基于高动态运动模型的多普勒频移仿真

计 算 机 工 程 第 36 卷 第20期

Vol.36 No.20 Computer Engineering · 博士论文 ·

文章编号：1000—3428(2010)20—0022—03

文献标识码：A

2010年10月

October2010

中图分类号：TN911.7

基于高动态运动模型的多普勒频移仿真

仲伟志，郭 庆

(哈尔滨工业大学通信技术研究所，哈尔滨 150001)

摘 要：为更好地实现高动态链路中的载波捕获跟踪，以高动态载体在临近空间中的各种简单运动模型为依据，对载体相对于临近空间接收平台的多普勒频移变化趋势进行描述和仿真，在此基础上分析多普勒频移对载波同步产生的影响。理论分析和仿真结果表明，基于高动态载体运动模型的多普勒频移变化曲线能够正确描述高动态运动方式下的多普勒频移变化趋势。 关键词：临近空间；高动态运动模型；多普勒频移；载波捕获跟踪

Doppler Frequency Shift Simulation Based on High Dynamic Motion Model

ZHONG Wei-zhi, GUO Qing

(Communication Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

【Abstract】In order to realize carrier acquisition and tracking of high dynamic link better, Doppler frequency shift between high dynamic aircraft and near space receive plat is described and simulated in terms of the motion models of high dynamic aircrafts in near space, and based on the result, the influence on carrier synchronization caused by Doppler frequency shift is discussed. Analysis and simulation results show that Doppler frequency shift achieved in terms of high dynamic motion models can accurately describe Doppler shift trends under high dynamic movement. 【Key words】near space; high dynamic motion model; Doppler frequency shift; carrier acquisition and tracking

1 概述

临近空间是指距地面20 km~100 km、处于现有飞机飞行最高高度和卫星运行轨道最低高度之间的空域。近几年来，临近空间由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛的关注[1]。临近空间中高动态载体相对于高空平台的高速运动会使载波产生较大的多普勒频移，严重影响信号的恢复。因此，需要采用载波捕获跟踪技术来抑制多普勒频移，恢复基带信号[2]。载波捕获跟踪技术能够在多普勒频移下辅助信号恢复，但多普勒频移同时也影响着载波同步的效果。多普勒频移越大，载波捕获跟踪时间越长；多普勒频移变化越快，捕获跟踪性能越差[3-5]。因此，需要对高动态运动环境下的多普勒频移变化趋势进行描述，并以此为依据实时调整载波同步方案，有效地完成信号恢复。

以往的研究大多针对高动态载体与卫星之间的相对移动[6-7]

进行，很少涉及临近空间环境下的多普勒频移描述。本文基于以往的研究成果，对高动态载体相对于临近空间接收平台的多普勒频移变化趋势进行了描述和仿真，并在此基础上分析了多普勒频移对载波捕获跟踪产生的影响。

V

=(Vx,Vy,V

z)，则建立的三维坐标系如图

1所示。

图1 三维坐标系

根据空间解析几何可知，速度矢量V与空间矢量T的夹角余弦为：

cosθ=

VT

+VT+VT (1)

V在T方向上的投影就是引起多普勒频移的目标相对

于接收机天线的径向速度v，即：

v=cosθ=

(2)

2 高动态运动模型下的多普勒频移

为描述高动态运动下的多普勒频移变化曲线，首先需要建立三维坐标系，模拟载体的运动空间，以此为依据来描述载体的位移、速度等参数。本文以处于临近空间中的高空平台作为坐标原点建立三维坐标系，以高动态载体与空间平台的相对位置作为高动态载体的位置矢量，正北方为x轴，正东方为y轴，z轴垂直于地面。设V为速度矢量，θ为速度矢量与位置矢量之间的夹角，β为仰角，α为方位角，某一点目标T相对原点的位置和速度矢量分别为T=(Tx,Ty,Tz)和

—22—

根据目标运动模型即可求出点目标的多普勒频移：

cosθfd= (3)

λ

基金项目：国家自然科学基金资助重点项目“空天地一体化信息网络的基础理论及关键技术研究”(60532030)

作者简介：仲伟志(1980－)，女，博士，主研方向：卫星通信， 扩频通信；郭 庆，教授、博士生导师

收稿日期：2010-03-30 E-mail：z_weizhi3000@126.com