CN103023833B - 一种消除多普勒频偏的方法、接收机及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除多普勒频偏的方法、接收机及系统，属于通信技术领域。所述方法包括：接收GPS信号，所述GPS信号包含旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏；获取所述旋转载体的旋转参数；根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏；构造包含所述第二多普勒频偏的本地载波信号；将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏。本发明通过获取旋转载体的旋转参数，并在本地载波中加入由旋转引起的多普勒频偏，从而在混频及滤波过程中消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪。

Description

一种消除多普勒频偏的方法、接收机及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种消除多普勒频偏的方法、接收机及系统。

背景技术

近年来，随着人们物质生活水平的不断提高，越来越多的人对自身以及周围事物的位置信息产生了强烈的依赖性。卫星定位技术的普及，使得人们能够更便捷、更及时、更准确的获得所需的位置信息。据统计，在人们所使用的信息中有80％以上的信息与“位置”有关。然而，虽然现在对于普通环境下的GPS定位技术已经比较成熟，但随着人们对位置信息越来越多的需求，还需要对诸如处于相对运动状态等特殊环境下的物体进行定位，以便将此类物体的精确位置提供给有需要的群体。

对于GPS定位系统，虽然导航卫星发射的信号的载波频率是固定不变的，但由于卫星与接收机之间有相对运动，接收机实际接收到的信号频率存在多普勒频偏，当接收机剥离载波时，需要将本地复现的载波频率与实际接收的载波频率对准，接收机使用跟踪环路来实现对接收信号频率的实时跟踪，进行定位。参见图1，为现有技术采用的在普通跟踪环路前增加一级旋转跟踪环路实现对接收信号的跟踪，如图1所示，将输入信号S(t)与跟踪解调模块(Trackingdemodulator)输出的本地信号DS(θ(t)+△θ)和DS(θ(t)-△θ)分别混频相乘，得到的输出经低通滤波器后相减，将得到的相位差反馈给跟踪解调模块，从而完成对相对运动产生的相位变化θ(t)的跟踪。对于动态性较低的载体，GPS信号的多普勒变化率较小，使得只需要使用二阶或三阶跟踪环路就可实现对接收信号的跟踪；当载体处于高动态运动状态时，多普勒变化率会随载体动态性的增大而增大，可以通过提高环路阶数的方法来跟踪接收信号。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

当需要定位的载体处于旋转(100-300转/秒)的状态，旋转的状态会带来超高的多普勒变化率，例如对于以200转/秒旋转的直径10厘米的载体，1毫秒内多普勒变化可达近300Hz，会带来较大的多普勒频偏，如果跟踪旋转载体的GPS信号，需要接收机增加更高阶的跟踪环路，而更高阶跟踪环路稳定性差，极易导致环路失锁，导致不能准确跟踪。

发明内容

为了对旋转载体的GPS信号进行准确跟踪，本发明实施例提供了一种消除多普勒频偏的方法、接收机及系统。所述技术方案如下：

一种消除多普勒频偏的方法，所述方法包括：

接收GPS信号，所述GPS信号包含旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏；

获取所述旋转载体的旋转参数；

根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏；

构造包含所述第二多普勒频偏的本地载波信号；

将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏；

其中，所述接收GPS信号，具体包括：

接收GPS中频信号、所述旋转载体平移引起的多普勒频偏和所述旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏。

所述根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏，具体为：

所述旋转参数包括转动频率及转动相位；

根据所述转动频率和所述旋转载体的半径得到多普勒频偏最大值，根据所述多普勒频偏最大值、所述转动频率及所述转动相位计算得到所述第二多普勒频偏。

所述将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏之后，还包括：

如果所述GPS信号中还存在所述第一多普勒频偏，修正所述第二多普勒频偏；

相应地，重新构造包含所述修正的第二多普勒频偏的本地载波信号；将所述重新构造的本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏。

一种消除多普勒频偏的接收机，包括：

接收模块，用于接收GPS信号，所述GPS信号包含旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏；

获取模块，用于获取所述旋转载体的旋转参数；

计算模块，用于根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏；

构造模块，用于构造包含所述第二多普勒频偏的本地载波信号；

消除模块，用于将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏；

其中，所述接收模块，具体用于：

接收GPS中频信号、所述旋转载体平移引起的多普勒频偏和所述旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏。

所述计算模块，具体用于：

根据所述获取模块获取的旋转参数，所述旋转参数包括转动频率及转动相位；具体根据所述转动频率和所述旋转载体的半径得到旋转引起的多普勒频偏最大值，根据所述多普勒频偏最大值、所述转动频率及所述转动相位计算得到所述第二多普勒频偏。

修正模块，用于：

如果所述GPS信号中还存在所述第一多普勒频偏，修正所述第二多普勒频偏；

相应地，重新构造包含所述修正的第二多普勒频偏的本地载波信号；将所述重新构造的本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏。

