ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Redundancy design and analysis of automatic carrier landing guidance system
Received date: 2024-12-31
Revised date: 2025-03-11
Accepted date: 2025-05-22
Online published: 2025-06-05
The automatic carrier landing guidance system is crucial for enhancing the effectiveness of naval operations. However， due to the singular nature of technical methods， equipment configuration， and communication links， the traditional automatic carrier landing guidance system exhibits a low fault tolerance， making it difficult to ensure flight safety during the landing process. To address the issues of low system reliability and safety， an in-depth functional hazard analysis and safety design requirements is conducted to optimize the system’s redundancy architecture. A multi-redundant measurement structure for guidance information is constructed based on redundant navigation technologies， while a multi-redundant calculation structure for guidance commands is built using link redundancy and redundant computers. Additionally， a multi-redundant decision-making safeguard structure is established by integrating various landing aids and monitoring equipment. Fault tree analysis is performed on the multi-redundant automatic landing guidance system， and the probability of dangerous failure per hour is evaluated to verify high reliability and safety of the system.
Qijun LI , Kaikai CUI . Redundancy design and analysis of automatic carrier landing guidance system[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2025 , 46(13) : 531743 -531743 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.31743
| [1] | 张守权， 王华明. 舰载机全自动着舰综述［J］. 飞机设计， 2022， 42（3）： 20-24. |
| ZHANG S Q， WANG H M. Summary report on automatic carrier landing system［J］. Aircraft Design， 2022， 42（3）： 20-24 （in Chinese）. | |
| [2] | 李启军， 王擎宇， 高江炜， 等. 航母舰载机着舰导航技术发展研究［J］. 舰船科学技术， 2023， 45（23）： 206-211. |
| LI Q J， WANG Q Y， GAO J W， et al. Development research of carrier-borne aircraft landing navigation technology［J］. Ship Science and Technology， 2023， 45（23）： 206-211 （in Chinese）. | |
| [3] | HAMEED A S， BINDU G， VUTUKURI S. Approach and landing guidance using constrained model predictive static programming［J］. Aerospace Science and Technology， 2024， 144： 108732. |
| [4] | 胡小兵， 周大鹏， 曲晓雷. 国外舰载机全自动着舰技术综述［J］. 飞机设计， 2021， 41（2）： 32-36. |
| HU X B， ZHOU D P， QU X L. Review on full automatic carrier landing technique of foreign shipboard aircraft［J］. Aircraft Design， 2021， 41（2）： 32-36 （in Chinese）. | |
| [5] | LINTERN G， KAUL C E， COLLYER S C. Glideslope descent-rate cuing to aid carrier landings［J］. Human Factors， 1984， 26（6）： 667-675. |
| [6] | 甄子洋， 王新华， 江驹， 等. 舰载机自动着舰引导与控制研究进展［J］. 航空学报， 2017， 38（2）： 020435. |
| ZHEN Z Y， WANG X H， JIANG J， et al. Research progress in guidance and control of automatic carrier landing of carrier-based aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（2）： 020435 （in Chinese）. | |
| [7] | ZHANG Z， WANG Q F， BI D M， et al. MC-LRF based pose measurement system for shipborne aircraft automatic landing［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023， 36（8）： 298-312. |
| [8] | 马捷. 基于MBSE方法的全自动着舰系统（ACLS）安全性分析方法研究［J］. 航空标准化与质量， 2023（4）： 37-43. |
| MA J. Research on safety analysis method of automated landing system （ACLS） based on MBSE method［J］. Aeronautic Standardization & Quality， 2023（4）： 37-43 （in Chinese）. | |
| [9] | 张志冰， 甄子洋， 江驹， 等. 舰载机自动着舰引导与控制综述［J］. 南京航空航天大学学报， 2018， 50（6）： 734-744. |
