中繼衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)

+ 藍(lán)天翼 曹 夢(mèng)

2018年10月的一條新聞引人關(guān)注——在第69屆國(guó)際宇航大會(huì)（IAC 2018）上，初創(chuàng)公司Audacy宣布已經(jīng)與用戶簽署了1億美元的商業(yè)服務(wù)協(xié)議，服務(wù)對(duì)象包括地球觀測(cè)衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和寬帶星座、運(yùn)載火箭和深空任務(wù)。難道中繼衛(wèi)星行業(yè)也終于開(kāi)始商業(yè)化了？

Audacy公司成立于2015年，是一家衛(wèi)星通信服務(wù)提供商。Audacy不同于其他GEO和LEO通信運(yùn)營(yíng)商的特點(diǎn)是，提供的通信服務(wù)是衛(wèi)星的數(shù)據(jù)中繼，其空間段的方案，是三顆MEO衛(wèi)星。

在Audacy成立初期，并不為人看好，但隨著近年來(lái)全球范圍內(nèi)低軌衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，Audacy所提供的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)逐漸顯現(xiàn)出了一定的市場(chǎng)空間。在成立的第三年，他們也終于達(dá)成了1億美元的商業(yè)服務(wù)協(xié)議。

雖然在Audacy之前，提供特殊的“衛(wèi)星通信服務(wù)”的通信中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，從來(lái)沒(méi)有以民營(yíng)公司的主體形式出現(xiàn)過(guò)。但不得不說(shuō)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，通信中繼衛(wèi)星系統(tǒng)早已出現(xiàn)了許多新的趨勢(shì)，特別是商業(yè)化方面。

作為世界上技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先的兩大通信衛(wèi)星陣營(yíng)群體，美國(guó)是世界上率先開(kāi)始發(fā)展數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家之一，歐洲則選擇了一條與美國(guó)并不完全一致的道路，以至在較為前沿的激光中繼通信領(lǐng)域占得先機(jī)；近年來(lái)，一些私營(yíng)公司逐漸在傳統(tǒng)由政府“把持”的衛(wèi)星中繼通信市場(chǎng)也占得一席之地。本文將分別介紹美國(guó)和歐洲的“國(guó)家隊(duì)”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)和“商業(yè)”趨勢(shì)，以及私營(yíng)企業(yè)在這一領(lǐng)域的創(chuàng)新，以此來(lái)展現(xiàn)中繼衛(wèi)星行業(yè)的新變化，及逐漸商業(yè)化的路程。

一、美國(guó)TDRSS

美國(guó)“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”（Tracking Data Relay Satellite System，TDRSS）是世界上發(fā)展最早的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。TDRSS利用同步軌道的中繼衛(wèi)星星座及相關(guān)地面系統(tǒng)，為低軌用戶任務(wù)提供跟蹤和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。從上世紀(jì)70年代首次提出TDRS到現(xiàn)在，美國(guó)的TDRS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為三代衛(wèi)星同時(shí)在軌（圖1），多個(gè)地面站協(xié)同工作的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 三代TDRS同時(shí)在軌

1、三代TDRS衛(wèi)星

跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（Tracking Data Relay Satellite，TDRS）的第一代衛(wèi)星由TRW公司研制（圖2），共7顆衛(wèi)星，命名為TDRS-A/B/C/D/E/F/G，分別在1983年~1995年發(fā)射。其中除TDRS-B發(fā)射失敗，其他6顆均順利入軌并正常工作，衛(wèi)星入軌后即分別更名為TDRS-1/3/4/5/6/7。2010年，TDRS-1退役；2012年，TDRS-4退役。

TDRS的第二代衛(wèi)星（圖3）由波音公司研制，共三顆衛(wèi)星命名為TDRS-H/I/J，分別于2000年（1顆）和2002年（2顆）發(fā)射，入軌后更名為TDRS-8/9/10。盡管這三顆衛(wèi)星出現(xiàn)了部分故障，但至今仍能夠正常提供服務(wù)。

