无人机可以在战场区域长航时执行诱饵、侦察、监视、目标指示和毁伤评估等各类危险任务,甚至实施无人攻击,已成为现代战争中的重要作战单元。研究人员提出,在战区上空构建无人机自组织网络,不仅可以保证无人机编队协同完成各项作战任务,而且能够通过空中无线“热区”覆盖的方式,为战区内其他作战单元建立多跳、灵活和高效的通信链路,为信息化条件下的现代战争提供通信保障。为了提升超视距对抗环境中无人机的隐身性能,下一代先进的无人机数据链系统采用射频隐身性能好、抗干扰能力强的窄波束定向通信方式已成为必然。本文深入分析了窄波束定向通信条件下节点同步组网的优势,探索了无人机自组织网络窄波束定向主从同步协议设计与精同步效率分析方法,研究成果为基于全网节点同步的窄波束定向接入协议设计奠定了基础。主要创新成果包括:(1)设计了一种适用于无人机自组织网络的窄波束定向主从同步协议。该协议将网络中发起时间同步的节点记为主节点,将与主节点同步的节点记为从节点。主从同步过程分为粗同步和精同步两个阶段。粗同步阶段,主节点通过定向广播粗同步帧发起同步过程;精同步阶段,成功接收到粗同步帧的从节点与主节点通过精同步请求帧和精同步应答帧的定向交互,消除时钟偏差,实现时间同步。从节点与主节点完成时间同步后,将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧,发起与邻居节点间的同步过程,进而实现全网络节点间的时间同步。同时,该协议分别考虑了主从节点采用定向发送-全向接收和定向发送-定向接收两种通信模式。仿真结果证明了该协议的有效性。(2)针对从节点竞争发送精同步请求帧的过程进行数学建模与分析,得到了不同网络条件下精同步随机竞争参数的最优取值。无人机节点单跳传输距离远,主从节点之间可能存在较大的信号传播时延,因而完成主从节点精同步对提高同步精度有重要作用。由上述同步协议可知,在同步过程中,可能有多个从节点与主节点的波束对准并完成了粗同步。为了避免多个从节点同时向主节点发送精同步请求帧导致冲突,我们采用了基于随机退避和侦听的从节点精同步请求帧发送竞争机制。显然,随机退避参数的选取对精同步效率有重要影响。本文提出了一种基于二维马尔可夫链的精同步请求帧发送竞争机制建模与分析方法。通过模型求解得到了精同步竞争参数的最优取值,为同步效率优化提供了理论支撑。