潮科技 | 成立三年即獲1億美元商業合同，從Audacy看中繼衛星行業商業化的發展趨勢
編者按：本文來自千域空天（ ofollow,noindex" target="_blank"> [email protected] ） ，作者 藍天翼、 曹夢，原文發自微信公眾賬號，36氪授權轉載。
2018年10月，在IAC會議上，Audacy宣佈已經與使用者簽署了1億美元的商業服務協議，包括地球觀測衛星，物聯網（IoT）和寬頻星座，運載火箭和深空任務。我看到這條新聞的第一感覺是，中繼衛星行業也終於開始商業化了？
可能很多朋友並不熟悉Audacy這家公司，Audacy Corporation成立於2015年，是一家衛星通訊服務提供商，其通訊服務不同於其他GEO和LEO通訊運營商的特點是，Audacy是一家資料中繼服務運營商，而其空間段的方案，是三顆MEO衛星。
在Audacy成立初期，看好Audacy的人並不多，但好在隨著近幾年低軌衛星產業的迅速發展，Audacy所提供的資料中繼服務逐漸顯現出了一定的市場空間， 在成立第三年的今天，Audacy也終於完成了1億美元的商業服務協議。
通訊中繼衛星系統這個能夠提供特殊的“衛星通訊服務”的通訊系統，從來都沒有以一個民營公司的形式出現過。但不可否認的是，通訊中繼衛星系統經過幾十年的發展，其出現了許多不曾出現的新趨勢，特別是越來越商業化了。
今天我們就來看一下通訊中繼衛星行業在近幾年來出現的新變化，以及逐漸的商業化路程。
美國是世界上率先開始發展資料中繼衛星系統的國家之一，歐洲則選擇了一條與美國並不完全一致的道路。作為世界上技術相對先進的兩大通訊衛星陣營群體，我們選擇歐洲和美國的資料中繼衛星系統，來看他們在資料中繼衛星系統發展的新變化和“商業”之路。
美國的三代Tracking Data Relay Satellite System(TDRSS)
美國的TDRSS是世界上發展最早的資料中繼衛星系統，TDRSS利用同步軌道的中繼衛星星座及相關地面系統，為低軌使用者任務提供跟蹤和資料中繼服務。從上世紀70年代首次提出TDRS到現在，美國的TDRSS系統已經發展成了三代衛星同時在軌，多個地面站協同工作的空間網路（Space Network）系統。
TDRS的第一代衛星由TRW公司（2002年該公司被Northrop Grumman收購）研製，共7顆衛星命名為TDRS-A/B/C/D/E/F/G，分別在1983年~1995年發射。其中除TDRS-B發射失敗，其他6顆均順利入軌並正常工作，衛星入軌後即更名為TDRS-1/3/4/5/6/7。2010年，TDRS-1退役；2012年TDRS-4退役。
TDRS的第二代衛星由Boeing公司研製，共3顆衛星命名為TDRS-H/I/J，這三顆衛星分別於2000年（1顆）和2002年（2顆）發射入軌後更名為TDRS-8/9/10，儘管這三顆衛星出現了部分故障，但現在這三顆衛星仍能夠正常提供服務。
TDRS的第三代衛星仍由Boeing公司研製，共3顆衛星命名為TDRS-K/L/M，這三顆衛星分別於2013年，2014年和2017年發射成功入軌後，更名為TDRS-11/12/13。根據Boeing在2016年使用者大會的報告顯示，除了TDRS-11的電源系統出現了故障，執行狀態一切正常。
在NASA從Boeing訂購第三代TDRS的時候，衛星數量2+2，也就是NASA最多可能從Boeing採購四顆TDRS衛星，但實際NASA並沒有啟動第四顆衛星，也就是TDRS-N的採購。據SpaceNews報道，NASA Space Communication and Navigation (SCaN)專案Deputy Associate Administrator Badri Younes曾表示，目前沒有看到在2025年的時間框架內需要額外的資料中繼功能的必要性。換句話說，目前在軌的TDRS衛星，已經 “足夠用了”。
美國TDRSS衛星的發展方向
如上文所述，目前的TDRS衛星可以滿足2025年前NASA的應用需求，但如果現在要瞄準的下一代TDRS是針對2025年之後的需求，需要有一些變化，例如頻寬需求的增加和商業化的未來。
