产业前沿 | 2020年NASA部署商业航天新项目——通信服务计划
2020年美国部署商业航天新项目
——通信服务计划
文 | 张力
摘要：
当前美国正在发展低轨道互联网，这为美国军地部门推进商业航天发展提供了新契机。为抢抓发展机遇，NASA于2020财年启动了总额为3.035亿美元的通信服务计划。
本文深入研究该计划的来龙去脉，从目的、特色、应用领域、路线图等方面阐述了该计划的主要内容，基于此提出了新时代我国应从开展全面调研、超前战略部署、鼓励技术攻关、加大资金力度等方面推进商业航天领域通信卫星发展的对策建议。
随着越来越多的商业公司在近地轨道上加快建设基础设施，发展基于商业航天的通信卫星服务。在2020财年，NASA启动了总额为3.035亿美元的新项目，通信服务计划（CommunicationsServicesProgram，简称CSP），识别并利用商业航天领域的卫星通信能力，该计划允许NASA利用商业通信卫星完成近地空间任务，并在未来集成到未来深空探索任务，探索将NASA从政府所有的通信卫星网络服务的承包商和运营商角色，转变为购买商业通信服务和能力的商业化市场客户之一的发展路径。
NASA在2020财年预算中，指出“CSP将……开发一种将商业通信服务纳入运营的收购模式。NASA将制定收购战略，将近地NASA用户转变为合适的商业服务提供商”。本文概述NASA的CSP，分析了CSP项目的来龙去脉，深入解读CSP计划的主要内容，提出了从开展全面调研、超前战略部署、鼓励技术攻关、加大资金力度等方面推进我国商业航天领域通信卫星发展的对策建议。
该项目由NASA总部人类探索和操作任务理事会负责，与包括传统卫星通信运营商和商业航天新兴企业等商业市场合作，探索开发将商业卫星通信服务纳入美国航天业务的商业模式，不断夯实美国在近地航天器的商业卫星中继通信能力，从而获得将近地轨道用户过渡到商业服务的获取策略，图1为2021财年到2025财年CSP计划的年度预算。
图1 CSP计划的年度预算（单位/百万美元）
在美国太空政策支持下，CSP项目将通过演示服务航天器和服务文件接口的两个关键接口，建立由地面、空间和任务规划能力组成的商业服务模式，用投资方式刺激商业航天工业，通过有绩效里程碑的方式资助空间法协议；促进美国私营企业展示商业卫星能力，以实现与近地轨道航天器的可靠、可靠和成本效益高的通信；创造向政府和私营部门客户提供商业空间卫星通信服务的市场环境。NASA组织实施CSP，主要是基于内部自身发展和外部形势要求所作出的重大决策部署。
从其自身的战略定位和发展来看，NASA正在加大力度推进重返月球、登陆火星等深空探索领域任务，而NASA自身建立的空间通信和导航(SCaN)网络面临着于2025年面临退役的风险，实施CSP有助于探索灵活、经济有效、最先进的商业卫星通信服务，以满足从发射到最后操作期间在任务和数据用户之间交换数据任务需求，并促进多样化和不断增长的商业卫星通信产业，为NASA执行深空探索任务奠定坚实基础。
另一方面，当前全球商业卫星领域正在发生深刻变革，通信卫星星座部署方式正从传统的地球同步轨道(GEO)向GEO、低轨道（LEO）小卫星星座、中地球轨道（MEO）通信卫星等格局转变。在卫星通信市场上，不仅有Viasat和Inmarsat等传统商业卫星通信提供商有兴趣向NASA和其他航空航天实体提供服务，还有基于商业航天的Audacy、SpaceX等也将能够为NASA的航空航天平台提供通信服务。商业卫星通信网络的显著增长和新技术的进步正吸引着NASA为其太空任务的中继服务寻找替代解决方案。
未来五年之内，CSP演示基于地球静止轨道及商业航天的卫星通信能力，用于执行近地轨道测探及深空探测任务的可行性。通过探索服务模式，获取未来的商业卫星通信服务，逐步减少对SCaN网络的依赖，降低NASA维护太空领域通信网络基础设施的经费和运营成本。
在服务模式方面，获取航天器与服务商、服务商与任务操作中心之间的端到端商业卫星通信服务组合，服务命令发送和遥测返回、导航和定时，支持实时和近实时数据需求的任务、提供所需服务的调度、商用频谱管理及认证和合规等其他商业航天相关任务，主要包括以下五个方面：
● 在发射支持方面，为运载工具提供支持，平均每年执行8-10次任务，要求信号的输出速率达到400kbps；
● 在低数据速率的常规任务方面，需要长持续时间的提供服务，每年执行35-40次任务，要求信号的输出速率在0.125-100kbps之间；
● 在低地球轨道操作方面，短时间需求，主要用于商业宇航员和货物运送到国际空间站，平均每年执行三次任务，要求信号的输出速率在0.125-100kbps之间；
● 根据需要提供应急服务，主要是对于卫星需要每年执行16次任务，信号的输出速率在0.125-2.048kbps之间；
● 在高数据率的常规任务方面，主要是国际空间站、网关、科学数据返回的长持续时间任务，平均每年要执行35-40次任务，要求信号的输出速率在1–600Mbps之间。
表12020年按任务类型和数据速率范围组织的空间网络任务
|
序号 |
