中继卫星商业化发展趋势

+ 蓝天翼 曹 梦

2018年10月的一条新闻引人关注——在第69届国际宇航大会（IAC 2018）上，初创公司Audacy宣布已经与用户签署了1亿美元的商业服务协议，服务对象包括地球观测卫星、物联网（IoT）和宽带星座、运载火箭和深空任务。难道中继卫星行业也终于开始商业化了？

Audacy公司成立于2015年，是一家卫星通信服务提供商。Audacy不同于其他GEO和LEO通信运营商的特点是，提供的通信服务是卫星的数据中继，其空间段的方案，是三颗MEO卫星。

在Audacy成立初期，并不为人看好，但随着近年来全球范围内低轨卫星产业的迅速发展，Audacy所提供的数据中继服务逐渐显现出了一定的市场空间。在成立的第三年，他们也终于达成了1亿美元的商业服务协议。

虽然在Audacy之前，提供特殊的“卫星通信服务”的通信中继卫星系统，从来没有以民营公司的主体形式出现过。但不得不说，经过几十年的发展，通信中继卫星系统早已出现了许多新的趋势，特别是商业化方面。

作为世界上技术相对领先的两大通信卫星阵营群体，美国是世界上率先开始发展数据中继卫星系统的国家之一，欧洲则选择了一条与美国并不完全一致的道路，以至在较为前沿的激光中继通信领域占得先机；近年来，一些私营公司逐渐在传统由政府“把持”的卫星中继通信市场也占得一席之地。本文将分别介绍美国和欧洲的“国家队”数据中继卫星系统和“商业”趋势，以及私营企业在这一领域的创新，以此来展现中继卫星行业的新变化，及逐渐商业化的路程。

一、美国TDRSS

美国“跟踪与数据中继卫星系统”（Tracking Data Relay Satellite System，TDRSS）是世界上发展最早的数据中继卫星系统。TDRSS利用同步轨道的中继卫星星座及相关地面系统，为低轨用户任务提供跟踪和数据中继服务。从上世纪70年代首次提出TDRS到现在，美国的TDRS系统已经发展成为三代卫星同时在轨（图1），多个地面站协同工作的空间网络系统。

图1 三代TDRS同时在轨

1、三代TDRS卫星

跟踪与数据中继卫星（Tracking Data Relay Satellite，TDRS）的第一代卫星由TRW公司研制（图2），共7颗卫星，命名为TDRS-A/B/C/D/E/F/G，分别在1983年~1995年发射。其中除TDRS-B发射失败，其他6颗均顺利入轨并正常工作，卫星入轨后即分别更名为TDRS-1/3/4/5/6/7。2010年，TDRS-1退役；2012年，TDRS-4退役。

TDRS的第二代卫星（图3）由波音公司研制，共三颗卫星命名为TDRS-H/I/J，分别于2000年（1颗）和2002年（2颗）发射，入轨后更名为TDRS-8/9/10。尽管这三颗卫星出现了部分故障，但至今仍能够正常提供服务。

TDRS的第三代卫星（图4）仍由波音公司研制，共三颗卫星，命名为TDRS-K/L/M，分别于2013年、2014年和2017年发射，成功入轨后更名为TDRS-11/12/13。根据波音公司在2016年用户大会的报告显示，除了TDRS-11的电源系统出现了故障，三颗卫星运行状态一切正常。

在NASA从波音公司订购第三代TDRS的时候，卫星数量2+2，也就是NASA最多可能从波音公司采购四颗TDRS卫星，但实际NASA并没有启动第四颗卫星，也就是TDRS-N的采购。据SpaceNews报道，NASA空间通信与导航 (SCaN)项目副行政官Badri Younes曾表示，目前没有看到在2025年的时间框架内需要额外的数据中继功能的必要性。换句话说，目前在轨的TDRS卫星，已经 “足够用了”。

2、TDRSS的发展方向

虽然目前的TDRS卫星可以满足2025年前NASA的应用需求，但如果针对2025年之后的需求，下一代TDRS仍需要考虑一些变化，例如带宽需求的增加和商业化的未来。

2.1 增加带宽：使用光通信等新技术

在新一代的TDRS卫星中，大概率会增加激光通信的中继终端，这是因为在未来的航天器上，会越来越多地使用激光通信，激光通信能够在相同的功率消耗下提供100倍于之前的带宽。同时，Younes表示NASA还在考虑将一些新的卫星技术纳入到下一代TDRS卫星上，例如容错网络与量子纠缠（Disruption Tolerant Networking and Quantum Entanglement）。而更重要的是，TDRS的未来还是由需求驱动的，一方面NASA可以从需求判断出该采用哪些新技术；另一方面，NASA也在探索商业需求是否可以不由NASA来主导。

