O GPS utilize o conceito de TOA (Time of arrival – tempo de chegada) para calcular a distância entre um satélite e um receptor, para esse fim o satélite envia continuamente mensagens contendo a hora em que a mesma foi enviada.
Os receptores na terra recebem essa informação e calculam quanto tempo o sinal demorou para chegar subtraindo a hora enviada pelo satélite da hora recebida, em seguida esse valor é multiplicado pela velocidade de propagação da onda (velocidade da luz= 3 x 10^8 m/s).

Como a distancia de um único satélite não é suficiente para determinar a posição (essa distancia define uma esfera com centro no satélite), é usado o princípio da trilateração, que consiste em pegar a interseção de 3 esferas, definidas pela distancia de 3 satélites. Esta interseção gera 2 pontos no espaço, mas um deles é descartado por estar localizado no espaço sideral, muito distante da Terra.

Apesar de ser possível determinar a posição de um receptor na Terra com 3 satélites, devido a altíssima velocidade de propagação, um pequeno erro na medida pode gerar um grande erro no resultado final. Para reduzir essa imprecisão os satélites possuem 4 relógios atômicos (sendo 2 de césio e 2 de rubídio) que garantem uma incrível precisão (da ordem de 10^-9 s/mês). No entanto os relógios usados nos receptores são relógios de quartzo, sendo assim são usados 4 satélites para conferir maior robustez ao sistema, sendo o quarto satélite responsável por enviar ao receptor uma referência de tempo.

Além de calcular a posição, o receptor também pode calcular a velocidade. Isso pode ser feito através da diferenciação de sucessivas medidas de posição ou pelo Doppler shift, que é a variação no sinal transmitido causada pela velocidade relativa entre o satélite e o receptor. Uma vez que a velocidade do satélite em relação a Terra é conhecida o receptor pode estimar sua velocidade.