本书以民用二次监视雷达和军用二次雷达敌我识别系统为研究对象，系统地介绍二次雷达的基本概念、工作原理、系统设计及设备配置等基础理论知识。在民用二次监视雷达方面，着重介绍空中交通管制系统中的高性能二次监视雷达的技术特点、系统设计及实现途径，详细分析二次雷达系统内部的各种干扰问题、多径传输对二次雷达系统性能的影响及解决方法。为实现高性能系统设计，本书重点介绍高性能询问天线的设计、二次雷达信号处理的背景及处理思路，以及空中交通管制二次监视雷达配置和选址。在军用二次雷达敌我识别系统方面，重点分析二次雷达的发展历史和当前二次雷达的国际发展新动态、新思路，并针对现代战争特点，结合几种新型系统的设计，侧重介绍扩频、时间同步、现代加密技术和先进信号波形设计，并针对二次雷达应用中的核心关键技术，给出尽可能详细的理论阐释和解决方案。

二次雷达系统的发展始于第二次世界大战期间，至今已经有80多年的历史。虽然二次雷达在许多领域得到了应用和发展，但其主要应用领域是民用航空和军用雷达敌我识别。迄今为止，民用二次监视雷达和军用二次雷达敌我识别系统在各自的应用领域中都发挥了不可替代的作用。 在一次雷达的基础上，为了识别一次雷达显示器上目标的敌我属性，英国科学家发明了二次雷达敌我识别系统，先后研制出了3种二次雷达敌我识别系统，用来识别一次雷达显示器上的敌我双方的目标。其中，马克Ⅲ（Mark Ⅲ）于1941年开始在美国大批量生产并被装备到大量的战斗平台上。到第二次世界大战后期，西方盟军的所有飞机和军舰都装备了Mark Ⅲ。 第二次世界大战后，随着二次雷达技术的成熟，二次监视雷达在空中交通管制系统中得到应用。1953年，马克X（Mark X）被解密，用作空中交通管制二次监视雷达。1957年，国际民航组织制定了民用航空空中交通管制二次监视雷达标准。到20世纪60年代初期，二次监视雷达投入使用，并且得到世界各国越来越多的认可。空中交通管制是机场提供的一项服务，地面空中交通管制员负责指挥飞机，并为飞行员提供信息和其他方面的支持。二次监视雷达的主要功能是实时监视飞行航线上飞机的飞行间距和飞行状态，为地面空中交通管制员提供飞机的飞行航迹和有关飞行信息，防止飞机发生空中碰撞，并将旅客和货物快速、安全地运送到目的地。随着经济的发展，航空运输的旅客人数和货物量大幅增加，飞机数量越来越多，地面飞行终端要求的二次监视雷达系统容量越来越大，对二次监视雷达的系统性能不断提出新的需求。这些需求不断地推动着二次雷达技术的发展。 第二次世界大战后，二次雷达敌我识别技术不断改进，系统性能逐步提高。随着作战武器性能的提高，高速机动部队夜间作战日益增多，联合作战逐渐成为主要作战模式，使敌我识别问题变得更加重要，也面临更大的挑战。同时，随着高技术武器装备的投入使用，尤其是精确制导技术的应用，战争中使用的武器可以攻击超视距的敌人，武器系统的作用距离更远、命中精度更高、杀伤力更强。因此，在现代战争中，跟踪、攻击和杀伤一个目标常常比识别这个目标更为容易。如果敌我识别技术的发展跟不上武器系统的发展，那么在难以识别敌我的情况下，高精度武器一旦发射即可命中目标，从而发生战争中最令人痛心的事件——“自相残杀”，为此世界各国都积极开发各种各样的敌我识别技术。但是迄今为止，二次雷达敌我识别系统仍然是战争中反应速度最快、置信度最高的专用敌我识别系统。战争需求和更先进作战武器的不断出现，推动着二次雷达技术不断发展。 第二次世界大战后，随着空中作战力量的发展，特别是以高空高速为基本特征的二代战斗机的出现，各国传统的防空体系面临较大威胁。为了及早发现、识别空中目标，防止国籍不明的飞机侵犯主权国领空，美军于1950年率先在领空之外的公共空域（简称公空）设立了防空识别区。到目前为止，已有多个国家和地区设立了防空识别区。2013年11月23日，我国宣布在东海设立防空识别区。二次雷达系统包括民用二次监视雷达和军用二次雷达识别系统，是各国管理防空识别区的关键设备。设立防空识别区的需求推动了二次雷达技术的进一步发展。 在我国，随着国民经济的发展，特别是改革开放以来，我国国防力量不断壮大，民用航空事业不断发展，高性能二次雷达系统的应用需求不断增加，系统设计人员、使用和维修人员不断增加，推动了我国二次雷达学科的发展。许多工业企业和研究单位自主开发了民用二次监视雷达、机载应答机及军用二次雷达敌我识别系统，在国内外市场中占有一定份额。有些高等院校开设了二次雷达专业课程，旨在培养专业人才。随着二次雷达技术不断发展，设计、使用、维护二次雷达系统的队伍不断壮大。这激发了编者编写本书的热情。本书是编者根据自己从事二次雷达专业工作30多年所积累的资料和工作经验编写而成的。编者编写本书的目的是为从事二次雷达系统设计和设备研制生产工作的工程技术人员，以及二次雷达系统的使用和维修人员提供一本较为系统的二次雷达参考书籍。此外，本书也可以用作高等院校电子工程专业的研究生和本科生教材。 本书以民用二次监视雷达和军用二次雷达敌我识别系统为研究对象，系统地介绍了二次雷达的基本概念、工作原理、系统设计及设备配置等基础理论知识；针对二次雷达系统的问题进行了详尽的分析，如二次雷达系统内部的各种干扰问题，二次雷达信号处理的背景及处理思路，以及多径传输对二次雷达系统性能的影响；针对二次雷达应用中的核心关键技术，给出了尽可能详细的理论阐释和解决方案；结合二次雷达的发展历史和发展新动态、新思路，展望了二次雷达技术的发展方向，介绍了数字波形二次雷达系统及其设计特点和采用的先进技术。为了加深对S模式二次监视雷达的理解，本书还介绍了广播式自动相关监视系统（ADS-B）和空中交通警戒与防撞系统（ACAS）的工作原理和组成。 本书共15章： 第1章介绍了二次雷达系统发展概况。 第2章介绍了系统组成及工作原理。 第3章介绍了二次雷达各种工作模式的询问信号波形和应答信号波形，详细地介绍了各种工作模式的技术参数要求，分析了波形设计特点和发展背景。此外还介绍了二次雷达各种信号波形有关数字调制和解调的基础知识。 第4章介绍了询问分系统的工作原理、系统组成和频率配置方案，重点介绍了发射机、经典接收机和单脉冲接收机的功能、技术性能和方案设计。此外还介绍了二次雷达系统的旁瓣抑制技术：询问旁瓣抑制（ISLS）和接收旁瓣抑制（RSLS）。 第5章分析了二次雷达信号处理的背景和特点，重点介绍了二次监视雷达一次询问的应答信号处理，天线波束驻留时间内多次询问的应答与应答相关处理，天线扫描过程中飞行航迹和目标报告更新的监视处理，以及监视处理过程中二次雷达特有的假目标报告处理原理和方法。 第6章介绍了应答机的组成、功能和工作原理，详细分析了应答分系统主要技术指标的定义、应用条件，以及在二次监视雷达和二次雷达敌我识别系统中使用的差异。此外还介绍了机载和舰载应答天线覆盖范围要求，以及机载应答机三种双天线安装方式及其优缺点。 第7章介绍了两类询问应答机设计方案，并分析了它们的优缺点和使用条件。 第8章前3节介绍了二次雷达询问天线辐射特性和主要技术指标及阵列天线设计基础理论。8.4节介绍了机械扫描询问天线系统组成及关键部件设计。8.5节介绍了相控阵询问天线系统组成。 第9章对二次雷达系统内部的各种干扰进行了分类，分析了二次雷达系统三类典型干扰产生的机理，导出了有关应答机“占据”的计算公式，同时介绍了多径干扰对二次雷达系统的影响，以及抑制多径干扰的措施。本章将二次雷达遇到的多径反射干扰分为三类典型情况进行分析，重点分析了小水平夹角反射面的多径现象，这种情况对二次雷达系统性能影响最为复杂，也最难解决。 第10章介绍了与二次雷达系统设计有关的几个指标，讨论了二次雷达在存在大量内部干扰情况下的目标检测概率和识别概率，并导出了有关计算公式。为了保证二次雷达系统内大量的询问机和应答机能同时工作，还给出了询问通信链路和应答通信链路信道设计的有关公式和设计实例。 