在新一代的TDRS衛星中，已經可以確定的是一定會增加鐳射通訊的中繼終端，這是因為在未來的航天器上，會越來越多的使用鐳射通訊終端，鐳射通訊終端能夠在相同的功率消耗下提供100倍於之前的頻寬。同時，Younes說NASA還在考慮將一些新的衛星技術納入到下一代TDRS衛星上，例如Disruption Tolerant Networking和Quantum Entanglement。而Younes也表示，TDRS的未來還是由需求驅動的，一方面NASA可以從需求判斷出該採用哪些新技術，另一方面，NASA也在探索商業需求是否可以不由NASA來主導。
從新技術的角度看，Younes所在的NASA的SCaN專案中2013~2025的發展路線圖似乎印證了下一代TDRS衛星的一個發展方向，光通訊。
Laser Communications Relay Demonstration (LCRD)
LCRD專案是NASA第一個關於光通訊的長期專案，該專案致力於能夠將鐳射通訊技術應用在NASA規劃的下一代資料中繼衛星上，通過充分的實驗驗證解決多項關鍵技術。根據目前的專案規劃，LCRD載荷將搭載STPSat-6於2019年升空。
同時，在2017年NASA SCaN專案釋出了LCRD專案的實驗介紹白皮書，NASA期望能夠通過這份白皮書，向潛在的實驗使用者充分介紹LCRD任務的情況、目的和系統構架，幫助潛在實驗使用者瞭解他們可以利用LCRD進行的實驗型別，並說明潛在實驗者如何能夠像LCRD專案進一步瞭解或提交實驗申請的方式。
TDRS系統的public-private partnerships（PPP）模式
2018年9月，在美國Federal Business Opportunities的網站上，出現了一條關於NASA未來太空探索技術夥伴計劃（Next Space Technologies for Exploration Partnerships-2, NextSTEP-2）的研究。這似乎印證了之前Younes在2017年表示的NASA將探索的TDRS的商業化可能，即採用PPP模式而非政府採購。
在這一研究中，NASA表示“NASA正在考慮通過公私合作伙伴關係（PPP）與美國商業實體擴大其現有的空間中繼基礎設施，以開發共享衛星系統並提供商業通訊和/或導航服務。 PPP的引入允許NASA和商業實體作為合作伙伴（與典型的政府 - 承包商關係相比）通過共享投資、標準和分擔風險，在NASA使用者任務中開發和使用新功能。這些新功能可能有助於促進商業衛星通訊中繼服務市場（從低地球軌道到月球及其他地區）的增長，併為未來的NASA任務提供益處，與NASA設想的下一代架構保持一致。”
同時，在NASA最新的關於LCRD的介紹中，也很有意思的用這樣一張圖表示了下一代TDRS衛星的發展趨勢。
NASA對此的解釋是下一代TDRS並不會像大家想的那樣將射頻和光學以及可能採用的新技術全部放到一顆衛星上，而是會在下一代的構架中將不同的服務在多個航天器上實現。例如光學服務和射頻服務分離；有可能用一顆衛星實現一個節點的功能，也可能用Hosted Payload的形式去實現一個節點的功能；部分服務可以由商業或工業夥伴提供。
NASA認為這樣的“分離”的好處是：能夠獨立補充現有的服務能力，並且可以根據需求和技術成熟度部署新服務。
ESA的資料中繼系統
說到歐洲的資料中繼系統，可能大家首先會想到的就是European Data Relay System （EDRS）。但EDRS專案其實是在2008年才正式開展的，歐洲的資料中繼系統歷史比EDRS要長一些，而且從一開始歐洲的EDRS專案就表現了跟美國不同的思路。
Advanced Relay and Technology Mission Satellite (ARTEMIS)
ESA的第一顆資料中繼衛星是Advanced Relay and Technology Mission Satellite (ARTEMIS)。該衛星由Alenia Spazio公司研製，於2001年由Ariane 5火箭發射入軌。