从新技术的角度看，SCa N项目中2013~2025的发展路线图（图5）似乎印证了下一代TDRS卫星的一个发展方向——光通信。

激光通信中继演示(Laser Communications Relay Demonstration， LCRD)项目是NASA第一个关于光通信的长期项目，该项目致力于能够将激光通信技术应用在NASA规划的下一代数据中继卫星上，通过充分的实验验证解决多项关键技术（图6）。根据目前的项目规划，LCRD载荷将搭载在STPSat-6卫星上，预计于2019年升空。

同时，2017年NASA SCaN项目发布了LCRD项目的实验介绍白皮书，NASA期望能够通过这份白皮书，向潜在的实验用户充分介绍LCRD任务的情况、目的和系统构架，帮助潜在实验用户了解他们可以利用LCRD进行的实验类型，并说明潜在实验者如何能够像LCRD项目进一步了解或提交实验申请的方式。

图2 第一代TDRS卫星

图3 第二代TDRS卫星

图4 第三代TDRS卫星

2.2 商业化探索：TDRS系统的PPP模式

2018年9月，在美国Federal Business Op p or tunities的网站上，出现了一条关于N A SA未来太空探索技术伙伴计划（Next Space Technologies for Exploration Partnerships-2, NextSTEP-2）的研究。这似乎印证了Younes在2017年表示的NASA将探索TDRS商业化的可能，即采用公私合营伙伴关系（PPP）模式而非政府采购。

这一研究表明，“NASA正在考虑通过PPP与美国商业实体扩大其现有的空间中继基础设施，以开发共享卫星系统并提供商业通信和/或导航服务。PPP的引入允许NASA和商业实体作为合作伙伴（与传统的政府-承包商关系相比）通过共享投资、标准和分担风险，在NASA用户任务中开发和使用新功能。这些新功能可能有助于促进商业卫星通信中继服务市场（从低地球轨道到月球及其它地区）的增长，并为未来的NASA任务提供益处，与NASA设想的下一代架构保持一致。”

同时，NASA在最新的关于LCRD的介绍中，用一张有意思的图片表示了下一代TDRS卫星的发展趋势（图7）。如图所示，下一代TDRS并不采用传统的卫星升级模式，将射频和光学以及可能采用的新技术全部放到一颗卫星上，而是会在下一代的构架中，使得不同的服务在多个航天器上实现。例如光学服务和射频服务分离；有可能用一颗卫星实现一个节点的功能，也可能用搭载有效载荷的形式去实现一个节点的功能；部分服务可以由商业或工业伙伴提供。

NASA认为“分离”的好处是：能够独立补充现有的服务能力，并且可以根据需求和技术成熟度部署新服务。

图5 SCaN项目2013~2025的发展路线图

图6 LCRD项目示意图

图7 下一代卫星发展趋势图

二、欧洲数据中继系统

提到欧洲的数据中继系统，人们可能首先会想到“欧洲数据中继系统”（European Data Relay System，EDRS）。EDRS项目开展于2008年，但欧洲的数据中继系统的历史比EDRS更长，并且从一开始，EDRS项目就表现出跟美国的卫星中继系统不同的思路。

1、先进中继技术卫星 (ARTEMIS)

欧空局（ESA）的第一颗数据中继卫星是先进中继技术卫星（Advanced Relay and Technology Mission Satellite，ARTEMIS，图8）。该卫星由阿莱尼亚航天公司研制，于2001年由阿里安-5火箭发射。但火箭因上面级故障，未能将ARTEMIS送入指定轨道，此时ARTEMIS上本用于测试的电推进器发挥了重要作用，使得ARTEMIS成为世界首颗通过电推进系统进行升轨“自救”的GEO卫星。最终，在2003年1月，ARTEMIS成功抵达GEO轨道指定位置。

A RTEM IS卫星上用于中继通信的载荷包括一个S/K a频段数据中继载荷（SKDR）和一个半导体激光星间链路实验载荷（Semiconductor Intersatellite Link Experiment，SILEX）。做为一颗在2001年发射的数据中继卫星，ARTEMIS除了传统的S/Ka频段中继通信设备，还大胆进行了激光中继通信载荷的尝试，此举被认为奠定了欧洲EDRS设计思路的基础。因此本文将重点介绍ARTEMIS的激光中继通信实验。

