La posibilidad de utilizar satélites para determinar una ubicación fue una contribución de un equipo dirigido por el Dr. Richard B. Kershner durante la transmisión de monitorización radio del primer satélite - Sputnik. El equipo observó que la frecuencia de la señal de transmisión cambiaba con el movimiento del satélite debido al efecto Doppler. Estos cambios de frecuencia permitieron determinar la posición del satélite. Así pues, la posición de un usuario se puede conocer usando este enfoque y sabiendo la posición de los satélites.
El uso de sistemas de satélite para determinar la posición se basa en la medición del tiempo de propagación de una señal transmitida por los satélites. A partir del tiempo de propagación, t, se calcula la distancia, s, entre el satélite y el usuario de acuerdo con la fórmula s=c*t, donde c es la velocidad de la luz en el vacío (3∙108 metros por segundo). Si conocemos la posición del satélite y el tiempo de propagación, la ubicación exacta del objeto queda determinada como una esfera de puntos situados en la misma distancia de la posición del satélite. Esto significa que cada satélite permite determinar una esfera de posibles ubicaciones del usuario. La posición exacta de un objeto está definido por cuatro parámetros: latitud, longitud, altitud, y el tiempo. Para derivar los cuatro parámetros, se deben conocer cuatro esferas; la ubicación del objeto o usuario será la intersección de las cuatro esferas. En el caso ideal, sin error en la estimación de la distancia entre el satélite y el usuario, todas las esferas se cortan en un punto. Si la distancia no se calcula de forma precisa, la intersección de cuatro esferas define un área de potenciales ubicaciones. El tamaño de esta área es proporcional a los errores introducidos por la medición de distancia y se puede reducir teniendo en cuenta la información de los satélites adicionales.
Este principio general es utilizado por los sistemas de navegación más comunes, tales como el sistema americano GPS, el sistema europeo Galileo, el sistema ruso Glonass, o el chino COMPASS.
El GPS es un sistema global de navegación por satélite desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares. El proyecto GPS comenzó en 1973, pero el primer satélite experimental fue lanzado en 1978. Ahora, GPS proporciona servicios de posicionamiento, navegación y temporización. Consta de tres segmentos: espacio, control y usuario.
Los satélites transmiten tres tipos de señal. La primera, P (código de precisión), es un código cifrado con una secuencia pseudoaleatoria de 10,23 MHz. Éste puede ser sustituido por el segundo, código Y, en caso de necesidad de modo de transmisión anti-spoofing. El último es C/A (código de adquisición) que se utiliza para fines civiles o para la adquisición de los códigos P (Y). El C/A está compuesto de una secuencia pseudoaleatoria no cifrada de 1,023 MHz. El mensaje de navegación, es decir, el mensaje con información para la determinación de la posición de los usuarios, se transmite a una velocidad de 50 bps y se añade al código C/A y al código P (Y). Dado que todos los satélites transmiten en la misma frecuencia portadora, se debe utilizar una técnica de acceso múltiple (en este caso CDMA) para permitir la recepción de la señal de más satélites.
El mensaje global de navegación se transmite en tramas con longitud de 1500 bits. Cada trama se compone de cinco subtramas que contienen información diferente, como posición del satélite, corrección del reloj, efecto de retardo ionosférico, el estado de constelación o información sobre las órbitas de los satélites. Para transmitir el mensaje de navegación completo, se requieren 30 segundos (1500 bit transmitidos a 50 bps).
Como el tiempo necesario para la entrega de información completa sobre todos los satélites es demasiado largo (es decir, el tiempo necesario para la determinación de la posición del usuario), se pueden utilizar las redes de comunicación móvil en combinación con los sistemas de navegación por satélites para la entrega de cierta información mediante el uso de redes de telefonía móvil en lugar de la entrega convencional directamente por satélites. Este enfoque se conoce como GPS asistido. De esta manera, se acelera la fase inicial en GPS.
La precisión del posicionamiento depende de varios aspectos: medida del tiempo de llegada de la señal, efectos atmosféricos (especialmente los efectos ionosféricos), propagación multicamino, actualización de la posición del satélite, sincronismo de reloj y cantidad de satélites visibles. El error más significativo es el que introducen los efectos de la ionosfera; sin embargo, se puede mitigar mediante si se reciben varias señales. El error global es del orden de metros para el GPS (típicamente, hasta 8 metros).
Galileo constituye la alternativa europea a GPS. El sistema Galileo estará formado por una constelación mundial de 30 satélites en órbita terrestre media distribuidos en tres órbitas con un ángulo de 56° hacia el ecuador, a 23.222 km de altitud. El segmento de control contiene dos centros de control en Oberpfaffenhofen, Alemania y Fucino, Italia. Además, hay dos centros LEOP (Lunch and Early Operations) en Toulouse, Francia y Darmstadt, Alemania. Igual que ocurre con GPS, también hay 5 estaciones de telemetría, seguimiento y puestos de control, 40 estaciones de sensorización, y 10 estaciones con enlace ascendente para vigilar y controlar a los satélites.
Los satélites, como en GPS, transmiten varias señales de navegación (E1, E5a, E5b, E6). La primera señal, E1, contiene códigos no cifrados a 1,023 MHz y datos de navegación modulados a 1575,42 MHz. Esta señal de velocidad de 125 bps está disponible para uso civil (denotado como servicios abiertos) servicios comerciales y de seguridad. Las señales segunda y tercera, E5a y E5b, son similares a E1, sin embargo, E5a y E5b son moduladas tanto a 1176,450 MHz y E5b 1207,140 respectivamente y ambos tienen una secuencia de código a 10,23 MHz. La señal E5a transporta datos de navegación y funciones de temporización. A diferencia de E1 y E5b, la señal E5a utiliza una modulación más robusta transmitiendo a 25 bps se apoya y está disponible sólo para los servicios abiertos. La última señal, E6, se destina para fines comerciales y sus datos están cifrados. Esta señal se transmite a 1278.750 MHz con una secuencia de código de 5.115 MHz. La velocidad a la que se transmite es de de 500 bps.
El principio de la determinación de la posición del usuario es el mismo también para otros sistemas de navegación, tales como: