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基于嵌入式云平台的中继卫星系统地面终端站基带池设计技术研究

作者与发表信息
本研究由李典（中国西南电子技术研究所）、朱亮（卫星通信中心）、汪远玲与柴霖（中国西南电子技术研究所）合作完成，发表于《电讯技术》（Telecommunication Engineering）2019年第59卷第1期，DOI: 10.3969/j.issn.1001-893x.2019.01.003。

学术背景
中继卫星系统地面终端站面临设备种类繁多、专用性强、互替性弱的问题，导致资源利用率低、运维成本高。美国NASA等机构已通过“池式”结构（如SGSS计划）优化系统性能，但国内仍依赖传统独立设备架构。本研究针对这一瓶颈，提出基于嵌入式云平台（Embedded Cloud Platform）的基带池技术，旨在实现基带功能可扩展、资源动态重构、计算按需配置及业务快速切换，提升战时响应能力并降低成本。

研究流程与方法
1. 系统架构设计
- 问题分析：对比传统联合式架构（独立设备组合）与集中式架构（通用处理器）的局限性，提出分布式架构方案。
- 方案设计：基带池分为数字化平台、信号处理平台、数据处理平台及监控模块，通过高速光纤、RapidIO网络等互联。采用FPGA+CPU异构嵌入式云平台（SES云），支持计算资源M+N备份与关键资源1+1冗余。
- 创新点：首次将蓝图技术（Blueprint Technology）应用于航天电子系统，通过分层抽象与动态部署模型实现系统功能定制化。

1. 嵌入式云平台开发

   • SES云平台：自主研发的轻量级容器虚拟化引擎，支持ARM/FPGA/PPC多架构程序管理，具备节点调度、网络管理、应用编排等功能。
     
   • 部署实现：容器镜像打包用户程序、FPGA配置文件等，通过RapidIO链路配置实现业务隔离与资源动态分配。

2. 实验验证

   • 平台搭建：构建包含5个子颗粒、32个微颗粒的9U实验平台，测试网络互联、蓝图部署及重构能力。
     
   • 关键实验：
     
     • 互联测试：单通道传输速率6.25 Gb/s，系统总带宽达40 Gb/s（4×4×6.25×0.4）。
       
     • 功能重构：单功能重构时间30秒，支持4种业务并行部署。
       
     • 性能对比：相同成本下，处理能力较传统设备提升5倍以上。

主要结果
1. 技术指标：网络互联速率40 Gb/s，支持5个子颗粒与32个微颗粒接入，部署4种业务功能。
2. 动态重构能力：通过蓝图技术实现全景动态部署，功能切换时间缩短至秒级。
3. 成本效益：地面站链路功能超过6个时，基带池技术可显著降低建设与运维成本（见图2）。

结论与价值
本研究提出的基带池技术解决了中继卫星系统地面终端站的资源碎片化问题，其开放式架构与动态重构能力为未来卫星地面站升级提供了新范式。科学价值在于将云计算边缘化（Edge Computing）与蓝图技术引入航天测控领域；应用价值体现在提升战时响应能力、降低全生命周期成本（研发、运维、升级）。

研究亮点
1. 方法创新：首次结合嵌入式云平台与蓝图技术，实现航天电子系统的软硬件解耦与动态部署。
2. 性能突破：实验验证了高带宽（40 Gb/s）、低延时（μs级）与多节点（256个）扩展能力。
3. 工程适用性：SES云平台兼容物理服务器、虚拟机及嵌入式设备，支持异构计算资源统一管理。

其他价值
本研究为军民融合背景下中继卫星系统的弹性部署提供了技术储备，其架构设计思路可拓展至其他天基测控系统（如深空探测）。参考文献中对比分析了NASA的TDRSS与林肯实验室的遥测系统，凸显了国产技术的国际竞争力。

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程与核心成果，符合学术报告要求。）