Princípios físicos do GPS incluem teoria quântica (levou ao relógio atômico) e teoria da relatividade geral de Einstein. Princípio básico: medição de distância (alcance) entre satélites e receptor. Sinal de cada satélite, à velocidade da luz, leva tempo finito para atingir superfície. Receptor calcula distância multiplicando diferença entre hora de recepção e hora de envio pela velocidade da luz.
Receptor calcula latitude, longitude e altitude precisas medindo distância a 4 satélites GPS. Se mede distância a 1 satélite, sabe que está em esfera imaginária com raio igual à distância. Com 2 satélites, está na linha de interseção de duas esferas. Com 3º e 4º satélites, calcula posição geográfica precisa.
Sinais viajam à velocidade da luz, então medição de tempo precisa é primordial. Satélites GPS carregam relógios mais precisos: relógios atômicos, precisão de 1 bilionésimo de segundo por dia. Permitem sinais sincronizados entre satélites.
Relatividade geral prevê que gravidade dilata fluxo do tempo. Diferença entre campo gravitacional na superfície e a 19.300+ km acima faz relógio no receptor GPS rodar fração de segundo mais lento que no satélite. Relógios de satélites são fabricados para rodar ligeiramente mais lento na Terra, para manter tempo correto no espaço.
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