąd średniokwadratowy wyznaczonej orientacji przestrzennej z 6° do 4,5°^[186.1].

Dokładność silnie zależy od trybu pracy. Samodzielny odbiornik kodu C/A osiąga zwykle dokładność około 5–10 m, tryb różnicowy DGPS zmniejsza błąd do około 0,7–3 m, a techniki RTK lub precyzyjnego pozycjonowania punktowego mogą dochodzić do poziomu centymetrów^[102]. W technice RTK stacja bazowa przekazuje w czasie rzeczywistym dane do odbiornika ruchomego^{[107.1][188.1]}, zwykle w zasięgu kilkunastu kilometrów^[33.33]. W pomiarach geodezyjnych pozwala to uzyskiwać dokładność rzędu kilku centymetrów^{[107.3][188.2][189.1][33.34]}.

Precyzyjne pozycjonowanie punktowe łączy natomiast precyzyjne orbity i zegary satelitów z dwuczęstotliwościowymi obserwacjami kodowymi i fazowymi, osiągając dokładność centymetrową bez jednoczesnej obserwacji z lokalnej stacji bazowej^{[190][191][137.2][192.1]}. Długi czas zbieżności PPP, czyli dochodzenia rozwiązania do pełnej dokładności, można skrócić dzięki rozwiązywaniu całkowitych nieoznaczoności fazy, m.in. metodami opartymi na zegarach całkowitoliczbowych^[193]. Rozwiązania hybrydowe typu PPP-RTK łączą precyzyjne korekty sieciowe z szybką inicjalizacją pomiaru, a obserwacje na trzech i więcej częstotliwościach dodatkowo przyspieszają wyznaczanie nieoznaczoności^{[194][195][139.2]}. Nazwę precise point positioning nadał na początku lat 70. XX wieku R.R. Anderle metodzie wyznaczania położenia pojedynczej stacji z obserwacji dopplerowskich przy ustalonych precyzyjnych orbitach^[192.2]. Implementację PPP opartą na precyzyjnych orbitach i zegarach udostępnianych przez International GNSS Service (IGS), pozwalającą uzyskać z danych jednego odbiornika dwuczęstotliwościowego centymetrową precyzję położenia, opisali w 2001 roku Jan Kouba i Pierre Héroux^[192.1]. W ich rozwiązaniu zbieżność do poziomu centymetrowego zajmowała 2–3 godziny obserwacji, a przy zegarach satelitów podawanych co 30 s mogła się skrócić do mniej niż 30 minut^[192.3].

Urządzenia konsumenckie mogą dodatkowo łączyć pomiary GPS z innymi danymi lokalizacyjnymi, np. z sieci Wi-Fi. Poprawia to wynik w typowych zastosowaniach, ale uzależnia go od konkretnego środowiska pomiarowego^[196].

Według GPS.gov smartfony z GPS pod otwartym niebem osiągają zwykle dokładność około 4,9 m, natomiast w pobliżu budynków, mostów i drzew dokładność spada^[10]. W złożonym środowisku miejskim smartfony, wyposażone w tanie układy i anteny GNSS, osiągają w pozycjonowaniu jednopunktowym z pseudoodległości dokładność 8–16 m^[178.3]. Wewnątrz budynków ściany i konstrukcja dodatkowo tłumią sygnał GPS o 10–30 decybeli, przez co trudno go tam zdekodować^[197.1]. Pozycjonowanie w zabudowie miejskiej można poprawić m.in. przez połączenie trójwymiarowych modeli zabudowy z metodą dopasowania cienia (ang. shadow matching)^[198]. Odbiorniki profesjonalne zwiększają dokładność dzięki pracy na dwóch częstotliwościach oraz wykorzystaniu systemów wspomagających. Pozwala to uzyskiwać pozycjonowanie w czasie rzeczywistym z dokładnością centymetrową, a przy dłuższych pomiarach nawet milimetrową^[10].

Ograniczenia w zabudowie miejskiej ujawniły już testy terenowe standardowej usługi pozycjonowania, przeprowadzone w 1985 roku w rejonie Bostonu. Do obserwacji dostępnych było wtedy sześć działających satelitów bloku I^[40.2]. Błąd pozycji w pomiarach statycznych wynosił, zależnie od odbiornika, od ok. 4 do ok. 18 m^[40.3]. Przejazdy testowe po autostradach i drogach wiejskich wypadły bardzo dobrze, ale na ulicach otoczonych budynkami wyższymi niż 10 pięter odbiorniki nie utrzymywały dokładnej pozycji^[40.4]. Autor opracowania, Francis W. Mooney, ocenił, że takie przesłanianie sygnałów wystąpi także przy pracy docelowego systemu, a miejski system nawigacji oparty na GPS będzie wymagał dodatkowych czujników prędkości, kierunku i wysokości^[40.5].