一种消除多普勒频偏的系统，包括接收机及传感器；

所述传感器设置在所述旋转载体上，用于采集旋转载体的旋转参数，并输出旋转参数给所述接收机。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过获取旋转载体的旋转参数，计算出旋转引起的多普勒频偏，并在本地生成的载波频率中加入计算得到的旋转引起的多普勒频偏，从而在与接收的GPS信号进行混频及滤波过程中消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的跟踪环路示意图；

图2是本发明实施例1提供的消除多普勒频偏的方法流程图；

图3是本发明实施例2提供的消除多普勒频偏的接收机结构图；

图4是本发明实施例2提供的带有修正模块的消除多普勒频偏的接收机结构图；

图5是本发明实施例2提供的消除多普勒频偏的另一接收机结构图；

图6是本发明实施例2提供的消除多普勒频偏的系统结构图；

图7是本发明实施例2提供的传感器的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图2，本发明实施例提供了一种消除多普勒频偏的方法，所述方法包括：

201：接收GPS信号，GPS信号包含旋转载体旋转引起的多普勒频偏；

该步骤具体由接收机接收GPS信号，本发明实施例中接收的GPS信号包括了GPS中频信号、平移运动引起的多普勒频偏和旋转运动引起的多普勒频偏；由于本发明实施例要解决的技术问题是消除GPS信号中由旋转引起的多普勒频偏，因此，接收的GPS信号不考虑其中的C/A码、导航电文及噪声，只考虑对消除由旋转引起的多普勒频偏有意义的载波信号，尤其是旋转载体由于旋转运动引起的多普勒频偏，旋转载体为接收机的载体。

具体地，将接收的旋转载体的GPS信号记为r(t)＝cos{2π[f_L+f_D(t)+f_DS(t)]t+θ_r}；

其中，f_L为GPS中频信号，f_D(t)为平移运动引起的多普勒频偏，f_DS(t)为由旋转运动引起的多普勒频偏，θ_r为GPS信号的相位。

202：获取旋转载体的旋转参数；

该步骤需要获取旋转载体旋转的参数，包括旋转载体旋转的频率和旋转的相位。

具体地，旋转载体的旋转参数由旋转传感器进行采集，接收机获取由旋转传感器输出的旋转参数，旋转传感器输出的旋转参数包括旋转载体的转动频率f_z及转动相位θ_s。

203：根据旋转参数计算得出旋转载体由于旋转运动引起的多普勒频偏；

该步骤为了最大可能的消除接收的GPS信号中包含的由于旋转载体旋转运动引起的多普勒频偏，需要在本地进行计算旋转载体由于旋转运动引起的多普勒频偏。

具体地，本实施例采用振幅计算模块根据旋转载体的转动频率f_z及旋转载体的半径计算出旋转载体旋转引起的多普勒频偏最大幅值；转动频率越高、旋转载体的半径越大，得到的多普勒频偏幅值越大，然后根据计算得到的多普勒频偏最大值、旋转载体的转动频率和转动相位计算得出由于旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

204：构造包含计算得出的多普勒频偏的本地载波信号；

该步骤通过在本地载波信号中加入计算得出的多普勒频偏，从而可以在剥离载波过程中(即混频和滤波的过程)消除GPS信号包含的旋转引起的多普勒频偏。

具体地，由载体旋转引起的多普勒频偏可表示为：

f_DS(t)＝f_DSmcos(2πf_zt+θ_s)

其中f_DSm为计算出的旋转引起的最大多普勒频偏，f_z为载体转动频率，θ_s为转动初相。

由一级本地压控振荡器构造出加入了由旋转载体的旋转引起的多普勒频偏的本地载波，构造的本地载波如下：

x_L(t)＝cos[2π(f_x+f_Ds)t+θ_x]

其中f_x为本地载波基频，θ_x为本地载波初相。

205：将本地载波信号与GPS信号进行混频，滤波，消除GPS信号中包含的旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

具体地，经过混频器混频后的信号为：

m(t)＝r(t)×x_L(t)

＝cos{2π[f_L+f_D(t)+f_DS(t)]t+θ_r}×cos[2π(f_x+f_Ds)t+θ_x]

将本地载波初相与输入的GPS信号初相对齐，则上式：

$\begin{array}{c}m\left(t\right)=\cos \left\{2\mathrm{\π}\right[f_L+f_D\left(t\right)+f_{\mathrm{DS}}\left(t\right)\left]t\right\}\×\cos \left[2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Dx}}+f_s)t\right]\\ =\frac{1}{2}\cos \left\{2\mathrm{\π}\right[f_L+f_x+f_D\left(t\right)+2f_{\mathrm{DS}}\left(t\right)\left]t\right\}+\frac{1}{2}\cos \left\{2\mathrm{\π}\right[f_L-f_x+f_D\left(t\right)\left]t\right\}\end{array}$