TDRS的第三代衛(wèi)星（圖4）仍由波音公司研制，共三顆衛(wèi)星，命名為TDRS-K/L/M，分別于2013年、2014年和2017年發(fā)射，成功入軌后更名為TDRS-11/12/13。根據(jù)波音公司在2016年用戶大會(huì)的報(bào)告顯示，除了TDRS-11的電源系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，三顆衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)一切正常。

在NASA從波音公司訂購(gòu)第三代TDRS的時(shí)候，衛(wèi)星數(shù)量2+2，也就是NASA最多可能從波音公司采購(gòu)四顆TDRS衛(wèi)星，但實(shí)際NASA并沒(méi)有啟動(dòng)第四顆衛(wèi)星，也就是TDRS-N的采購(gòu)。據(jù)SpaceNews報(bào)道，NASA空間通信與導(dǎo)航 (SCaN)項(xiàng)目副行政官Badri Younes曾表示，目前沒(méi)有看到在2025年的時(shí)間框架內(nèi)需要額外的數(shù)據(jù)中繼功能的必要性。換句話說(shuō)，目前在軌的TDRS衛(wèi)星，已經(jīng) “足夠用了”。

2、TDRSS的發(fā)展方向

雖然目前的TDRS衛(wèi)星可以滿足2025年前NASA的應(yīng)用需求，但如果針對(duì)2025年之后的需求，下一代TDRS仍需要考慮一些變化，例如帶寬需求的增加和商業(yè)化的未來(lái)。

2.1 增加帶寬：使用光通信等新技術(shù)

在新一代的TDRS衛(wèi)星中，大概率會(huì)增加激光通信的中繼終端，這是因?yàn)樵谖磥?lái)的航天器上，會(huì)越來(lái)越多地使用激光通信，激光通信能夠在相同的功率消耗下提供100倍于之前的帶寬。同時(shí)，Younes表示NASA還在考慮將一些新的衛(wèi)星技術(shù)納入到下一代TDRS衛(wèi)星上，例如容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)與量子糾纏（Disruption Tolerant Networking and Quantum Entanglement）。而更重要的是，TDRS的未來(lái)還是由需求驅(qū)動(dòng)的，一方面NASA可以從需求判斷出該采用哪些新技術(shù)；另一方面，NASA也在探索商業(yè)需求是否可以不由NASA來(lái)主導(dǎo)。

從新技術(shù)的角度看，SCa N項(xiàng)目中2013~2025的發(fā)展路線圖（圖5）似乎印證了下一代TDRS衛(wèi)星的一個(gè)發(fā)展方向——光通信。

激光通信中繼演示(Laser Communications Relay Demonstration， LCRD)項(xiàng)目是NASA第一個(gè)關(guān)于光通信的長(zhǎng)期項(xiàng)目，該項(xiàng)目致力于能夠?qū)⒓す馔ㄐ偶夹g(shù)應(yīng)用在NASA規(guī)劃的下一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星上，通過(guò)充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（圖6）。根據(jù)目前的項(xiàng)目規(guī)劃，LCRD載荷將搭載在STPSat-6衛(wèi)星上，預(yù)計(jì)于2019年升空。

同時(shí)，2017年NASA SCaN項(xiàng)目發(fā)布了LCRD項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)介紹白皮書，NASA期望能夠通過(guò)這份白皮書，向潛在的實(shí)驗(yàn)用戶充分介紹LCRD任務(wù)的情況、目的和系統(tǒng)構(gòu)架，幫助潛在實(shí)驗(yàn)用戶了解他們可以利用LCRD進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)類型，并說(shuō)明潛在實(shí)驗(yàn)者如何能夠像LCRD項(xiàng)目進(jìn)一步了解或提交實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)的方式。

