ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
A fault-tolerant method for flight control system based on new network distributed architecture
Received date: 2025-07-07
Revised date: 2025-07-21
Accepted date: 2025-09-05
Online published: 2025-09-18
Supported by
Aeronautical Science Foundation of China(202200007004001)
The flight control system is a critical component of aircraft， responsible for core functions such as attitude stabilization， trajectory control， and fault disposal. However， centralized flight control systems are constrained by computational resources and communication capabilities， making it difficult to meet the demands for high integration and intelligence in modern flight control systems. Meanwhile， distributed flight control systems suffer from single-point faults in bus control nodes. To address these issues， a highly fault-tolerant distributed flight control system architecture based on Time-Triggered Ethernet （TTE） networks is proposed， and fault diagnosis and fault tolerance within this framework are investigated. A task scheduling model for the distributed system is modeled using a Directed Acyclic Graph （DAG）， enabling the onboard computer cluster to perform fault-tolerant scheduling of complex flight control and management tasks. Furthermore， a distributed semi-physical verification environment based on network protocols is constructed to validate the fault-tolerant operation of the networked distributed system architecture.Results demonstrate that the proposed networked distributed architecture and its system fault-tolerant operation algorithms enhance fault-tolerant capabilities while adapting to future information exchange demands of advanced flight control systems， achieving fault-tolerant operation with information-level fault tolerance as the foundation and function-level fault tolerance as the core， achieving fault-tolerant operation with information-level fault tolerance as the foundation and function-level fault tolerance as the core.
Yuwei CUI , Xianfeng MENG , Sicheng ZHANG , Aijun LI . A fault-tolerant method for flight control system based on new network distributed architecture[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2026 , 47(9) : 532525 -532525 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32525
| [1] | 杨朝旭， 杨林， 万天才， 等. 基于分布式系统构架的飞控系统容错设计研究［J］. 航空工程进展， 2024， 15（6）： 209-215. |
| YANG Z X， YANG L， WAN T C， et al. Study the fault-tolerant design of flight control system based on distributed systems architecture［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2024， 15（6）： 209-215 （in Chinese）. | |
| [2] | 杨绚， 魏小勇， 崔德龙. 舰载机飞行控制系统总线接口策略［J］. 航空学报， 2019， 40（4）： 622283. |
| YANG X， WEI X Y， CUI D L. Bus interface strategy in flight control system for carrier-based aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（4）： 622283 （in Chinese）. | |
| [3] | 杨卫平. 新一代飞行器导航制导与控制技术发展趋势［J］. 航空学报， 2024， 45（5）： 529720. |
| YANG W P. Development trend of navigation guidance and control technology for new generation aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（5）： 529720 （in Chinese）. | |
| [4] | 王璐， 王岩. 基于时间触发的分布式飞行控制系统架构研究［J］. 飞机设计， 2020， 40（3）： 6-8. |
| WANG L， WANG Y. Research on time-triggered distributed flight control system architecture［J］. Aircraft Design， 2020， 40（3）： 6-8 （in Chinese）. | |
| [5] | 王兴坚， 杨新宇， 王少萍. 大型民机操纵系统容错控制技术综述［J］. 机械工程学报， 2024， 60（4）： 50-65. |
| WANG X J， YANG X Y， WANG S P. Review of fault-tolerant control for flight control system［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（4）： 50-65 （in Chinese）. | |
| [6] | 张晓龙， 李荣， 阎高伟， 等. 小型无人直升机故障估计与容错控制［J］. 航空学报， 2024， 45（S1）： 730802. |
| ZHANG X L， LI R， YAN G W， et al. Fault estimation and fault tolerant control for small unmanned helicopters［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（S1）： 730802 （in Chinese）. | |
| [7] | 周大鹏， 富佳伟， 杨大鹏. 高超声速飞行器主被动复合一体化容错控制方法［J］. 中国科学： 信息科学， 2024， 54（10）： 2295-2307. |
| ZHOU D P， FU J W， YANG D P. Fault-tolerant control method for airbreathing hypersonic vehicles based on an active-passive composite approach［J］. Scientia Sinica （Informationis）， 2024， 54（10）： 2295-2307 （in Chinese）. | |
| [8] | 吴豪， 郑永贵， 刘猛， 等. 飞机环控系统发动机动态引气地面试验设备总体设计方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2025， 51（2）： 573-583. |
| WU H， ZHENG Y G， LIU M， et al. Overall design method of ground test equipment for engine dynamic air bleed of aircraft environmental control system［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2025， 51（2）： 573-583 （in Chinese）. | |
| [9] | 王勇. 特征模型分散式自适应姿态控制在高超声速飞行器中的应用［J］. 宇航学报， 2012， 33（10）： 1413-1422. |
