4.1 以群体智能为牵引，构建具有任务能力的无人机集群系统

群体智能广泛存在于狼群围猎、鸟群迁徙等生物群体活动和群策群力、头脑风暴等人类社会活动中。其基本原理是通过个体之间的合作与竞争，聚合简单个体行为形成群体合力，完成单纯依靠数量叠加所无法胜任的复杂任务。无人机集群具有较强的运动能力和一定的感知决策能力，可模仿狼群、鸟群等生物群体活动，以无中心自组织的方式协同完成复杂任务。故而，一方面无人机集群是群体智能技术验证和应用的理想载体之一；另一方面群体智能将赋能无人机集群系统，使得其能更高效地完成各类任务。

目前群体智能和集群系统的研究均较多，但是很多研究都停留在理论层面。特别地，如何有效结合两者，如何根据群体智能的需求构建无人机集群系统，如何根据任务需求提升集群系统的智能程度，开辟一条从理论到实践切实可行的方法路线尚有待于突破。

4.2 以多样化任务为导向，设计易扩展互操作的集群体系结构

集群系统本质为数量众多的独立同构/异构实体通过通信构成交联的复杂巨系统。随着规模增加，集群系统的复杂度不论在理论研究还是系统实现上，均呈指数上升。故而，体系结构的设计一方面要解决该复杂系统的信息流/控制流的交互组织问题，另一方面也需要尽量在软件/硬件上降低系统的耦合度和复杂性。通过规范化/标准化的软件模块、硬件组件和机间交互协议的设计，将不同数量，甚至是不同类型的无人平台高效地结合在一起，是体系结构等顶层设计面临的挑战。特别地，现有集群系统往往只考虑执行单一任务，但未来期望集群系统能够遂行多种不同的任务，比如同时兼顾边境巡查、区域封控、通信阻塞等，体系结构的设计需要同时考虑多样化任务需求。故而设计规模易扩展、适宜于不同任务的体系结构，是集群系统必须考虑的顶层设计。

4.3 以分布式在线处理为特征，提升协同OODA回路响应时间和行为决策能力

无人机集群需考虑多平台空间约束、时间约束、任务耦合约束以及相互耦合关系等，其状态空间将随无人机的数量呈幂指数增长，使得集群系统的“OODA”必须以分布方式进行。同时，集群可以采用多平台多视角等相关关系，提升“OODA”的效能。但是，现有“OODA”回路的相关算法大多采用集中式处理，很难直接扩展到规模较大、且可利用相关关系的集群系统中。另一方面，集群系统机载计算和存储能力非常有限。但是集群在动态时变环境中，比如对时敏目标的察打一体中，需要很强的实时性。需要较大计算/存储的OODA算法无法直接在集群系统中使用或者难以满足快速OODA的需求。故而，满足机载性能要求，采用分布式处理的快速“OODA”相关算法，将是集群系统未来的重要发展方向。

4.4 以意外事件处理为核心，设计大规模集群协同飞行控制算法

目前，固定翼无人机集群飞行规模已达100架以上，但尚未见公开发表的学术论文。系统规模的进一步增大，关键在于其可扩展性研究。良好的可扩展性可以确保无人机动态加入和退出集群时，系统仍然能够维持较好的稳定性，并能够保持较好的控制精度。故而，集群规模可扩展性研究在理论与实际应用上具有巨大的价值。

另一方面，现有飞行主要是在理想环境中进行。面向实际任务时，不可避免地存在各种意外情况，比如无人机部分损毁、各类空中移动障碍、突发天气变化、通信干扰压制、导航欺骗等。以意外事件处理为核心研究大规模集群稳健协同问题，将是无人机集群系统执行对抗性任务的行为基础。

4.5 以低成本轻质化为特色，牵引无人机系统平台/载荷/通信系统的研制

集群系统往往以规模优势取代质量优势，且不畏惧部分平台的损毁，故而大规模集群系统往往严格限制单机系统的成本，包括平台、机载控制器、感知/打击载荷、以及通信端机等。同时，小型固定翼无人机的挂载重量非常有限，对上述载荷的重量也有严格要求。现有的无人机载荷往往追求大而全，性能较高，但是质量较重、价格较高，并不适合在无人机集群上直接使用。故而，研发满足集群需求的低成本轻质化平台和载荷，对集群任务能力的形成至关重要。

4.6 以平行仿真为手段，构建虚实结合的标准化开放性集群协同测试环境

集群系统的发展方兴未艾，但是大规模集群的试验验证，组织困难且成本高昂，很大程度上限制了集群系统的能力提升。另一方面，集群协同理论和关键技术的研究缺乏整体牵引性，各种集群协同算法烟囱式发展，缺乏统一的基本任务、基础平台和可行的比较评判。一种可行的方式是采用平行仿真手段构建虚实结合的集群系统，既包含部分实物系统，也可任意添加高保真度的虚拟无人机系统，两者混合执行任务。同时，设计典型任务，构建标准任务环境和开发接口，并以竞赛的方式推广开放开源给相关研究单位，协力推动群体协同系统任务能力的提升。

本文从无人机系统内涵、现有典型项目、关键技术3个角度出发，对国内外小型固定翼无人机集群进行了全面综述。其中，在系统内涵方面，首先介绍了无人机集群系统的基本概念，分析了无人机集群协同执行任务的优势，并给出了其在军民领域的广泛应用。在典型项目方面，从集群协同模式、指挥体系架构、基础性研究、集群验证4个 视角总结现有典型项目。在关键技术方面，对体系架构、通信组网、决策与规划、飞机平台、集群飞行、集群指控等核心要素进行深度分析。在此基础上，论文展望了未来小型固定翼无人机集群的发展趋势，期望能够对未来无人集群系统的发展起到一定的牵引作用。