圖2 第一代TDRS衛(wèi)星

圖3 第二代TDRS衛(wèi)星

圖4 第三代TDRS衛(wèi)星

2.2 商業(yè)化探索：TDRS系統(tǒng)的PPP模式

2018年9月，在美國(guó)Federal Business Op p or tunities的網(wǎng)站上，出現(xiàn)了一條關(guān)于N A SA未來(lái)太空探索技術(shù)伙伴計(jì)劃（Next Space Technologies for Exploration Partnerships-2, NextSTEP-2）的研究。這似乎印證了Younes在2017年表示的NASA將探索TDRS商業(yè)化的可能，即采用公私合營(yíng)伙伴關(guān)系（PPP）模式而非政府采購(gòu)。

這一研究表明，“NASA正在考慮通過(guò)PPP與美國(guó)商業(yè)實(shí)體擴(kuò)大其現(xiàn)有的空間中繼基礎(chǔ)設(shè)施，以開(kāi)發(fā)共享衛(wèi)星系統(tǒng)并提供商業(yè)通信和/或?qū)Ш椒?wù)。PPP的引入允許NASA和商業(yè)實(shí)體作為合作伙伴（與傳統(tǒng)的政府-承包商關(guān)系相比）通過(guò)共享投資、標(biāo)準(zhǔn)和分擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，在NASA用戶任務(wù)中開(kāi)發(fā)和使用新功能。這些新功能可能有助于促進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星通信中繼服務(wù)市場(chǎng)（從低地球軌道到月球及其它地區(qū)）的增長(zhǎng)，并為未來(lái)的NASA任務(wù)提供益處，與NASA設(shè)想的下一代架構(gòu)保持一致。”

同時(shí)，NASA在最新的關(guān)于LCRD的介紹中，用一張有意思的圖片表示了下一代TDRS衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)（圖7）。如圖所示，下一代TDRS并不采用傳統(tǒng)的衛(wèi)星升級(jí)模式，將射頻和光學(xué)以及可能采用的新技術(shù)全部放到一顆衛(wèi)星上，而是會(huì)在下一代的構(gòu)架中，使得不同的服務(wù)在多個(gè)航天器上實(shí)現(xiàn)。例如光學(xué)服務(wù)和射頻服務(wù)分離；有可能用一顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能，也可能用搭載有效載荷的形式去實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能；部分服務(wù)可以由商業(yè)或工業(yè)伙伴提供。

NASA認(rèn)為“分離”的好處是：能夠獨(dú)立補(bǔ)充現(xiàn)有的服務(wù)能力，并且可以根據(jù)需求和技術(shù)成熟度部署新服務(wù)。

圖5 SCaN項(xiàng)目2013~2025的發(fā)展路線圖

圖6 LCRD項(xiàng)目示意圖

圖7 下一代衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)圖

二、歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)

提到歐洲的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)，人們可能首先會(huì)想到“歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)”（European Data Relay System，EDRS）。EDRS項(xiàng)目開(kāi)展于2008年，但歐洲的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的歷史比EDRS更長(zhǎng)，并且從一開(kāi)始，EDRS項(xiàng)目就表現(xiàn)出跟美國(guó)的衛(wèi)星中繼系統(tǒng)不同的思路。

1、先進(jìn)中繼技術(shù)衛(wèi)星 (ARTEMIS)

歐空局（ESA）的第一顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是先進(jìn)中繼技術(shù)衛(wèi)星（Advanced Relay and Technology Mission Satellite，ARTEMIS，圖8）。該衛(wèi)星由阿萊尼亞航天公司研制，于2001年由阿里安-5火箭發(fā)射。但火箭因上面級(jí)故障，未能將ARTEMIS送入指定軌道，此時(shí)ARTEMIS上本用于測(cè)試的電推進(jìn)器發(fā)揮了重要作用，使得ARTEMIS成為世界首顆通過(guò)電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行升軌“自救”的GEO衛(wèi)星。最終，在2003年1月，ARTEMIS成功抵達(dá)GEO軌道指定位置。

A RTEM IS衛(wèi)星上用于中繼通信的載荷包括一個(gè)S/K a頻段數(shù)據(jù)中繼載荷（SKDR）和一個(gè)半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)載荷（Semiconductor Intersatellite Link Experiment，SILEX）。做為一顆在2001年發(fā)射的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，ARTEMIS除了傳統(tǒng)的S/Ka頻段中繼通信設(shè)備，還大膽進(jìn)行了激光中繼通信載荷的嘗試，此舉被認(rèn)為奠定了歐洲EDRS設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)。因此本文將重點(diǎn)介紹ARTEMIS的激光中繼通信實(shí)驗(yàn)。

2001年11月21日，仍處于停泊軌道的ARTEMIS就迫不及待地與法國(guó)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星SPOT-4進(jìn)行了中繼激光通信的實(shí)驗(yàn)對(duì)接。SPOT-4通過(guò)激光中繼通信終端將圖像數(shù)據(jù)傳至ARTEMIS，再由ARTEMIS利用對(duì)地射頻鏈路傳輸給地面，完成了首次中繼對(duì)接實(shí)驗(yàn)（圖9）。在ARTEMIS處于停泊軌道期間，ARTEMIS多次嘗試與SPOT-4的光學(xué)連接，所有26次實(shí)驗(yàn)均取得了成功。

2003年4月之后，ARTEM IS開(kāi)始為SPOT-4光學(xué)衛(wèi)星和歐空局的Envisat雷達(dá)衛(wèi)星提供高速數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。其中SPOT-4使用ARTEMIS的激光中繼鏈路，Envisat使用ARTEMIS的Ka中繼鏈路。

在ARTEMIS啟動(dòng)中繼業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的10個(gè)月內(nèi)，為Envisat提供了共計(jì)1370次鏈接、330小時(shí)的中繼服務(wù)，為SPOT-4提供了共計(jì)300次鏈接、60小時(shí)的中繼服務(wù)。

ARTEMIS的激光中繼通信實(shí)驗(yàn)取得了巨大的成功，2004年2月在歐空局出版的ARTEMIS宣傳冊(cè)中，歐空局官方明確指出：“……小型的激光通信終端在未來(lái)的空間數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)中將會(huì)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)已經(jīng)在關(guān)于高速通信基礎(chǔ)設(shè)施的政策上出現(xiàn)變化，將集中在光學(xué)數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)的應(yīng)用上。因此，毫無(wú)疑問(wèn)，歐洲工業(yè)不會(huì)在這一領(lǐng)域失去領(lǐng)先地位。”

此后，ARTEMIS持續(xù)開(kāi)展針對(duì)不同目標(biāo)的中繼實(shí)驗(yàn)。2005年12月，ARTEMIS與JAXA的OICETS衛(wèi)星進(jìn)行了雙向激光通信鏈路實(shí)驗(yàn)（圖10）：2006年12月，ARTEMIS與飛行在6000~10000米高度的法國(guó)Falcon 20飛機(jī)進(jìn)行了激光通信實(shí)驗(yàn)并取得成功（圖11），F(xiàn)alcon 20飛機(jī)上裝載了LOLA機(jī)載激光通信終端。

圖8 歐空局ARTEMIS衛(wèi)星

圖9 SOPT-4衛(wèi)星首次通過(guò)ARTEMIS衛(wèi)星中繼傳回地面的圖像

2、歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）

2.1 概況及PPP模式

2008年，基于ARTEMIS 良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及由歐盟和歐空局聯(lián)合發(fā)起的全球環(huán)境與安全監(jiān)控項(xiàng)目（GMES，后改名為“哥白尼計(jì)劃”）對(duì)大容量中繼通信的強(qiáng)烈需求，以及德國(guó)方面的積極推動(dòng)，歐空局批準(zhǔn)了歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）計(jì)劃。

上文已經(jīng)提到，歐空局在發(fā)展歐洲的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)時(shí)，采用了與美國(guó)并不相同的思路，并沒(méi)有把美國(guó)最為關(guān)注的測(cè)控使用的S頻段作為重點(diǎn)，而是聚焦在為歐洲的LEO衛(wèi)星回傳載荷數(shù)據(jù)的功能上。因此在EDRS系統(tǒng)中，激光通信和Ka頻段通信是其中的重點(diǎn)。

2011年，歐空局確定以PPP模式開(kāi)展EDRS計(jì)劃，由歐空局和Astrium公司（歸屬現(xiàn)空中客車集團(tuán)）牽頭建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和共同投資，最終為歐空局和全球客戶提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。根據(jù)2011年10月歐空局與Astrium公司簽署的PPP協(xié)議，EDRS系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在2014年開(kāi)始服務(wù)，Astrium公司將獲得EDRS系統(tǒng)的所有權(quán)，并將負(fù)責(zé)未來(lái)15年的運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，歐洲13個(gè)國(guó)家的50家公司加入了EDRS聯(lián)盟以確保該項(xiàng)目的工業(yè)水平保持在世界前沿。

EDRS一期計(jì)劃包括EDRS-A和EDRS-C衛(wèi)星，其中EDRS-A包括激光與Ka頻段兩種中繼方式，該載荷將以寄宿載荷的形式隨Eutelsat 9B衛(wèi)星入軌，因此該衛(wèi)星命名為Eutelsat 9B /EDRS-A；EDRS-C衛(wèi)星本身僅有激光一種中繼方式，該衛(wèi)星將搭載Avanti公司的Ka通信載荷Hylas-3入軌，因此該衛(wèi)星命名為EDRS-C/ Hylas-3。EDRS-A于2016年1月發(fā)射成功，EDRS-C經(jīng)過(guò)數(shù)次推遲后，預(yù)計(jì)將在2019年發(fā)射。

2.2 EDRS的激光中繼載荷LCT

德國(guó)是EDRS項(xiàng)目的主要推動(dòng)方，德國(guó)宇航中心（DLR）在為EDRS項(xiàng)目提供資金和地面系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以及運(yùn)營(yíng)方面都發(fā)揮了重要作用。而EDRS計(jì)劃中的激光中繼載荷（Laser Communication Terminal，LCT，圖12）來(lái)自德國(guó)的TESAT Spacecom公司，該載荷能夠提供高達(dá)1.8Gbps的中繼通信速率。

前文提到ARTEMIS衛(wèi)星的激光中繼通信載荷SILEX是由MMS公司研制的，后該公司被Astrium公司收購(gòu)。SILEX的成功奠定了歐洲在衛(wèi)星激光通信領(lǐng)域的絕對(duì)領(lǐng)先地位，但最終EDRS項(xiàng)目還是選擇了來(lái)自德國(guó)TESAT公司的LCT載荷（表1對(duì)LCT與SILEX的性能指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比）。

圖10 2005年12月，ARTEMIS與JAXA的OICETS衛(wèi)星進(jìn)行了雙向激光通信鏈路實(shí)驗(yàn)

圖11 2006年12月，ARTEMIS與法國(guó)Falcon 20飛機(jī)進(jìn)行了激光通信實(shí)驗(yàn)

三、進(jìn)入中繼通信領(lǐng)域的私營(yíng)公司

NASA和歐空局的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星代表了該領(lǐng)域世界技術(shù)趨勢(shì)的前沿，在未來(lái)商業(yè)化方面，兩者都選擇了PPP模式。而從純商業(yè)角度出發(fā)，我們也發(fā)現(xiàn)了一些有意思的“數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”公司。

1、利用GEO通信衛(wèi)星進(jìn)行中繼通信

2015年，新加坡一顆名為VELOX-II的6U立方星在發(fā)射成功后宣布，將進(jìn)行星間數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（Inter-Satellite Data Relay System，IDRS）實(shí)驗(yàn)。

