GPS卫星在空中昼夜不停地连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收，卫星时间是由星载原子钟产生的，卫星的位置信息（卫星轨道参数，又称为星历）则是由地面控制站定时发送给卫星，称为“注入”，然后通过卫星广播给用户接收机。

利用三角测量学方法，测量三个或三个以上的卫星至GPS接收机间的距离，从距离来确定GPS接收机在地球或空中的位置。由于要确定接收机的三维位置，所以至少要接收三个以上卫星的信号。

距离的确定是通过测量卫星信号由卫星到达接收机的时间（间隔）来实现的。接收机接收到信号的时刻与卫星发送信号的时刻之间有一段时间间隔通常这个时间间隔称为时延。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延，将时延乘上光速，便能得到距离。

卫星上装有精度极高的原子时钟，可确保时延测量的高精度。但接收机的时钟一般并不是原子时间，所以常常需要第四个卫星的信号作为确定时间的参照，从而修正接收机时钟造成的距离误差。

GPS卫星运行过程中，其轨道和原子时钟均会发生变化，美国国防部通过观测站网监测其变化，并由主控站通过上行通信链路，定期以导航电文的形式向卫星注入相关导航参数及其误差改正信息，并随同信号广播向外发送。

为了改正GPS系统的各种误差，可以采用差分方法。近地空间的电离层和中性大气（对流层）均会引起GPS信号时延，导致定位误差。利用数学方法或模型，对实时测量结果进行处理，可以消除这些误差，提高精度，支持GPS的多种多样的应用和服务。