复杂多变的频谱环境与日益减少的可用频谱资源使无人系统实现可靠高效的通信与组网变得尤为困难,而利用授权频段中的“频谱空洞”（即暂时未被授权用户使用的空闲频段）进行动态频谱接入的认知无线电（Cognitive Radio）技术为解决这一困难提供了思路。基于CR的无人节点能够将受到影响或干扰的通信“搬移”到通过频谱感知获得的空闲频段上,从而缓解频谱环境动态变化的影响。然而如何协调各无人节点对空闲频段的接入是无人系统利用CR技术进行通信建链的关键问题。其次,由于物理层的非理想频谱感知和媒体接入控制层（Media Access Control,MAC）的接入机制都对无人节点的建链延时产生影响,因此需要从跨层角度对通信延时敏感的无人系统进行频谱感知与接入的联合优化。不仅如此,对于大规模无人系统,实现无人节点间的高效协同工作对无人系统的可靠组网有着紧迫的要求。一方面,利用CR技术能够使无人节点在多个频段间进行信息传输,无疑增大了网络通信的灵活性;另一方面,分布于不同频段的无人节点进行信息交互需要频繁的信道跳变,严重影响了网络的连通性。因此,需要对利用CR技术的大规模无人系统进行基于网络连通性与灵活性折中的组网设计。除了针对上述无人系统通信与组网的理论研究外,还需要对无人系统通信组网的应用加以研究。以较为典型的空-地无人系统中无人机对地面节点的数据采集应用为例,考虑紧急或军事场景中任务时间最小化的紧迫需求,需要对无人机数据采集进行多维联合优化设计。总的来说,本文围绕无人系统频谱接入与组网的理论与应用展开研究,以基于CR技术的频谱接入组网和以任务时间最小化的组网应用为依托,考虑实际频谱接入条件（非完美频谱检测和频谱接入传输冲突）与典型接入协议（多信道接入和竞争接入）等具体网络场景。论文主要工作和意义包括:针对无人系统基于CR的分布式频谱接入与建链问题,考虑到无人系统频谱环境的动态特点,提出了一种基于信道跳变的盲交汇机制以协调无人系统内节点的信道接入。该机制受圆形钟表运行启发,通过设计收发节点信道跳变的不同频率达成保证性交汇,同时在算法参数设计中考虑了节点难以进行分布式时间同步这一实际情况以及可用信道不一致的实际问题,并进一步通过理论分析与仿真获得了使平均交汇时间最小的最优参数配置（接收节点信道停留时长）。性能仿真与比较验证了算法与同类算法相比在平均交汇时间、最大交汇时间、交汇公平性、交汇鲁棒性等方面的优势性能,并在非完美频谱检测条件下对算法性能进行了仿真分析。针对动态频谱环境中对无人系统建链延时产生影响的频谱感知与频谱接入的联合优化问题,综合考虑了物理层中基于能量检测的频谱感知模型和MAC层的频谱接入模型,分别基于多用户竞争接入与非竞争接入提出一种面向最小化建链延时的问题模型与优化方法。首先,通过对基于信道跳变的建链过程的分析,得到节点建链延时的数学模型。其次,提出一种利用信道跳变序列的周期性与规律性分析信道跳变算法的交汇时间性能的方法,在此基础上,分别考虑竞争接入和非竞争接入对建链延时的影响,提出针对两种接入机制的启发式搜索算法以对最优感知参数进行搜索。最后,仿真验证了理论模型的正确性,同时仿真性能比较与分析验证了启发式搜索算法的有效性以及建链延时最小化优化设计的先进性。针对无人系统基于CR的分布式自组网中存在的网络连通性与网络灵活性折中问题,提出一种簇结构的多信道分布式分簇网络自组网机制。该机制立足于分布式组网中实际假设（即不存在时间同步以及组网过程中存在信息交互冲突）,解决了目前相似算法中存在的孤立节点问题。首先,通过理论分析得到了基于信道质量的最优分簇大小。然后,基于改进的生物系统中反应-扩散机制提出了一种自适应的分布式分簇算法,使节点能够趋向于最优簇大小进行分布式分簇行为。进一步地,基于理论分析对算法的最佳参数配置进行了推导以提高算法分簇性能与动态环境的适用性。最后,仿真比较与分析验证了算法的有效性并证明了算法在计算复杂度与通信复杂度上的优势。针无人系统组网应用中无人机对地数据采集的优化设计问题,对无人机航迹、无人机高度、无人机速度与数据链路进行了综合优化设计以最小化无人系统数据采集任务时间。通过对原数据采集时间问题与航迹关系的分析,将时间相关的原问题等效转化为航迹最小化问题。通过分析无人机航迹与高度的关系,将无人机高度优化问题建模为使地面节点二维平面传输半径最大化问题,在此基础上,结合旅行商问题（Traveling Salesman Problem,TSP）算法与凸优化技术提出两种航迹优化算法,即STOA与GTOA。STOA避免了对节点的重复访问,GTOA在牺牲少量搜索空间基础上大大减少了优化计算量。其次,通过将航迹离散化获得无人机速度与数据链路优化模型并利用区块坐标下降法对问题求解。最后,仿真结果验证了算法的先进性,同时对航迹与任务时间影响因素进行了仿真与分析。