2001年11月21日，仍处于停泊轨道的ARTEMIS就迫不及待地与法国对地观测卫星SPOT-4进行了中继激光通信的实验对接。SPOT-4通过激光中继通信终端将图像数据传至ARTEMIS，再由ARTEMIS利用对地射频链路传输给地面，完成了首次中继对接实验（图9）。在ARTEMIS处于停泊轨道期间，ARTEMIS多次尝试与SPOT-4的光学连接，所有26次实验均取得了成功。

2003年4月之后，ARTEM IS开始为SPOT-4光学卫星和欧空局的Envisat雷达卫星提供高速数据中继服务。其中SPOT-4使用ARTEMIS的激光中继链路，Envisat使用ARTEMIS的Ka中继链路。

在ARTEMIS启动中继业务运营的10个月内，为Envisat提供了共计1370次链接、330小时的中继服务，为SPOT-4提供了共计300次链接、60小时的中继服务。

ARTEMIS的激光中继通信实验取得了巨大的成功，2004年2月在欧空局出版的ARTEMIS宣传册中，欧空局官方明确指出：“……小型的激光通信终端在未来的空间数据中继系统中将会非常具有竞争力。美国已经在关于高速通信基础设施的政策上出现变化，将集中在光学数据中继系统的应用上。因此，毫无疑问，欧洲工业不会在这一领域失去领先地位。”

此后，ARTEMIS持续开展针对不同目标的中继实验。2005年12月，ARTEMIS与JAXA的OICETS卫星进行了双向激光通信链路实验（图10）：2006年12月，ARTEMIS与飞行在6000~10000米高度的法国Falcon 20飞机进行了激光通信实验并取得成功（图11），Falcon 20飞机上装载了LOLA机载激光通信终端。

图8 欧空局ARTEMIS卫星

图9 SOPT-4卫星首次通过ARTEMIS卫星中继传回地面的图像

2、欧洲数据中继系统（EDRS）

2.1 概况及PPP模式

2008年，基于ARTEMIS 良好的实验结果，以及由欧盟和欧空局联合发起的全球环境与安全监控项目（GMES，后改名为“哥白尼计划”）对大容量中继通信的强烈需求，以及德国方面的积极推动，欧空局批准了欧洲数据中继系统（EDRS）计划。

上文已经提到，欧空局在发展欧洲的数据中继系统时，采用了与美国并不相同的思路，并没有把美国最为关注的测控使用的S频段作为重点，而是聚焦在为欧洲的LEO卫星回传载荷数据的功能上。因此在EDRS系统中，激光通信和Ka频段通信是其中的重点。

2011年，欧空局确定以PPP模式开展EDRS计划，由欧空局和Astrium公司（归属现空中客车集团）牵头建设、运营和共同投资，最终为欧空局和全球客户提供数据中继服务。根据2011年10月欧空局与Astrium公司签署的PPP协议，EDRS系统预计将在2014年开始服务，Astrium公司将获得EDRS系统的所有权，并将负责未来15年的运营。同时，欧洲13个国家的50家公司加入了EDRS联盟以确保该项目的工业水平保持在世界前沿。

EDRS一期计划包括EDRS-A和EDRS-C卫星，其中EDRS-A包括激光与Ka频段两种中继方式，该载荷将以寄宿载荷的形式随Eutelsat 9B卫星入轨，因此该卫星命名为Eutelsat 9B /EDRS-A；EDRS-C卫星本身仅有激光一种中继方式，该卫星将搭载Avanti公司的Ka通信载荷Hylas-3入轨，因此该卫星命名为EDRS-C/ Hylas-3。EDRS-A于2016年1月发射成功，EDRS-C经过数次推迟后，预计将在2019年发射。

2.2 EDRS的激光中继载荷LCT

德国是EDRS项目的主要推动方，德国宇航中心（DLR）在为EDRS项目提供资金和地面系统开发，以及运营方面都发挥了重要作用。而EDRS计划中的激光中继载荷（Laser Communication Terminal，LCT，图12）来自德国的TESAT Spacecom公司，该载荷能够提供高达1.8Gbps的中继通信速率。

