在卫星导航系统中，卫星的位置是已知的，用户可以通过卫星播发的广播星历计算得到。卫星按照预定格式播发测距信号，用户利用其导航接收机接收信号后处理，可以计算出用户相对于导航卫星的几何关系，最后计算出用户的位置、运动速度、时间等信息。卫星导航系统能提供全天候、高精度的位置、导航与时间服务。

首次经过科学论证提出的使用人造地球卫星进行导航的建议始于第一颗地球卫星发射之前。1955～1957年，在列宁格勒（今圣彼得堡）马让斯基空军工程科学院的谢布萨维奇教授的领导下，进行了用无线电天文学方法实现飞机领航的可行性研究。1957年10月4日，苏联发射第一颗名为Sputnik的人造地球卫星，其后，美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理研究所（APL）的G.C.魏芬巴赫（George C. Weiffenhach）和W.H.吉耶尔（William H. Guier）在已知点上跟踪该卫星发射的无线电信号，测量其多普勒频移，成功地测定了卫星的轨道参数，这就是卫星多普勒测定轨道的方法。随后APL的F.T.麦克卢尔（Frank T.Meclure）提出了在已知卫星轨道参数的情况下，通过测量卫星发射的无线电信号的多普勒频移，来确定测站的地心坐标方法。基于上述研究成果，美国于1960年发射第一颗子午仪卫星，1964年建立了世界第一个卫星导航系统——子午仪卫星导航系统，1967年向民用开发。子午仪卫星导航系统共有6颗卫星，卫星轨道高度为1075千米，运行周期167分钟，卫星轨道与子午线重叠。卫星向用户发送150兆赫兹和400兆赫兹的无线电导航信号。同一时期，苏联也发展了类似的卫星导航系统——圣卡达。1967年11月27日发射了第一颗导航卫星——宇宙192，系统于1979年交付使用。圣卡达由4颗导航卫星组成，位于高度在1000千米的圆轨道上。用户平均1.5～2小时与其中一颗导航卫星进行一次无线电联系，并在5～6分钟的一次观测中确定自己的位置坐标。子午仪卫星导航系统和圣卡达卫星导航系统展示了卫星导航的优良性能和广泛的应用前景。它们采取“单星、低轨、测速”定位体制，定位精度和定位效率不高，属于第一代卫星导航系统。

在第一代卫星导航系统建成不久，美国和苏联开始了第二代卫星导航系统的研制与建设。1973年美国国防部正式批准了建设方案，系统命名为navigation by satellite timing and ranging/global positioning system（Navstar/GPS），简称全球定位系统（GPS）。该系统采用“多星、高轨、测距”定位体制，使用高精度星载原子钟和伪随机码等技术，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性和实时性导航、定位和授时的功能，为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间，还可以用于情报收集、核爆炸监测、应急通信和确定卫星位置等一些军事目的。1993年12月8日GPS系统达到初始工作能力，共发射了24颗卫星，分布在6个轨道面上。1995年7月17日达到全运行能力。苏联于1976年开始发展格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system; GLONASS）。1982年10月12日发射了第一颗GLONASS卫星，1995年格洛纳斯完成部署，共发射24颗卫星，达到其常规卫星数目。经过数据加载、调试和检验，整个系统已于1996年1月18日开始正常运行。

中国的北斗卫星导航系统按三步走发展战略建设。2000年12月，成功发射了2颗北斗导航卫星，建设北斗卫星导航试验系统。该系统采用主动式导航体制，为中国境内及周边地区的中、低动态用户或静止用户提供定位、授时和短报文通信服务，对国民经济建设起着积极的推动作用。2012年12月27日，北斗卫星导航系统已正式向亚太地区提供服务。北斗星座将由5颗静止轨道卫星（GEO）和30颗非静止轨道卫星组成，2017年11月5日发射了2颗北斗三号全球组网卫星，开启了北斗卫星导航系统全球组网序幕。截止到2017年11月，已经发射了25颗卫星。将在未来几年内不断完善北斗卫星星座，并进行星座组网和试验，计划在2020建成北斗全球系统，向全球用户提供服务。

2002年3月，欧盟启动欧洲民用导航卫星计划——伽利略卫星导航系统（Galileo）。Galileo卫星星座计划由30颗MEO卫星组成，Galileo卫星采用码分多址（CDMA）扩频通信体制，以及二进制补偿载波（BOC，或二进制偏置载波）和二相移键控（BPSK）信号调制方式，在E5（1164～1215兆赫兹）、E6（1260～1300兆赫兹）和E2-L1-E1（1559～1591兆赫兹）频段上调制10个导航信号，并在L6（1544～1545兆赫兹）频段内广播搜救信号。Galileo系统提供5种基本的服务方式：开放服务（OS）、商业服务（CS）、生命安全服务（SoL）、公共管理服务（PRS）和搜救服务（SAR）。2005年12月28日和2008年4月27日分别发射了两颗试验卫星GIOVE-A和GIOVE-B，对导航频段、导航信号、星载原子时钟、空间辐射环境，以及卫星激光测距（SLR）等进行在轨测试验证。2011年10月，第一批2颗Galileo系统初始运行验证卫星（IOV）成功发射；2012年10月，第3、4颗IOV卫星成功发射。2016年12月伽利略开始提供初始服务。

