利用人造衛星發射的固有頻率和地面站接收頻率的“多普勒頻移效應”來進行人造衛星定軌和地麵點定位的一種方法。根據地面站接收到的人造衛星頻率和人造衛星發射的固有頻率的差值就能求出人造衛星的軌道要素。反之，如果已知人造衛星的軌道，則根據測得的人造衛星多普勒頻移也可以求出地面站相對於地心的位置。人造衛星的多普勒觀測同人造衛星的光學照相觀測相比，具有全球性、全天候（不受氣象、晝夜的影響）、速度快、精度高、投資少、儀器輕的優點。目前這種方法已在大地測量、導航和勘察等方面面得到廣泛應用。
1957年，美國霍普金斯大學應用物理研究室首次對蘇聯第一顆人造衛星進行瞭多普勒觀測，並根據已知的測站坐標和測得的多普勒頻移值，成功地確定瞭這顆人造衛星的六個軌道要素。不久，這個研究室在已知人造衛星軌道的情況下，根據測得的多普勒頻移值求出瞭測站相對於地心的坐標。這項工作為以後人造衛星多普勒觀測的發展奠定瞭基礎。
人造衛星多普勒觀測目前所主要采用的美國海軍的“子午儀導航衛星系統”（又稱海軍導航衛星系統，簡稱NNSS）是由美國海軍部委托霍普金斯大學應用物理研究室於1958年12月開始研制、1964年交付美國海軍使用的。1967年7月解密，1968年開始商營，並提供國外使用。1967年以後發射和使用的子午儀衛星共6顆，高度約為1，100公裡，受大氣阻力的影響較小。軌道傾角約為90°，全球都能觀測到。每顆子午儀衛星發射150和400兆周的一對高穩定的相幹頻率，以消除電離層的影響。子午儀衛星本身連續發播的預計的軌道要素，稱為“廣播星歷表”，是根據美國境內的四個跟蹤站的多普勒觀測資料算出，供隨時測定地面點坐標之用，目前定位精度為16米。根據全球二十幾個跟蹤站的觀測數據，還對幾顆子午儀衛星計算出“精密星歷表”，這種歷表尚未公開，目前定位精度約為1.7米。子午儀系統估計隻可用到二十世紀末，美國計劃於1985年啟用“全球導航星”或“全球定位系統”來代替它。
正式應用人造衛星多普勒觀測和子午儀衛星系統以來，定位精度提高得很快，最初為幾百米，目前已達1米左右。預計在5～10年內，定位精度還可以提高。人造衛星多普勒觀測應用很廣。在動力學應用方面，其測軌定軌的精度已達1米，是一種很有效的測定地球引力場模型的手段。在幾何應用方面，利用它能夠建立以地心為原點的絕對坐標系。用人造衛星多普勒觀測方法確定地極坐標，比經典的時間緯度觀測手段更精確更迅速。
從1972年開始，在國際時間局的地極坐標推算工作中，增加瞭人造衛星多普勒觀測資料，精度顯著提高，近年來還用這些資料提供世界時。