摘 要：集群无人机一直受研究人员的广泛关注，通信网络技术是实现无人机集群协同任务的关键技术之一，5G技术的发展使得在线传感器平台的信息共享和数据传输变得更高效、更可靠。文章首先分析介绍了5G技术特点、集群无人机作战意义和集群无人机通信网络组网技术，然后结合5G技术对集群无人机通信网络技术未来的发展进行展望。
关键词：集群 无人机 5G 通信网络
Abstract：A cluster unmanned aerial vehicle has been wide attention by the researchers, communication network technology is one of the key technologies to realize unmanned aerial vehicle cluster collaborative task, the development of 5G technology makes online sensor platform of information sharing and data transmission become more efficient, more reliable, this paper analyses the 5G technical characteristics are introduced, the cluster uav operational significance and cluster uavs communication network networking technology, then combined with 5G technology for cluster future uavs communication network technology development.
Keywords：Cluster UAV 5G Communication network
一、前言
集群无人机战术的发展，将会彻底的改变未来战争形态，而集群无人机协同工作时将进行信息的交换和管理，需要通信网络技术支持。因此，构建自适应的宽带无线通信网络，是实现无人机集群作战的关键环节之一[1]。
随着5G通信网络技术的发展与普及，传输技术会迎来颠覆性的发展与革新，VR/AR应用、智慧城市、无人机、物联网等许多技术和行业必会得到蓬勃发展，而集群无人机系统的通信网络技术也会迎来新的发展篇章。
5G是对现有技术的集成，通过技术的组合实现通信信息传输性能的提升，这个特征在集群化的无线技术中表现的最为明显[2]。无人机自组网[3-4]是集群无人机协同任务的关键环节，在节点间测距信息已知的基础上，[5]提出了一种高效的集群无人机自组网络相对定位协议。集群无人机在未来网络化作战中起到至关重要的因素，在实际应用中仍有许多关键技术难题亟需解决，5G的低时延、超宽带、高速度等优势特点会对集群技术全方位促进，完善解决集群无人机信息采集处理、机间通信及智能协同等问题。
二、5G技术特点与集群无人机意义
2.1 5G技术特点
4G改变生活，5G改变社会。5G不仅能解决人与人、人与物、物与物之间的沟通，还将给人类带来万物互联时代。5G既是新的通信网络技术，也是社会发展新的基础设施，人工智能、高清视频、智慧城市、虚拟增强现实、物联网、集群无人机等领域的新技术将与5G融合为新的智能化网络，迎来新的研究热潮。
5G不是全新的技术，而是将智能新型网络架构技术、无线传输网络技术、设备通信技术等融合协同，具有以下主要技术特点：
（1）低时延：端到端时延可以达到毫秒级，住宅时延在10~20ms，工作场所时延低于20ms，商场、体育馆、露天等休闲场所时延在5~10ms，铁路、公路、地铁等交通场景的时延也低于50ms。
（2）高速率：5G下载速度能到10~20G/s，达到4G的近百倍。
（3）大连接密度：住宅类场景的连接密度可达到100万个/平方公里，工作或休闲类场景的连接密度可达到50万个/平方公里，铁路、公路、地铁等交通场景的连接密度会更大。
2.2 集群无人机意义
在对无人机集群技术概念研究以及仿真验证层面，国外已经针对无人机集群效能、应用及技术实现等多个方面开展了较为深入的研究。图1为某舰载无人战斗机集群编队飞行效果图。
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图 1 某舰载无人战斗机集群编队飞行效果图
集群无人机是在新的网络化战争背景下应运而生的，针对愈加复杂的对抗环境，想完成协同搜索、协同察打、集群作战等任务，集群无人机靠其规模优势，拥有较好的任务执行与多机协同战场生存能力。
集群无人机各个单机可装载不同载荷、传感器、武器装备，在接收到任务指令后，集群无人机可从多个方位、角度对单个或多个目标进行侦察/打击并进行毁伤评估，通过集群无人机自组网和机间通信，充分发挥集群的优势，快速搜索发现并跟踪目标；也可设置多机航线，完成对动目标的实时跟踪；更可以活力齐射，提升攻击突然性和杀伤的命中率。不管是敌军首脑，还是军事设施，集群无人机一旦发现目标，即可协同定位，由携带匹配武器的无人机以最佳攻击姿态发起攻击，由协同无人机进行战场毁伤评估，确定作战效能，决策后续作战策略和任务。
而以上任务的执行均需通信网络为基础，在通信网络技术的支撑下，才能形成完整高效有作战能力的集群无人机系统。
三、通信网络组网技术
机间通信和信息交互是集群无人机系统的关键技术之一，建立自适应的宽带无线机间通信网络才能保证无人机集群编队组网飞行。宽带无线机间通信网络主要包含两部分内容，一是信息交互控制策略，一是通信数据链组网方案。
3.1 信息交互控制策略
集群无人机因任务要求往往要保持其在集群中的相对位置，并避免与集群中其他无人机发生碰撞。集群内无人机飞行需要保持一定的编队构型，它们之间必须有信息的交互，在信息交互的控制策略方面一般有集中式控制、分布式控制以及分散式控制三种方式。
3.2 通信数据链组网
我国逐步开始研究无人机数据链组网技术，仍存在很多的关键技术难点，需要后续更进一步的研究发展。目前主要研究的是一站控多机的课题或项目，一套地面站控制管理多架无人机。研究地面站和多架无人机之间的信息交互，实现起来较为容易，并且已经应用于很多实际项目。而集群无人机通信网络技术强调的是无人机网络各节点之间的互联互通、数据交互，机间通信信息量大，网络拓扑复杂，实现较为困难。
四、结合5G的集群无人机通信组网
集群无人机系统是一个巨系统，包含平台、气动、控制、通信、测控、载荷、等多个学科门类。其中，集群无人机通信网络技术主要是指实现无人机集群飞行需要建立可重构自组织无人机通信网络，良好、健壮、抗干扰的无人机机间通信网路是实现无人机集群飞行的关键一环。
5G的高可靠低时延意味着集群系统具备对快速变化的遥控遥测数据进行伸缩管理的能力，能显著提高集群无人机系统机间通信网络的速度和质量。
集群无人机必须保证机间信息交互才能保持既定的编队构型。集群无人机机间通信具有多种交互形式，理想的无人机集群数据链组网形式是中心可变的自组织可重构组网形式，但是技术难度较大，实现复杂。针对目前研究现状，结合5G技术发展，会产生更高效切实可行的机间通信数据链网络。
4.1 集群无人机机间通信组网
根据多智能体信息一致性理论的相关论述，本节在前文基础上从原理上实现无人机集群编队飞行的目的出发，集群无人机通信拓扑方式采用串行链式“领航－跟随”控制策略。其中领航机将其自身的姿态、航向、速度、位置等信息通过机间通信链路发送至跟随机，跟随机接收领航机发送的状态信息，按照预先设定的控制策略及控制算法，保持与领航机相一致的速度飞行，并且根据自身的位置信息与领航机位置信息做比较计算出相对位置信息，根据预定的相对位置做适当调整，保持编队构型。同时，跟随机又作为下架无人机的领航机，将其状态信息向下传播至其跟随机，实现链式“领航－跟随”编队飞行。
该串行链式通信拓扑关系，能够保证编队过程中处于任一节点无人机因故退出编队时，剩余编队能够建立单向闭环信息链，保证剩余的无人机能够按既定的构型继续完成编队飞行任务。Link 11、CDL、HIDL、CEC等数据链形式展示了机间数据链网络化的不断发展，5G技术的发展势必会给集群无人机通信网络技术带来新的发展驱动力。
4.2 集群无人机通信网络组成
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图2 结合5G的可变中心自组网通信网络
结合5G组建一种可变中心自组网的多个集群数据链网络组织形式，如图2所示。网络节点包含普通节点端机、网关节点端机等。由于国内对可变中心自组网数据链网络的研究刚刚起步，短期内难以工程应用，但是作为数据链组网的发展方向，特别切合无人机集群通信应用的需求。
集群无人机通信网络可以概况为一个网络、两种端机、三方通信、四条链路组成。三方通信指空(无人机网/有人机) -天(卫星) -地( 地面站/车/船指挥所)之间的信息交互互联，而其中5G是集群与车载基站之间的通信网络，实现单机-单机、单机-集群、集群-集群、集群-基站等之间的网络自组性和互联性，能适应动态的网络拓扑结构，是集群无人机通信网络的重要组成和关键技术之一。
结束语
文章结合5G通信网络技术，研究了集群无人机编队飞行所涉及的无人机编队机间通信数据链组网以及信息交互策略，集群无人机机间通信组网等内容。后续将建立集群无人机自组网编队飞行的数学模型，研究集群无人机的控制策略与自组网通信网络技术，将5G技术与集群无人机更深入更紧密的结合。
集群无人机系统正处于高速发展的阶段，将高度影响未来无人机网络化作战形式。但集群无人机体系庞大，各个关键技术实现较为复杂，需要新的通信网络技术注入动力源泉，5G恰逢其时。
目前5G正处于高速起步发展时期，而且集群无人机也涉及了多个学科领域的知识，文章只是从未来发展趋势和思路的角度提出了初步想法，但可以预见的是，5G时代集群无人机更将大有所为。
参考文献
1.吴平，唐文照.无人机集群数据链组网技术研究［J］.空间电子技术，2012，42（3）：61- 64.
2.邓彧俊. 5G 通信的核心技术与发展趋势［J］.计算机产品与流通，2018（10）.
3.S.Bhattacharya and T.BalAr, "Game-theoretic analysis of an aerial jamming attack on a UAV communication network," vol. 20, pp. 818-823, 2010.
4.B.A.White,A,Tsourdos,I.Ashokaraj,S.Subchan,and R.Zbikowski,"Contaminant Cloud Boundary Monitoring Using Network of UAV Sensors," IEEE Sensors Journal, vol. 8, pp.1681-1692, 2009.
5.周军.无人机蜂群自组网信道接入与相对定位协议研究[D].南京航空航天大学.2015.