無人機集群組網通信方式及其發展趨勢探究

李 翔

（中電華鴻科技有限公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著科技的發展，近年來無人機類型越來越多，功能不斷增多，性能更加優良，促使無人機集群發展取得了巨大進步。因為無人機本身體積較小，所以無法攜帶大重量物體作業，一定程度上限制了無人機的精度和使用范圍。隨著時代的發展，無人機技術變得越來越智能化和自主化，導致傳統的無人機已經無法滿足需求，出現了無人機集群的概念。無人機集群主要的運作方式是通過一定數量的無人機進行共同作業，從而提升作業范圍，依靠攜帶不同的物體提升無人機集群的精度[1]。通過無人機進行信息中繼是如今無人機集群遙感觀測的主要作用，該方法存在操作不靈活和依賴性較強的缺點。但是，通過無人機集群的方式代替先前通信中繼無人機進行作業，便可克服原有的缺點，提升信息傳輸距離。如果是單機飛行，那么能量的供給會限制無人機的操作范圍和飛行距離，但無人機集群可以增加通信效率及其可靠度。因此，未來無人機的發展方向是無人機集群[2]。

通信網絡的安全運行是無人機集群正常工作的保障。無人機集群顯示的智能性，源于無人機之間有效的協同能力。因此，要更加快速有效地完成任務，必須使用無人機集群技術增強系統的完善性。

1 國內外無人機集群組網現狀

無人機發展的一個重要方向是無人機集群。自然界生物集群的發展是無人機集群發展的基礎。2000年，美國國防部已經開始部署無人機集群的研究計劃，計劃實現對無人機的控制，這源于科學家對螞蟻信息素的研究與探索。美國在2002年對無人機集群的戰略舒適度和戰斗速度進行了綜合研究，任務對于較為簡單的作戰內容，單個無人機的效率較高，但單個無人機無法完成較為復雜和任務量較大的任務。例如，如果僅依靠單個無人機進行搜索和偵查，則很難完成任務。美國的許多軍隊依靠生物進化論對無人機集群進行了深入研究，并且進行了一系列仿真實驗。實驗將每個無人機比作生物個體，無人機個體之間存在優勝劣汰的生物演替規則，促進了無人機群體的不斷進化與演替，直到無人機群體可以完全適應當前的環境。

在完成無人機集群理論研究后，美國逐漸從理論研究向應用實驗轉變，實現了無人機編隊操縱。早在2008年，16～20架的小型無人機在美國賓西法尼亞大學室內進行編隊飛行。這些飛機不僅可以編成隊伍，還可以通過改變隊伍形狀實現無人機的各種功能，如協同飛行、躲避障礙以及航跡規劃等。在室內完成飛行任務的編排后，研究人員將室內無人機研究轉變為室外無人機研究。

除美國外，許多國家也對無人機集群進行了相應研究。例如，2014年匈牙利研究人員通過使臨近無人機與四旋翼無人機進行信息交換，使得10架無人機實現了自主飛行。

我國對無人機也有著深入探索，且對無人機集群的研究獲得了較大進展。在2016年的珠江航展上，中國電子科技集團發布了67架無人機集群的飛行原理測試，2017年出現了多達119架無人機的集體飛行。2018年5月，1 374架無人機集群在西安起飛，但在空中表演燈光秀的過程中出現了問題。現階段，我國的無人機集群發展還存在許多問題，尚未達到可實際應用的地步。

無人機集群的發展潛力不可估量，且其應用面臨著巨大挑戰。無人機對于網絡覆蓋問題給出了很好的解決辦法，根據條件和環境的不同選擇相應的組網模式。數據傳輸速率較低和頻譜分配率不高，導致無人機集群系統性能下降，是無人機集群組網通信作業時的一大難題。在保證通信安全的情況下，要增加通信的可靠性，可以增加發射功率，但是竊聽者會得到竊聽信號，導致安全性較低。在當今無人機機型小型化和多樣化趨勢下，無人機的續航問題將面臨嚴峻的挑戰。以上種種問題，值得深入研究和思考。

2 無人機集群組網通信模式

使用無人機群組網通信，可以更好地實現無人機群之間的信息傳遞。在特殊環境下，通過穩定可靠的信息交換網絡減少信息延遲，保障無人機之間的通信[3]。在執行任務時，如果無人機集群中有1個無人機受到破壞退出，便會改變無人機集群自組網網絡框架，即無人機在滿足正常通信的同時能夠完成其自身的動態重組，在關鍵環節的認證中準確且實時地接收并執行指令。

2.1 星網組圖

星形組網方式是以無人機衛星地面中心站終端節點為無線網絡中心基站，所有無人機衛星節點都可以實現直接互相交叉鏈接或數據直接傳輸到所有無人機地面中心站，實現衛星地面中心站節點之間與空中所有無線地面網絡節點終端間無縫直通交叉連接通信，以及多臺無人機地面站點以單個無人機地面站節點為數據交換中心終端并進行點對點的無線交互數據通信[4]。當多個大型地面無人機群組網的節點數目規模及相對終端數量較少時，無人機集群可執行的主要任務與作業區域相對可覆蓋的區域面積較小。當單個無人機任務或作業任務流程結構相對比較復雜時，星形無人機組網節點的組網模式選擇比較靈活。當星形網絡有較穩定的結構時，采用比較簡單的算法，規模較小，可以節省網絡信道的資源，降低能耗。

