编者按：本文来自千域空天（lantianyi@ubnebula.com），作者蓝天翼、 曹梦，原文发自微信公众账号，36氪授权转载。
2018年10月，在IAC会议上，Audacy宣布已经与用户签署了1亿美元的商业服务协议，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。我看到这条新闻的第一感觉是，中继卫星行业也终于开始商业化了？
可能很多朋友并不熟悉Audacy这家公司，Audacy Corporation成立于2015年，是一家卫星通信服务提供商，其通信服务不同于其他GEO和LEO通信运营商的特点是，Audacy是一家数据中继服务运营商，而其空间段的方案，是三颗MEO卫星。
在Audacy成立初期，看好Audacy的人并不多，但好在随着近几年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，在成立第三年的今天，Audacy也终于完成了1亿美元的商业服务协议。
通信中继卫星系统这个能够提供特殊的“卫星通信服务”的通信系统，从来都没有以一个民营公司的形式出现过。但不可否认的是，通信中继卫星系统经过几十年的发展，其出现了许多不曾出现的新趋势，特别是越来越商业化了。
今天我们就来看一下通信中继卫星行业在近几年来出现的新变化，以及逐渐的商业化路程。
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。作为世界上技术相对先进的两大通信卫星阵营群体，我们选择欧洲和美国的数据中继卫星系统，来看他们在数据中继卫星系统发展的新变化和“商业”之路。
美国的三代Tracking Data Relay Satellite System(TDRSS)
美国的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TDRSS系统已经发展成了三代卫星同时在轨，多个地面站协同工作的空间网络（Space Network）系统。
TDRS的第一代卫星由TRW公司（2002年该公司被Northrop Grumman收购）研制，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的第二代卫星由Boeing公司研制，共3颗卫星命名为TDRS-H/I/J，这三颗卫星分别于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，但现在这三颗卫星仍能够正常提供服务。
TDRS的第三代卫星仍由Boeing公司研制，共3颗卫星命名为TDRS-K/L/M，这三颗卫星分别于2013年，2014年和2017年发射成功入轨后，更名为TDRS-11/12/13。根据Boeing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，运行状态一切正常。
在NASA从Boeing订购第三代TDRS的时候，卫星数量2+2，也就是NASA最多可能从Boeing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 Space Communication and Navigation (SCaN)项目Deputy Associate Administrator 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”。
美国TDRSS卫星的发展方向
如上文所述，目前的TDRS卫星可以满足2025年前NASA的应用需求，但如果现在要瞄准的下一代TDRS是针对2025年之后的需求，需要有一些变化，例如带宽需求的增加和商业化的未来。
在新一代的TDRS卫星中，已经可以确定的是一定会增加激光通信的中继终端，这是因为在未来的航天器上，会越来越多的使用激光通信终端，激光通信终端能够在相同的功率消耗下提供100倍于之前的带宽。同时，Younes说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Disruption Tolerant Networking和Quantum Entanglement。而Younes也表示，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，Younes所在的NASA的SCaN项目中2013~2025的发展路线图似乎印证了下一代TDRS卫星的一个发展方向，光通信。
Laser Communications Relay Demonstration (LCRD)
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。根据目前的项目规划，LCRD载荷将搭载STPSat-6于2019年升空。
同时，在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。
TDRS系统的public-private partnerships（PPP）模式