第11章介绍了二次监视雷达设备配置及选址原则，二次雷达敌我识别系统设备配置原则，以及地面、空中、海上作战平台设备配置方案。 第12章介绍了S模式二次监视雷达目标捕获、监视和通信报文，以及有关传输协议，详细介绍了S模式上、下行链路纠检错编码原理，给出了编码器和译码器实现方案。此外还介绍了下行链路纠错译码电路的实现逻辑。 第13章展望了二次雷达技术的发展方向，主要介绍了混合监视技术、数字调制二次雷达技术，态势感知工作模式技术，以及混扰和串扰抑制技术。此外还介绍了时间同步及数字加密等技术在军用二次雷达识别系统中的应用。 第14章介绍了广播式自动相关监视系统组成、工作原理和设备配置方案，并针对几种主要监视应用给出了具体的实施方案。此外还介绍了S模式扩展长度间歇信标ADS-B报文结构。 第15章介绍了空中交通警戒与防撞系统组成和工作原理，讨论了避撞概念及避撞逻辑系统，通过对空中交通警戒与防撞的讨论加深读者对S模式二次监视雷达的理解。 本书在编撰出版过程中得到中国空军研究院费爱国院士的大力支持和热忱推荐，在此致以衷心的感谢。中国民用航空局第一研究所刘昌忠教授、电子科技大学周亮教授、中国电子科技集团公司第十研究所副总工程师何华武研究员对本书的出版给予了大量的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。中国电子科技集团公司第十研究所甘体国研究员、兰鹏研究员、王亚涛高级工程师和张昀研究员花费大量时间认真审阅了书稿，提出了很好的改进意见和建议；厦门航空有限公司飞行员孙超审阅了第15章空中交通警戒与防撞系统，根据多年飞行经验对该章提出了宝贵建议，在此表示衷心感谢。此外，中国电子科技集团第十研究所老科技工作者协会积极推动了本书的写作和出版，在此表示由衷感谢。 我们的愿望是为广大读者提供一本可读的、系统的和适用的科技书籍，但是由于某些客观因素的限制，本书可能存在诸多不足，诚恳请求广大读者提出意见。 编 者 2022年8月

第1章 二次雷达系统发展概况 1 1.1 二次雷达敌我识别系统的发明与应用 1 1.2 二次监视雷达发展历程 6 1.3 第二次世界大战后二次雷达系统发展 10 第2章 系统组成及工作原理 15 2.1 设备组成 17 2.2 工作过程 19 2.2.1 二次雷达敌我识别系统的工作过程 19 2.2.2 二次监视雷达的工作过程 21 2.3 系统构成 21 2.4 目标距离和方位角测量 22 2.4.1 单脉冲测角原理 23 2.4.2 “滑窗”测角原理 26 2.4.3 距离测量原理 28 2.5 信息获取 29 2.6 目标位置关联 29 2.7 系统问题 31 第3章 信号波形设计和分析 33 3.1 模式1、模式2、模式3/A和C模式信号波形 34 3.1.1 询问信号波形 34 3.1.2 询问信号参数及容差 34 3.1.3 应答信号波形 35 3.1.4 应答信号参数及容差 36 3.1.5 距离数据产生 36 3.2 模式4信号波形 37 3.2.1 询问信号波形 38 3.2.2 询问信号参数及容差 39 3.2.3 应答信号波形 40 3.2.4 应答信号参数及容差 40 3.2.5 模式4信号波形分析 40 3.3 S模式信号波形 42 3.3.1 询问工作模式 42 3.3.2 S模式应答机 42 3.3.3 S模式询问信号波形 43 3.3.4 组合询问信号波形 45 3.3.5 S模式应答信号波形 46 3.3.6 询问旁瓣抑制原理 48 3.3.7 S模式信号波形分析 49 3.4 地—地数字调制二次雷达信号波形 50 3.4.1 系统的时间体系结构 51 3.4.2 询问信号和应答信号 52 3.4.3 询问脉冲字符块 53 3.4.4 应答脉冲字符块 55 3.4.5 数字调制信号波形分析 55 3.5 相关知识 56 3.5.1 二元数字信息序列 56 3.5.2 