内容简介
本书围绕无人机由单机向集群化、网络化与智能化发展的趋势，系统阐述无人机集群通信网络的基础理论、关键技术与工程应用。内容涵盖通信体系结构、无线接入、自组网技术、集群协同、资源优化方法，并扩展至典型应用、安全机制、标准规范、未来发展方向。全书按照 “基础理论 — 关键技术 — 协同机制 — 应用实践 — 安全规范 — 未来展望” 的逻辑展开，突出空天地一体化、自组织网络与任务驱动优化等前沿特点，强调理论与工程实践融合。读者对象主要包括无人机系统与无线通信相关领域科研人员、高校师生及工程技术人员，同时也适合希望系统了解无人机集群通信技术及发展趋势的读者。
目录
目录
第 1 章 无人机集群的发展概述
1.1 无人机技术发展历程
1.1.1 军用无人机的演进
1.1.2 民用无人机的发展
1.1.3 从单机到集群的演进趋势
1.2 集群通信需求与挑战
1.2.1 高动态性与网络拓扑频繁变化
1.2.2 低时延与高可靠性需求
1.2.3 干扰环境与资源受限问题
1.3 研究进展与趋势
1.3.1 国际研究现状
1.3.2 国内研究进展
1.3.3 发展趋势与研究方向
参考文献
第 2 章 无人机通信基础与系统实现
2.1 无人机通信链路
2.1.1 无人机通信链路的功能结构
2.1.2 无人机通信链路的空间形态
2.2 无人机通信关键物理层技术
2.2.1 天线技术
2.2.2 调制与波形技术
2.2.3 信道编码与纠错技术
2.3 无人机通信中的多址与资源共享技术
2.3.1 频分多址与时分多址机制
2.3.2 码分多址与扩频接入方式
2.3.3 正交频分多址接入机制
2.3.4 非正交多址技术
2.4 无人机通信中的抗干扰与可靠传输技术
2.4.1 扩频与跳频通信技术
2.4.2 自适应调制与编码机制
2.4.3 波束赋形与空间域抗干扰
2.4.4 干扰检测与动态频谱管理
2.5 无人机通信设备与系统实现
2.5.1 机载通信设备
2.5.2 地面通信设备
2.5.3 典型无人机通信电台
2.5.4 遥控器、飞控接收机与地面站系统
2.6 无人机通信性能指标
参考文献
第 3 章 无人机集群网络结构
3.1 无人机集群通信网络的基本结构
3.1.1 集群通信网络的组成要素
3.1.2 集群通信网络的层次划分
3.1.3 集群通信网络的组织形式
3.2 集群通信结构与控制机制的关系
3.3 集群通信网络的自组织结构
3.3.1 集群通信网络的自组织方式
3.3.2 集群通信网络的拓扑类型
3.3.3 拓扑变化与结构维护
参考文献
第 4 章 无线接入技术
4.1 专用无线电接入
4.1.1 通信协议与链路层机制
4.1.2 频段与调制方式
4.2 Wi-Fi 接入
4.2.1 标准演进与特性
4.2.2 无人机组网中的 Wi-Fi 优化
4.3 LTE/5G 接入
4.3.1 蜂窝网络支持无人机的关键机制
4.3.2 无人机定制化接入优化
4.4 卫星与空天地融合
4.4.1 卫星通信支持无人机的特性
4.4.2 空天地一体化通信架构
4.5 接入能力与系统映射关系
4.5.1 接入能力边界与工程约束对照
4.5.2 任务场景、拓扑结构与接入选择的映射关系
参考文献
第 5 章 自组网与中继技术
5.1 MANET 与 FANET 基础
5.1.1 自组织网络基本原理
5.1.2 FANET 通信协议特性与改进
5.2 多跳中继与链路优化
5.2.1 多跳中继原理
5.2.2 链路选择与中继节点优化
5.2.3 中继增强的容错与鲁棒性
5.3 FANET 中 Mesh 的拓扑结构与动态管理
5.3.1 FANET 中 Mesh 结构的组织动因与适用条件
5.3.2 高动态环境下的 Mesh 拓扑维护机制
5.3.3 面向集群规模扩展的分层 Mesh 拓扑控制
参考文献
第 6 章 物理层与链路层技术
6.1 MIMO 与波束赋形
6.1.1 MIMO 技术在 UAV 通信中的应用
6.1.2 波束赋形与定向通信
6.1.3 UAV 场景下的挑战与优化
6.2 毫米波与太赫兹通信
6.2.1 毫米波通信特性
6.2.2 太赫兹通信潜力
6.2.3 高动态 UAV 环境下的应用与优化
6.3 自适应调制与编码
6.3.1 调制与编码概述
6.3.2 自适应调制与编码机制
6.3.3 UAV 集群中的自适应调制与编码优化
6.4 干扰抑制与抗阻塞
6.4.1 UAV 通信中的主要干扰类型
6.4.2 干扰抑制技术
6.4.3 抗阻塞机制与容错设计
参考文献
第 7 章 集群通信机制
7.1 基本通信模式
7.1.1 广播通信
7.1.2 组播通信
7.1.3 点对点通信
7.2 通信协议与栈设计
7.2.1 协议栈架构
7.2.2 QoS 支持与实时性保障
7.2.3 UAV 专用协议扩展
7.3 通信可靠性与容错机制
7.3.1 多路径传输与路由备份
7.3.2 通信可靠性与容错机制
参考文献
第 8 章 集群协同与一致性
8.1 编队控制与协同策略
8.1.1 编队模式分类
8.1.2 分布式编队控制算法
8.1.3 协同稳定性与收敛性
8.2 分布式共识与同步机制
8.2.1 共识算法基础
8.2.2 事件触发同步
8.2.3 时间与位置同步
8.3 任务分配与调度
8.3.1 经典确定性任务分配方法
8.3.2 在线适应与策略增强方法
8.4 协同感知与信息一致性维护
8.4.1 多源感知信息的分布式融合机制
8.4.2 协同感知驱动的环境建模
8.4.3 通信受限条件下的信息一致性维护
参考文献
第 9 章 资源管理与优化
9.1 频谱与功率分配
9.1.1 频谱感知与建模
9.1.2 频谱分配算法
9.1.3 功率控制与能量优化
9.2 链路与拓扑优化
9.2.1 链路选择与路由优化
9.2.2 拓扑控制与联合优化
9.3 数据管理与共享优化
9.3.1 数据优先级与分发策略
9.3.2 数据压缩与传输优化
9.3.3 数据一致性与冗余管理
参考文献
第 10 章 无人机集群网络的典型应用场景与范式
10.1 军事领域中的集群通信网络应用范式
10.1.1 分层异构集群通信与前沿可消耗节点网络
10.1.2 分布式情报、监视与侦察集群通信范式
10.1.3 网络化作战支援与协同电子战
10.2 公共安全与应急响应中的无人机集群网络
10.2.1 灾害场景下的快速建网与全天候信息覆盖
10.2.2 城市安防与大型活动中的低空协同防御网络
10.3 工业与商业场景中的确定性集群通信系统实践
10.3.1 受控工业环境中的集中式多无人机通信系统
10.3.2 空中编队表演与新型数字媒体应用
参考文献
第 11 章 无人机集群安全技术
11.1 通信安全与加密技术
11.1.1 无线链路加密
11.1.2 安全协议与认证机制
11.2 网络攻击与防御机制
11.2.1 常见威胁类型
11.2.2 防御策略
11.3 数据安全与隐私保护
11.3.1 数据隐私风险
11.3.2 数据保护技术
参考文献
第 12 章 标准化与国际规范
12.1 国际与行业标准体系概述
12.2 空天地一体化网络接口规范
12.2.1 空对空接口
12.2.2 空对地接口
12.2.3 空对天接口
12.3 UAV 集群互操作性与测试规范
12.3.1 互操作性需求
12.3.2 互操作性标准与框架
12.3.3 测试与认证方法
12.4 标准化进展与未来趋势
参考文献
第 13 章 政策与法规
13.1 国际国内无人机监管框架综述
13.2 空域管理制度与 BVLOS 行动框架
13.3 频谱管理制度与无人机集群通信的合规约束
13.4 安全、隐私与责任体系
13.5 合规工程流程
参考文献
第 14 章 总结与未来展望
14.1 无人机集群通信网络发展回顾
14.2 前沿通信技术与新型架构探索
14.3 总结与展望
参考文献
前言/序言
前 言
随着信息技术与智能系统的快速发展，人类对空域资源的利用方式正经历深刻变革。无人机作为连接物理空间与信息空间的重要载体，已经从早期的单一飞行平台，逐步发展为融合感知、通信、计算与控制能力的综合性系统。在军事侦察、应急救援、智慧农业、基础设施巡检及物流配送等诸多领域，无人机正发挥着越来越重要的作用，并成为现代空地一体化信息系统的重要组成部分。
在无人机应用不断拓展的背景下，单机系统在任务规模、覆盖范围与系统鲁棒性等方面的局限性日益显现。为应对复杂环境与多任务需求，多无人机协同运行逐渐成为必然趋势。无人机集群通过分布式协同与资源共享，实现任务的并行执行与动态调度，在大范围覆盖、多目标处理及系统抗毁性方面展现出显著优势。无人机系统由 “单机作业” 向 “网络协同”、再向 “集群智能” 的演进，标志着其发展范式已由设备级能力提升转向系统级能力重构。
在这一演进过程中，通信网络成为支撑无人机集群运行的关键基础。与传统地面通信系统相比，无人机集群通信需要在三维空间、高速运动及动态拓扑条件下，保障多节点之间低时延、高可靠的信息交互。这不仅涉及无线链路的稳定传输，还关系到编队控制、协同感知与任务分配等系统级功能的实现。同时，频谱资源受限、复杂电磁环境干扰以及能量与计算能力约束，使得无人机集群通信问题呈现出高度的交叉性与复杂性，成为融合通信工程、控制理论与智能算法的前沿研究方向。
近年来，随着 5G/6G 通信、边缘计算与人工智能技术的发展，无人机集群通信网络正逐步由理论探索走向工程实践。空天地融合网络、自组织通信机制以及面向任务的协同优化方法不断涌现，为构建高可靠、高自适应的无人机集群系统提供了重要支撑。然而，从整体来看，该领域仍缺乏系统性、结构化的理论梳理与工程导向的综合性著作，尤其是在通信网络与集群协同深度融合方面，仍有待进一步总结与提炼。
基于上述背景，本书围绕无人机集群通信网络与应用展开系统研究，力图从体系结构、关键技术到工程实践构建完整的知识框架。一方面，系统梳理无人机由单机向集群演进的技术脉络，分析集群通信产生的内在需求与关键挑战；另一方面，结合当前研究前沿与典型应用场景，对自组织网络、无线接入技术、协同控制机制及资源优化方法进行深入阐述。同时，本书还将安全机制、标准体系与政策约束纳入统一分析视角，强调无人机集群通信从技术实现走向规模化应用所面临的系统性问题。
全书按照 “基础理论 — 关键技术 — 协同机制 — 应用实践 — 安全规范 — 未来展望” 的逻辑展开，共分为六个部分，逐层深入地分析无人机集群通信系统的核心问题。
第一部分，概论与基础（第 1~3 章），从宏观层面奠定全书的研究背景与理论基础。第 1 章回顾无人机由单机向集群系统演进的发展脉络，分析集群通信产生的内在需求与面临的关键挑战，并总结国内外研究进展与发展趋势。第 2 章系统介绍无人机通信网络的基本特征、典型拓扑结构与通信模式，为后续网络机制分析提供概念与模型基础。第 3 章进一步从体系结构角度出发，讨论集群通信机制、协议栈映射以及自组织与控制框架，为理解多层协同提供结构性视角。
第二部分，通信与接入技术（第 4~6 章），聚焦支撑无人机集群运行的关键通信技术。第 4 章围绕不同无线接入方式，分析专用无线电、Wi?Fi、LTE/5G 以及卫星与空天融合接入技术的适用场景与性能特征，并进行系统对比。第 5 章重点讨论飞行自组网与中继技术，包括多跳通信、Mesh 网络与高速移动环境下的适配机制。第 6 章从物理层与链路层入手，系统阐述 MIMO 与波束赋形、毫米波与太赫兹通信、自适应调制与编码以及干扰抑制与抗阻塞等关键技术，为高可靠、高容量集群通信提供理论与工程支撑。
第三部分，集群通信与协同（第 7~9 章），从网络与系统层面深入分析多无人机协同运行机制。第 7 章讨论集群通信的基本模式、协议设计以及可靠性与容错机制，重点关注动态网络环境下的自组织能力。第 8 章围绕集群协同与一致性问题，系统介绍编队控制、分布式共识、任务分配与协同感知等关键机制。第 9 章进一步从资源管理角度出发，探讨频谱与功率分配、链路与拓扑优化、数据管理以及导航协同等优化问题，强调通信资源与任务需求之间的联合设计。
第四部分，应用与落地（第 10 章），结合典型应用场景，分析无人机集群通信网络在军事、公共安全与应急响应，以及工业与商业领域中的应用范式与工程特点，展示前述通信与协同技术在实际系统中的综合体现。
第五部分，安全、标准与政策（第 11~13 章），从系统安全与工程合规角度展开论述。第 11 章重点分析无人机集群面临的网络攻击威胁及防御机制，并讨论数据安全与隐私保护问题。第 12 章系统梳理无人机集群相关的国际与行业标准体系，以及互操作性与测试规范。第 13 章从政策与法规角度出发，讨论空域管理、频谱合规、安全责任以及工程化运行流程，为技术落地提供制度层面的支撑。
第六部分，总结与未来展望（第 14 章），对全书内容进行系统总结，从技术发展、工程应用以及政策与标准等多个维度展望无人机集群通信网络的未来发展方向。
本书由李霓、董长印、胡佩合作完成：李霓制定写作提纲，参与第 1、12、13、14 章的撰写，并进行全书统稿；胡佩主要负责第 2~8 章的编写；董长印主要负责第 9~11 章的编写。课题组的研究生参与了书稿的部分相关工作。
本书的读者对象主要包括从事无人机系统、无线通信与计算机网络等相关领域的科研人员、高校教师与研究生，同时也适用于从事无人机工程应用、系统集成与行业解决方案设计的技术人员。对于希望系统了解无人机集群通信技术体系及其发展趋势的读者，本书亦可作为参考读物。
无人机集群通信作为一个快速发展的交叉领域，其理论体系与工程实践仍在不断演进之中。书中内容虽力求系统全面，但难免存在不足之处，恳请读者批评指正。
最后，谨向在无人机与通信领域长期开展研究的国内外学者致以诚挚敬意。正是相关研究工作的不断积累与突破，推动了无人机集群通信技术的持续发展，也为本书的撰写提供了重要参考与启发。
作者
2026 年 7 月
西安