Obowiązujący od 2020 roku standard SPS określa m.in. wymagania dotyczące pokrycia, dostępności, dokładności, integralności i ciągłości cywilnej usługi standardowej. GPS.gov informuje o zobowiązaniu do utrzymania średniego globalnego błędu poziomego nie większego niż 8 m i pionowego nie większego niż 13 m (95% czasu)^[199][200]. Standard SPS 5. edycji z kwietnia 2020 roku definiuje gwarantowane parametry cywilnej usługi standardowej dla sygnału w przestrzeni i podkreśla, że nie obejmuje błędów wnoszonych przez konkretny odbiornik użytkownika ani przez lokalne środowisko odbioru^[201]. GPS.gov publikuje okresowe analizy wykonania usługi SPS. Raport za 2024 rok wskazywał, że dla starszej depeszy nawigacyjnej LNAV spełnione zostały wszystkie badane założenia standardu SPS 2020. Dla nowszej depeszy cywilnej CNAV nie spełniono dwóch z nich: założenia o integralności oraz o wskaźniku Psat^[133]. Psat oznacza udział czasu, w którym chwilowy błąd wyznaczania odległości do satelity przekracza dopuszczalną granicę bez terminowego ostrzeżenia^[133.2].

Ze względów strategicznych w systemie GPS przewidziano dwa poziomy dostępu: standardowy dla odbiorców cywilnych oraz precyzyjny dla sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych i państw sojuszniczych^{[11.3][9.1][16.8]}. Choć pomiary kodu C/A pozwalały na dokładność rzędu 10–30 m^{[23.12][16.7]}, przez wiele lat cywilny sygnał był celowo pogarszany dwiema metodami^[15.17]. Metoda dither polegała na pseudolosowym zaburzaniu częstotliwości zegara satelity^{[11.3][9.1][33.14]}, a epsilon – na przekłamywaniu nadawanych parametrów orbity, przez które satelita pozornie zmieniał położenie^[126.1]. Mechanizm ten (Selective Availability, SA) był globalnym pogorszeniem publicznego sygnału GPS^[18][16.8] i ograniczał dokładność odbiorników korzystających z kodu C/A do około 100 metrów^{[90][16.8][33.14]}. W pełni usunąć jego efekt mogły tylko odbiorniki usługi precyzyjnej, znające algorytm zakłócania i klucze kryptograficzne^[11.3][9.1]. Użytkownicy cywilni ograniczali jego wpływ pomiarami różnicowymi względem anteny referencyjnej o znanym położeniu, w których błędy wprowadzane przez SA w dużej mierze się znoszą^{[149.2][151.3]}.

1 maja 2000 roku prezydent USA Bill Clinton nakazał wyłączenie SA. Mechanizm wyłączono tej samej nocy, jednocześnie w całej konstelacji, co znacząco zwiększyło dokładność usług dostępnych dla użytkowników cywilnych^{[18][19][151.4]}. Komunikat Białego Domu z tego samego dnia uzasadniał decyzję potrzebami użytkowników cywilnych i komercyjnych oraz przewidywał natychmiastową, około dziesięciokrotną poprawę dokładności odbiorników cywilnych bez dodatkowych kosztów dla użytkowników^[36]. W pomiarach stacji referencyjnej w południowo-zachodniej Francji średni błąd pozycji wyznaczanej bez korekcji różnicowej spadł po wyłączeniu SA z 23,9 m do 1,4 m^[151.5]. We wrześniu 2007 roku Stany Zjednoczone ogłosiły, że zamawiane w przyszłości satelity GPS nie będą już miały możliwości włączenia SA^[9.1].

Często stosowaną metodą zwiększania dokładności wyznaczania pozycji jest DGPS, w którym odbiornik korzysta z poprawek pochodzących ze stacji bazowej o znanym położeniu^[33.35]. W latach 90. XX wieku rozwinięto specjalistyczny sprzęt GPS do pomiarów wysokiej precyzji, a różnicowy GPS, wykorzystujący dwa źródła danych GPS, pozwolił geodetom dokładnie mapować infrastrukturę oraz duże obszary pomiarowe^[202]. GPS.gov definiuje szeroko wspomaganie GPS jako każdy system, który, nie będąc częścią samego GPS, poprawia dokładność, integralność, dostępność albo inne właściwości pozycjonowania, nawigacji i synchronizacji czasu^[135]. Według przeglądu z 2008 roku sama standardowa usługa GPS spełniała wymagania dokładności ICAO dla wielu faz lotu, ale bez wspomagania – pokładowego, satelitarnego lub naziemnego – nie zapewniała wymaganej integralności w żadnej z nich^[11.10]. Wspomaganie obejmuje w praktyce m.in. lotnicze systemy wspomagania satelitarnego SBAS (ang. Satellite-Based Augmentation System) i naziemnego GBAS (ang. Ground-Based Augmentation System)^[68.2], sieci stałych stacji referencyjnych oraz globalne produkty precyzyjnych orbit i zegarów, używane w lotnictwie, geodezji, monitorowaniu GNSS i szczególnie wymagających zastosowaniach PNT^{[135][203][204][33.36]}. Jakość tych produktów zależy od systemu i rodzaju produktu^[205][206]. W rozwiązaniach czasu rzeczywistego najdokładniejsze były orbity satelitów GPS, ale dzięki stabilniejszym zegarom atomowym łączny błąd sygnału w przestrzeni okazał się mniejszy w systemie Galileo: 1,6 cm wobec 2,3 cm w systemie GPS^[207.1]. Do zastosowań czasu rzeczywistego rozwijane są metody bieżącego estymowania precyzyjnych zegarów satelitów^[208].

Poprawki PPP mogą też być rozsyłane przez satelity. W lipcu 2020 roku chiński system BeiDou-3 zaczął udostępniać w Chinach i na obszarach sąsiednich bezpłatną usługę PPP. Nadawany przez jego satelity geostacjonarne sygnał PPP-B2b przenosi poprawki orbit i zegarów satelitów BeiDou-3, a z innych systemów GNSS – według stanu z 2021 roku – jedynie GPS. Deklarowana dokładność to poziom decymetrowy w trybie kinematycznym i centymetrowy w statycznym^[140.2][209].

System SBAS opiera się na sieci naziemnych stacji referencyjnych, z których pomiarów stacje główne wyznaczają poprawki zegarów i orbit satelitów, siatkę poprawek opóźnienia jonosferycznego oraz granice błędów tych poprawek. Informacje te docierają do użytkowników przez satelity geostacjonarne, których sygnał przypomina sygnał GPS L1 C/A i może służyć także jako dodatkowy pomiar odległości. Ostrzeżenie o niewiarygodnych poprawkach musi dotrzeć do odbiornika w ciągu 6 sekund^[68.3]. Do najważniejszych przykładów systemów wspomagających należą Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), lokalne systemy lotniskowe GBAS^[11.11] oraz sieci referencyjne takie jak CORS i polski ASG-EUPOS. WAAS, obsługiwany przez Federal Aviation Administration (FAA), służy statkom powietrznym we wszystkich fazach lotu, w tym przy podejściach z prowadzeniem pionowym^[203][68.4]. Jako pierwszy działający system SBAS służy on zastosowaniom związanym z bezpieczeństwem życia od lipca 2003 roku. Według opracowania z 2017 roku zapewniał w kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych dokładność poziomą około 0,75 m i pionową około 1,1 m (95%), wobec odpowiednio 3,2 m i 7,6 m bez poprawek^[68.5]. EGNOS jest europejskim systemem SBAS, który zwiększa dokładność GPS i jest rozwijany tak, by obsługiwał zarówno GPS, jak i Galileo^[210][68.6]. W zastosowaniach geodezyjnych sieci stałych stacji referencyjnych udostępniają dane i poprawki pozwalające wiązać pomiary z państwowymi układami odniesienia. ASG-EUPOS oferuje m.in. usługi czasu rzeczywistego i opracowania danych po pomiarze (postprocessingu), których dokładność zależy od wybranego serwisu^[211]. W sieciach takich stosuje się m.in. koncepcję wirtualnej stacji referencyjnej (VRS). Odbiornik ruchomy przesyła swoją przybliżoną pozycję do centrum sieci, które na podstawie obserwacji ze stacji rzeczywistych tworzy obserwacje nieistniejącej („wirtualnej”) stacji dla tego położenia, a odbiornik przetwarza je standardowymi algorytmami RTK^{[188.3][33.37]}. W testach sieci VRS w południowych Niemczech, opisanych w 2002 roku, dokładność pozioma mieściła się w granicach ±5 cm nawet w odległości do 35 km od najbliższej stacji referencyjnej. Autor opisu testów, Günther Retscher, wnioskował z tego, że stacje takiej sieci można rozstawiać co 70–80 km^[188.4].

Sygnały GPS docierają do odbiornika z niewielką mocą, dlatego system jest podatny na lokalne zagłuszanie^[11.1][13.1] i fałszowanie sygnału^[12.1][13.1]. Lokalizację źródeł zakłóceń, zwłaszcza w środowisku miejskim, utrudnia wielodrożność i propagacja bez bezpośredniej widoczności, przez co zawodzą metody konwencjonalne. Proponowane rozwiązania sięgają po śledzenie promieni w trójwymiarowych modelach miast oraz po uczenie maszynowe^[212]. Do tłumienia zakłóceń kierunkowych stosuje się m.in. anteny z kontrolowaną charakterystyką odbioru (CRPA)^[213][13.4].

Fałszowanie (spoofing) polega na nadawaniu sygnałów udających sygnały prawdziwych satelitów^[4.2][13.6]. Wojskowe odbiorniki GNSS są znacznie odporniejsze na fałszowanie, bo kody rozpraszające ich sygnałów są definiowane za pomocą szyfrowania tajnym kluczem^[13.7]. Odbiorniki cywilne korzystają z jawnych, przewidywalnych kodów, przez co są na nie znacznie bardziej podatne^[4.3][13.8]. Ataki na odbiorniki cywilne demonstrowano w próbach od 2003 roku. W 2012 roku niemal sprowadzono w ten sposób na ziemię bezzałogowy śmigłowiec, a w 2013 roku niepostrzeżenie dla załogi zepchnięto z kursu superjacht na Morzu Śródziemnym^[4.2]. Według Psiakiego i Humphreysa przekonujące dowody istnieją dla co najmniej jednego ataku poza próbami – na Morzu Czarnym w czerwcu 2017 roku, gdy fałszywe sygnały wpłynęły na nawigację wielu statków^[4.3].

Proponowano m.in. architektury odbiorników wykrywające, klasyfikujące i usuwające sygnały fałszujące oraz kryptograficzne metody uwierzytelniania cywilnego sygnału GPS^{[214][4.4][13.9]}. Wcześniejsze rozwiązania jedynie sygnalizowały atak. Architektura SDCC (ang. spoofing detection, classification and cancellation) wykorzystuje ruch własny odbiornika, aby rozdzielić śledzone sygnały na autentyczne i fałszujące, po czym odejmuje te drugie od surowych próbek. Usunięcie sygnałów fałszujących likwiduje zarazem interferencję wielodostępową i poprawia wykrywalność sygnałów autentycznych^[215.1]. Kyle Wesson i współpracownicy zaproponowali osadzenie podpisów cyfrowych w rozszerzalnej cywilnej depeszy nawigacyjnej CNAV, co pozwoliłoby wzmocnić odbiorniki cywilne bez przebudowy struktury sygnału. Niekryptograficzne metody obrony, np. kilka anten oddalonych od siebie o znaczną część 20-centymetrowej długości fali GPS, uznali za skuteczne, ale zwiększające koszt, masę i rozmiar odbiornika^[214.1].

W czasie wojny w Zatoce Perskiej w 1991 roku użycie GPS przez wojska koalicji pokazało zarówno przydatność systemu w działaniach wojskowych, jak i możliwość utrudniania odbioru przez nadajniki zakłócające rozmieszczone przy chronionych celach^[216]. W czasie tego konfliktu szerzej dostrzeżono znaczenie GPS. System umożliwiał wówczas synchronizowanie operacji, dostarczanie informacji nawigacyjnych, wskazywanie celów i lokalizowanie personelu, a później stał się podstawowym systemem nawigacyjnym amerykańskich samolotów, okrętów, pojazdów i żołnierzy^[217].

