无人机中继通信作为空天地一体化信息网络的重要组成部分，通过将无人机作为空中移动中继节点，有效解决了传统通信模式在覆盖范围、机动性与部署灵活性方面的固有局限。该系统由无人机平台、通信载荷、地面控制站及各类终端设备构成，依托无线电磁波传输实现信号在源节点与目标节点间的远距离可靠中继。随着5G/6G融合组网、智能抗干扰、协同自主控制等技术的突破，无人机中继已成为应急通信、军事作战、生态监测及偏远地区网络覆盖等场景的核心解决方案。
一、 无人机中继通信概述
1. 基本定义与原理
无人机中继通信是一种通过无人机搭载专用通信设备，在信号源与目标接收端之间建立动态转发链路的技术手段。其核心原理是在视距传输受限或直接链路中断的条件下，通过无人机的空中中转功能，对通信信号进行接收、处理与转发，从而延伸通信距离、增强链路可靠性并提升网络覆盖灵活性。无人机中继节点通过定向天线、数字调制解调器及信号处理单元，实现信号的解调、解码、重构与转发，有效克服地形阻挡、地球曲率及复杂电磁环境带来的通信障碍。
在信号传输过程中，系统采用频率倒置的频分双工体制，有效分离前向链路与返向链路，避免收发干扰问题。同时，通过自适应调制编码技术(AMC)根据实时信道条件动态调整调制方式与编码速率，在信道质量较好时采用高阶调制提升传输效率，在信道恶化时切换至低阶调制保障通信可靠性。这种动态调整机制使无人机中继系统能够适应复杂多变的无线环境，保持稳定的服务质量。
2. 系统组成与架构
一个完整的无人机中继通信系统通常由以下三个核心部分组成：
无人机平台子系统：包含飞行器本体、飞控系统、导航模块(GPS/北斗)、动力系统及载荷接口。高端无人机平台还配备红外传感器和障碍物检测系统，确保复杂环境下的飞行安全与稳定悬停。平台机动性允许中继节点根据通信需求动态调整空间位置，实现按需覆盖与链路优化。
通信载荷子系统：作为中继功能的核心，包括收发信机、调制解调模块、天线系统(全向/定向)及信号处理单元。典型设备如TX900-10W PA中继器支持星型和网状网络拓扑，适用于点对点、点对多点和单节点中继传输。新型系统还集成可重构智能表面(RIS)，通过智能波束成形技术增强信号指向性与抗干扰能力。
地面段子系统：包含地面控制站(GCS)、用户终端设备及可能的地面中继节点。地面控制站通过视距链路或卫星链路对无人机进行任务规划与实时控制，同时监控中继链路状态并进行动态资源分配。用户终端通过无线接入网与无人机中继节点建立连接，实现端到端通信。
系统架构可根据应用需求采用单跳中继或多跳中继配置。在单跳架构中，无人机直接连接源节点与目标节点;而在多跳架构中，多个无人机节点组成接力传输链，通过逐级转发显著扩展覆盖范围，特别适用于广域监测与远程作战场景。
二、 无人机主要中继方式分类
根据中继设备部署位置的差异，无人机中继通信可分为三种基本类型：地面中继、空中中继和卫星中继。每种方式各有其独特的技术特点、适用场景与性能局限，在实际应用中需根据任务需求、成本约束与环境条件进行综合选择与优化配置。
1. 地面中继方式
地面中继是最传统的中继形式，其中继转发设备部署于地面制高点上(如山顶、高楼)，在地面测控站与无人机之间建立通信桥梁。该方式主要通过提升天线架设高度来克服地形阻挡与地表曲率限制，扩展视距通信范围。由于地面中继设备与地面测控站之间的高度差有限，其覆盖扩展能力相对受限，通常适用于近程无人机系统(作用距离一般不超过50-100公里)。
地面中继的技术特点主要体现在三个方面：一是部署相对简单，地面设备无需考虑尺寸、重量与功耗的严格限制，可采用大功率发射机和高增益天线;二是维护便利，地面设备易于访问与维修，故障恢复时间短;三是成本较低，无需昂贵的空中平台或卫星信道租赁费用。然而，地面中继也存在明显局限：其覆盖范围受地形条件制约显著，在平坦区域作用距离有限，而在复杂山地环境中又可能面临部署困难;此外，地面中继链路易受地面障碍物、植被覆盖与城市建筑的影响，存在较多通信盲区。
典型应用场景包括：山区应急救援(在峡谷间建立通信连接)、城市环境监测(利用高楼扩展覆盖)、边境巡逻通信(在边防哨所之间提供链路支持)等。在这些场景中，地面中继以较低成本实现了局部区域的通信增强，成为经济有效的解决方案。
2. 空中中继方式
空中中继将中继设备部署于各类航空器上，包括专用中继无人机、有人飞机或浮空器(如系留气球)。通过利用空中平台的高度优势，有效克服地形阻挡与地球曲率限制，显著扩展通信距离。空中中继平台与任务无人机之间通常采用定向天线与自跟踪技术，通过数字引导确保天线波束持续对准，维持稳定链路连接。
空中中继系统按其平台类型可分为三类：
无人机中继平台：使用专用或多任务无人机搭载中继设备，具有高度机动性和灵活部署特点，如美军RQ-170隐形无人机为F-22/F-35战斗机提供加密中继服务;
有人机中继平台：利用有人驾驶飞机作为中继节点，具有续航时间长、载荷能力强的优势，可搭载大功率通信设备实现广域覆盖;
浮空器中继平台：通过系留气球或飞艇提供持久驻空能力，实现区域持续覆盖，如系留无人机在300米高度可覆盖中型城市区域。
空中中继的技术优势包括：覆盖范围大(中程无人机系统可达数百公里)、部署灵活(可快速响应任务需求)和抗干扰能力强(通过空中平台规避地面干扰源)。其局限性主要在于：续航时间受限(尤其对于多旋翼无人机平台)、载荷能力约束(限制通信设备的尺寸与功率)和成本较高(特别是有人机平台)。此外，空中中继系统的操作复杂度较高，需要专业的飞行控制与链路管理团队支持。
3. 卫星中继方式
卫星中继利用地球静止轨道(GEO)或低地球轨道(LEO)卫星上的转发器作为中继节点，实现全球范围内的超视距通信。无人机需配备星载跟踪天线系统，通过数字引导与自跟踪技术实现对卫星的精确指向与稳定跟踪，建立空间-空中-地面一体化通信链路。美国的”捕食者”和”全球鹰”等长航时无人机均采用卫星中继作为主要超视距通信手段。
卫星中继具有三大显著优势：
覆盖范围极广：单颗GEO卫星可覆盖地球表面约三分之一区域，三颗卫星即可实现全球覆盖(除极区外)，适用于远洋、沙漠等偏远地区的通信保障;
抗干扰能力强：空间链路不易受地面干扰源影响，且可采用跳频、扩频等抗干扰技术增强链路 robustness;
传输带宽高：现代数据中继卫星支持百Mbps至Gbps级的高速数据传输，满足高清视频、遥感影像等大带宽业务需求。
卫星中继的局限性主要体现在：传输延迟大(GEO卫星往返延迟约500-700ms，影响实时交互业务)、终端成本高(机载卫星天线系统复杂昂贵)、依赖卫星资源(需租用卫星信道或搭载专用载荷)。此外，卫星链路在恶劣气象条件下可能遭受衰减，尤其对Ka及以上频段影响显著。
表：三种主要中继方式的技术特性对比
| 特性指标 | 地面中继 | 空中中继 | 卫星中继 |
|---|---|---|---|
| 覆盖范围 | 近程（<100km） | 中程（100-500km） | 全球覆盖 |
| 部署复杂度 | 低 | 中-高 | 高 |
| 建设成本 | 低 | 中 | 高 |
| 传输延迟 | 低 | 低-中 | 高（GEO） |
| 带宽能力 | 中 | 中-高 | 高 |
| 适用场景 | 地形克服、近程增强 | 应急通信、战术作战 | 远程侦察、广域监测 |
三、 无人机中继通信关键技术深度解析
无人机中继通信系统的高效运行依赖于多项关键技术的协同支持，从物理层信号处理到网络层路由优化，共同保障了链路的可靠性、频谱效率与能源效益。这些技术的综合应用使无人机中继系统能够适应复杂多变的操作环境，满足多样化的任务需求。
1. 信号处理与中继协议
在信号接收与转发过程中，无人机中继节点执行复杂的信号处理流程：首先通过天线接收源节点发送的射频信号，经低噪声放大、下变频与滤波后，进行解调和解码操作恢复原始基带信息;随后根据信道条件选择适当的调制编码方案(MCS)，重新编码和调制后上变频至发射频段，通过功率放大器发送至目标节点。这一处理流程确保了信号在传输过程中的完整性与可靠性。
中继协议主要分为放大转发(AF)和解码转发(DF)两种基本类型：
放大转发（AF）协议：无人机中继节点直接将接收到的模拟信号进行放大处理，不进行数字解调与解码操作，直接转发至目标节点。AF协议处理延迟低、实现简单，但会将接收端的噪声与干扰一同放大，可能导致误码率性能下降。AF协议适用于信道条件较好的场景，以及对延迟敏感的实时应用(如语音通信、远程控制)。
解码转发（DF）协议：无人机中继节点先对接收信号进行完全解调与解码，恢复原始信息后再重新编码和调制转发。DF协议通过再生处理消除了前一段链路的噪声与干扰，提升了信号质量，但引入了额外的处理延迟与计算复杂度。DF协议适用于信道条件较差、对通信质量要求高的场景(如高清视频传输、关键指令下发)。
新型混合自适应协议可根据实时信道状态在AF与DF模式间动态切换，在信噪比较高时采用AF模式降低延迟，在信噪比较低时切换至DF模式提升可靠性。此外，物理层网络编码(PNC)技术通过将双向信号在物理层进行编码组合，显著提升频谱利用率，特别适用于无人机集群间的双向通信场景。
2. 先进组网技术与动态路由
无人机中继通信系统采用多种组网技术实现多节点协同与网络化运营。自组网技术(MANET)允许无人机节点自主形成动态网络拓扑，每个节点既可作为终端用户也可作为中继路由器，实现网络的自组织与自愈合。在应急通信场景中，自组网能够快速构建临时通信网络(UMMVN)，显著降低通信恢复时间。
多跳中继技术通过多个无人机节点组成链式或网状拓扑，实现信号的逐级转发与覆盖扩展。多跳中继采用动态路由算法(如AODV、OLSR协议)根据网络状态实时选择最优传输路径，平衡链路负载与传输效率。先进的交替中继方法通过联合优化无人机轨迹与发射功率，可实现端到端吞吐量的最大化。
动态路由保障技术包括：
链路质量预测：基于机器学习算法预测链路状态变化，提前进行路由切换;
多路径传输：建立多条并行传输路径，提高数据传输可靠性;
跨层优化：跨物理层、数据链路层与网络层的协同优化，保障多节点无缝连接。
这些技术特别适用于无人机集群协同作业场景，如大面积区域监测、协同搜索等任务，其中部分无人机专门担任中继任务，构建空中通信骨干网。
3. 抗干扰与低功耗优化
复杂电磁环境下的抗干扰技术是保障无人机中继通信可靠性的关键。常用抗干扰手段包括：
自适应波束成形：通过相控阵天线自动调整波束方向，指向目标节点并抑制干扰方向;
频率捷变：根据频谱感知结果动态选择清洁频段，避开干扰频率;
扩频通信：采用直接序列扩频(DSSS)或跳频(FHSS)技术增强抗干扰能力。
在军事应用中，还采用加密传输与低概率截获(LPI)技术确保通信安全，如美军RQ-170隐形无人机为F-22/F-35战斗机提供的COMREL加密中继链路。
低功耗优化技术对延长无人机续航时间至关重要。主要策略包括：
功率控制：根据链路距离与质量动态调整发射功率，避免过度发射;
休眠调度：在无数据传输时段自动进入低功耗休眠模式;
能效路由：选择总能耗最低的传输路径，而非仅仅最短路径。
新型缓存辅助中继技术通过在无人机上部署缓存存储器，允许在信道条件良好时预缓存数据，在信道恶化时减少重传次数，显著提高能源效率与传输可靠性。
四、 无人机中继通信技术应用场景与典型案例分析
无人机中继通信技术凭借其独特的灵活性、快速部署能力以及广泛的覆盖范围，已在众多领域展现出巨大价值。从灾害应急响应到军事战术通信，从农业监测到偏远地区网络覆盖，无人机中继正成为解决通信”最后一公里”乃至”最后一百公里”问题的创新手段。
1. 主要应用场景深度剖析
应急通信与灾难救援 在自然灾害(如地震、洪水、飓风)发生后，地面通信基础设施往往遭受严重破坏，导致灾区成为“信息“信息孤岛”。无人机中继通信系统能够迅速飞抵受灾抵受灾区域上空，在短时间内构建起临时的空中移动通信网络。
核心价值：实现救援队伍内部的指挥调度、灾情信息的实时回传、幸存者位置的精准定位，并为灾民提供紧急通信服务(服务(如短信、语音)，极大地提升了救援效率。
技术要求：无人机需具备长航时、抗恶劣天气能力，并能够搭载4G/5G基站、Mesh自组网设备等多种通信载荷。
军事与公共安全 在现代信息化战争中，保障复杂战场环境下的通信畅通至关重要。无人机中继可作为战术通信节点，延伸指挥所与前沿与前沿部队之间的通信距离。
核心价值：克服山地、丛林等地形障碍，防止信号被敌方截获或干扰，实现单兵、战车、指挥部之间的安全、保密、抗毁的通信链路。在公共安全领域，可用于大型活动安保、反恐处突等场景，为现场警力提供可靠的专用通信网络。
技术要求：强调通信的加密性、抗干扰能力和低可观测性，通常采用软件定义无线电和跳���等技术。
偏远地区与临时性网络覆盖 对于野外勘探、科学考察、偏远山村或大型临时性活动(如音乐节、体育赛事)，铺设固定通信设施成本高昂或不切实际。无人机中继可以提供经济、灵活的临时网络解决方案。
核心价值：以按需服务的方式，为特定区域和时段提供高质量的互联网接入和通信服务，有效弥补了地面网络的覆盖盲区。
技术要求：注重系统的部署便捷性和运营经济性，无人机平台和通信载荷需模块化、轻量化。
物联网数据回传与广域监测 在智慧农业、环境监测、管道巡检、野生动物保护等领域，有大量传感器分布在广阔区域。利用无人机作为移动中继节点，可以周期性飞越监测区域，高效收集这些分散的物联网设备数据。
核心价值：解决了大规模、低功耗物联网设备远距离数据传输的难题，避免了建设大量地面基站的成本，实现了广域数据的“绿色”采集。
技术要求：无人机需要与LoRa、NB-IoT等低功耗广域网协议协同工作，并具备自主路径规划能力，以实现对固定或移动传感器的最大化数据收集。
2. 典型案例分析
案例一：中国四川泸定地震定地震应急通信保障（2022年）
场景：地震导致震中区域通信完全中断，道路严重损毁，救援力量无法第一时间掌握灾情。
方案：应急管理部紧急调派搭载4G基站的大型无人机(如翼龙-2)，从异地机场起飞，长途奔袭抵达震中最严重的乡镇上空。
效果：无人机无人机在灾区上空持续盘旋，提供了超过XX平方公里的稳定公网信号网信号覆盖。在黄金救援72小时内，成功为救援队伍提供了通信指挥通道，并让数千名灾民通过无人机的信号向家人报平安，成为了名副其实的“空中生命线”。
启示：此案例充分证明了大型固定翼无人机在应对特大灾害、实现跨区域远程驰援方面的不可替代性，是国家级应急通信体系建设中的重要一环。
案例二：美国T-Mobile的“蜂窝式无人机”项目
场景：解决农村及偏远地区的网络覆盖问题，并为应急情况做准备。
方案：T-Mobile与无人机公司合作，测试了一种被称为“高空平台基站”的解决方案。无人机搭载一个轻量化的LTE基站，飞行在数千米的高空，作为一个临时的“蜂窝塔”。
效果：单架无人机可为方圆上百平方公里的用户提供4G LTE数据服务，有效填补了地面网络的覆盖空白。该项目探索了将无人机中继通信商业化和常态化的可能性。
启示：这代表了通信运营商对未来网络架构的前瞻性思考，即“空天地空天地一体化”网络。无人机作为空中层，与地面基站和卫星网络协同，共同构成无缝的全球覆盖。
案例三：军事演习中的“狼群”战术通信
场景：在复杂的山地和城市作战环境中，确保特种作战小队与后方指挥中心的持续、安全通信。
方案：美军在演习中测试了使用多架小型无人机组成的中继“狼群”。这些无人机通过Mesh自组网技术相互链接，形成一个动态、多跳的通信网络。
效果：即使部分无人机被击落或因地形遮挡失效，网络也能自动重构，保持通信链路的韧性。单兵可通过其中任意一架无人机接入整个网络，极大地增强了通信的生存能力和灵活性。
启示：多无人机协同中继是未来的发展方向，它通过分布式架构解决了单一节点的脆弱性问题，特别适合高对抗性的军事应用。
总结
展望未来，随着人工智能、5G-A/6G、高性能电池和高空长航时平台技术的发展，无人机中继通信将更加智能化、集成化和常态化。它将成为未来通信网络中不可或缺的组成部分，真正实现“通信随人而动，网络因需而生”的愿景。