2.2 網狀自組網

無人機的分層組合式或分層混合式系統一般采用以地面站為主體星形的網絡中心站。無人機系統及其地面機載自動導航與通信等網絡終端均應當具備衛星定位系統，與無人機地面中心站之間實現網絡自適應組網。當大型無人機集群面臨特種作業或者執行的任務情況復雜多變時，執行特定任務需要的大型無人機數量相當龐大，網絡空間拓撲組織形式多變，無人機節點網絡成員之間的通信方式相對更加頻繁且信息量密度更大，節點網絡組織緊湊靈活，更適合采用分層網絡結構[5]。當遇到要執行大型無人機作業任務而使用的大型無人機數量突然發生變化時，分層拓撲網絡結構設計中提出的無人機分層拓撲網絡結構，有助于系統快速自動調整的無人機節點數的自動進退，實現整個無人機網絡系統的自動重構，維護無人機節點的路由表，增強網絡的穩定性。

3 無人機集群組網設計的關鍵技術

3.1 認知無人機通信技術

認知無線電技術是無人機領域的重點內容。無人機集群節點可以自行檢測周圍環境的變化，根據環境條件升級無人機周圍的無線頻譜資源。快速共享無線認知頻譜，能夠更好地解決露頭無線電中斷資源等有關問題。認知無線電技術包括網絡可重構性評估功能，在無線組合環境毫無變化時直接重構網絡系統，動態實時地共享網絡頻譜信息，為功率密度受限時的無人機集群網絡提供一個可用的高無線系統容量和較寬的系統覆蓋范圍[6]。

3.2 大規模高動態無人機組網路由技術

無人機集群的高速移動性，使組網拓撲動態多變。單個集群的無人機往往難以隨意自由切換網絡接入的方式或難以隨意退出通信子網，因大規模和頻繁的無人機組網設計活動，導致無人機網絡和通信設備數據質量不斷波動，為現有無人機集群組網技術研究帶來了更高的社會發展理念要求和挑戰[7]。傳統針對無線固定終端組網路由、移動無線組網路由、小型無線機動以及無線移動通信終端網絡節點進行設計選型的方法，難以做到全面有效地滿足國內當今各大規模和高動態無人機組網的應用開發需求。在移動無人機組網中，路由節點選擇的系統拓撲方案設計能夠有效克服無人機網絡節點數目多、移動無人機組網路由速度快、多節點跳遠及多段距離內無線信道傳輸互相干擾問題等問題，迅速適應無線網絡拓撲環境的亟劇變化等情況，支撐移動無人機系統完成各種多樣化的應用和任務，效果顯著。

4 無人機集群通信與網絡及其未來發展趨勢研究

無線點對點移動通信領域中的無人機通信技術，針對單機編隊飛行目標已經有了大量研究積累，但無人機集群的通信及網絡結構的技術研究仍處于探索階段。無線集群通信系統將是無人機移動通信領域中的重要研究點。

4.1 小型化高速發展態勢和低功耗趨勢

無人機用戶通常因兼顧各種特殊無人機作業及功能需要，會傾向選擇外形尺寸較小和緊湊設計的輕型機體，一定程度上限制了它們自身攜帶的巨大能量。采用較低攜帶能量和低成本傳輸的無線通信方式，能夠緩解無人機功耗問題，更好地保障無人機集群的功能[8]。

4.2 智能化趨勢

無人機集群中引入認知與通信一體化技術，在系統內實現協同通信，大大提升了指揮能力，可逐步構建認知系統周圍能力框架，提高認知系統整體的自適應性能和抗毀碎性能。在實現智能測控自動化通信網的分體化結構前提上，通信組網技術通過集成融合多種業務類型的技術手段，可實現多種方式結合的網絡通信傳輸，合理分配現有信息網絡資源，形成多一體化、綜合性以及可應用發展的新型智能信息傳輸交換體系和網絡傳輸支撐體系，實現全面構建一體化智能測控協同和自動化調度綜合指揮系統方案框架的目標[9-11]。

4.3 無人機集群通信系統架構發展趨勢

未來，無人機網絡群寬帶無線通信體系及相應網絡系統架構，將形成一種可以完整覆蓋現有地面基站、空中無人機基站節點以及衛星通信鏈路網絡節點等網絡的分布式互聯網通信技術設施，兼容空中公共移動數據通信網絡、無線寬帶移動通信的骨干專網線路節點以及其他衛星球導航通信傳輸網絡，實現無人機地空天一體化，滿足國內未來用戶的多層次無人機集群組物聯網導航通信系統的發展需求。

5 結 論

解析我國當前主流無人機集群組網模式特點，重點闡述各部分間的應用與關鍵的數據通信技術問題，分析與討論現階段國內外主流無人機集群組網技術的發展趨勢，為促進國內無人機集群組網事業的持續健康發展提供參考。