| WANG Y. Application of characteristic model based decentralized adaptive attitude control in the hypersonic vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2012， 33（10）： 1413-1422 （in Chinese）. | |
| [10] | 管庭筠， 张睿， 刘程. 典型民机电传飞控系统架构分析［J］. 机电信息， 2024（19）： 75-80. |
| GUAN T Y， ZHANG R， LIU C. Architecture analysis of typical civil electromechanical flight control system［J］. Mechanical and Electrical Information， 2024（19）： 75-80 （in Chinese）. | |
| [11] | 刘念， 周炎， 祖家奎. 小型无人直升机分布式飞控系统的设计与实现［J］. 电子测量技术， 2019， 42（10）： 120-125. |
| LIU N， ZHOU Y， ZU J K. Design and implementation of distributed flight control system for small unmanned helicopter［J］. Electronic Measurement Technology， 2019， 42（10）： 120-125 （in Chinese）. | |
| [12] | 周建平， 温求遒， 阮聪. 分布式架构的飞行器集群协同仿真系统设计［J］. 战术导弹技术， 2021（3）： 75-82. |
| ZHOU J P， WEN Q Q， RUAN C. Design of aircraft cluster collaborative simulation system based on distributed architecture［J］. Tactical Missile Technology， 2021（3）： 75-82 （in Chinese）. | |
| [13] | 许聪， 张磊， 凌震. TTE在运载火箭控制系统中的应用［J］. 航天控制， 2017， 35（1）： 86-91. |
| XU C， ZHANG L， LING Z. The application of TTE in the control system of launch vehicle［J］. Aerospace Control， 2017， 35（1）： 86-91 （in Chinese）. | |
| [14] | WANG Y C， WANG Q， WU C B， et al. BLO： A backtracking based layout optimization method for time-triggered Ethernet topology reconstruction［C］∥Technology-Inspired Smart Learning for Future Education. Singapore： Springer， 2020： 99-112. |
| [15] | ABUTEIR M， OBERMAISSER R. Simulation environment for time-triggered Ethernet［C］∥ 2013 11th IEEE International Conference on Industrial Informatics （INDIN）. Piscataway： IEEE Press， 2013： 642-648. |
| [16] | 李文江， 赵利霞， 张文， 等. 一种新型时间触发航电系统数据调度算法研究［J］. 载人航天， 2020， 26（5）： 598-605. |
| LI W J， ZHAO L X， ZHANG W， et al. Research on a novel time-triggered avionics data scheduling algorithm［J］. Manned Spaceflight， 2020， 26（5）： 598-605 （in Chinese）. | |
| [17] | 兰杰， 朱晓飞， 陈亚， 等. 时间触发以太网标准研究［J］. 航空标准化与质量， 2013（5）： 24-27， 56. |
| LAN J， ZHU X F， CHEN Y， et al. Research on time-triggered Ethernet standard［J］. Aeronautic Standardization Quality， 2013（5）： 24-27， 56 （in Chinese）. | |
| [18] | 闫萍萍， 李晖， 陈银超， 等. 基于时间触发的机载统一网络协议一致性测试技术［J］. 电子科技， 2025， 38（1）： 14-22. |
| YAN P P， LI H， CHEN Y C， et al. An airborne unified network protocol conformance testing technique based on time trigger［J］. Electronic Science and Technology， 2025， 38（1）： 14-22 （in Chinese）. | |
| [19] | INUNGANBI S C， TAMILSELVI M， MANIMARAN B. Handwritten character recognition using directed acyclic graph［C］∥ 2023 Eighth International Conference on Science Technology Engineering and Mathematics （ICONSTEM）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-10. |
| [20] | 杨定坤. 高可信的小型无人直升机机载软件建模、分析和验证［D］. 上海： 上海交通大学， 2014. |
| YANG D K. Modeling， analysis and verification of highly credible airborne software for small unmanned helicopter［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2014 （in Chinese）. | |
| [21] | 焦一鸣， 周川， 郭健， 等. 异构计算环境下一种新型的多DAG任务调度算法［J］. 计算机工程， 2019， 45（7）： 1-5. |
| JIAO Y M， ZHOU C， GUO J， et al. A new multiple DAG task scheduling algorithm in heterogeneous computing environment［J］. Computer Engineering， 2019， 45（7）： 1-5 （in Chinese）. | |
| [22] | 汤峰. 面向无人机信息物理系统的资源调度关键技术研究［D］. 广州： 华南理工大学， 2017. |
| TANG F. Research on key technologies of resource scheduling for UAV cyber-physical systems［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2017 （in Chinese）. | |
| [23] | 李晓剑. 异构多处理器上DAG任务调度算法研究［D］. 武汉： 华中科技大学， 2024. |
| LI X J. Research on DAG task scheduling algorithm on heterogeneous multiprocessors［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2024 （in Chinese）. | |
| [24] | LIU Y， LIU J， ZHU Z Q， et al. Adaptive fault-tolerant scheduling in heterogeneous real-time systems［C］∥ 2019 14th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications （ICIEA）. Piscataway： IEEE Press， 2019： 982-987. |
| [25] | BITTENCOURT L F， SAKELLARIOU R， MADEIRA E R M. DAG scheduling using a lookahead variant of the heterogeneous earliest finish time algorithm［C］∥ 2010 18th Euromicro Conference on Parallel， Distributed and Network-based Processing. Piscataway： IEEE Press， 2010： 27-34. |
| [26] | GUO P Z， XUE Z. Improved task partition based fault-tolerant rate-monotonic scheduling algorithm［C］∥ 2016 International Conference on Security of Smart Cities， Industrial Control System and Communications （SSIC）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-5. |
| [27] | SAMAL A K， MALL R， TRIPATHY C. Fault tolerant scheduling of hard real-time tasks on multiprocessor system using a hybrid genetic algorithm［J］. Swarm and Evolutionary Computation， 2014， 14： 92-105. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA