多无人机系统设计：联合网络与通信

无人机技术已达到先进阶段，基于无人机的应用在军事和民用领域的实用性成倍增加。最近在军事领域使用无人机系统的一个例子是，在正在进行的俄罗斯-乌克兰战争中，使用经过改装的消费者无人机在飞近目标定位区域时携带和投掷炸弹。这些无人机装有夜视摄像机，用于监视和投掷特殊炸弹，给俄军造成了巨大损失。本文将研究多无人机系统的实用性，包括建立高速通信链路和高效的协作决策协议，使其高效、稳健和可靠。最近，协调通信的发展势头越来越猛，多无人机系统可以通过协调和通信在短时间内共同完成任务，并提高效率和可靠性。报告还概述了单个无人机的效用，以及多无人机系统在联合通信网络中的增强效用。最后，还讨论了多无人机系统的设计、其局限性以及克服局限性的措施。

引言

多无人机系统现在已成为现实需求，多架无人机可以针对特定任务进行无缝通信和协作。无人机协同工作，共享信息，协调活动，实现共同目标。多无人机系统建立的共享和弹性通信网络和系统为军事行动和人道主义工作带来了新的可能性和进步。利用多无人机系统建立的连接和弹性通信网络正在改变电信领域。多无人机系统连接成一个连续的网络，共同提供一个弹性和可靠的通信网络，并实时交换数据、规划行动和精确执行任务，以实现最终目标。通过共享网络，无人机可以协同工作、共享信息并作为一个有凝聚力的系统发挥作用，从而实现协同增效。单个无人机作为唯一的跟踪设备，现在已让位于多无人机系统，后者利用互联和协作网络的力量充分发挥其潜力。

共享网络使无人机能够执行多种任务，如航拍、扫描大面积区域和在商业机构中进行高效的商店送货，从而节省了执行任务所需的安保人力成本。因此，多无人机系统可以收集数据并进行实时处理，这对商业领域以外的共享网络产生了变革性影响。在军事行动中，无人机正在彻底改变作战方式。联合无人机可以在不危及地面部队的情况下进行协调监视、情报收集和精确打击。它们提高了态势感知能力，为军方提供了宝贵的情报，同时将附带损害的风险降至最低。此外，在人道主义行动中使用多无人机网络可以拯救生命，并在遭受自然灾害的地区做出快速反应。配备先进传感器和摄像头的无人机可以协同扫描难以进入的大面积地形，快速、全面地评估受损的基础设施，在难以到达的地区寻找幸存者，并提供紧急援助。无人机之间的持续通信最大限度地提高了它们的效率，使它们能够在危急情况下充当第一响应者。

然而，多无人机系统的有效通信面临着许多挑战，例如飞行环境的动态特性会造成带宽有限、视线受限、干扰和信号干扰等障碍。这些挑战要求开发可靠的通信系统，以克服干扰，即使在最恶劣的条件下也能保持连接。其中一些解决方案包括使用多个通信信道、动态频谱分配、智能路由算法和卫星集成，以确保多无人机系统具有不间断的连接性和可靠性。具备这种灵活通信能力的无人机即使在最恶劣的地形和环境条件下也能导航和克服障碍。

多无人机系统在民用领域发挥作用的关键方向

多旋翼无人机系统可用于需要在最短时间内完成任务且具有突发性质的领域或应用。在这种情况下，多无人机系统可以充当第一响应者，节省时间。多无人机系统在民用领域的用途如下：

在人迹罕至地区的应急通信中发挥作用。在人迹罕至的地形中，由于自然灾害造成的破坏，固定电话通信不可靠或无法使用，多无人机系统可以充当救星。在这种情况下，多旋翼无人机系统可以建立关键的通信链路，从而能够到达偏远和交通不便的地区。在地形复杂或人口稀少的偏远地区，传统的固定线路通信基础设施是唯一的通信来源，但由于地形条件恶劣，缺乏技术人员全天候维护，这种通信基础设施不稳定，容易经常出现故障和中断。配备通信设备的多无人机系统可充当飞行基站，临时或永久覆盖地面基础设施无法到达的地区。这有助于偏远地区的人们在恶劣天气尤其是紧急情况下获得基本通信服务。在发生自然灾害时，可迅速部署多无人机系统，在灾区建立通信联络，促进实时信息共享，从而为救灾行动和受灾民众提供帮助。它们的敏捷性和灵活性使其能够在关键时刻快速设置、即时连接和高效协调。这种能力大大提高了救灾行动的效率，使救灾工作更快、更有目标定位。

监控关键资产。在电信、能源、交通和危险行业（如原子研究和制药行业），基础设施的检查和维护可能既昂贵又耗时，而且对工人有潜在危险。配备监控摄像头和通信功能的无人机可有效地用于这些场所，提供安全高效的方法来检查塔架、电线、管道和机械，而不会因为使用无人机执行此类任务而危及工人的生命安全。无人机监控系统可以向地面操作人员传输关键机械、设备及其运行情况的实时视频，从而对基础设施的健康状况进行实时评估。无人机系统提高了检测速度和准确性，降低了运营成本，并减少了人工检测可能对工人造成伤害的相关风险。

人群管理。体育比赛和政治集会中的大型公众集会由于用户高度集中在狭小的空间内，往往会对现有通信网络造成巨大压力。配备通信功能的无人机可充当临时网络节点，减少数据流量，为参与者提供可靠的连接，从而减轻这种负担。通过创建空中通信接入点，无人机可提高网络容量，减少拥堵，并在拥堵环境中实现无缝通信和数据共享。

经济性和可扩展性。多无人机系统为通信提供了具有成本效益和可扩展性的解决方案，因为它比传统的通信基础设施更容易安装、维护，成本也更低，尤其是在偏远或交通不便的地区。无人机系统可根据需要灵活地增加或减少通信资源，而无需对实体基础设施进行大量投资。这种可扩展性使其成为短期活动、紧急情况或通信需求快速变化地区的理想选择。

无人机在国防中的用途

无人机已被广泛应用于军事通信和行动中，并彻底改变了部队在现代战场上的作战方式。利用具有监视能力的无人机，指挥官可以在不损害友军安全的情况下获得敌方的重要信息。战场或行动中的一个严重缺陷是缺乏可靠的通信。装有先进通信系统的无人机可为部队提供更好的态势感知和作战准备。无人机在军事通信和监视方面的作用对现代战争有如下重大影响：

实现实时监视和侦察。配备了高分辨率相机、热成像设备和先进传感器的无人机可捕捉实时空中图像，收集宝贵情报，并将重要信息传送给指挥控制中心的指挥官，后者根据对图像的分析进一步决定下一步行动方案。这种实时监控使军事指挥官能够跟踪敌人的动向，并迅速有效地做出明智的战术决策，从而发挥战斗力倍增器的作用，取得对敌军的决定性优势。此外，无人机还能侦测敌方巡逻队的动向，协助指挥官及时埋伏，高效、及时地消除即将到来的威胁。随着先进无人机技术的出现，其支持军事行动、情报收集和监视工作的能力大幅提高。无人机还广泛应用于军事通信，为战场指挥官和部队提供实时信息、转播高分辨率图像和视频，从而使他们能够根据精确和准确的信息做出决策。在战场上使用无人机的最大好处是，它可以减少在具有挑战性的情况下对部队人员的要求，避免不必要的生命危险，从而拯救人类生命。

改善通信网络。无线电和卫星系统等传统通信方式容易受到干扰和破坏，尤其是在偏远或恶劣的环境中。然而，无人机可以充当移动通信节点，扩大军事通信网络的范围和可靠性。这样，即使在最困难的情况下，军队也能保持与指挥中心以及相互之间的通信。

军事通信中的中继节点。无人机可作为军事通信网络的关键节点，填补通信覆盖范围的空白，扩大现有基础设施的覆盖范围。无人机可用作通信中继器，在地面部队、战舰和空中平台之间提供持续通信。通过传输语音、视频和数据信号，无人机增加了通信范围，提高了军事行动的效率，特别是在偏远或具有挑战性的地形中，因为在这些地方，基础设施和传统通信层可能受到限制或破坏，这使得无人机和军事通信近年来日益相互依存。

部署在风险易发或难以进入的地区。将无人机整合到军事通信中的另一个好处是，无人机能够在操作员无法进入或危险的环境中工作。例如，可将无人机部署到受化学、生物或放射性物质污染的地区收集情报，而不会危及人的生命。这种能力在时间敏感的情况下尤为重要，例如在救灾期间或恐怖袭击之后。