| ZHANG Z B， ZHEN Z Y， JIANG J， et al. Review on development in guidance and control of automatic carrier landing of carrier-based aircraft［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， 2018， 50（6）： 734-744 （in Chinese）. | |
| [10] | 刘佳铭， 李熠， 李海旭. 美军舰载航空作战任务与出动模式分析［J］. 船舶工程， 2021， 43（）： 33-37， 52. |
| LIU J M， LI Y， LI H X. Analysis of Operational Mission and Dispatch Mode of U.S. Ship-Borne Aviation［J］. Ship Engineering， 2021， 43（Sup 2）： 33-37， 52 （in Chinese）. | |
| [11] | VINCOLI J W. Basic guide to system safety［M］. 3rd ed. Hoboken： John Wiley and Sons， Inc.， 2014： 135-143. |
| [12] | 张子军， 张山， 王衍洋. 不同海况条件下舰载无人机着舰安全分析［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2024， 45（1）： 136-143. |
| ZHANG Z J， ZHANG S， WANG Y Y. Safety analysis of carrier-based UAV landing under different sea conditions［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2024， 45（1）： 136-143 （in Chinese）. | |
| [13] | 王永庆. 固定翼舰载战斗机关键技术与未来发展［J］. 航空学报， 2021， 42（8）： 525859. |
| WANG Y Q. Fixed-wing carrier-based aircraft： Key technologies and future development［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（8）： 525859 （in Chinese）. | |
| [14] | 张秀林. 舰载机全自动着舰引导与控制一体化设计技术［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2023： 1-5. |
| ZHANG X L. Research on integrated design technology of guidance and control for automatic carrier landing system［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2023： 1-5 （in Chinese）. | |
| [15] | 苏大林， 肖静， 孙智孝， 等. 无人机全自动着舰卫星引导系统及架构［J］. 飞机设计， 2021， 41（5）： 10-15. |
| SU D L， XIAO J， SUN Z X， et al. Statelite guidance system and architecture of UAV automatic landing［J］. Aircraft Design， 2021， 41（5）： 10-15 （in Chinese）. | |
| [16] | 耿延升， 罗来彬， 刘希美， 等. 舰载机全自动着舰系统顶层架构研究［J］. 航空科学技术， 2022， 33（5）： 1-11. |
| GENG Y S， LUO L B， LIU X M， et al. Research on the top-level architecture of the automatic carrier landing system for carrier aircraft［J］. Aeronautical Science & Technology， 2022， 33（5）： 1-11 （in Chinese）. | |
| [17] | 中国人民解放军总装备部. 故障模式、影响及危害性分析指南： ［S］. 北京：中国人民解放军总装备部， 2006. |
| The General Reserve Department of PLA. Guide to failure mode， effects and criticality analysis： ［S］. Beijing： The General Reserve Department of PLA， 2006. | |
| [18] | DERMOUCHE R， TALAOUBRID A， BARAZANE L， et al. Qualitative and quantitative analysis of the reliability of NPC and ANPC power converters for aeronautical applications［J］. Alexandria Engineering Journal， 2022， 61（6）： 4863-4873. |
| [19] | GAO X， ZHANG J H， GONG L. A forward design approach for fault thresholds in redundant flight control systems［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2024， 2764（1）： 012060. |
| [20] | SWATI G. An architecture-based modelling of fault-tolerant SOA-based systems［J］. International Journal of Web Engineering and Technology， 2023， 18（1）： 4-28. |
| [21] | 张伟， 许莹琪， 项剑锋， 等. 国内舰载飞机研制关键技术标准应用现状浅析［J］. 航空标准化与质量， 2024（3）： 1-5， 52. |
| ZHANG W， XU Y Q， XIANG J F， et al. Analysis on the application status of key technical standards for development of domestic shipboard aircraft［J］. Aeronautic Standardization & Quality， 2024（3）： 1-5， 52 （in Chinese）. | |
| [22] | WU J J， NING Y， ZHANG J. Architecture design of fly-by-wrie flight control system based on safety considerations［C］∥Proceedings of the 7th China Aeronautical Science and Technology Conference. CASTC 2024. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Singapore： Springer， 2025： 559-568. |
| [23] | 罗健晖， 武瑞欢， 张健， 等. 基于TTE的飞控计算机子系统可靠性与安全性仿真［C］∥2023年中国航空工业技术装备工程协会年会论文集. 西安： 2023年中国航空工业技术装备工程协会， 2023： 80-85. |
