无人机集群组网通信方式及其发展趋势探究

李 翔

（中电华鸿科技有限公司，河北 石家庄 050081）

0 引 言

随着科技的发展，近年来无人机类型越来越多，功能不断增多，性能更加优良，促使无人机集群发展取得了巨大进步。因为无人机本身体积较小，所以无法携带大重量物体作业，一定程度上限制了无人机的精度和使用范围。随着时代的发展，无人机技术变得越来越智能化和自主化，导致传统的无人机已经无法满足需求，出现了无人机集群的概念。无人机集群主要的运作方式是通过一定数量的无人机进行共同作业，从而提升作业范围，依靠携带不同的物体提升无人机集群的精度[1]。通过无人机进行信息中继是如今无人机集群遥感观测的主要作用，该方法存在操作不灵活和依赖性较强的缺点。但是，通过无人机集群的方式代替先前通信中继无人机进行作业，便可克服原有的缺点，提升信息传输距离。如果是单机飞行，那么能量的供给会限制无人机的操作范围和飞行距离，但无人机集群可以增加通信效率及其可靠度。因此，未来无人机的发展方向是无人机集群[2]。

通信网络的安全运行是无人机集群正常工作的保障。无人机集群显示的智能性，源于无人机之间有效的协同能力。因此，要更加快速有效地完成任务，必须使用无人机集群技术增强系统的完善性。

1 国内外无人机集群组网现状

无人机发展的一个重要方向是无人机集群。自然界生物集群的发展是无人机集群发展的基础。2000年，美国国防部已经开始部署无人机集群的研究计划，计划实现对无人机的控制，这源于科学家对蚂蚁信息素的研究与探索。美国在2002年对无人机集群的战略舒适度和战斗速度进行了综合研究，任务对于较为简单的作战内容，单个无人机的效率较高，但单个无人机无法完成较为复杂和任务量较大的任务。例如，如果仅依靠单个无人机进行搜索和侦查，则很难完成任务。美国的许多军队依靠生物进化论对无人机集群进行了深入研究，并且进行了一系列仿真实验。实验将每个无人机比作生物个体，无人机个体之间存在优胜劣汰的生物演替规则，促进了无人机群体的不断进化与演替，直到无人机群体可以完全适应当前的环境。

在完成无人机集群理论研究后，美国逐渐从理论研究向应用实验转变，实现了无人机编队操纵。早在2008年，16～20架的小型无人机在美国宾西法尼亚大学室内进行编队飞行。这些飞机不仅可以编成队伍，还可以通过改变队伍形状实现无人机的各种功能，如协同飞行、躲避障碍以及航迹规划等。在室内完成飞行任务的编排后，研究人员将室内无人机研究转变为室外无人机研究。

除美国外，许多国家也对无人机集群进行了相应研究。例如，2014年匈牙利研究人员通过使临近无人机与四旋翼无人机进行信息交换，使得10架无人机实现了自主飞行。

我国对无人机也有着深入探索，且对无人机集群的研究获得了较大进展。在2016年的珠江航展上，中国电子科技集团发布了67架无人机集群的飞行原理测试，2017年出现了多达119架无人机的集体飞行。2018年5月，1 374架无人机集群在西安起飞，但在空中表演灯光秀的过程中出现了问题。现阶段，我国的无人机集群发展还存在许多问题，尚未达到可实际应用的地步。

无人机集群的发展潜力不可估量，且其应用面临着巨大挑战。无人机对于网络覆盖问题给出了很好的解决办法，根据条件和环境的不同选择相应的组网模式。数据传输速率较低和频谱分配率不高，导致无人机集群系统性能下降，是无人机集群组网通信作业时的一大难题。在保证通信安全的情况下，要增加通信的可靠性，可以增加发射功率，但是窃听者会得到窃听信号，导致安全性较低。在当今无人机机型小型化和多样化趋势下，无人机的续航问题将面临严峻的挑战。以上种种问题，值得深入研究和思考。

2 无人机集群组网通信模式

使用无人机群组网通信，可以更好地实现无人机群之间的信息传递。在特殊环境下，通过稳定可靠的信息交换网络减少信息延迟，保障无人机之间的通信[3]。在执行任务时，如果无人机集群中有1个无人机受到破坏退出，便会改变无人机集群自组网网络框架，即无人机在满足正常通信的同时能够完成其自身的动态重组，在关键环节的认证中准确且实时地接收并执行指令。

2.1 星网组图

星形组网方式是以无人机卫星地面中心站终端节点为无线网络中心基站，所有无人机卫星节点都可以实现直接互相交叉链接或数据直接传输到所有无人机地面中心站，实现卫星地面中心站节点之间与空中所有无线地面网络节点终端间无缝直通交叉连接通信，以及多台无人机地面站点以单个无人机地面站节点为数据交换中心终端并进行点对点的无线交互数据通信[4]。当多个大型地面无人机群组网的节点数目规模及相对终端数量较少时，无人机集群可执行的主要任务与作业区域相对可覆盖的区域面积较小。当单个无人机任务或作业任务流程结构相对比较复杂时，星形无人机组网节点的组网模式选择比较灵活。当星形网络有较稳定的结构时，采用比较简单的算法，规模较小，可以节省网络信道的资源，降低能耗。