儘管Ariane-5在這次發射中的上面級故障導致未將ARTEMIS送入指定軌道，但在ARTEMIS上本用於測試的電推進器在ARTEMIS的升軌過程中發揮了重要作用，從而使得ARTEMIS成為世界首顆通過電推進進行“自救”的GEO衛星。最終，在2003年1月，ARTEMIS成功抵達GEO軌道指定位置。
ARTEMIS衛星上用於中繼通訊的載荷包括一個SKDR（S/Ka-Band Data Relay）載荷和一個SILEX（Semiconductor Intersatellite Link Experiment）載荷。做為一顆在2001年發射的資料中繼衛星，除了傳統的S/Ka頻段中繼通訊裝置外，ARTEMIS大膽的鐳射中繼通訊載荷的嘗試，被認為是奠定了歐洲EDRS設計思路的基礎。
ARTEMIS的鐳射中繼通訊實驗
2001年11月21日，仍處於“Parking orbit”的ARTEMIS就迫不及待的與法國對地觀測衛星SPOT-4進行了中繼鐳射通訊的實驗對接。SPOT-4通過鐳射中繼通訊終端將影象資料（下圖）傳至ARTEMIS，再由ARTEMIS利用對地RF鏈路完成了一次中繼對接實驗。在ARTEMIS處於“Parking orbit”期間，ARTEMIS嘗試了多次與SPOT-4的光學連線，26次實驗均取得了成功。
2003年4月之後，ARTEMIS開始為法國的SPOT-4光學衛星和ESA的Envisat雷達衛星提供高速資料中繼業務。其中SPOT-4使用ARTEMIS的鐳射中繼鏈路，Envisat使用的是ARTEMIS的Ka中級鏈路。
在ARTEMIS啟動中繼業務運營的10個月內，共為Envisat提供了1370次連結共330小時的中繼服務，為SPOT-4提供了300次連結共60小時的中繼服務。
2004年2月在ESA出版的ARTEMIS宣傳冊中，ESA官方明確指出：“……小型的鐳射通訊終端在未來的空間資料中繼系統中將會非常具有競爭力。美國已經在關於高速通訊基礎設施的政策上出現變化，將集中在光學資料終極系統的應用上。因此，毫無疑問的是，歐洲工業不會在這一領域失去領先地位。”
2005年12月，ARTEMIS進行了與JAXA的OICETS衛星的LUCE（Laser Utilizing Communication Equipment）載荷雙向鐳射通訊鏈路實驗。
2006年12月，ARTEMIS還進行了與飛行在6000~10000m的Falcon 20飛機上LOLA（Liaison Optique Laser Aéroportée - Airborne Optical Laser Link）鐳射通訊終端的實驗並取得成功。
2008年，基於ARTEMIS 良好的實驗結果和 GMES（Global Monitoring for Environment and Security）專案對大容量中繼通訊的強烈需求，以及德國方面的強烈推動，ESA批准了EDRS計劃。
European Data Relay System (EDRS) 計劃
上文已經提到，ESA在發展歐洲的資料中繼系統時，採用了與美國並不相同的思路，其並沒有把美國最為關注的測控使用的S頻段作為重點，而是希望歐洲的資料中繼系統能夠起到幫助歐洲的LEO衛星迴傳載荷資料的主要目的。因此在EDRS系統中，ESA最關注的是鐳射通訊的Ka頻段通訊。
2011年，ESA確定以PPP模式開展EDRS計劃，由ESA和Airbus牽頭建設、運營和共同投資EDRS專案，並未ESA和全球客戶提供資料中繼服務；根據2011年10月ESA與Aribus簽署的PPP協議，EDRS系統預計將在2014年開始服務，Airbus將獲得EDRS系統的所有權，並將負責未來15年的運營。
同時，歐洲13個國家的50家公司加入了EDRS聯盟以確保該專案的工業水平保持在世界前沿。
EDRS一期的計劃包括EDRS-A和EDRS-C，其中EDRS-A將包括鐳射中繼與Ka頻段中繼兩種中繼方式，該載荷將以Hosted Payload的形式隨Eutelsat 9B入軌，因此該衛星命名為Eutelsat 9B / EDRS-A；EDRS-C衛星僅有鐳射中繼一種中繼方式，該衛星將搭載Avanti公司的Ka通訊載荷Hylas-3入軌，因此該衛星命名為EDRS-C / Hylas-3。EDRS-A於2016年1月發射成功，EDRS-C經過數次推遲後，預計將在2019年發射。
EDRS計劃的鐳射中繼載荷LCT
在EDRS計劃中，有一股不可忽視的力量來自德國。上文提到EDRS的主要推動方就是德國，而DLR也在為EDRS提供資金和地面部分的開發，並在運營方面發揮重要的作用，而EDRS計劃中的鐳射中繼載荷，恰好也來自德國的TESAT公司，在EDRS計劃中，LCT能夠提供高達1.8Gbps的中繼通訊速率。
前文提到的ARTEMIS的鐳射中繼通訊載荷SILEX是由MMS公司研製的，後該公司被EADS Astrium公司收購。SILEX的成功奠定了歐洲在衛星鐳射通訊領域的絕對領先地位，但最終EDRS專案還是選擇了來自德國TESAR的LCT (Laser Communication Terminal) 載荷。我們通過下表可以對比TESAT LCT與SILEX的效能指標對比。
NASA和ESA的資料中繼衛星代表了世界資料中繼衛星技術趨勢的前沿，對於未來商業化的考慮，兩者都選擇了PPP模式。
而從純商業角度出發，我們也發現了一些有意思的“資料中繼衛星”公司。在此一併與大家分享。
利用GEO通訊衛星進行衛星中繼通訊的（Inter-Satellite Data Relay System） IDRS
我第一次見到IDRS系統是在2015年的一次發射新聞之後，新加坡一顆名為VELOX-II的衛星在發射成功後宣佈將進行“Inter-Satellite Data Relay System”的實驗。
因為與GEO中繼衛星通訊，需要的LEO衛星的EIRP值並不低。本著對Cubesat如何與GEO中繼衛星通訊的好奇，我對VELOX-II進行了查詢，並找到了這項實驗的載荷提供方，新加坡AddValue Technologies。
通過調研發現，這項技術並非是Cubesat與傳統GEO中繼衛星進行的星間資料中繼實驗，而是通過與Inmarsat衛星的通訊，利用Inmarsat的L頻段通道作為星間中級鏈路，再利用Inmarsat的與地面閘道器的Feeder Link完成Cubesat的資料中繼任務。
經過VELOX-II的成功實驗驗證，2017年2月，AddValue Technologies與Inmarsat簽署MOU，將來會一起為LEO衛星市場提供名為IDRS的資料中繼服務。
在今年的IAC會議上，AddValue做了名為《Inter-Satellite Data Relay System (IDRS) for LEO Satellites Using a Commercially Available GEO Satellite System》的報告，報告中，AddValue給出了三種可以用於LEO衛星或運載的資料中繼服務終端，預計將在2019年開始投入市場。
利用低軌通訊星座進行衛星通訊中繼的Near Space Launch
無獨有偶，有利用GEO通訊衛星進行資料中繼商業服務的公司，也出現了利用LEO通訊衛星星座進行資料中繼商業服務的公司。
2014年起，一家名為Near Space Launch Inc.的公司頻頻在美國的小衛星會上出現，並帶來他們的最新商業中繼解決方案，利用Globalstar衛星解決Cubesat的衛星中繼難題。
目前NSL公司成熟的解決方案有兩種，一種是基於Globalstar STX-3和STX-2的地面終端模組的EyeStar-Simplex
一種是基於NSL自研的EysStar-Duplex。
目前，NSL已經在多個衛星上進行了利用Globalstar進行中繼通訊的實驗，並獲得了成功，從NSL官方提供的資料來看，其EyeStar產品的後期銷售情況非常好。
而對於我最關注的原先Globalstar的Earth-Space和Space-Earth MSS頻段是否可以用於Space-Space的ISL業務，NSL也在官方介紹中特別強調了，其獲得了“FCC Cubesat to Satellite Commercial License”.
