專利名稱:一種消除多普勒頻偏的方法、接收機及系統的制作方法
技術領域:
本發明涉及通信技術領域,特別涉及一種消除多普勒頻偏的方法、接收機及系統。
技術背景
近年來,隨著人們物質生活水平的不斷提高,越來越多的人對自身以及周圍事物的位置信息產生了強烈的依賴性。衛星定位技術的普及,使得人們能夠更便捷、更及時、更準確的獲得所需的位置信息。據統計,在人們所使用的信息中有80%以上的信息與“位置” 有關。然而,雖然現在對于普通環境下的GPS定位技術已經比較成熟,但隨著人們對位置信息越來越多的需求,還需要對諸如處于相對運動狀態等特殊環境下的物體進行定位,以便將此類物體的精確位置提供給有需要的群體。
對于GPS定位系統,雖然導航衛星發射的信號的載波頻率是固定不變的,但由于衛星與接收機之間有相對運動,接收機實際接收到的信號頻率存在多普勒頻偏,當接收機剝離載波時,需要將本地復現的載波頻率與實際接收的載波頻率對準,接收機使用跟蹤環路來實現對接收信號頻率的實時跟蹤,進行定位。參見圖1,為現有技術采用的在普通跟蹤環路前增加一級旋轉跟蹤環路實現對接收信號的跟蹤,如圖1所示,將輸入信號s(t)與跟蹤解調模塊(Tracking demodulator)輸出的本地信號DS( Θ (t) + Δ Θ)和DS(0 (t)-Δ Θ ) 分別混頻相乘,得到的輸出經低通濾波器后相減,將得到的相位差反饋給跟蹤解調模塊,從而完成對相對運動產生的相位變化Θ (t)的跟蹤。對于動態性較低的載體,GPS信號的多普勒變化率較小,使得只需要使用二階或三階跟蹤環路就可實現對接收信號的跟蹤;當載體處于高動態運動狀態時,多普勒變化率會隨載體動態性的增大而增大,可以通過提高 環路階數的方法來跟蹤接收信號。
在實現本發明的過程中,發明人發現現有技術至少存在以下問題
當需要定位的載體處于旋轉(100-300轉/秒)的狀態,旋轉的狀態會帶來超高的多普勒變化率,例如對于以200轉/秒旋轉的直徑10厘米的載體,I毫秒內多普勒變化可達近300Hz,會帶來較大的多普勒頻偏,如果跟蹤旋轉載體的GPS信號,需要接收機增加更高階的跟蹤環路,而更高階跟蹤環路穩定性差,極易導致環路失鎖,導致不能準確跟蹤。發明內容
為了對旋轉載體的GPS信號進行準確跟蹤,本發明實施例提供了一種消除多普勒頻偏的方法、接收機及系統。所述技術方案如下
一種消除多普勒頻偏的方法,所述方法包括
接收GPS信號,所述GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏;
獲取所述旋轉載體的旋轉參數;
根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏;
構造包含所述第二多普勒頻偏的本地載波信號;
將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
所述接收GPS信號,具體包括
接收GPS中頻信號、所述旋轉載體平移引起的多普勒頻偏和所述旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏。
所述根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏,具體為
所述旋轉參數包括轉動頻率及轉動相位;
根據所述轉動頻率和所述旋轉載體的半徑得到多普勒頻偏最大值,根據所述多普勒頻偏最大值、所述轉動頻率及所述轉動相位計算得到所述第二多普勒頻偏。
所述將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏之后,還包括
如果所述GPS信號中還存在所述第一多普勒頻偏,修正所述第二多普勒頻偏;
相應地,重新構造包含所述修正的第二多普勒頻偏的本地載波信號;將所述重新構造的本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
一種消除多普勒頻偏的接收機,包括
接收模塊,用于接收GPS信號,所述GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏;
獲取模塊,用于獲取所述旋轉載體的旋轉參數;
計算模塊,用于根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏;
構造模塊,用于構造包含所述第二多普勒頻偏的本地載波信號;
消除模塊,用于將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述 GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