2018年9月，在美国Federal Business Opportunities的网站上，出现了一条关于NASA未来太空探索技术伙伴计划（Next Space Technologies for Exploration Partnerships-2, NextSTEP-2）的研究。这似乎印证了之前Younes在2017年表示的NASA将探索的TDRS的商业化可能，即采用PPP模式而非政府采购。
在这一研究中，NASA表示“NASA正在考虑通过公私合作伙伴关系（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（与典型的政府 - 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他地区）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，在NASA最新的关于LCRD的介绍中，也很有意思的用这样一张图表示了下一代TDRS卫星的发展趋势。
NASA对此的解释是下一代TDRS并不会像大家想的那样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将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Hosted Payload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认为这样的“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。
ESA的数据中继系统
说到欧洲的数据中继系统，可能大家首先会想到的就是European Data Relay System （EDRS）。但EDRS项目其实是在2008年才正式开展的，欧洲的数据中继系统历史比EDRS要长一些，而且从一开始欧洲的EDRS项目就表现了跟美国不同的思路。
Advanced Relay and Technology Mission Satellite (ARTEMIS)
ESA的第一颗数据中继卫星是Advanced Relay and Technology Mission Satellite (ARTEMIS)。该卫星由Alenia Spazio公司研制，于2001年由Ariane 5火箭发射入轨。
尽管Ariane-5在这次发射中的上面级故障导致未将ARTEMIS送入指定轨道，但在ARTEMIS上本用于测试的电推进器在ARTEMIS的升轨过程中发挥了重要作用，从而使得ARTEMIS成为世界首颗通过电推进进行“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。
ARTEMIS卫星上用于中继通信的载荷包括一个SKDR（S/Ka-Band Data Relay）载荷和一个SILEX（Semiconductor Intersatellite Link Experiment）载荷。做为一颗在2001年发射的数据中继卫星，除了传统的S/Ka频段中继通信设备外，ARTEMIS大胆的激光中继通信载荷的尝试，被认为是奠定了欧洲EDRS设计思路的基础。
ARTEMIS的激光中继通信实验
2001年11月21日，仍处于“Parking orbit”的ARTEMIS就迫不及待的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（下图）传至ARTEMIS，再由ARTEMIS利用对地RF链路完成了一次中继对接实验。在ARTEMIS处于“Parking orbit”期间，ARTEMIS尝试了多次与SPOT-4的光学连接，26次实验均取得了成功。
2003年4月之后，ARTEMIS开始为法国的SPOT-4光学卫星和ESA的Envisat雷达卫星提供高速数据中继业务。其中SPOT-4使用ARTEMIS的激光中继链路，Envisat使用的是ARTEMIS的Ka中级链路。
在ARTEMIS启动中继业务运营的10个月内，共为Envisat提供了1370次链接共330小时的中继服务，为SPOT-4提供了300次链接共60小时的中继服务。
2004年2月在ESA出版的ARTEMIS宣传册中，ESA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，将集中在光学数据终极系统的应用上。因此，毫无疑问的是，欧洲工业不会在这一领域失去领先地位。”
2005年12月，ARTEMIS进行了与JAXA的OICETS卫星的LUCE（Laser Utilizing Communication Equipment）载荷双向激光通信链路实验。
2006年12月，ARTEMIS还进行了与飞行在6000~10000m的Falcon 20飞机上LOLA（Liaison Optique Laser Aéroportée - Airborne Optical Laser Link）激光通信终端的实验并取得成功。
2008年，基于ARTEMIS 良好的实验结果和 GMES（Global Monitoring for Environment and Security）项目对大容量中继通信的强烈需求，以及德国方面的强烈推动，ESA批准了EDRS计划。