Zakłócenia GPS mogą pochodzić m.in. z emisji radiowych w sąsiednich pasmach, celowego lub niezamierzonego zagłuszania oraz zjawisk pogody kosmicznej^[13.10]. Ochrona widma obejmuje regulacje, wykrywanie i ograniczanie zakłóceń oraz działania organów ścigania^[218]. Komórka Sił Kosmicznych USA do współpracy z podmiotami komercyjnymi (ang. Joint Commercial Operations) przygotowuje codziennie jawne mapy cieplne, pokazujące celowe zakłócanie i spoofing PNT na świecie^[218]. Prawo federalne USA zakazuje używania, sprzedaży, oferowania i importu urządzeń zagłuszających, w tym zakłócających GPS, ponieważ mogą one uniemożliwiać połączenia alarmowe i zakłócać sieci bezpieczeństwa publicznego^[219]. Najczęstszym źródłem celowych zakłóceń są tanie osobiste zagłuszarki (ang. personal privacy devices, PPD), którymi użytkownicy chcą uniemożliwić śledzenie siebie lub swojego pojazdu. Choć mają działać tylko w najbliższym otoczeniu, w praktyce potrafią zakłócać odbiór sygnałów GNSS w promieniu od 100 m do kilku kilometrów^[13.11]. Departament Bezpieczeństwa Krajowego USA koordynuje identyfikowanie i lokalizowanie krajowych źródeł zakłóceń GPS oraz prowadzi centralną bazę zgłoszeń takich incydentów^[220].

Zakłócenie działania GPS i innych źródeł PNT lub manipulowanie nimi może wpływać na bezpieczeństwo narodowe i gospodarcze^[221]. Opracowany przez NIST profil odpowiedzialnego korzystania z usług PNT (NISTIR 8323, zrewidowany w 2023 roku) łączy zarządzanie tym ryzykiem z ramami cyberbezpieczeństwa NIST. Zaleca organizacjom identyfikowanie systemów zależnych od PNT, wykrywanie zakłóceń oraz przygotowanie metod reagowania i przywracania działania^[221][222].

Burze geomagnetyczne zaburzają jonosferę i jej całkowitą zawartość elektronów, przez co modele poprawek stają się mniej trafne. W silnych zaburzeniach błędy odbiorników jednoczęstotliwościowych mogą wzrosnąć do dziesiątek metrów, a odbiornik może gubić sygnał satelitów^[223].

Zgłoszenia przerw i zakłóceń przyjmują w USA: dla użytkowników cywilnych NAVCEN, dla lotnictwa FAA, a dla wojska GPS Operations Center^[224]. Federalne testy i ćwiczenia mogące zakłócać odbiorniki GPS są koordynowane między agencjami i ogłaszane przez NAVCEN w zawiadomieniach^[225].

Obok GPS działają inne globalne i regionalne konstelacje GNSS, z których nowoczesne odbiorniki mogą korzystać równolegle. Współpraca międzynarodowa ma zapewniać kompatybilność, interoperacyjność i przejrzystość usług cywilnych^[136][226]. Do głównych systemów globalnych należą GLONASS^[227.1], Galileo^[71.3] i BeiDou^[209], a regionalnymi uzupełnieniami są m.in. indyjski NavIC i japoński QZSS/Michibiki^{[136][228][229][73.2]}. QZSS pomyślano przede wszystkim jako uzupełnienie GPS nad Japonią. Jego satelity krążą po nachylonych orbitach geosynchronicznych, dzięki czemu co najmniej jeden z nich stale znajduje się wysoko nad horyzontem, co poprawia geometrię odbioru w zabudowie miejskiej i w górach^[73.3]. Europejski Galileo projektowano jako cywilny globalny system nawigacji satelitarnej pod europejską kontrolą publiczną^{[230.1][71.4]}. Parametry działania GPS i GLONASS oraz ich interoperacyjność analizowano już w latach 90. XX wieku^{[23.13][227.2]}. Nadzieje na wspólne wykorzystanie obu systemów wzmocniło skompletowanie konstelacji GLONASS w 1996 roku, ale segment kosmiczny GLONASS podupadł niemal natychmiast: do połowy 1997 roku utracono cztery satelity, a kolejne sprawiały kłopoty^[231.1]. W 2001 roku czynnych było już tylko siedem satelitów GLONASS, a pełną konstelację 24 satelitów, potrzebną do usługi globalnej, odtworzono dopiero w 2011 roku^[227.3].