| LUO J H， WU R H， ZHANG J， et al. Reliability and security simulation for flight control computer subsystem based on TTE［C］∥Proceeding of the 2023 Annual Meeting of the AVIC Technology and Equipment Engineering Association. Xi’an： AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute， 2023： 74-79 （in Chinese）. | |
| [24] | 靳红涛， 焦宗夏， 王少萍， 等. 高可靠三余度数字式作动器控制器设计与实现［J］. 北京航空航天大学学报， 2006， 32（5）： 548-552. |
| JIN H T， JIAO Z X， WANG S P， et al. Design and realization of high reliability tri-redundancy digital actuator controller［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2006， 32（5）： 548-552 （in Chinese）. | |
| [25] | BAEK M K， KIM H. Lifetime distribution for a mixed redundant system with imperfect switch and components having phase-type time-to-failure distribution［J］. Mathematics， 2024， 12（8）： 1191. |
| [26] | 邱宝贵， 蒋君侠， 毕运波， 等. 大型飞机机身调姿与对接试验系统［J］. 航空学报， 2011， 32（5）： 908-919. |
| QIU B G， JIANG J X， BI Y B， et al. Posture alignment and joining test system for large aircraft fuselages［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（5）： 908-919 （in Chinese）. | |
| [27] | 李强， 张淑丽， 蒙文巩. 国外舰载无人机着舰引导技术发展现状［J］. 无人系统技术， 2018， 1（2）： 43-48. |
| LI Q， ZHANG S L， MENG W G. Surveys of carrier landing techniques for UAVs［J］. Unmanned Systems Technology， 2018， 1（2）： 43-48 （in Chinese）. | |
| [28] | HAN Y C， MENG W X， WANG X D. Design and experimental analyses of an accuracy verification system for airborne target tracking via radar guidance systems［J］. Applied Sciences， 2022， 12（14）： 6838. |
| [29] | 李喜龙， 范海震， 史会丽. 光电引导系统在舰载机着舰引导中的作用分析［J］. 舰船电子工程， 2017， 37（7）： 145-149， 164. |
| LI X L， FAN H Z， SHI H L. Analysis of electro-optical guidance system used in carrier landing guidance［J］. Ship Electronic Engineering， 2017， 37（7）： 145-149， 164 （in Chinese）. | |
| [30] | 林海威， 王彪， 唐超颖， 等. 垂直起降无人机自主视觉着舰方法［J］. 电光与控制， 2023， 30（4）： 67-73. |
| LIN H W， WANG B， TANG C Y， et al. Autonomous deck landing of a VTOL UAV based on visual methods［J］. Electronics Optics & Control， 2023， 30（4）： 67-73 （in Chinese）. | |
| [31] | NISTOR S， SUBA N S， BUDA A S， et al. Comprehensive analysis on GPS carrier phase under various cutoff elevation angles and its impact on station coordinates’repeatability［J］. Remote Sensing， 2024， 16（10）： 1691. |
| [32] | WASSON J P， MORESVE J. Automatic decking of UAV helicopters on a ship［J］. Navigation， 2009， 57（228）： 19-44. |
| [33] | 孙国梁， 曹兰英， 段晓军. 一种高任务可靠性雷达架构设计［J］. 测控技术， 2015， 34（3）： 120-122， 126. |
| SUN G L， CAO L Y， DUAN X J. Architecture design for high mission reliability radar［J］. Measurement & Control Technology， 2015， 34（3）： 120-122， 126 （in Chinese）. | |
| [34] | 刘栋， 王惠林， 雷亮， 等. 陀螺冗余安装在机载光电系统中的设计与应用［J］. 应用光学， 2022， 43（5）： 833. |
| LIU D， WANG H L， LEI L， et al. Design and application of gyro redundant installation in airborne electro-optical system［J］. Journal of Applied Optics， 2022， 43（5）： 833 （in Chinese）. | |
| [35] | 陈韦贤， 王立扬， 陈尔康， 等. 一种基于双接收机的运载火箭卫星导航冗余诊断方法： CN116699655A［P］. 2023-09-05. |
| CHEN W X， WANG L C， CHEN E K， et al. A redundancy diagnosis method for launch vehicle satellite navigation based on dual receivers： CN116699655A［P］. 2023-09-05. | |
| [36] | 曾笛. 全自动着舰的传感器信息融合算法设计［D］. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2022： 1-8. |
| ZENG D. Design of sensor information fusion algorithm for fully automatic carrier landing system［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2022： 1-8 （in Chinese）. | |
| [37] | 陈逸飞. 舰载机着舰多体制引导系统设计与分析［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2021： 2-6. |