European Data Relay System (EDRS) 计划
上文已经提到，ESA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，其并没有把美国最为关注的测控使用的S频段作为重点，而是希望欧洲的数据中继系统能够起到帮助欧洲的LEO卫星回传载荷数据的主要目的。因此在EDRS系统中，ESA最关注的是激光通信的Ka频段通信。
2011年，ESA确定以PPP模式开展EDRS计划，由ESA和Airbus牵头建设、运营和共同投资EDRS项目，并未ESA和全球客户提供数据中继服务；根据2011年10月ESA与Aribus签署的PPP协议，EDRS系统预计将在2014年开始服务，Airbus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一期的计划包括EDRS-A和EDRS-C，其中EDRS-A将包括激光中继与Ka频段中继两种中继方式，该载荷将以Hosted Payload的形式随Eutelsat 9B入轨，因此该卫星命名为Eutelsat 9B / EDRS-A；EDRS-C卫星仅有激光中继一种中继方式，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。
EDRS计划的激光中继载荷LCT
在EDRS计划中，有一股不可忽视的力量来自德国。上文提到EDRS的主要推动方就是德国，而DLR也在为EDRS提供资金和地面部分的开发，并在运营方面发挥重要的作用，而EDRS计划中的激光中继载荷，恰好也来自德国的TESAT公司，在EDRS计划中，LCT能够提供高达1.8Gbps的中继通信速率。
前文提到的ARTEMIS的激光中继通信载荷SILEX是由MMS公司研制的，后该公司被EADS 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TESAR的LCT (Laser Communication Terminal) 载荷。我们通过下表可以对比TESAT LCT与SILEX的性能指标对比。
NASA和ESA的数据中继卫星代表了世界数据中继卫星技术趋势的前沿，对于未来商业化的考虑，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。在此一并与大家分享。
利用GEO通信卫星进行卫星中继通信的（Inter-Satellite Data Relay System） IDRS
我第一次见到IDRS系统是在2015年的一次发射新闻之后，新加坡一颗名为VELOX-II的卫星在发射成功后宣布将进行“Inter-Satellite Data Relay System”的实验。
因为与GEO中继卫星通信，需要的LEO卫星的EIRP值并不低。本着对Cubesat如何与GEO中继卫星通信的好奇，我对VELOX-II进行了查询，并找到了这项实验的载荷提供方，新加坡AddValue Technologies。
通过调研发现，这项技术并非是Cubesat与传统GEO中继卫星进行的星间数据中继实验，而是通过与Inmarsat卫星的通信，利用Inmarsat的L频段信道作为星间中级链路，再利用Inmarsat的与地面网关的Feeder Link完成Cubesat的数据中继任务。
经过VELOX-II的成功实验验证，2017年2月，AddValue Technologies与Inmarsat签署MOU，将来会一起为LEO卫星市场提供名为IDRS的数据中继服务。
在今年的IAC会议上，AddValue做了名为《Inter-Satellite Data Relay System (IDRS) for LEO Satellites Using a Commercially Available GEO Satellite System》的报告，报告中，AddValue给出了三种可以用于LEO卫星或运载的数据中继服务终端，预计将在2019年开始投入市场。
利用低轨通信星座进行卫星通信中继的Near Space Launch
无独有偶，有利用GEO通信卫星进行数据中继商业服务的公司，也出现了利用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.的公司频频在美国的小卫星会上出现，并带来他们的最新商业中继解决方案，利用Globalstar卫星解决Cubesat的卫星中继难题。
目前NSL公司成熟的解决方案有两种，一种是基于Globalstar STX-3和STX-2的地面终端模块的EyeStar-Simplex
一种是基于NSL自研的EysStar-Duplex。
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，从NSL官方提供的数据来看，其EyeStar产品的后期销售情况非常好。
而对于我最关注的原先Globalstar的Earth-Space和Space-Earth MSS频段是否可以用于Space-Space的ISL业务，NSL也在官方介绍中特别强调了，其获得了“FCC Cubesat to Satellite Commercial License”.
利用MEO卫星进行卫星中继通信的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年准备好进行商业运营，而地球站网络将在2019年初开始提供服务。
Audacy的一半以上协议是与美国公司签订的，其余部分分别在欧洲和亚太地区，包括中国，日本，印度，澳大利亚和新加坡等国家。在这些地区中，Audacy表示，去年新加坡办事处开业后，其增长最快的是亚太地区。
Audacy宣布的客户包括Hiber Global、HydroSat、Gilmour Space、Equatorial Space Industries、Infinite Orbit、Indus、Cislunar等公司。到目前为止，该公司已筹集了大约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Audacy具备了理论上为其美国客户提供服务的行政许可。
可以提供激光中继通信服务的中国公司LaserFleet
写了这么多国外的中继卫星和商业化中继卫星服务公司，恰好前面提到了，就也说说中国公司LaserFleet。
在武汉举办的第四届中国商业航天论坛上，LaserFleet的CEO潘运滨做了题为《面向航天互联网的低轨卫星星座激光互联网系统》的报告，在报告中，潘运滨提到，LaserFleet目前的产品线和能力，也能够覆盖LEO-GEO的中继通信能力。而且LaserFleet通过与上海光学精密机械研究所的合作，目前也具备了光学通信载荷终端的自研和生产能力。
通过LaserFleet的材料介绍，我们能够看到，尽管LaserFleet的定位是提供飞机激光互联网接入的系统，但在其官方材料中，已经出现了用于LEO-GEO的中继链路和相应的解决方案介绍。
相比较于EDRS的仅在LEO-GEO或飞机-GEO采用光通信链路的方案，LaserFleet显得更为大胆，在LEO-地面和GEO-地面均采用了激光链路进行通信，这就要求在潜在的服务区域，需要有相应的激光通信地面站进行支持。
好在现在的发展趋势下，这似乎都不是问题，美国的地面站网服务运营商RBC Signals在武汉宣布了即将开展激光通信地面站的建设和激光通信技术的研发后不久，另一家全球领先的全球地面站网服务提供商Kongsberg Satellite Services宣布，将与Tesat一同建设激光通信地面站。
中继卫星系统的发展趋势
说了这么多，最后还是想总结一下，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了是有效和必需的。
结合我对传统中继卫星业务和新出现的中继卫星业务的一些认识，想从三个角度来说中继卫星发展的新趋势。分别是技术、商业和应用。
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，NASA尽管与ESA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，都瞄准了未来10年可能会火的光通信技术。
美国MIT，JPL和NASA在这一领域已经做出了卓越的努力和尝试，只是在产品化上尚欠火候，随着2010年后微纳卫星的兴起，越来越多的初创公司也加入这一行列，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已经显著增加。相信在2020年前后，NASA会最终提出下一代中继卫星的最终方案，光通信毫无疑问会包含在内。
ESA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过程中的重要地位。但相比较于美国现在的较为分散的供应商和产品情况，欧洲的光通信产品更为集中（主要都集中在Airbus一家）。尽管能够确定的是欧洲在光通信中继卫星领域短期内仍会强于美国，但数年之后的情况，变数很大。
我国相对而言在激光通信领域起步晚于欧美，但随着近几年的发展，也在激光通信领域取得了不小的进步。海洋卫星上激光通信星地链路的首次试验，北斗三号卫星上激光星间链路的业务运行和未来LaserFleet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逐渐成为世界上不可或缺的力量。
商业
无论是NASA还是ESA，在中继卫星领域都提出了PPP模式和商业化的探索，而作为Addvalue、NSL、Audacy和LaserFleet，则更是瞄着商业中继卫星领域的大胆尝试。所以可以确定的是，未来的中继卫星业务，至少在下一代的中继卫星业务，会形成商业化的大环境。
在商业化的环境中，不可避免的是对成本降低以及性能提升的追求。
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。NASA的明码标价还是让人觉得，商业化的真是不错。在这样的“指导价”下，其他商业中继服务公司就可以很明确自己的价目表了。
比如上文提到的NSL，其明确表示的是自己的EyeStar-Simplex的服务费用就是是定制终端+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，其资费完全透明公开、用现在通信行业比较通俗的叫法，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的页面下方有个简易的计算器，其中标明了Audacy的收费模式，我们使用该工具计算了一下，最高价格为6.83美元/Gb，最低可达到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Audacy要签下1亿 美元的订单，客户着实不少。
应用
最后来说说应用的趋势。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。
中继卫星变通信的例子最经典的就是南极点科考站对TDRSS卫星的应用了。在90年代NASA就开始了一项研究，利用TDRSS卫星进行南极点的通信，以保障美国在南极点的科考站的通信。该研究进行后，美国将退役的TDRSS-1用于南极点的通讯，大大解决了其通信问题。
而通信卫星变中继的例子上文的AddValue和NSL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，这类应用还会越来越多的。