幅移键控调制 57 3.5.3 双相移键控调制 58 3.5.4 差分相移键控调制 59 3.5.5 最小频移键控调制 60 3.5.6 扩频信号 65 第4章 询问分系统 73 4.1 工作原理、系统组成和频率配置方案 73 4.1.1 工作原理和系统组成 73 4.1.2 频率配置方案 75 4.2 发射机 76 4.2.1 发射机组成 76 4.2.2 主要技术参数 76 4.2.3 频率综合器 77 4.2.4 调制器 79 4.2.5 固态功率放大器 82 4.2.6 询问旁瓣抑制 83 4.2.7 功率自适应控制 86 4.3 经典接收机 87 4.3.1 噪声系数 88 4.3.2 接收机带宽 89 4.3.3 接收机灵敏度 89 4.3.4 对数中频放大器 91 4.3.5 接收旁瓣抑制 93 4.3.6 时间增益控制 94 4.4 单脉冲接收机 95 4.4.1 幅度单脉冲接收机 95 4.4.2 相位单脉冲接收机 97 第5章 信号处理 101 5.1 信号环境 102 5.2 应答信号处理方法 104 5.3 应答脉冲采集 106 5.4 应答信号处理 110 5.4.1 应答信号处理概述 111 5.4.2 假目标应答编码处理 114 5.4.3 应答编码报告 115 5.5 应答与应答相关处理 116 5.5.1 二次雷达敌我识别系统的应答与应答相关处理 116 5.5.2 二次监视雷达的应答与应答相关处理 117 5.6 监视处理 118 5.6.1 目标报告与飞行航迹的相关处理 119 5.6.2 目标报告更新 120 5.6.3 飞行航迹更新 121 5.6.4 飞行航迹惯性滑行和终止 122 5.7 假目标报告处理 123 5.8 与一次雷达目标报告关联 125 第6章 应答机 127 6.1 组成及功能 127 6.2 工作原理及频率配置 128 6.2.1 工作原理 128 6.2.2 频率配置 130 6.3 二次雷达敌我识别系统应答机主要技术指标 130 6.3.1 接收灵敏度 131 6.3.2 动态范围 132 6.3.3 频率响应 132 6.3.4 应答延时和延时抖动 132 6.3.5 随机触发速率 133 6.3.6 应答信号抑制时间 133 6.3.7 应答机输出功率 133 6.3.8 寄生辐射 133 6.3.9 旁瓣抑制速率控制 134 6.4 二次监视雷达应答机主要技术指标 134 6.4.1 接收灵敏度和输出功率 134 6.4.2 其他技术指标参数差异 136 6.5 信号处理器组成和功能 136 6.6 自动故障检测和在线检测 137 6.7 应答天线 137 6.7.1 应答天线覆盖范围 138 6.7.2 机载和舰载应答天线 140 6.8 双天线安装 141 6.8.1 双天线开关切换方式 141 6.8.2 双天线功率分配方式 141 6.8.3 分集天线方式 142 6.9 显示控制单元 143 6.9.1 控制功能 144 6.9.2 显示功能 144 第7章 询问应答机 147 7.1 询问机／应答机组合设计方案 147 7.2 询问应答机一体化设计方案 149 7.3 典型的询问应答机 150 第8章 询问天线 153 8.1 询问天线辐射特性 154 8.1.1 水平方向辐射特性 154 8.1.2 垂直方向辐射特性 157 8.1.3 背瓣 159 8.2 询问天线主要技术指标 160 8.3 阵列天线设计基础理论 161 8.3.1 阵列天线方向特性通用表达式 161 8.3.2 一维线性阵列天线方向特性 164 8.3.3 平面圆形阵列天线方向特性表达式 168 8.4 机械扫描询问天线系统 169 8.4.1 机械扫描询问天线系统组成 169 8.4.2 辐射单元 171 8.4.3 功率分配／波束形成网络 179 8.4.4 旋转关节 