前文提到ARTEMIS卫星的激光中继通信载荷SILEX是由MMS公司研制的，后该公司被Astrium公司收购。SILEX的成功奠定了欧洲在卫星激光通信领域的绝对领先地位，但最终EDRS项目还是选择了来自德国TESAT公司的LCT载荷（表1对LCT与SILEX的性能指标进行了对比）。

图10 2005年12月，ARTEMIS与JAXA的OICETS卫星进行了双向激光通信链路实验

图11 2006年12月，ARTEMIS与法国Falcon 20飞机进行了激光通信实验

三、进入中继通信领域的私营公司

NASA和欧空局的数据中继卫星代表了该领域世界技术趋势的前沿，在未来商业化方面，两者都选择了PPP模式。而从纯商业角度出发，我们也发现了一些有意思的“数据中继卫星”公司。

1、利用GEO通信卫星进行中继通信

2015年，新加坡一颗名为VELOX-II的6U立方星在发射成功后宣布，将进行星间数据中继系统（Inter-Satellite Data Relay System，IDRS）实验。

LEO卫星要与GEO中继卫星进行通信，需要不低的EIRP值。如何解决这个问题？通过对VELOX-II进行调查发现，其搭载的中继通信实验载荷的提供方——新加坡电子硬件制造商AddValue公司，正是国际海事卫星组织（Inmarsat）的BGAN移动卫星终端的授权开发商。

因此，这次实验并非是立方星与传统GEO中继卫星进行的星间数据中继，而是立方星与Inmarsat的GEO卫星通信，利用Inmarsat卫星的L频段信道作为星间中继链路，再利用Inmarsat卫星与地面网关的馈电链路完成立方星的数据中继任务（图13）。

经过VELOX-II的成功实验验证，2017年2月，AddValue公司与Inmarsat签署谅解备忘录，将共同为LEO卫星市场提供名为IDRSTM的数据中继服务（图14）。但这项新服务不太适合数百颗卫星的庞大星座，也不适用于地球观测任务，因为它们需要巨大的通信容量。

2018年7月，Inmarsat公司与AddValue公司正式签订协议，将使用IDRS系统共同简化小型卫星的商业和研究运营方式。随后在2018年第69届国际宇航联大会(IAC)期间，Add Value公司发表了名为《使用商用GEO卫星系统服务于LEO卫星的星间数据中继系统》的报告。报告中，AddValue给出了三种可以部署在LEO卫星或运载上的数据中继服务终端（图15），预计将在2019年开始投入市场。

表1 ARTEMIS项目的SILEX与EDRS项目的LCT两种激光中继通信载荷的参数对比

图13 搭载IDRS终端的LEO卫星，能够通过Inmarsat-4 GEO卫星进行中继通信

图12 EDRS计划中的激光中继载荷LCT

2、利用低轨通信星座进行卫星通信中继

无独有偶，有基于商用GEO通信卫星进行数据中继商业服务的公司，也出现了基于商用LEO通信卫星星座进行数据中继商业服务的公司。

2014年起，一家名为Near Space Launch Inc.（NSL）的公司活跃于美国的小卫星会议，并带来他们的最新商业中继解决方案——利用Globalstar卫星解决立方星的卫星中继难题。

目前NSL公司成熟的解决方案有两种，一是基于Globalstar STX-3和STX-2的地面终端模块的EyeStar-Simplex（图16），二是基于NSL自研的EyeStar-Duplex（图17）。

目前，NSL已经在多个卫星上进行了利用Globalstar进行中继通信的实验，并获得了成功。并且NSL称，他们已经从FCC获得相关星间商业通信的频率许可，扫清了运营障碍。从其官方提供的数据来看，EyeStar产品的后期销售相当不俗。

3、利用MEO卫星进行卫星中继通信

回到文章开头提到的Audacy。三颗中地球轨道（MEO）卫星将构成Audacy中继网络的空基部分，其卫星预计将在2020年具备商业运营条件，而地球站网络将在2019年初开始提供服务。

Audacy获得的订单一半以上来自美国公司，其余则分别来自欧洲和亚太地区，包括中国、日本、印度、澳大利亚和新加坡等国家。Audacy表示，去年其新加坡办事处开业后，业务增长最快的是亚太地区。

到目前为止，Audacy已筹集了大约1100万美元的风险投资。Audacy在2018年5月获得了FCC的频率许可，这意味着理论上具备了为美国客户提供服务的行政许可。

