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针对无人机集结完成之后在三维空间编队飞行时的队形保持问题,提出了基于虚拟长机的三维编队保持系统。利用无人机飞行三维空间运动学关系,结合简化的无人机自动驾驶仪模型,基于以虚拟长机为参考的旋转坐标系建立相对运动学模型,采用滑模变结构控制方法设计了多无人机队形保持控制器。通过仿真验证,该控制器能够使无人机跟踪机动飞行的虚拟长机并保持编队队形稳定,且响应精度和速度较为理想。