181 8.4.5 询问天线安装 182 8.5 相控阵询问天线系统组成 185 第9章 系统干扰和多径干扰 189 9.1 系统干扰 190 9.1.1 串扰 190 9.1.2 占据 192 9.1.3 外部抑制 194 9.1.4 系统干扰小结 194 9.2 多径干扰 196 9.3 水平反射面的多径信号 197 9.3.1 短路径差多径信号 198 9.3.2 长路径差多径信号 202 9.4 小水平夹角反射面的多径信号 203 9.4.1 短路径差多径信号 205 9.4.2 长路径差多径信号 209 9.5 大水平夹角反射面的多径信号 209 9.5.1 短路径差反射信号 210 9.5.2 长路径差反射信号 210 9.6 多径干扰小结 212 第10章 系统设计 213 10.1 工作距离 213 10.1.1 无线信号传输方程 213 10.1.2 附加损耗 215 10.1.3 询问和应答信道设计 218 10.1.4 数字调制二次雷达信道设计 220 10.2 目标检测概率和识别概率 227 10.2.1 信噪比与噪声系数 228 10.2.2 单次询问目标检测概率 228 10.2.3 “滑窗”处理与目标检测概率 229 10.3 系统容量 230 10.4 方位分辨力和方位角测量精度 231 10.4.1 方位分辨力 231 10.4.2 方位角测量精度 233 10.5 距离分辨力和距离测量精度 238 10.5.1 距离分辨力 238 10.5.2 距离测量精度 238 10.6 询问重复频率 240 10.6.1 询问重复频率设计 240 10.6.2 跨周期应答和群占据 241 10.7 询问天线安装高度 241 10.8 一次雷达与二次雷达之间的互耦 243 第11章 二次雷达设备配置 245 11.1 二次监视雷达设备配置及选址原则 245 11.1.1 机场建设需求 246 11.1.2 环境适应性 246 11.1.3 建设可行性 247 11.1.4 规划前瞻性 248 11.2 二次雷达敌我识别系统设备配置原则 249 11.3 地面作战平台设备配置方案 250 11.4 空中作战平台设备配置方案 250 11.5 海上作战平台设备配置方案 251 11.5.1 分散配置方案 252 11.5.2 集中配置方案 253 第12章 S模式报文及协议 255 12.1 询问报文和应答报文 256 12.2 奇偶校验 259 12.2.1 循环冗余校验编码 259 12.2.2 AP字段和PI字段的生成 260 12.2.3 上行链路编码器和译码器 261 12.2.4 下行链路编码器和译码器 263 12.2.5 下行链路纠错译码 265 12.3 全呼叫报文 270 12.3.1 全呼叫询问报文（UF=11） 270 12.3.2 全呼叫应答报文（DF=11) 272 12.4 监视报文及协议 273 12.4.1 监视询问报文（UF=4/UF=5） 274 12.4.2 监视应答报文（DF=4/DF=5） 280 12.4.3 全呼叫闭锁协议 283 12.5 标准长度监视通信报文 285 12.5.1 监视通信询问报文（UF=20/UF=21） 285 12.5.2 监视通信应答报文（DF=20/DF=21） 285 12.5.3 标准长度通信协议 286 12.6 扩展长度报文的传输 293 12.6.1 上行ELM（UF=24） 293 12.6.2 下行ELM（DF=24） 295 12.6.3 多站上行ELM传输协议 296 12.6.4 多站下行ELM传输协议 299 12.7 空—空服务和信标处理 302 12.7.1 空—空监视短询问报文（UF=0） 303 12.7.2 空—空监视长询问报文（UF=16） 303 12.7.3 空—空监视短应答报文（DF=0） 304 