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无人机成本低廉,节省能耗,没有人员伤亡的危险,并且轻便快捷,可以在各种环境中灵活作业,目前对无人机数据链路通信已经有了广泛的研究。随着任务难度的提高,单架无人机能力有限,故而考虑将多架无人机协作起来完成任务是未来发展的趋势。多输入多输出(MIMO)技术是第四代移动通信系统的关键技术之一,可以有效提高系统的数据传输速率与传输可靠性。考虑到无人机尺寸和能量受限,一般的单无人机上往往不能安装太多天线,所以传统MIMO技术在无人机通信系统中的应用非常受限。协作通信技术是传统MIMO技术的扩展,克服了传统MIMO技术的许多缺点。协作通信的基本原理是多用户之间相互协作,构成多天线系统,从而组成虚拟MIMO系统,来获取与传统MIMO相近的性能。对无人机协作MIMO技术进行深入研究,将会大大推进无人机协作通信系统的发展,并促使无人机在军事和民用领域的应用更为广阔和便利。本文研究无人机的协作MIMO技术。无人机分布式MIMO系统存在多时延与多频偏的问题,同时无人机高动态场景下存在大的多普勒频偏,因此有必要研究适合于无人机分布式MIMO系统的时频同步算法。无人机协作MIMO技术的关键是建立合适的协作模型,选择合适的协作通信方式。为了抑制非来波方向信号的干扰,在地面接收站引入波束成形技术。另外,无人机导航定位误差会造成波达角的估计误差,所以分析波达角误差对波束成形系统的影响并仿真验证。基于目前对协作MIMO技术的研究和无人机的发展趋势,本文主要研究内容包括:(1)无人机空地信道建模。根据无人机空地信道特点,建立无人机编队三维空地信道模型,并采用Kronecker积信道模型进行建模,对关键因素分别进行了详细的阐述。(2)无人机分布式MIMO同步算法研究。根据无人机分布式MIMO系统存在多时延与多频偏的特点,结合系统无线帧结构和同步前导序列,研究了一种无人机协作同步算法,给出了一种无人机高动态环境下大多普勒频偏的纠正方法。(3)无人机协作通信方式研究。基于传统的两用户协作模型和三点协作模型,研究了三种无人机协作通信方式:全双工自适应分布式空时码(DSTC)编码协作、半双工自适应DSTC编码协作和协作分集。分别推导其中断概率,与非协作系统进行了对比,并且仿真研究了各个参数对系统中断概率的影响。(4)波束成形技术研究。研究了无人机空地协作传输系统中,地面接收站波束成形接收的问题,推导出波束成形系统的中断概率,并做仿真研究。考虑无人机的导航定位误差,分析了波达角误差给系统带来的影响,仿真验证了接收端波束成形在无人机空地协作通信系统中的可行性。