图14 IDRS系统示意图

图15 Add Value推出3种可布署在LEO卫星上的中继服务终端

四、中继卫星系统的发展趋势

中继卫星经历了近40年的发展，其作用毫无疑问，已经被许许多多的任务证实是有效和必需的。

结合对传统中继卫星业务和新兴中继卫星业务的一些认识，这里我们想从三个角度浅谈中继卫星技术及行业发展的新趋势。

图16 基于Globalstar STX-3和STX-2的地面终端模块的EyeStar-Simplex解决方案

图17 基于NSL自研的Eye Star-Duplex解决方案

1、技术

毫无疑问，下一代中继卫星技术面向的是更高速的新时代。尽管NASA与欧空局在发展第二代中继卫星的思路并不相同，但在下一代中继卫星中，两者都瞄准了未来10年的“潜力股”——光通信技术。

美国MIT、JPL和NASA在这一领域已经做出了卓越的努力和尝试，只是在产业化上尚欠火候。而随着2010年后微纳卫星的兴起，越来越多的初创公司加入这一行列，从美国Utah小卫星会议的情况来看，2014年后讨论卫星激光通信的论文显著增加。相信在2020年前后，NASA会确定下一代中继卫星的最终方案，光通信毫无疑问将包含在内。

欧空局虽然在2001年就进行了光通信中继的尝试，并早早明确了光通信在其中继卫星发展中的重要地位，但相较于美国目前较为分散的供应商和产品情况，欧洲的光通信产品过于集中（主要集中在空中客车集团）。所以可以说短期内，欧洲在光通信中继卫星领域可以说仍强于美国，但数年之后的发展情况，可能存在较大变数。

我国在激光通信领域起步晚于欧美，但随着近几年的发展，也取得了不小的进步。仅在2018年，就有“海洋二号”卫星激光通信星地链路的首次试验，北斗三号卫星首次搭载激光星间链路载荷，加上LaserFleet等公司规划中的卫星激光互联网的规模化运行，将使得未来10年，中国的卫星激光通信产业有望逐渐成为世界上不容小觑的力量。

2、商业

无论是NASA还是欧空局，在中继卫星领域都提出了PPP模式，进行了商业化的探索；而Addvalue、NSL、Audacy等私营企业，更是瞄着商业中继卫星服务市场去大胆尝试和开拓。所以几乎可以确定，未来的中继卫星业务会形成商业化的大环境。

既然是商业化，对降低成本以及提升性能的无限追求就不可避免。

对于NASA，我们可以看到其2016年10月发布的对于Space Network使用的费率明细表，对于卫星Ka频段接入的费用为136.37美元/分钟，S频段返向接入的费用是12.59美元/分钟，前向接入的费用是22.03美元/分钟。如果采用包年形式，一个节点收费19.3万美元/年，两个节点收费32.2万美元/年，三个节点收费38.6万美元/年。这样的明码标价至少说明NASA的确有商业化的决心。在这样的“指导价”下，其他商业中继服务公司就可以比较明确地推出各自的价目表了。

比如上文提到的NSL公司就明确表示其EyeStar-Simplex的服务费用构成为定制终端+Globalstar的资费。4000美元一个飞行级别的终端费用包括了接口、装配、天线/线缆、FCC的EMI测试和认证、地面段软件、优化、FCC许可等支持；而资费按照2015年的标准看，如果采用4096bps的TM信号，每分钟的费用约为100~300美元，高于NASA的费用。

Audacy作为一个纯商业公司，其资费标准完全透明公开。用通信行业的通俗叫法，Audacy的收费方式就是包流量，而且是流量越大，单Gb价格越低。在Audacy的官方网站页面下方有个简易的计算器，其中标明了Audacy的收费模式，最高价格为6.83美元/Gb，最低可达4美元/Gb。这个价格相对于NASA和Globalstar的服务价格要低得多。因此从Audacy宣布签下1亿美元订单来看，其客户和业务量着实不少。

3、应用

归根结底，通信中继卫星的本质还是通信卫星，因此许多中继卫星在通信的应用上进行了拓展，而许多通信卫星则在中继的应用上进行了开发。

中继卫星衍生出通信服务的最经典案例，就是南极科考站对TDRSS卫星的应用。NASA在90年代就开始了一项研究，利用TDRSS卫星进行南极点通信，以保障美国南极点科考站的正常工作。

而通信卫星衍生出中继服务方面，AddValue和NSL公司都正在尝试，并看起来取得了较好的反响。我们相信在规则允许的基础上，这类应用将越来越多。