所述接收模塊,具體用于
接收GPS中頻信號、所述旋轉載體平移引起的多普勒頻偏和所述旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏。
所述計算模塊,具體用于
根據所述獲取模塊獲取的旋轉參數,所述旋轉參數包括轉動頻率及轉動相位;具體根據所述轉動頻率和所述旋轉載體的半徑得到旋轉引起的多普勒頻偏最大值,根據所述多普勒頻偏最大值、所述轉動頻率及所述轉動相位計算得到所述第二多普勒頻偏。
修正模塊,用于
如果所述GPS信號中還存在所述第一多普勒頻偏,修正所述第二多普勒頻偏;
相應地,重新構造包含所述修正的第二多普勒頻偏的本地載波信號;將所述重新構造的本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
一種消除多普勒頻偏的系統,包括接收機及傳感器;
所述傳感器設置在所述旋轉載體上,用于采集旋轉載體的旋轉參數,并輸出旋轉參數給所述接收機。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是
通過獲取旋轉載體的旋轉參數,計算出旋轉引起的多普勒頻偏,并在本地生成的載波頻率中加入計算得到的旋轉引起的多普勒頻偏,從而在與接收的GPS信號進行混頻及濾波過程中消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤。
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他
的附圖。
圖I是現有技術提供的跟蹤環路不意圖;圖2是本發明實施例1提供的消除多普勒頻偏的方法流程圖;圖3是本發明實施例2提供的消除多普勒頻偏的接收機結構圖4是本發明實施例2提供的帶有修正模塊的消除多普勒頻偏的接收機結構圖 5是本發明實施例2提供的消除多普勒頻偏的另一接收機結構圖;圖6是本發明實施例2提供的消除多普勒頻偏的系統結構圖;圖7是本發明實施例2提供的傳感器的安裝示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
實施例1
參見圖2,本發明實施例提供了一種消除多普勒頻偏的方法,所述方法包括
201 :接收GPS信號,GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏;
該步驟具體由接收機接收GPS信號,本發明實施例中接收的GPS信號包括了 GPS 中頻信號、平移運動引起的多普勒頻偏和旋轉運動引起的多普勒頻偏;由于本發明實施例要解決的技術問題是消除GPS信號中由旋轉引起的多普勒頻偏,因此,接收的GPS信號不考慮其中的C/Α碼、導航電文及噪聲,只考慮對消除由旋轉引起的多普勒頻偏有意義的載波信號,尤其是旋轉載體由于旋轉運動引起的多普勒頻偏,旋轉載體為接收機的載體。
具體地,將接收的旋轉載體的GPS信號記為r(t) = cos {2 π [fL+fD(t) +fDS(t)] t+ θ rl ;
其中,fL為GPS中頻信號,fD(t)為平移運動引起的多普勒頻偏,fDS(t)為由旋轉運動引起的多普勒頻偏,為GPS信號的相位。
202 :獲取旋轉載體的旋轉參數;
該步驟需要獲取旋轉載體旋轉的參數,包括旋轉載體旋轉的頻率和旋轉的相位。
具體地,旋轉載體的旋轉參數由旋轉傳感器進行采集,接收機獲取由旋轉傳感器輸出的旋轉參數,旋轉傳感器輸出的旋轉參數包括旋轉載體的轉動頻率fz及轉動相位Θ s。
203 :根據旋轉參數計算得出旋轉載體由于旋轉運動引起的多普勒頻偏;
該步驟為了最大可能的消除接收的GPS信號中包含的由于旋轉載體旋轉運動引起的多普勒頻偏,需要在本地進行計算旋轉載體由于旋轉運動引起的多普勒頻偏。
具體地,本實施例采用振幅計算模塊根據旋轉載體的轉動頻率fz及旋轉載體的半徑計算出旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏最大幅值;轉動頻率越高、旋轉載體的半徑越大, 得到的多普勒頻偏幅值越大,然后根據計算得到的多普勒頻偏最大值、旋轉載體的轉動頻率和轉動相位計算得出由于旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
204 :構造包含計算得出的多普勒頻偏的本地載波信號;
該步驟通過在本地載波信號中加入計算得出的多普勒頻偏,從而可以在剝離載波過程中(即混頻和濾波的過程)消除GPS信號包含的旋轉引起的多普勒頻偏。
具體地,由載體旋轉引起的多普勒頻偏可表示為
fDS (t) = fDSm cos (2 π fzt+ θ s)
其中fDSm為計算出的旋轉引起的最大多普勒頻偏,fz為載體轉動頻率,Θs為轉動初相。
由一級本地壓控振蕩器構造出加入了由旋轉載體的旋轉引起的多普勒頻偏的本地載波,構造的本地載波如下
xL (t) = cos [2 Ti (fx+fDs) t+ Θ J
其中fx為本地載波基頻,θ χ為本地載波初相。
205:將本地載波信號與GPS信號進行混頻,濾波,消除GPS信號中包含的旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
具體地,經過混頻器混頻后的信號為
m(t) =r(t)XxL(t)
= cos {2 n [fL+fD (t) +fDS (t) ] t+ Θ J X cos [2 n (fx+fDs) t+ Θ J
將本地載波初相與輸入的GPS信號初相對齊,則上式
m(t) = cos {24Λ + fD it) + fDS (0]0 x cos[2^(/Dx + fs )t]
=^cos{24/l+/x + fD (t) + 2fDS (0]^} + ^cos{24/l ~fx+fD (0]0
令fL+fx+fD(t)+2fDS(t) > > fL-fx+fD(t),不妨取 fL+fx+fD(t)+2fDS(t) > 2[fffx+fD(t)],則有/χ>Λ+/ Μ3+2/—,其中fDm為平移運動最大多普勒頻偏,由此式便可以確定fx的值。
理想情況下,計算得到的多普勒頻偏與接收的GPS信號中包含的多普勒頻偏是一致的,將m(t)經過低通濾波器后便可得到輸出的消除多普勒頻偏的GPS信號
y (t) = cos {2 n [fL-fx+fD (t) ] t}
從上述公式可以看出,已經不存在旋轉引起的多普勒頻偏fDS(t)。
進一步,在上述技術方案的基礎上,如果計算得出的多普勒頻偏與接收的GPS信號中包含的多普勒頻偏不一致,得到輸出的GPS信號有誤差,在輸出的GPS信號中還存在旋轉運動引起的多普勒頻偏;進行修正計算得出的多普勒頻偏。
該步驟考慮了在實際接收的過程中,由旋轉傳感器采集的轉動頻率fz和轉動相位 9S可以比較精確的得到,但通過轉動頻率fz和旋轉載體的半徑計算出的旋轉引起的最大多普勒頻偏fDSm可能會與GPS信號中的旋轉引起的多普勒頻偏值有所差別,導致在混頻濾波的過程中不能將旋轉引起的多普勒頻偏完全消除掉,需要對計算得出的多普勒頻偏進行修改。
具體地,將通過轉動頻率fz和旋轉載體的半徑計算得到的最大多普勒頻偏記為 f, DSm,則經過混頻濾波后實際輸出的GPS信號為
y(t) = cos {2 π [fL-fx+fD (t) + (fDSm-f' DSm) cos (2 π fzt+ Θ s)]t}
記Δ fDS (t) = (fDSm-f/ DSm) cos (2 3i fzt+ Θ s),則
y (t) = cos {2 n [fL-fx+fD (t) + Δ fDS (t) ] t}
將此帶有多普勒頻偏誤差的GPS信號經過鑒頻器后再經過中心頻率為fz的帶通濾波器,得到的輸出與AfDSm = fDSm-f' DSm成正比,將此輸出作為參考反饋給用于振幅計算模塊進行多普勒頻偏幅值修正,△ fDSm值越大,需要將計算得到的旋轉多普勒頻偏的值修改的越大,也可以在實際的系統中可以設置修正幅值的幅度。
本發明實施例通過獲取旋轉載體的旋轉參數,根據旋轉參數及旋轉載體的半徑計算出旋轉引起的多普勒頻偏,并在本地生成的載波信號中加入由旋轉引起的多普勒頻偏, 從而在與接收的GPS信號進行混頻及濾波過程中消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤;本發明實施例還考慮了計算旋轉引起的多普勒頻偏有可能不精確,對計算得到的多普勒頻偏進行修正,提高計算得到的多普勒頻偏的精度,最大程度消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤。
實施例2
參見圖3,本實施例提供了一種消除多普勒頻偏的接收機,所述接收機包括
接收模塊301,用于接收GPS信號,GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏;
獲取模塊302,用于獲取旋轉載體的旋轉參數;
計算模塊303,用于根據旋轉參數計算得出旋轉載體由于旋轉引起的多普勒頻偏;
構造模塊304,用于構造包含計算得出的多普勒頻偏的本地載波信號;
消除模塊305,用于將本地載波信號與旋轉載體引起的GPS信號進行混頻,濾波, 消除述GPS信號包含的旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