国外在建区域卫星导航系统包括日本准天顶系统（quasi-zenith satellite system; QZSS）和印度区域卫星导航系统（IRNSS）。准天顶系统是由日本建立的卫星导航区域增强系统，主要通过对GPS系统增加，改善空间星座的几何分布，来满足市区及山区等信号遮挡地区的导航定位需求。2011年9月，日本内阁批准将QZSS扩展为由7颗卫星组成的区域卫星导航系统。QZSS的总体计划是2013～2017年为发展阶段，2017～2032年为运行阶段。首颗QZSS卫星已于2010年9月发射，截止到2017年10月，共发射了4颗QZSS卫星。印度区域卫星导航系统是一个由印度政府筹建中的实验卫星导航系统，是通过同步卫星对GPS进行增强的广域增强系统。印度的区域卫星导航系统（IRNSS）于2006年启动，星座将采用3GEO+4IGSO构形，卫星将在L1和L5频段上调制导航信号，并利用C频段对卫星测距，用S频段进行卫星测控。截止到2015年3月，印度已经发射了4颗IRNSS卫星。

除了4个全球卫星导航系统和2个区域卫星导航系统，还有国家和地区建设卫星导航增强系统，包含星基增强系统和地基增强系统。例如美国的广域增强系统（wide area augument system; WAAS）、欧洲的静地卫星导航重叠系统（EGNOS）、印度的卫星增强系统（GAGAN）等。地基增强系统例如美国的海事差分GPS系统、局域增强系统（local area augument system; LAAS）等。

卫星导航系统一般由导航星座，地面运行控制系统和卫星导航接收机三部分组成。导航星座包括在轨工作卫星和备份卫星，它向卫星导航接收机提供测距信号和数据电文；地面运行控制系统完成对导航星座的跟踪和维护，监视卫星的运行状态和信号的完好性，并调整卫星的轨道，此外还要更新卫星的时钟校验量和星历，以及其他许多对确定用户位置、速度和时间需要的重要参数；卫星导航接收机完成导航、授时和其他有关的功能。各个卫星导航定位系统各组成部分虽然在实时细节上各不相同，但其功能大体相同。

卫星导航定位主要采用三球交会原理进行定位。如果以卫星的已知位置为球心，以卫星到用户接收机之间的距离为半径画出一个球，用户接收机的位置在这个球面上。当以第二颗卫星到用户之间距离为半径，也可以画出另一个球，两球相交得到一个圆，则可以进一步确定用户接收机的位置在这个圆上，当以第三颗卫星到用户之间距离为半径再画出一个球，与前两个球相交，则能够确定用户接收机位置。

卫星导航定位业务有两种方式：①卫星无线电导航业务（RNSS），该业务中卫星在预定时间按预定格式发射无线电导航信号，用户以本地钟为参考，完成对卫星信号的时差和时差变化率的测量，从而确定用户位置和速度。北斗卫星导航系统的无源定位、全球定位系统、格洛纳斯系统和伽利略系统等采用这种业务模式。②卫星无线电测定业务（RDSS），该业务以卫星无线电波传输特性确定用户的位置、速度或其他特性。北斗卫星导航系统有源定位采用这种业务模式，分为卫星无线电导航业务（RNSS）和卫星无线电测定业务（RDSS）。RDSS属于有源定位方式，通过主动方式快速确定用户所在点的三维位置坐标；RNSS属于无源定位方式，卫星向用户提供解算自身位置所需的导航信号，由用户机被动接收系统卫星信号进行位置解算。

相对于其他导航技术，卫星导航具有以下特点。①提供全球覆盖、全天候服务。卫星导航系统的卫星数量多、分布合理，全球任何一个地方都能够使用卫星导航手段。卫星导航满足了全球定位的需求，能够覆盖到困难地区，如沙漠、高山、远离大陆的岛屿等区域。卫星导航可提供全天24小时、绝大多数气候条件下的导航服务。②能够同时提供多种导航信息。卫星导航可以提供用户三维位置、三维速度、时间、姿态等信息，可广泛应用于车辆、飞机、船舶、航天器的导航以及武器的制导。③导航定位精度高。相对于传统导航手段，卫星导航定位精度有了很大提高，可以达到米级到厘米级甚至更高的精度。④卫星导航设备自动化程度高，使用简便。卫星信号的搜索、接收、测量数据的存储都由接收机自动完成。