令f_L+f_x+f_D(t)+2f_DS(t)>>f_L-f_x+f_D(t)，不妨取f_L+f_x+f_D(t)+2f_DS(t)>2[f_L-f_x+f_D(t)]，则有其中f_Dm为平移运动最大多普勒频偏，由此式便可以确定f_x的值。

理想情况下，计算得到的多普勒频偏与接收的GPS信号中包含的多普勒频偏是一致的，将m(t)经过低通滤波器后便可得到输出的消除多普勒频偏的GPS信号：

y(t)＝cos{2π[f_L-f_x+f_D(t)]t}

从上述公式可以看出，已经不存在旋转引起的多普勒频偏f_DS(t)。

进一步，在上述技术方案的基础上，如果计算得出的多普勒频偏与接收的GPS信号中包含的多普勒频偏不一致，得到输出的GPS信号有误差，在输出的GPS信号中还存在旋转运动引起的多普勒频偏；进行修正计算得出的多普勒频偏。

该步骤考虑了在实际接收的过程中，由旋转传感器采集的转动频率f_z和转动相位θ_s可以比较精确的得到，但通过转动频率f_z和旋转载体的半径计算出的旋转引起的最大多普勒频偏f_DSm可能会与GPS信号中的旋转引起的多普勒频偏值有所差别，导致在混频滤波的过程中不能将旋转引起的多普勒频偏完全消除掉，需要对计算得出的多普勒频偏进行修改。

具体地，将通过转动频率f_z和旋转载体的半径计算得到的最大多普勒频偏记为f'_DSm，则经过混频滤波后实际输出的GPS信号为：

y(t)＝cos{2π[f_L-f_x+f_D(t)+(f_DSm-f'_DSm)cos(2πf_zt+θ_s)]t}

记△f_DS(t)＝(f_DSm-f'_DSm)cos(2πf_zt+θ_s)，则

y(t)＝cos{2π[f_L-f_x+f_D(t)+△f_DS(t)]t}

将此带有多普勒频偏误差的GPS信号经过鉴频器后再经过中心频率为f_z的带通滤波器，得到的输出与△f_DSm＝f_DSm-f'_DSm成正比，将此输出作为参考反馈给用于振幅计算模块进行多普勒频偏幅值修正，△f_DSm值越大，需要将计算得到的旋转多普勒频偏的值修改的越大，也可以在实际的系统中可以设置修正幅值的幅度。

本发明实施例通过获取旋转载体的旋转参数，根据旋转参数及旋转载体的半径计算出旋转引起的多普勒频偏，并在本地生成的载波信号中加入由旋转引起的多普勒频偏，从而在与接收的GPS信号进行混频及滤波过程中消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪；本发明实施例还考虑了计算旋转引起的多普勒频偏有可能不精确，对计算得到的多普勒频偏进行修正，提高计算得到的多普勒频偏的精度，最大程度消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪。

实施例2

参见图3，本实施例提供了一种消除多普勒频偏的接收机，所述接收机包括：

接收模块301，用于接收GPS信号，GPS信号包含旋转载体旋转引起的多普勒频偏；

获取模块302，用于获取旋转载体的旋转参数；

计算模块303，用于根据旋转参数计算得出旋转载体由于旋转引起的多普勒频偏；

构造模块304，用于构造包含计算得出的多普勒频偏的本地载波信号；

消除模块305，用于将本地载波信号与旋转载体引起的GPS信号进行混频，滤波，消除述GPS信号包含的旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

其中，接收模块301，具体用于：

接收GPS中频信号、旋转载体平移引起的多普勒频偏和旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

计算模块303，具体用于：

根据获取模块302获取的旋转参数，旋转参数包括转动频率及转动相位；具体根据转动频率和旋转载体的半径计算得到旋转载体旋转引起的多普勒频偏最大值，根据多普勒频偏最大值、转动频率及转动相位计算得出旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

参见图4，上述接收机还包括修正模块306，用于：

如果GPS信号中还存在旋转引起的多普勒频偏；进行修正计算模块303计算得到的多普勒频偏；

相应地，构造模块304用于重新构造包含修正的多普勒频偏的本地载波信号；消除模块305用于将构造模块304重新构造的本地载波信号与接收模块301接收的GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