支持情报、监视和侦察（ISR）行动。无人机由于外形小巧，可以在无人驾驶的情况下长时间飞越大面积区域而不被发现，为情报、监视和侦察（ISR）行动带来了革命性的变化。配备先进 ISR 技术的无人机可提供持续监视，并能扫描感兴趣的目标定位、收集情报和跟踪潜在威胁，为军事指挥官和决策者提供宝贵的帮助。这些无人机收集的实时信息可提高态势感知能力，从而对不断变化的威胁做出快速有效的反应。

促进目标定位和精确攻击。无人机配备了目标定位系统和制导弹药，已成为现代战争的一种工具。利用实时信息和监视能力，这些无人机可以非常准确地识别和跟踪目标定位。先进通信系统的集成使无人机可以与地面或空中平台进行无缝协调，从而对确定的目标定位进行精确打击。这种能力大大降低了部队的风险，最大限度地减少了副损伤，提高了军事行动的整体效率。

提高部队保护和态势感知能力。无人机可为军事人员提供远距离空中视角，从而增强对士兵的保护。无人机可用于周边监视、监测潜在威胁以及侦测军事基地或设施周围的未经授权的活动。这种先进的态势感知能力有助于军队发现并应对安全漏洞，同时最大限度地降低人员和资产所面临的风险。通过部署人工智能辅助无人机来监视无人巡逻的敏感区域，可以轻松克服用于巡逻活动的单元兵力不足的问题。任何入侵企图都可以通过无人机内置的摄像头进行远程检测，并将入侵者的图像传输到基地，以便采取快速行动。

尽管在军事通信中使用无人机有很多好处，但也存在一些挑战。其中一个问题就是无人机可能被黑客攻击或被对手破坏，从而导致敏感信息丢失。为降低这一风险，必须为无人机配备强大的网络安全措施，以保护其所依赖的通信网络。无人机系统的使用也导致了战场上的道德问题，特别是在目标定位和杀人方面，因为虽然它有助于降低战场上人命的风险，但也引发了这些行动的问责制和透明度问题。

多无人机系统的概念及在联合网络中的应用

多无人机系统导致了通信领域的范式转变，因为配备先进通信系统的无人机在填补通信空白、扩大通信范围和改善偏远或困难环境下的连接方面具有革命性意义。多无人机系统配备全球定位系统以及加速计、陀螺仪和气压计等传感器，可自动稳定和定位空间位置。此外，一些无人机还能承受成像和红外摄像机等传感器的额外重量。当使用这些小型无人机以常规图像分辨率覆盖大面积区域时，往往需要从数十个单独的图像中生成整体图像。通常情况下，需要使用多架无人机来应对动态环境的时间限制和单架无人机有限的飞行时间。在这种情况下，多架联网无人机必须在低空飞行，并使用专业软件将生成的图像转换成单一的马赛克图像。这一过程被称为图像拼接，可生成目标区域的大型概览图像，用户可从中提取所需的信息。目前，无人机在通信方面的应用已不局限于无人机与遥控器之间的点对点通信，而是达到了与移动通信技术紧密结合的阶段，如超高频宽、低延迟、高可靠性和广覆盖等。此外，现有的长航时续航能力、安全管理和无人机控制技术等特点也是无人机联网这一新兴领域的推动力。

多无人机系统是指在一个网络中部署多架无人机，这在覆盖大面积地理区域的任务中非常有用，因为单架无人机由于功率和承载能力有限，不足以覆盖大范围。多架无人机系统由多架联网无人机组成，可以覆盖更广的地理区域。联网无人机可从不同的有利位置覆盖广阔区域，从而提高容错能力。

多无人机系统的组成部分

多无人机系统的组成部分包括通信、传感器、调度模块和无人机平台。联网无人机系统的关键属性是耐用性、适应性、可扩展性、协作性、异构性，以及通过整合每架无人机及其导航和通信能力实现的自配置。联网无人机以集中或分散的方式工作。集中式联网无人机从环境中收集信息，根据收集到的数据做出决策，然后集中执行任务。在分散式无人机系统中，单个无人机在不同阶段共享和整理信息，以完成最终目标。因此，多无人机系统的设计涉及整合单个无人机以完成最终目标。必须对单个无人机的输出进行整理，以获得可行和理想的输出，这就需要对单个无人机的物理控制及其能力进行无缝整合。协作无人机设计的第一个主要要求是在飞艇/固定翼无人机中进行选择。然而，这里需要考虑的重要设计方面是，每种无人机在尺寸、有效载荷或飞行时间上都有所不同，从而影响网络寿命、距离机动性和通信距离。第二个需要考虑的方面是许多无人机系统的使用区域，这将进一步决定最终的设计，如低级或高级控制以及轨道规划、网络和通信的其他方面。