| CHEN Y F. Design and analysis of multi-guidance mode system for carrier landing［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2021： 2-6 （in Chinese）. | |
| [38] | DU B H， SONG J L， SHI Z Y. An anomaly diagnosis method for redundant inertial measurement unit and its application with micro-electro-mechanical system sensors［J］. Applied Sciences， 2019， 9（8）： 1606. |
| [39] | ZHANG X， LIU X， CUI D. Research on redundancy restart condition of flight control computer［C］∥Guidance， Navigation and Control. ICGNC 2024. Lecture Notes in Electrical Engineering， Vol 1351. Singapore： Spring， 2025： 76-85. |
| [40] | 邓泽勇. 三通道比较监控余度飞行控制计算机设计［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2022： 1-76. |
| DENG Z Y. Design of three-channel comparison monitoring redundancy flight control computer［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2022： 1-76 （in Chinese）. | |
| [41] | 庞伊贺， 张伟彬， 熊官送， 等. 三余度飞行控制计算机余度管理算法研究［J］. 现代电子技术， 2023， 46（18）： 85-89. |
| PANG Y H， ZHANG W B， XIONG G S， et al. Research on redundancy management algorithm of triple redundancy flight control computer［J］. Modern Electronics Technique， 2023， 46（18）： 85-89 （in Chinese）. | |
| [42] | 何瑶. 四余度飞控系统信号表决算法研究［J］. 中国设备工程， 2024（5）： 108-111. |
| HE Y. Research on signal voting algorithm of four-redundancy flight control system［J］. China Plant Engineering， 2024（5）： 108-111 （in Chinese）. | |
| [43] | CONTI M， ORCIONI S. Modeling of failure probability for reliability and component reuse of electric and electronic equipment［J］. Energies， 2020， 13（11）： 2843. |
| [44] | Reliability Prediction of Electronic Equipment： MIL-H （2）［S］. Washington， D. C.：Department of Defense， 1990. |
| [45] | 周琛， 尚柏林， 宋笔锋， 等. 基于作战环的航空武器装备体系贡献率评估［J］. 航空学报， 2022， 43（2）： 224958. |
| ZHOU C， SHANG B L， SONG B F， et al. Contribution evaluation of aviation armament system-of-systems based on operation loop［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（2）： 224958 （in Chinese）. | |
| [46] | 张雅雯， 胡士强. 低空目标的雷达/可见光协同监视跟踪方法研究［J］. 计算机工程与应用， 2018， 54（6）： 234-240. |
| ZHANG Y W， HU S Q. Research on radar/visible light surveillance and tracking methods of target in low-altitude airspace［J］. Computer Engineering and Applications， 2018， 54（6）： 234-240 （in Chinese）. | |
| [47] | 于鲲， 丛明煜. 面向监视侦查的光电探测场景仿真系统总体设计［J］. 激光与红外， 2019， 49（9）： 1100-1107. |
| YU K， CONG M Y. Overall design of photodetection scene simulation system for surveillance and investigation［J］. Laser & Infrared， 2019， 49（9）： 1100-1107 （in Chinese）. | |
| [48] | 杨一栋， 胡建兴， 卢永锦. 光学着舰助降系统［M］. 北京： 国防工业出版社， 2008： 1-10. |
| YANG Y D， HU J X， LU Y J. Carrier optical landing aid system［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2008： 1-10 （in Chinese）. | |
| [49] | 程明华， 姚一平. 动态故障树分析方法在软、硬件容错计算机系统中的应用［J］. 航空学报， 2000， 21（1）： 34-37. |
| CHENG M H， YAO Y P. Application of dynamic fault tree analysis to software and hardware fault tolerant control computer systems［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2000， 21（1）： 34-37 （in Chinese）. | |
| [50] | CORTéS J， DI MARTINO D， DURAN D， et al. Development and implementation of a direct evaluation solution for fault tree analyses competing with traditional minimal cut sets methods［J］. IEEE Transactions on Reliability， 2023， 72（1）： 248-257. |
| [51] | 周彩红. 考虑多故障模式的多阶段任务系统选择性维修决策研究［D］. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2023： 1-74. |
| ZHOU C H. Selective maintenance decision for phased mission systems considering multiple failure modes［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2023： 1-74 （in Chinese）. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA