Американская система GPS использует в своей работе спутниковую группировку NAVSTAR (NAVigation Satellites providing Time And Range) – штатно она состоит из 24 спутников, однако американцы держат на орбите до 30 аппаратов, с запасом. Спутники обращаются вокруг Земли по шести орбитам. Орбитальный период составляет 11 часов 58 минут. Соответственно, это довольно высокие орбиты – с радиусом 24 560 километров (то есть около 20 тысяч километров над поверхностью Земли). Для сравнения: высота орбиты Международной космической станции – 350–400 километров над поверхностью Земли. Такое размещение группировки GPS позволяет из любой точки Земли и в любое время «видеть» не менее десяти спутников, причем три или четыре будут находиться достаточно высоко над горизонтом.
Первоначально система GPS разрабатывалась только для военных нужд, а конкретнее – для наведения высокоточного оружия: крылатых и баллистических ракет, бомбардировщиков нового поколения, способных поражать цель с точностью до метра. Первые спутники NAVSTAR были запущены на орбиту в 1978 году, и долгое время американское правительство опасалось предоставить столь изощренный инструмент по определению координат наземных объектов гражданским пользователям. Вплоть до 2003 года в сигналы спутников GPS вносились искусственные ошибки, которые увеличивали («загрубляли») погрешность определения координат примерно на 100 метров. Обойти это ограничение могли только сами военные, использовавшие дополнительную шифрованную информацию. Теперь ограничений больше нет, и точность определения координат при помощи GPS составляет плюс-минус один метр.
Итак, положение мобильного GPS-навигатора на Земле определяется относительно орбитальной группировки NAVSTAR.
Положение самих спутников рассчитывается в соответствии с параметрами орбитального движения, а сами эти параметры в свою очередь регулярно уточняются. Дело в том, что, кроме земного тяготения, на движение спутников оказывает влияние множество других факторов: давление солнечного света, земное магнитное поле, сопротивление атмосферы, которая имеет свойство «разбухать» в летнее время под воздействием интенсивного нагрева. Все эти воздействия кажутся незначительными, однако с течением времени они могут изменить траекторию движения спутника и вывести его из строя. Посему GPS нуждается не только в регулярном обновлении (путем запуска новых спутников взамен сходящих с обиты), но и в ежедневном уточнении положения отдельных аппаратов, которое осуществляется при помощи наземных станций лазерной локации. К спутнику через специальный телескоп посылается лазерный сигнал, уголковый отражатель возвращает его, а по времени «путешествия» сигнала атомные часы с очень высокой точностью определяют расстояние от станции до спутника. Уточненные данные загружаются на спутник, и он тут же начинает транслировать на GPS-навигаторы информацию о своем новом положении. Координаты станций лазерной локации тоже постоянно уточняются по наблюдению за всеми проходящими над ними спутниками – погрешность при этом не превышает одного сантиметра! Это настолько высокая точность, что она позволяет следить за дрейфом материковых плит, которые движутся по Земле со скоростью всего несколько сантиметров в год.