任务分类 |
任务类型 |
任务数量 |
数据速率分布/bps |
|---|---|---|---|---|
|
常规任务 |
任务数据 (高数据率) |
8 |
1-300M |
|
|
TT&C (低高数据率) |
17 |
0.125-100K |
||
|
特殊任务 |
LEOPs |
3 |
0.125-100K |
|
|
ELVs |
8-10 |
大约400K |
||
|
应急任务 |
16 |
0.125-2.048K |
NASA设想三步走战略，开发一种将商业通信服务纳入业务的收购模式，将卫星通信业务从政府所有和运营的资产转变为商业卫星通信能力，如图2所示。
第一阶段是在2019年到2020年，分析NASA卫星通信的使用和未来的需求，描述NASA的能力需要关键的里程碑，摸清其发展的主要领域，确定、描述和量化NASA未来的卫星通信需求，并与商业卫星的运营商在内的工业界进行互动，并为第二阶段做好准备。
图2CSP计划路线图
第二阶段是2020年到2022年，通过开展商业能力开发和演示，在NASA和商业卫星通信公司之间建立多种伙伴关系。NASA在第二阶段的任务主要是商业能力开发和演示将从多个合作伙伴开发和演示能力的奖励开始，大约持续2-3年，该阶段以NASA与私营行业成本分担为特征，商业航天企业将保留最大的知识产权。
第三阶段是在2022年到2025年，NASA将制定长期合同，并与多个供应商签订任务订单，获得可靠健壮和具有成本效益的商业卫星通信服务。
新时代推进商业航天领域通信卫星发展是我国实施军民融合发展、航天强国、网络强国等多个国家战略的重点领域。NASA通过探索与包括传统卫星通信运营商和商业航天新兴企业等商业市场合作，组织实施CSP，探索开发基于商业卫星通信系统服务美国航天业务的商业模式，不仅能够促进包括商业航天在内的美国工业持续壮大发展，而且还将降低NASA在执行太空任务时的通信服务成本降低，对于我国推进太空、网络空间等新兴领域军民融合发展具有重要的启示。
为提升我国航天整体实力，探索卫星通信、对地观测、北斗导航等领域商业航天发展路径，培育新的市场经济增长点，亟待开展全面调研，围绕商业航天领域通信卫星调发展现状，找准商业航天领域通信卫星的矛盾问题；超前战略部署，在中央军民融合发展委员会统筹安排下，军地相关部门联合制定规划计划，明确工作运行机制，为我国抢抓商业航天领域通信卫星发展机遇明确重点任务和方向；鼓励技术攻关，支持各类商业航天企业，依托各类协同创新体系和平台，围绕制约航天领域和通信卫星开展联合技术攻关；加大资金力度，做好与现有航天领域重大工程衔接，继续谋划实施一批工程项目，激发社会资本的动力和活力，充分发挥社会资本市场化、专业化等优势，加快投融资模式在商业航天领域创新应用，健全多元投入保障机制，形成多元化的资金保障新格局。
[1]C. Henry, LEO and MEO broadband constellations mega source ofconsternation, 2018.
https://spacenews.com/divining-what-the-stars-hold-in-store-forbroadband-megaconstellations/.
[2]SAR, Iceye Partners With Audacy For Real-Time SatelliteCommunication, 2019.
http://syntheticapertureradar.com/iceye-partners-with-audacy-for-real-timesatellite-communications/.
[3]NASA Space Communications and Navigation Program, Public PrivatePartnerships to Advance Optical and RF Space Communication and Navigation (SCaN) Capabilities and Services, National Aeronautics andSpace Administration, 2017.
[4]K. Bhasin, P Vrotsos, Eli Naffah,Commercial communicationservices for NASA space missions: capability assessment,opportunities and challenges.2019.
https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/
[5]Communications Services Program.
https://www1.grc.nasa.gov/space/communications-services-program/
[6]张力.我国航天企业推动卫星对地观测领域发展[J].卫星应用,2020(1):46-49.