LEO衛(wèi)星要與GEO中繼衛(wèi)星進(jìn)行通信，需要不低的EIRP值。如何解決這個(gè)問(wèn)題？通過(guò)對(duì)VELOX-II進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其搭載的中繼通信實(shí)驗(yàn)載荷的提供方——新加坡電子硬件制造商AddValue公司，正是國(guó)際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）的BGAN移動(dòng)衛(wèi)星終端的授權(quán)開(kāi)發(fā)商。

因此，這次實(shí)驗(yàn)并非是立方星與傳統(tǒng)GEO中繼衛(wèi)星進(jìn)行的星間數(shù)據(jù)中繼，而是立方星與Inmarsat的GEO衛(wèi)星通信，利用Inmarsat衛(wèi)星的L頻段信道作為星間中繼鏈路，再利用Inmarsat衛(wèi)星與地面網(wǎng)關(guān)的饋電鏈路完成立方星的數(shù)據(jù)中繼任務(wù)（圖13）。

經(jīng)過(guò)VELOX-II的成功實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，2017年2月，AddValue公司與Inmarsat簽署諒解備忘錄，將共同為L(zhǎng)EO衛(wèi)星市場(chǎng)提供名為IDRSTM的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)（圖14）。但這項(xiàng)新服務(wù)不太適合數(shù)百顆衛(wèi)星的龐大星座，也不適用于地球觀測(cè)任務(wù)，因?yàn)樗鼈冃枰薮蟮耐ㄐ湃萘俊?/p>

2018年7月，Inmarsat公司與AddValue公司正式簽訂協(xié)議，將使用IDRS系統(tǒng)共同簡(jiǎn)化小型衛(wèi)星的商業(yè)和研究運(yùn)營(yíng)方式。隨后在2018年第69屆國(guó)際宇航聯(lián)大會(huì)(IAC)期間，Add Value公司發(fā)表了名為《使用商用GEO衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)于LEO衛(wèi)星的星間數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)》的報(bào)告。報(bào)告中，AddValue給出了三種可以部署在LEO衛(wèi)星或運(yùn)載上的數(shù)據(jù)中繼服務(wù)終端（圖15），預(yù)計(jì)將在2019年開(kāi)始投入市場(chǎng)。

表1 ARTEMIS項(xiàng)目的SILEX與EDRS項(xiàng)目的LCT兩種激光中繼通信載荷的參數(shù)對(duì)比

圖13 搭載IDRS終端的LEO衛(wèi)星，能夠通過(guò)Inmarsat-4 GEO衛(wèi)星進(jìn)行中繼通信

圖12 EDRS計(jì)劃中的激光中繼載荷LCT

2、利用低軌通信星座進(jìn)行衛(wèi)星通信中繼

無(wú)獨(dú)有偶，有基于商用GEO通信衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼商業(yè)服務(wù)的公司，也出現(xiàn)了基于商用LEO通信衛(wèi)星星座進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼商業(yè)服務(wù)的公司。

2014年起，一家名為Near Space Launch Inc.（NSL）的公司活躍于美國(guó)的小衛(wèi)星會(huì)議，并帶來(lái)他們的最新商業(yè)中繼解決方案——利用Globalstar衛(wèi)星解決立方星的衛(wèi)星中繼難題。

目前NSL公司成熟的解決方案有兩種，一是基于Globalstar STX-3和STX-2的地面終端模塊的EyeStar-Simplex（圖16），二是基于NSL自研的EyeStar-Duplex（圖17）。

目前，NSL已經(jīng)在多個(gè)衛(wèi)星上進(jìn)行了利用Globalstar進(jìn)行中繼通信的實(shí)驗(yàn)，并獲得了成功。并且NSL稱，他們已經(jīng)從FCC獲得相關(guān)星間商業(yè)通信的頻率許可，掃清了運(yùn)營(yíng)障礙。從其官方提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，EyeStar產(chǎn)品的后期銷售相當(dāng)不俗。

3、利用MEO衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星中繼通信

回到文章開(kāi)頭提到的Audacy。三顆中地球軌道（MEO）衛(wèi)星將構(gòu)成Audacy中繼網(wǎng)絡(luò)的空基部分，其衛(wèi)星預(yù)計(jì)將在2020年具備商業(yè)運(yùn)營(yíng)條件，而地球站網(wǎng)絡(luò)將在2019年初開(kāi)始提供服務(wù)。

Audacy獲得的訂單一半以上來(lái)自美國(guó)公司，其余則分別來(lái)自歐洲和亞太地區(qū)，包括中國(guó)、日本、印度、澳大利亞和新加坡等國(guó)家。Audacy表示，去年其新加坡辦事處開(kāi)業(yè)后，業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的是亞太地區(qū)。

到目前為止，Audacy已籌集了大約1100萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。Audacy在2018年5月獲得了FCC的頻率許可，這意味著理論上具備了為美國(guó)客戶提供服務(wù)的行政許可。

圖14 IDRS系統(tǒng)示意圖

圖15 Add Value推出3種可布署在LEO衛(wèi)星上的中繼服務(wù)終端

四、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

中繼衛(wèi)星經(jīng)歷了近40年的發(fā)展，其作用毫無(wú)疑問(wèn)，已經(jīng)被許許多多的任務(wù)證實(shí)是有效和必需的。

結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)中繼衛(wèi)星業(yè)務(wù)和新興中繼衛(wèi)星業(yè)務(wù)的一些認(rèn)識(shí)，這里我們想從三個(gè)角度淺談中繼衛(wèi)星技術(shù)及行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

圖16 基于Globalstar STX-3和STX-2的地面終端模塊的EyeStar-Simplex解決方案

圖17 基于NSL自研的Eye Star-Duplex解決方案

1、技術(shù)

毫無(wú)疑問(wèn)，下一代中繼衛(wèi)星技術(shù)面向的是更高速的新時(shí)代。盡管NASA與歐空局在發(fā)展第二代中繼衛(wèi)星的思路并不相同，但在下一代中繼衛(wèi)星中，兩者都瞄準(zhǔn)了未來(lái)10年的“潛力股”——光通信技術(shù)。

美國(guó)MIT、JPL和NASA在這一領(lǐng)域已經(jīng)做出了卓越的努力和嘗試，只是在產(chǎn)業(yè)化上尚欠火候。而隨著2010年后微納衛(wèi)星的興起，越來(lái)越多的初創(chuàng)公司加入這一行列，從美國(guó)Utah小衛(wèi)星會(huì)議的情況來(lái)看，2014年后討論衛(wèi)星激光通信的論文顯著增加。相信在2020年前后，NASA會(huì)確定下一代中繼衛(wèi)星的最終方案，光通信毫無(wú)疑問(wèn)將包含在內(nèi)。

歐空局雖然在2001年就進(jìn)行了光通信中繼的嘗試，并早早明確了光通信在其中繼衛(wèi)星發(fā)展中的重要地位，但相較于美國(guó)目前較為分散的供應(yīng)商和產(chǎn)品情況，歐洲的光通信產(chǎn)品過(guò)于集中（主要集中在空中客車集團(tuán)）。所以可以說(shuō)短期內(nèi)，歐洲在光通信中繼衛(wèi)星領(lǐng)域可以說(shuō)仍強(qiáng)于美國(guó)，但數(shù)年之后的發(fā)展情況，可能存在較大變數(shù)。

我國(guó)在激光通信領(lǐng)域起步晚于歐美，但隨著近幾年的發(fā)展，也取得了不小的進(jìn)步。僅在2018年，就有“海洋二號(hào)”衛(wèi)星激光通信星地鏈路的首次試驗(yàn)，北斗三號(hào)衛(wèi)星首次搭載激光星間鏈路載荷，加上LaserFleet等公司規(guī)劃中的衛(wèi)星激光互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模化運(yùn)行，將使得未來(lái)10年，中國(guó)的衛(wèi)星激光通信產(chǎn)業(yè)有望逐漸成為世界上不容小覷的力量。

2、商業(yè)

無(wú)論是NASA還是歐空局，在中繼衛(wèi)星領(lǐng)域都提出了PPP模式，進(jìn)行了商業(yè)化的探索；而Addvalue、NSL、Audacy等私營(yíng)企業(yè)，更是瞄著商業(yè)中繼衛(wèi)星服務(wù)市場(chǎng)去大膽嘗試和開(kāi)拓。所以幾乎可以確定，未來(lái)的中繼衛(wèi)星業(yè)務(wù)會(huì)形成商業(yè)化的大環(huán)境。

既然是商業(yè)化，對(duì)降低成本以及提升性能的無(wú)限追求就不可避免。

對(duì)于NASA，我們可以看到其2016年10月發(fā)布的對(duì)于Space Network使用的費(fèi)率明細(xì)表，對(duì)于衛(wèi)星Ka頻段接入的費(fèi)用為136.37美元/分鐘，S頻段返向接入的費(fèi)用是12.59美元/分鐘，前向接入的費(fèi)用是22.03美元/分鐘。如果采用包年形式，一個(gè)節(jié)點(diǎn)收費(fèi)19.3萬(wàn)美元/年，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)收費(fèi)32.2萬(wàn)美元/年，三個(gè)節(jié)點(diǎn)收費(fèi)38.6萬(wàn)美元/年。這樣的明碼標(biāo)價(jià)至少說(shuō)明NASA的確有商業(yè)化的決心。在這樣的“指導(dǎo)價(jià)”下，其他商業(yè)中繼服務(wù)公司就可以比較明確地推出各自的價(jià)目表了。

比如上文提到的NSL公司就明確表示其EyeStar-Simplex的服務(wù)費(fèi)用構(gòu)成為定制終端+Globalstar的資費(fèi)。4000美元一個(gè)飛行級(jí)別的終端費(fèi)用包括了接口、裝配、天線/線纜、FCC的EMI測(cè)試和認(rèn)證、地面段軟件、優(yōu)化、FCC許可等支持；而資費(fèi)按照2015年的標(biāo)準(zhǔn)看，如果采用4096bps的TM信號(hào)，每分鐘的費(fèi)用約為100~300美元，高于NASA的費(fèi)用。

Audacy作為一個(gè)純商業(yè)公司，其資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)完全透明公開(kāi)。用通信行業(yè)的通俗叫法，Audacy的收費(fèi)方式就是包流量，而且是流量越大，單Gb價(jià)格越低。在Audacy的官方網(wǎng)站頁(yè)面下方有個(gè)簡(jiǎn)易的計(jì)算器，其中標(biāo)明了Audacy的收費(fèi)模式，最高價(jià)格為6.83美元/Gb，最低可達(dá)4美元/Gb。這個(gè)價(jià)格相對(duì)于NASA和Globalstar的服務(wù)價(jià)格要低得多。因此從Audacy宣布簽下1億美元訂單來(lái)看，其客戶和業(yè)務(wù)量著實(shí)不少。

3、應(yīng)用

歸根結(jié)底，通信中繼衛(wèi)星的本質(zhì)還是通信衛(wèi)星，因此許多中繼衛(wèi)星在通信的應(yīng)用上進(jìn)行了拓展，而許多通信衛(wèi)星則在中繼的應(yīng)用上進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。

中繼衛(wèi)星衍生出通信服務(wù)的最經(jīng)典案例，就是南極科考站對(duì)TDRSS衛(wèi)星的應(yīng)用。NASA在90年代就開(kāi)始了一項(xiàng)研究，利用TDRSS衛(wèi)星進(jìn)行南極點(diǎn)通信，以保障美國(guó)南極點(diǎn)科考站的正常工作。

而通信衛(wèi)星衍生出中繼服務(wù)方面，AddValue和NSL公司都正在嘗試，并看起來(lái)取得了較好的反響。我們相信在規(guī)則允許的基礎(chǔ)上，這類應(yīng)用將越來(lái)越多。