近地轨道的按需数据中继长期以来一直是航天行业面临的挑战，因为运营商必须等待卫星越过地面站，才能建立仅持续约10分钟的连接。这种僵化的运营方式正开始发生变化，因为商业运营商正在完善实现实时卫星通信和数据传输的体系结构。政府和商业领域的客户都在注意到这一点。
五年前，卫星通信提供商Viasat写了一份白皮书，被戏称为“将Netflix流式传输到国际空间站”，意在呼吁NASA采取行动，利用未来商业中继网络的新机会。
该机构现在正在响应这一呼吁，邀请商业运营商展示新的星座和网络，在公私伙伴关系模式下提供空间实时通信，该模式对政府来说成本效益高，并支持行业对新架构和举措的投资。
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包括光学卫星间链路（OILS）和更小的形状因子组件在内的技术突破，以及发射成本降低等经济因素，正在推动商业公司承担新的风险。与此同时，政府机构正在利用现成的技术进行空间应用。
NASA在商业服务上的赌注
在未来十年内，美国航天局将利用商业服务来实现其下一代卫星通信星座，该星座将提供与国际空间站（ISS）以及各种科学任务的连接。
通信服务项目（CSP）将证明商业卫星通信用于NASA任务的可行性，特别是替换其老化的跟踪和数据中继卫星（TDRS）系统。TDRS于20世纪80年代首次发射，旨在支持NASA的载人航天任务并确保持续覆盖，包括六颗地球静止轨道（GEO）卫星。最后一颗TDRS卫星于2017年发射。
4月，该机构为CSP的第二阶段授予了累计2.785亿美元的合同，其中六个选定的团队将与NASA合作，在未来五年内展示他们提出的解决方案。这些合作伙伴包括：Inmarsat Government、亚马逊子公司Kuiper Governmental Solutions、SES Governmet Solutions，SpaceX、美国通信卫星服务公司和Viasat。
演示结束后，美国航天局将启动第三阶段，计划在2030年前获得商业卫星通信服务，并建立运营系统。除第二阶段选定的六家合作伙伴外，其他公司将能够竞争第三阶段服务合同。
位于俄亥俄州克利夫兰的NASA格伦研究中心的CSP配方经理Eli Naffah说，NASA希望在第二阶段实现端到端的操作能力，而不仅仅是技术演示。
他希望看到在过去30到40年中，性能和捕捉技术进步的能力有所提高。他说，自动化将是关键。“现在，安排TDRS联系需要三周时间，我们真的希望能够在某个时候提供无处不在的服务，即按需服务。”他补充说，还将考虑光卫星连接，因为这是TDRS无法做到的。
通信服务项目将证明商业卫星通信用于NASA任务的可行性，以取代其老化的跟踪和数据中继卫星（TDRS）系统。
这六家公司将带着广泛的解决方案进入NASA计划。SpaceX和Kuiper各自提出了一个用于高速通信的光学低地球轨道（LEO）中继网络，而SES的解决方案包括用于高速和低速通信的射频（RF）地球静止C波段和中地球轨道（MEO）Ka波段中继网络。
Inmarsat提交了一份名为InRange和InCommand的商业射频地球同步中继能力提案，该提案利用了该公司的L波段地球同步卫星网络Elera。这一方法得到了一系列努力的支持，包括2020年将Inmarsat的I-4地球同步轨道卫星与基于低轨的Capella空间红杉卫星连接起来的卫星间数据中继系统的演示。为NASA CSP提议的InRange和InCommand功能允许驻扎在LEO的卫星与地面站保持连续通信，并实时传输数据。
与此同时，Telesat的计划围绕其新成立的TELESATLightSpeed LEO星座展开，该星座由近200颗卫星组成。Telesat政府解决方案总裁汤姆·伊顿（TomEaton）表示，总部位于加拿大的美国子公司Telesat与Planet Labs合作，共同开发Ka波段终端，该终端将托管在两个Planet地球观测（EO）航天器上。