12.7.4 空—空监视长应答报文（DF=16） 305 12.7.5 空—空处理协议 306 12.7.6 间歇信标捕获 306 12.7.7 扩展长度间歇信标报文（DF=17） 306 第13章 二次雷达新技术 313 13.1 混合监视技术 313 13.2 数字调制二次雷达技术 314 13.2.1 数字基带信号设计 315 13.2.2 敌我识别模式数字调制询问信号波形 319 13.2.3 敌我识别模式数字调制应答信号波形 321 13.2.4 信号处理 323 13.2.5 性能分析 324 13.3 态势感知工作模式技术 326 13.3.1 信标态势感知 327 13.3.2 询问-应答态势感知 327 13.3.3 空—地态势感知 328 13.3.4 信号波形 329 13.3.5 性能分析 331 13.4 混扰和串扰抑制技术 332 13.4.1 混扰抑制技术 333 13.4.2 串扰抑制技术 335 13.5 时间同步与数字加密 336 13.5.1 时间代码与系统时 337 13.5.2 询问信号传输参数加密 337 13.5.3 询问信道中的信息加密和解密 338 13.5.4 应答信道中的信息加密和解密 341 13.5.5 加密产生的物理现象 343 13.6 技术展望 344 13.6.1 系统功能更加完善 344 13.6.2 系统性能更加先进 344 13.6.3 系统安全性和电子对抗能力显著提高 345 13.6.4 降低系统内部干扰的措施针对性更强 345 第14章 广播式自动相关监视系统 347 14.1 引言 347 14.2 系统概述 349 14.2.1 系统组成和工作原理 349 14.2.2 系统功能 355 14.3 设备配置及性能要求 357 14.3.1 机载系统 358 14.3.2 地面站系统 363 14.3.3 机载天线系统 367 14.4 主要应用及典型应用方案 371 14.4.1 应用概述 371 14.4.2 典型应用方案 373 14.5 扩展长度间歇信标增强接收技术 379 14.5.1 当前的扩展长度间歇信标接收技术 379 14.5.2 改进的同步脉冲检测技术 381 14.5.3 比特数据和置信度判决改进技术 384 14.5.4 增强误码检错和纠错技术 389 14.5.5 小结 393 14.6 S模式1090 ES报文 394 14.6.1 报文的主要内容 394 14.6.2 报文的基本结构 394 14.7 发展展望 396 第15章 空中交通警戒与防撞系统 399 15.1 引言 399 15.2 TCAS II组成和工作原理 400 15.2.1 TCAS计算机单元 401 15.2.2 S模式应答机 401 15.2.3 S模式TCAS控制面板 402 15.2.4 天线 403 15.3 驾驶舱显示 404 15.3.1 TA信息显示 404 15.3.2 RA信息显示 406 15.3.3 语音告警 407 15.4 目标监视 408 15.4.1 S模式监视 409 15.4.2 C模式监视 411 15.4.3 混合监视 414 15.5 避撞概念 417 15.5.1 告警预留时间 417 15.5.2 保护范围等级系数 420 15.5.3 保护范围 422 15.6 避撞逻辑系统 423 15.6.1 跟踪 424 15.6.2 发布TA信息 425 15.6.3 威胁目标检测 425 15.6.4 发布RA信息 425 15.6.5 TCAS/TCAS协调 430 15.6.6 空—地通信 432 15.7 未来的防撞系统 433 附录A S模式询问报文一览表 435 附录B S模式应答报文一览表 437 附录C S模式字段定义 439 附录D S模式子字段定义 441 附录E 缩略语表 443 参考文献 445