2.2 网状自组网

无人机的分层组合式或分层混合式系统一般采用以地面站为主体星形的网络中心站。无人机系统及其地面机载自动导航与通信等网络终端均应当具备卫星定位系统，与无人机地面中心站之间实现网络自适应组网。当大型无人机集群面临特种作业或者执行的任务情况复杂多变时，执行特定任务需要的大型无人机数量相当庞大，网络空间拓扑组织形式多变，无人机节点网络成员之间的通信方式相对更加频繁且信息量密度更大，节点网络组织紧凑灵活，更适合采用分层网络结构[5]。当遇到要执行大型无人机作业任务而使用的大型无人机数量突然发生变化时，分层拓扑网络结构设计中提出的无人机分层拓扑网络结构，有助于系统快速自动调整的无人机节点数的自动进退，实现整个无人机网络系统的自动重构，维护无人机节点的路由表，增强网络的稳定性。

3 无人机集群组网设计的关键技术

3.1 认知无人机通信技术

认知无线电技术是无人机领域的重点内容。无人机集群节点可以自行检测周围环境的变化，根据环境条件升级无人机周围的无线频谱资源。快速共享无线认知频谱，能够更好地解决露头无线电中断资源等有关问题。认知无线电技术包括网络可重构性评估功能，在无线组合环境毫无变化时直接重构网络系统，动态实时地共享网络频谱信息，为功率密度受限时的无人机集群网络提供一个可用的高无线系统容量和较宽的系统覆盖范围[6]。

3.2 大规模高动态无人机组网路由技术

无人机集群的高速移动性，使组网拓扑动态多变。单个集群的无人机往往难以随意自由切换网络接入的方式或难以随意退出通信子网，因大规模和频繁的无人机组网设计活动，导致无人机网络和通信设备数据质量不断波动，为现有无人机集群组网技术研究带来了更高的社会发展理念要求和挑战[7]。传统针对无线固定终端组网路由、移动无线组网路由、小型无线机动以及无线移动通信终端网络节点进行设计选型的方法，难以做到全面有效地满足国内当今各大规模和高动态无人机组网的应用开发需求。在移动无人机组网中，路由节点选择的系统拓扑方案设计能够有效克服无人机网络节点数目多、移动无人机组网路由速度快、多节点跳远及多段距离内无线信道传输互相干扰问题等问题，迅速适应无线网络拓扑环境的亟剧变化等情况，支撑移动无人机系统完成各种多样化的应用和任务，效果显著。

4 无人机集群通信与网络及其未来发展趋势研究

无线点对点移动通信领域中的无人机通信技术，针对单机编队飞行目标已经有了大量研究积累，但无人机集群的通信及网络结构的技术研究仍处于探索阶段。无线集群通信系统将是无人机移动通信领域中的重要研究点。

4.1 小型化高速发展态势和低功耗趋势

无人机用户通常因兼顾各种特殊无人机作业及功能需要，会倾向选择外形尺寸较小和紧凑设计的轻型机体，一定程度上限制了它们自身携带的巨大能量。采用较低携带能量和低成本传输的无线通信方式，能够缓解无人机功耗问题，更好地保障无人机集群的功能[8]。

4.2 智能化趋势

无人机集群中引入认知与通信一体化技术，在系统内实现协同通信，大大提升了指挥能力，可逐步构建认知系统周围能力框架，提高认知系统整体的自适应性能和抗毁碎性能。在实现智能测控自动化通信网的分体化结构前提上，通信组网技术通过集成融合多种业务类型的技术手段，可实现多种方式结合的网络通信传输，合理分配现有信息网络资源，形成多一体化、综合性以及可应用发展的新型智能信息传输交换体系和网络传输支撑体系，实现全面构建一体化智能测控协同和自动化调度综合指挥系统方案框架的目标[9-11]。

4.3 无人机集群通信系统架构发展趋势

未来，无人机网络群宽带无线通信体系及相应网络系统架构，将形成一种可以完整覆盖现有地面基站、空中无人机基站节点以及卫星通信链路网络节点等网络的分布式互联网通信技术设施，兼容空中公共移动数据通信网络、无线宽带移动通信的骨干专网线路节点以及其他卫星球导航通信传输网络，实现无人机地空天一体化，满足国内未来用户的多层次无人机集群组物联网导航通信系统的发展需求。

5 结 论

解析我国当前主流无人机集群组网模式特点，重点阐述各部分间的应用与关键的数据通信技术问题，分析与讨论现阶段国内外主流无人机集群组网技术的发展趋势，为促进国内无人机集群组网事业的持续健康发展提供参考。