随着无人机平台性能的提高,例如更大的有效载荷能力,更长的飞行时间,更强的空间移动性,以及更完善的电源管理,无人机被越来越多的用于遥感信息采集,交通道路监控,地震灾害救援方面。目前的无人机主要配置全向天线,全向天线各方向统一增益,覆盖范围较大。然而,全向天线由于接收来自各个方向的信号,在接收地面用户上行传输信息的过程中,会受到来自基站的严重干扰。同时无人机因为受体积、重量、功率等因素限制,不适合安装天线阵列来解决此问题,因此一种可行的解决方案是为无人机配置定向天线。本文利用随机几何理论对多层无人机网络进行建模,并引入一种简单的定向天线模型来对多层无人机通信网的性能进行分析。连接概率是描述用户节点能否接入无人机网络的一项重要指标。由于用户接收阈值的存在,只有满足一定距离条件的无人机才能与用户相连接,我们假设用户选择能够提供最大功率的无人机作为服务节点进行通信。基于无人机距离的条件分布,我们得到了连接概率的表达式,并通过仿真分析了飞行高度,用户接收阈值,方向性天线因子对连接概率的影响。接下来本文在距离分布和干扰分布的基础上,推导出多层无人机网络覆盖概率的闭合表达式。我们还通过仿真发现存在最优无人机网络飞行高度使得系统覆盖概率最大,同时网络的连接概率和覆盖概率之间存在一个折衷。我们还将系统覆盖率的仿真结果与单层全向天线无人机网络进行了比较,结果表明我们提出的系统要优于上述系统。我们的研究证明了配备定向天线无人机网络的性能优势,而且我们的研究对多层无人机网络的实际部署也提供了现实意义和参考价值。