多无人机系统各组成部分的功能

由于不同子系统之间的协调要求，设计一个以网络形式运行的多无人机系统以实现预期目标非常复杂。多无人机系统包括多架无人机，这些无人机可感知环境，并通过无人机网络与其他无人机通信，规划路径和分担任务，以实现最终目标。开发多无人机系统的主要挑战在于设计用于检测、通信、联网的硬件，以及硬件之间的进一步协调。在多无人机系统中，无人机必须观察周围环境、整理信息，并以最有效的方式发动所需的攻击。其主要组成部分包括：

通信子系统。该子系统负责信息交换，并能有效适应各种通信网络。该模块负责协调无人机之间的关系，传输控制信息和交换观察结果，以实现最终目标，例如在最短的时间内监视灾难发生时的某个地理区域。

中继块。在某些通信基础设施较差的情况下，需要一个中继块来提供分散在各地的基站之间的连接。众所周知，由于无线连接和电池寿命有限，无人机的续航能力非常有限。即使在连接不良的情况下，中继块也能确保与地面站的连接。

协调子系统。该子系统通过计算无人机的轨迹来执行无人机之间的协调，然后在无人机之间分配任务，以获得最终结果。这就需要在本地或全球范围内对无人机进行严格的排兵布阵或分工。多无人机系统的这个子系统负责管理无人机和不同的任务。该子系统要解决的主要问题有：

任务分配。必须在该模块中嵌入决策协议，以便在无人机组之间分配工作，并确保能够管理模糊信息和动力任务运动。该模块负责根据无人机的能力为任务需求分配任务。

路径规划。该模块必须集成三向路径规划、任务优化、来自多个异构传感器的高效数据整合技术、数据解释和反馈机制以及可能的有效防撞和避障系统，以便为高效的多无人机系统进行路径规划。

多无人机系统的局限性

小型多无人机系统在多个方面受到资源限制。在恶劣天气下，无人机上的可用能源直接影响总飞行时间、飞行行为和飞行稳定性。感知和通信能力差阻碍了复杂的车载推理能力。弥补单向的资源短缺往往会影响到其他方面。此外，每架无人机检测到的数据都会传输到基站进行整理，然后向无人机发出完成任务的最终指令。这种方法之所以可行，是因为地面控制的计算能力比无人机更强。

但是，基站和无人机的传输能力受到限制。计划的路线必须确保无人机在地面站或通信块的通信范围内，网络连接必须允许特殊模式操作。

无人机与基站之间的多跳路由是一项基本要求。即使无人机处于中等传输范围内，无线信道的波动也会导致无法接收信号。因此，在多无人机系统中不可能始终保证连接。

高效多无人机系统的基本要求

设计可靠的多无人机系统子系统。通信子系统负责无人机之间的有效协调，因此任务的成功与否在很大程度上取决于该子系统。检测到的数据将被转发到基站，任务请求也将传递给无人机。无线通信网络效率低下，在需要传输大量数据的情况下可能无法工作，这也会影响任务执行时间。此外，多无人机系统中的无人机数量必须同步，以便多架无人机几乎在同一时间从不同的有利位置收集数据。此外，多无人机系统中的摄像头作为传感器，需要记录和拼接来自多架无人机的图像，这也是一个巨大的挑战。

测试平台的要求。为了测试多无人机系统各子系统之间相互依存的有效性，可以使用模拟器。更好的建议是使用测试平台来找出系统的全部功效，这可以测试难以创建的多无人机系统的传感、通信和网络参数。解决方案是设计逼真的模型，研究恶劣天气条件对通信链路、大量数据传输、短飞行时间和低有效载荷对多无人机系统整体设计的影响。

独立的用户界面。多无人机系统内置的应用要求无人机飞行操作具有一定的独立性。有了高效的用户界面，用户就不必关心如何管理单个无人机，这也是确保低用户参与度的基本要求。

结论

多无人机系统具有广泛的应用前景，然而，开发这些系统在通信、控制和联合决策方面面临着各种挑战。本文强调了多无人机系统的潜力和挑战，并讨论了可以利用这些系统的各个关键领域，包括数据收集和合作决策等任务，从而提高多无人机系统的性能。这些系统在监测、监视和管理方面的先进应用将很快成为现实。一旦克服了多无人机系统的缺点，在不久的将来，它们将在军事和民用领域提供大量先进的应用。