其中,接收模塊301,具體用于
接收GPS中頻信號、旋轉載體平移引起的多普勒頻偏和旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
計算模塊303,具體用于
根據獲取模塊302獲取的旋轉參數,旋轉參數包括轉動頻率及轉動相位;具體根據轉動頻率和旋轉載體的半徑計算得到旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏最大值,根據多普勒頻偏最大值、轉動頻率及轉動相位計算得出旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
參見圖4,上述接收機還包括修正模塊306,用于
如果GPS信號中還存在旋轉引起的多普勒頻偏;進行修正計算模塊303計算得到的多普勒頻偏;
相應地,構造模塊304用于重新構造包含修正的多普勒頻偏的本地載波信號;消除模塊305用于將構造模塊304重新構造的本地載波信號與接收模塊301接收的GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
參見圖5,本實施例給出一種消除多普勒頻偏的接收機,其中,消除模塊305的功能由混頻器和低通濾波器實現,修正模塊306的功能由鑒頻器和帶通濾波器實現。
本實施例通過獲取旋轉載體的旋轉參數,由計算模塊根據旋轉參數及旋轉載體的半徑計算出旋轉引起的多普勒頻偏,并由構造模塊在構造本地載波時加入計算得到的多普勒頻偏,從而消除模塊在將本地載波與接收的GPS信號進行混頻及濾波過程中消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤;本發明實施例還考慮了計算模塊在計算旋轉引起的多普勒頻偏有可能不精確,采用修正模塊對計算模塊計算得到的多普勒頻偏進行修正,提高計算得到的多普勒頻偏的精度,最大程度消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟足示O
實施例3
參見圖6,本實施例提供一種消除多普勒頻偏的系統,所述系統包括
接收機601,包括接收模塊301,用于接收GPS信號,GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏;獲取模塊302,用于獲取旋轉載體的旋轉參數;計算模塊303,用于根據旋轉參數計算得出旋轉載體由于旋轉引起的多普勒頻偏;構造模塊304,用于構造包含計算得出的多普勒頻偏的本地載波信號;消除模塊305,用于將本地載波信號與旋轉載體引起的GPS信號進行混頻,濾波,消除述GPS信號包含的旋轉載體旋轉引起的多普勒頻偏。
傳感器602,設置在旋轉載體上,用于采集旋轉載體的旋轉參數,并輸出旋轉參數給接收機。
其中,傳感器602中可以包含多個感應裝置,可根據旋轉載體外形種類不同而有所變化,如圖7所示,內圓為旋轉載體,外圓為旋轉載體的固定外殼,內、外圓上各有一感應裝置A、B,當二者重合時便可測出旋轉載體的旋轉相位,利用感應裝置A、B多次進行測量旋轉 頻率,并記錄測量的時間即可測量出載體旋轉頻率,外圓上也可以設置多個感應裝置,以使傳感器精度更高,如圖7上所示的B2,……,Bn。
本實施例通過接收機獲取傳感器采集的旋轉載體的旋轉參數,根據旋轉參數及旋轉載體的半徑計算出旋轉引起的多普勒頻偏,并在本地生成的載波頻率中加入計算得出的由旋轉引起的多普勒頻偏,從而在與接收的GPS信號進行混頻及濾波過程中消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤。
需要說明的是上述實施例提供的消除多普勒頻偏接收機、系統,僅以上述各功能模塊的劃分進行舉例說明,實際應用中,可以根據需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成,即將接收機的內部結構劃分成不同的功能模塊,以完成以上描述的全部或者部分功能。另外,上述實施例提供的消除多普勒頻偏接收機、系統與消除多普勒頻偏方法實施例屬于同一構思,其具體實現過程詳見方法實施例,這里不再贅述。
本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成,也可以通過程序來指令相關的硬件完成,所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中,上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器,磁盤或光盤等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種消除多普勒頻偏的方法,其特征在于,所述方法包括 接收GPS信號,所述GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏; 獲取所述旋轉載體的旋轉參數; 根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏; 構造包含所述第二多普勒頻偏的本地載波信號; 將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
2.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述接收GPS信號,具體包括 接收GPS中頻信號、所述旋轉載體平移引起的多普勒頻偏和所述旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏。
3.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏,具體為 所述旋轉參數包括轉動頻率及轉動相位; 根據所述轉動頻率和所述旋轉載體的半徑得到多普勒頻偏最大值,根據所述多普勒頻偏最大值、所述轉動頻率及所述轉動相位計算得到所述第二多普勒頻偏。
4.如權利要求1所述的方法,其特征在于,所述將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏之后,還包括 如果所述GPS信號中還存在所述第一多普勒頻偏,修正所述第二多普勒頻偏; 相應地,重新構造包含所述修正的第二多普勒頻偏的本地載波信號;將所述重新構造的本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
5.一種消除多普勒頻偏的接收機,其特征在于,包括 接收模塊,用于接收GPS信號,所述GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏; 獲取模塊,用于獲取所述旋轉載體的旋轉參數; 計算模塊,用于根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏; 構造模塊,用于構造包含所述第二多普勒頻偏的本地載波信號; 消除模塊,用于將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
6.如權利要求5所述的接收機,其特征在于,所述接收模塊,具體用于 接收GPS中頻信號、所述旋轉載體平移引起的多普勒頻偏和所述旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏。
7.如權利要求5所述的接收機,其特征在于,所述計算模塊,具體用于 根據所述獲取模塊獲取的旋轉參數,所述旋轉參數包括轉動頻率及轉動相位;具體根據所述轉動頻率和所述旋轉載體的半徑得到旋轉引起的多普勒頻偏最大值,根據所述多普勒頻偏最大值、所述轉動頻率及所述轉動相位計算得到所述第二多普勒頻偏。
8.如權利要求5所述的接收機,其特征在于,還包括修正模塊,用于 如果所述GPS信號中還存在所述第一多普勒頻偏,修正所述第二多普勒頻偏; 相應地,重新構造包含所述修正的第二多普勒頻偏的本地載波信號;將所述重新構造的本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。
9.一種消除多普勒頻偏的系統,其特征在于,包括如權利要求5-8任一項所述的接收機及傳感器; 所述傳感器設置在所述旋轉載體上,用于采集旋轉載體的旋轉參數,并輸出旋轉參數給所述接收機。
全文摘要
本發明公開了一種消除多普勒頻偏的方法、接收機及系統,屬于通信技術領域。所述方法包括接收GPS信號,所述GPS信號包含旋轉載體旋轉引起的第一多普勒頻偏;獲取所述旋轉載體的旋轉參數;根據所述旋轉參數計算得到第二多普勒頻偏;構造包含所述第二多普勒頻偏的本地載波信號;將所述本地載波信號與所述GPS信號進行混頻,濾波,消除所述GPS信號包含的所述第一多普勒頻偏。本發明通過獲取旋轉載體的旋轉參數,并在本地載波中加入由旋轉引起的多普勒頻偏,從而在混頻及濾波過程中消除旋轉帶來的多普勒頻偏,使得在不改變跟蹤環路的情況下,實現對GPS信號進行準確跟蹤。
文檔編號H04L25/03GK103023833SQ20111028882
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者鄧中亮, 尹露, 楊磊, 劉昆, 孫剛, 張璐, 劉敬超, 席岳, 李曉敏 申請人:北京郵電大學