当行星号执行数据成像任务时，机载Ka波段终端将向光速卫星传输数据。伊顿说，光速卫星都通过OISL连接，提供“1000公里的主干线”。在接下来的四年里，Telesat将专注于构建其光速星座，并与行星一起开发射频终端。
Viasat计划展示其即将到来的Viasat-3星座。RF地球静止Ka波段网络将从低地球轨道卫星向三颗新的基于地球同步轨道的卫星中继数据，然后向下传输到该公司的互联网连接地面网络。第一颗ViaSat-3计划于2022年底发射。
Viasat政府系统总裁克雷格·米勒（Craig Miller）表示，该解决方案源于Viasat用于空中连接的现有能力，新的基于地球同步轨道的系统“将基本上像飞机一样对待任何低轨卫星”。他补充说，Viasat-3将能够同时与LEO中的许多小卫星保持联系，无论它们在轨道上的什么位置——在海洋上，还是在北极上。
Naffah说，美国宇航局明确希望利用目前在太空进行的私营部门创新，并投资于一个拥有其他现有客户的系统。当CSP项目启动时，“我们真的不确定我们能从行业中得到什么。”
他补充道：“我们之所以授予六个奖项，是因为行业进步了。”
该机构对CSP的承诺是2.78亿美元的资助空间法协议；同时，CSP行业合作伙伴提供了超过15亿美元的成本份额。Naffah说：“对我来说，这充分证明了从商业角度来看，这确实是他们所相信的。”。
参与CSP计划的公司称赞NASA，希望与其承包商成为合作伙伴，而不仅仅是买家，并强调确保最终选择的网络具有长期可行性。“如果NASA不存在，我们仍然会部署这种能力，”Viasat的米勒说。
跨政府伙伴关系
NASA是投资空间数据中继网络的几个政府组织之一，特别是国防部正在资助新的努力，以发射大量的低轨星座，实现按需连接。Naffah说，虽然政府部门之间没有联合项目，但美国宇航局正在与美国航天部队和其他政府实体进行合作。
Telesat正在参与CSP第2阶段的工作，以及国防部空间发展局（SDA）和国防高级研究计划局（DARPA）内的项目，以创建一个扩散的近地轨道网络。伊顿说，虽然最终目标不同，但Telesat正在利用其对DARPA的21点计划和SDA的国防空间架构在NASA项目上的投资。
空间数据中继合作有朝一日可能走向全球。欧洲和加拿大公司正与欧洲航天局（ESA）合作，通过高通量光网络项目（也称为HyDRON）在光通信方面采取下一步行动。欧空局成员国将于11月决定如何推进HyDRON示范阶段，并计划在未来五年内展示“空中光纤”。
Naffah说，NASA可以在某个时候与欧空局合作建立空间数据中继网络，但“这是我们未来的工作。”。
市场在哪里？
数千颗新卫星上线，为科学任务、军事行动、减缓气候变化或农业、石油和天然气部门提供情报、监视和侦察（ISR）。
利益相关者认为，包括遥感、载人航天和在轨服务在内的商业应用在空间数据中继服务中所占份额最大，但政府合同（主要是为军事和情报部门签订的合同）将带来最大的收入。
NSR的顾问Shivaprakash Muruganandham说，对于任何开发数据中继服务的新航天公司来说，政府仍然是大客户，也是增加初始资金的前进方向。“对于数据中继运营商来说，只关注商业客户将是非常棘手的，”他指出。
但商业空间数据中继的价值越来越明显。俄罗斯对乌克兰的持续入侵，以及新闻媒体和其他观察家使用EO数据跟踪实时部队移动、武器库存和损害评估的方式，“说明了这些商业能力可以以其他方式使用，”Viasat的米勒说。
该图说明了SpaceLink计划在MEO中建立一个由四颗卫星组成的星座，以中继来自低轨系统的数据。照片：SpaceLink