利用MEO衛星進行衛星中繼通訊的Audacy
三顆中地球軌道（MEO）衛星將構成Audacy中繼網路的空基部分，其衛星預計將在2020年準備好進行商業運營，而地球站網路將在2019年初開始提供服務。
Audacy的一半以上協議是與美國公司簽訂的，其餘部分分別在歐洲和亞太地區，包括中國，日本，印度，澳大利亞和新加坡等國家。在這些地區中，Audacy表示，去年新加坡辦事處開業後，其增長最快的是亞太地區。
Audacy宣佈的客戶包括Hiber Global、HydroSat、Gilmour Space、Equatorial Space Industries、Infinite Orbit、Indus、Cislunar等公司。到目前為止，該公司已籌集了大約1100萬美元的風險投資。
Audacy在2018年5月獲得了FCC的頻率許可，這意味著Audacy具備了理論上為其美國客戶提供服務的行政許可。
可以提供鐳射中繼通訊服務的中國公司LaserFleet
寫了這麼多國外的中繼衛星和商業化中繼衛星服務公司，恰好前面提到了，就也說說中國公司LaserFleet。
在武漢舉辦的第四屆中國商業航天論壇上，LaserFleet的CEO潘運濱做了題為《面向航天網際網路的低軌衛星星座鐳射網際網路系統》的報告，在報告中，潘運濱提到，LaserFleet目前的產品線和能力，也能夠覆蓋LEO-GEO的中繼通訊能力。而且LaserFleet通過與上海光學精密機械研究所的合作，目前也具備了光學通訊載荷終端的自研和生產能力。
通過LaserFleet的材料介紹，我們能夠看到，儘管LaserFleet的定位是提供飛機鐳射網際網路接入的系統，但在其官方材料中，已經出現了用於LEO-GEO的中繼鏈路和相應的解決方案介紹。
相比較於EDRS的僅在LEO-GEO或飛機-GEO採用光通訊鏈路的方案，LaserFleet顯得更為大膽，在LEO-地面和GEO-地面均採用了鐳射鏈路進行通訊，這就要求在潛在的服務區域，需要有相應的鐳射通訊地面站進行支援。
好在現在的發展趨勢下，這似乎都不是問題，美國的地面站網服務運營商RBC Signals在武漢宣佈了即將開展鐳射通訊地面站的建設和鐳射通訊技術的研發後不久，另一家全球領先的全球地面站網服務提供商Kongsberg Satellite Services宣佈，將與Tesat一同建設鐳射通訊地面站。
中繼衛星系統的發展趨勢
說了這麼多，最後還是想總結一下，中繼衛星經歷了近40年的發展，其作用毫無疑問，已經被許許多多的任務證實了是有效和必需的。
結合我對傳統中繼衛星業務和新出現的中繼衛星業務的一些認識，想從三個角度來說中繼衛星發展的新趨勢。分別是技術、商業和應用。
技術
毫無疑問下一代中繼衛星技術面向的是更高速的新時代，NASA儘管與ESA在發展第二代中繼衛星的思路並不相同，但在下一代中繼衛星中，都瞄準了未來10年可能會火的光通訊技術。
美國MIT，JPL和NASA在這一領域已經做出了卓越的努力和嘗試，只是在產品化上尚欠火候，隨著2010年後微納衛星的興起，越來越多的初創公司也加入這一行列，從美國Utah小衛星會議的情況來看，2014年後討論衛星鐳射通訊的論文已經顯著增加。相信在2020年前後，NASA會最終提出下一代中繼衛星的最終方案，光通訊毫無疑問會包含在內。
