当卫星经过观测站上空时，随着人造卫星与观测站间相对距离的不断变化，观测站接收到的人造卫星信号的频率也不断变化。接收频率同人造卫星发射频率之差称为都卜勒频移。都卜勒接收机就是用来测量这种频移的仪器，以获得有关人造卫星轨道和观测站位置的资料。

都卜勒接收机是一种高灵敏度的锁相接收机，採用振子式、螺旋式或其他类型的超高频天线。外差式接收机把来自天线的微弱信号进行低噪音放大，并由频率标準和倍频器给出的高稳定度(一般优于 10)参考频率，将接收信号的频率差拍到较低的频率。锁相跟蹤滤波器是一个把中心频率不断调整在差拍信号频率上的窄带滤波器（频宽数赫到数十赫）。由于频宽较窄和频率跟蹤特性準确，信号通过滤波器以后，接收机噪音的绝大部分被滤除,而有用的都卜勒信号则被完整地保留下来,从而使都卜勒接收机的输出信噪比和灵敏度大为提高。滤波器输出的“纯净”都卜勒信号，由计数器按一定重複频率进行周期计数，即测量信号电压在一定时间间隔内过零的次数。周期计数的时间间隔小于 1秒的微分都卜勒接收机（又称都卜勒测速仪），其输出数据是对应于各计数间隔中央时刻的瞬时都卜勒频移和人造卫星对观测站的视向速度的。周期计数时间间隔较长（数秒至两分）的积分都卜勒接收机，其输出数据则对应于每次计数开始和结束时的人造卫星同测站的距离之差。计数器测得的周期数按编码输出，和观测站数字钟所提供的世界时一起由印表机、穿孔机或磁带机记录。为获得準确的时间，可用甚低频接收机接收甚低频时号来校準观测站的数字钟,并使其与其他观测站的时间同步,但积分都卜勒接收机一般用人造卫星本身提供的时间信号来校準。 都卜勒接收机的测频精度可达10,但人造卫星信号穿过地球大气的电离层和对流层时所产生的附加频移，要比仪器误差大得多。一般可以通过同时接收人造卫星发出的两个相干信号来消除电离层影响的一阶项。为了消除对流层折射的影响，需将误差较大的低仰角数据剔除，并根据一定的对流层模型，利用观测站记录的气象数据进行修正。