参见图5，本实施例给出一种消除多普勒频偏的接收机，其中，消除模块305的功能由混频器和低通滤波器实现，修正模块306的功能由鉴频器和带通滤波器实现。

本实施例通过获取旋转载体的旋转参数，由计算模块根据旋转参数及旋转载体的半径计算出旋转引起的多普勒频偏，并由构造模块在构造本地载波时加入计算得到的多普勒频偏，从而消除模块在将本地载波与接收的GPS信号进行混频及滤波过程中消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪；本发明实施例还考虑了计算模块在计算旋转引起的多普勒频偏有可能不精确，采用修正模块对计算模块计算得到的多普勒频偏进行修正，提高计算得到的多普勒频偏的精度，最大程度消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪。

实施例3

参见图6，本实施例提供一种消除多普勒频偏的系统，所述系统包括：

接收机601，包括：接收模块301，用于接收GPS信号，GPS信号包含旋转载体旋转引起的多普勒频偏；获取模块302，用于获取旋转载体的旋转参数；计算模块303，用于根据旋转参数计算得出旋转载体由于旋转引起的多普勒频偏；构造模块304，用于构造包含计算得出的多普勒频偏的本地载波信号；消除模块305，用于将本地载波信号与旋转载体引起的GPS信号进行混频，滤波，消除述GPS信号包含的旋转载体旋转引起的多普勒频偏。

传感器602，设置在旋转载体上，用于采集旋转载体的旋转参数，并输出旋转参数给接收机。

其中，传感器602中可以包含多个感应装置，可根据旋转载体外形种类不同而有所变化，如图7所示，内圆为旋转载体，外圆为旋转载体的固定外壳，内、外圆上各有一感应装置A、B，当二者重合时便可测出旋转载体的旋转相位，利用感应装置A、B多次进行测量旋转频率，并记录测量的时间即可测量出载体旋转频率，外圆上也可以设置多个感应装置，以使传感器精度更高，如图7上所示的B₁、B₂,……，B_n。

本实施例通过接收机获取传感器采集的旋转载体的旋转参数，根据旋转参数及旋转载体的半径计算出旋转引起的多普勒频偏，并在本地生成的载波频率中加入计算得出的由旋转引起的多普勒频偏，从而在与接收的GPS信号进行混频及滤波过程中消除旋转带来的多普勒频偏，使得在不改变跟踪环路的情况下，实现对GPS信号进行准确跟踪。

需要说明的是：上述实施例提供的消除多普勒频偏接收机、系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将接收机的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的消除多普勒频偏接收机、系统与消除多普勒频偏方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种消除多普勒频偏的方法，其特征在于，所述方法包括：

接收GPS信号，所述GPS信号包含旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏；

获取所述旋转载体的旋转参数；

根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏；

构造包含所述第二多普勒频偏的本地载波信号；

将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏；

其中，所述接收GPS信号，具体包括：

接收GPS中频信号、所述旋转载体平移引起的多普勒频偏和所述旋转载体旋转引起的所述第一多普勒频偏。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏，具体为：

所述旋转参数包括转动频率及转动相位；

根据所述转动频率和所述旋转载体的半径得到多普勒频偏最大值，根据所述多普勒频偏最大值、所述转动频率及所述转动相位计算得到所述第二多普勒频偏。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏之后，还包括：

如果所述GPS信号中还存在所述第一多普勒频偏，修正所述第二多普勒频偏；

相应地，重新构造包含所述修正的第二多普勒频偏的本地载波信号；将所述重新构造的本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏。

4.一种消除多普勒频偏的接收机，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收GPS信号，所述GPS信号包含旋转载体旋转引起的第一多普勒频偏；

获取模块，用于获取所述旋转载体的旋转参数；

计算模块，用于根据所述旋转参数计算得到第二多普勒频偏；

构造模块，用于构造包含所述第二多普勒频偏的本地载波信号；

消除模块，用于将所述本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏；

其中，所述接收模块，具体用于：

接收GPS中频信号、所述旋转载体平移引起的多普勒频偏和所述旋转载体旋转引起的所述第一多普勒频偏。

5.如权利要求4所述的接收机，其特征在于，所述旋转参数包括转动频率及转动相位,所述计算模块，具体用于：

根据所述转动频率和所述旋转载体的半径得到旋转引起的多普勒频偏最大值，根据所述多普勒频偏最大值、所述转动频率及所述转动相位计算得到所述第二多普勒频偏。

6.如权利要求4所述的接收机，其特征在于，还包括：修正模块，用于：

如果所述GPS信号中还存在所述第一多普勒频偏，修正所述第二多普勒频偏；

相应地，所述构造模块重新构造包含所述修正的第二多普勒频偏的本地载波信号；所述消除模块将所述重新构造的本地载波信号与所述GPS信号进行混频，滤波，消除所述GPS信号包含的所述第一多普勒频偏。

7.一种消除多普勒频偏的系统，其特征在于，包括如权利要求4-6任一项所述的接收机及传感器；

所述传感器设置在所述旋转载体上，用于采集旋转载体的旋转参数，并输出旋转参数给所述接收机。