ESA在2001年就進行了光通訊中繼的嘗試，並早早明確了光通訊在其中繼衛星發展過程中的重要地位。但相比較於美國現在的較為分散的供應商和產品情況，歐洲的光通訊產品更為集中（主要都集中在Airbus一家）。儘管能夠確定的是歐洲在光通訊中繼衛星領域短期內仍會強於美國，但數年之後的情況，變數很大。
我國相對而言在鐳射通訊領域起步晚於歐美，但隨著近幾年的發展，也在鐳射通訊領域取得了不小的進步。海洋衛星上鐳射通訊星地鏈路的首次試驗，北斗三號衛星上鐳射星間鏈路的業務執行和未來LaserFleet鐳射網際網路的規模化執行，將使得未來10年中國的衛星鐳射通訊產業逐漸成為世界上不可或缺的力量。
商業
無論是NASA還是ESA，在中繼衛星領域都提出了PPP模式和商業化的探索，而作為Addvalue、NSL、Audacy和LaserFleet，則更是瞄著商業中繼衛星領域的大膽嘗試。所以可以確定的是，未來的中繼衛星業務，至少在下一代的中繼衛星業務，會形成商業化的大環境。
在商業化的環境中，不可避免的是對成本降低以及效能提升的追求。
對於NASA，我們可以看到其2016年10月釋出的對於Space Network使用的費率明細表，對於衛星Ka頻段接入的費用為136.37美元/分鐘，S頻段返向接入的費用是12.59美元/分鐘，前向接入的費用是22.03美元/分鐘。如果採用包年形式，一個節點收費19.3萬美元/年，兩個節點收費32.2萬美元/年，三個節點收費38.6萬美元/年。NASA的明碼標價還是讓人覺得，商業化的真是不錯。在這樣的“指導價”下，其他商業中繼服務公司就可以很明確自己的價目表了。
比如上文提到的NSL，其明確表示的是自己的EyeStar-Simplex的服務費用就是是定製終端+Globalstar的資費。4000美元一個飛行級別的終端費用包括了介面、裝配，天線/線纜，FCC的EMI測試和認證，地面段軟體，優化，FCC許可等支援，而資費按照2015年的標準看，如果採用4096bps的TM訊號，每分鐘的費用約為100~300美元，高於NASA的費用。
Audacy作為一個純商業公司，其資費完全透明公開、用現在通訊行業比較通俗的叫法，Audacy的收費方式就是包流量，而且是流量越大，單Gb價格越低。在Audacy的頁面下方有個簡易的計算器，其中標明瞭Audacy的收費模式，我們使用該工具計算了一下，最高價格為6.83美元/Gb，最低可達到4美元/Gb。這個價格相對於NASA和Globalstar的服務價格，要低得多。因此Audacy要簽下1億 美元的訂單，客戶著實不少。
應用
最後來說說應用的趨勢。歸根結底，通訊中繼衛星的本質還是通訊衛星，因此許多中繼衛星在通訊的應用上進行了拓展，而許多通訊衛星則在中繼的應用上進行了開發。
中繼衛星變通訊的例子最經典的就是南極點科考站對TDRSS衛星的應用了。在90年代NASA就開始了一項研究，利用TDRSS衛星進行南極點的通訊，以保障美國在南極點的科考站的通訊。該研究進行後，美國將退役的TDRSS-1用於南極點的通訊，大大解決了其通訊問題。
而通訊衛星變中繼的例子上文的AddValue和NSL都正在嘗試並看起來取得了較好的反響，我們相信在規則允許的基礎上，這類應用還會越來越多的。