一些卫星通信提供商正在研究机载数据处理如何实现高带宽空间数据中继。SpaceLink正在开发一个由四颗卫星组成的星座，这些卫星位于MEO中，利用光学卫星间链路将低轨系统的数据中继到MEO，然后使用射频链路将数据发送到公司的地面网关。
首席执行官戴夫·贝丁格（Dave Bettinger）表示，SpaceLink路线图旨在提供每秒10 TB的轨道光学云。他补充说，用于机载通信处理的先进再生有效载荷以及边缘计算和存储将是SpaceLink空间数据中继路线图的关键技术支撑。
在轨服务也将受益于此类系统提供的按需连接。总部位于新加坡的终端提供商Addvalue希望帮助将卫星正确准确地送入轨道，Addvalue首席执行官兼联合创始人Khai Pang Tan表示。他补充说，实时连通性也有助于空间碎片管理——根据欧空局的数据，截至2022年春季，已经记录了30000多件空间碎片，这是一项关键需求。
空间数据中继的技术可能性
Naffah说，回顾20年前，NASA帮助鼓励了卫星通信领域正在发生的巨大创新。
“我们有一颗先进的通信技术卫星，由美国宇航局与工业界共同赞助，以开放Ka波段和宽带能力，以及我们现在正在研究的大量机载处理，”他指出。“这刺激了直接电视和宽带的巨大增长，特别是在Ka波段领域。在这一领域，工业现在远远超过了NASA。”
运营商同意，摩尔定律的延续是空间应用增长的一个重要因素。SpaceLink的Bettinger说，发射具有更小尺寸、重量和功率（SWaP）要求的功能更强的网络将为在轨制造，甚至需要微重力和硬真空空间的制药产品开发打开商业案例。
CSP项目和其他项目可以利用OISL在数据传输中的新兴应用，以及经验证的射频链路可靠性。运营商预计，卫星间链路使用的不同频段，包括射频和光，对于获得客户要求的数据速率至关重要。
根据NSR的Muruganandham，卫星间光链路具有许多优点，如高数据吞吐量、较小的尺寸、重量和功率需求，以及由于其较小的波束占用而带来的更高的安全效益。目前，OISL用户不必像RF运营商那样担心频谱管理。
他补充说，另一方面，射频链路已经使用了几十年，并且已经很成熟，而光卫星间链路仍然需要标准化才能变得更加普遍。新的初创企业被OISL吸引，“因为作为一家早期公司，他们带来的竞争优势是能够跨网状网络进行链接。”
Muruganandham认为，建立正确的合作伙伴关系对空间数据中继公司非常重要，尤其是与终端制造商和地面网络运营商的合作。“这是一个需要很好地集成到您的网络中的系统，”他指出。“建立整个链条非常重要，而且随着云玩家的加入，这在今天变得更加可行。”
尽管卫星运营商对空间数据中继的未来感到鼓舞，但他们也认识到当前的挑战，即在频率调节和卫星间链路标准化领域。
Naffah指出，NASA对ISL如何在CSP计划下提供实时通信很感兴趣，但需要有一个既定的标准，使该技术真正适用于政府。2021年8月，美国太空发展署（Space Development Agency）最终确定了自己的光通信终端标准，以用于其激增的基于低地球轨道的国防空间架构，但迄今为止，尚未广泛采用类似于IEEE 802.11标准的Wi-Fi标准。
无线电频率世界仍然有它自己的头痛，因为更高频率范围的拥塞只会变得更糟。“你走得越高，你需要非常小心地指向地理位置，并清除大量干扰，”Addvalue的Tan指出。
一旦更多提供空间数据中继的卫星星座上线，互操作性问题将发挥作用。Naffah说，NASA认为互操作数据中继系统提供额外弹性的潜在好处，但这还不太现实。“有一些小步骤。首先，我们需要服务，”他说。
尽管在全面实施空间数据中继方面仍存在一些挑战，但运营商正看到从政府主导的举措向商业主导的举措转变，以及未来的蓝海空间数据中继市场——一个尚处于萌芽阶段，目前服务不足的市场——以几十年来从未出现过的方式出现。
