Global Village Mogelijk

door David J. Whalen

In 500 jaar, wanneer de mensheid terugkijkt op het begin van de ruimtevaart, zal de landing van Apollo op de Maan in 1969 wellicht de enige gebeurtenis zijn die men zich herinnert. Maar Lyndon B. Johnson, zelf een fervent voorstander van het ruimtevaartprogramma, vond dat alleen al de verkenningssatellieten elke cent rechtvaardigden die aan de ruimtevaart werd besteed. Weersvoorspellingen hebben een revolutie ondergaan door de beschikbaarheid van beelden van geostationaire meteorologische satellieten – beelden die we elke dag op de televisie zien. Dit zijn allemaal belangrijke aspecten van het ruimtevaarttijdperk, maar satellietcommunicatie heeft waarschijnlijk meer dan alle andere aspecten effect gehad op de gemiddelde mens. Satellietcommunicatie is ook de enige echte commerciële ruimtevaarttechnologie, die jaarlijks miljarden dollars oplevert aan verkoop van producten en diensten.

The Billion Dollar Technology

In de herfst van 1945 schreef een RAF elektronica officier en lid van de British Interplanetary Society, Arthur C. Clarke, een kort artikel in Wireless World dat het gebruik beschreef van bemande satellieten in 24-uurs banen hoog boven de landmassa’s van de wereld om televisieprogramma’s te verspreiden. Zijn artikel had blijkbaar weinig blijvend effect, ondanks het feit dat Clarke het verhaal herhaalde in zijn The Exploration of Space uit 1951/52. Misschien wel de eerste die de verschillende technische mogelijkheden op het gebied van satellietcommunicatie zorgvuldig evalueerde en de financiële vooruitzichten evalueerde was John R. Pierce van AT&T’s Bell Telephone Laboratories die in een toespraak in 1954 en een artikel in 1955 het nut uiteenzette van een communicatie “spiegel” in de ruimte, een “repeater” in een middelhoge omloopbaan en een “repeater” in een 24-uurs omloopbaan. Bij het vergelijken van de communicatiecapaciteit van een satelliet, die hij schatte op 1000 gelijktijdige telefoongesprekken, met de communicatiecapaciteit van de eerste transatlantische telefoonkabel (TAT-1), die 36 gelijktijdige telefoongesprekken kon voeren tegen een kostprijs van 30-50 miljoen dollar, vroeg Pierce zich af of een satelliet een miljard dollar waard zou zijn.

Na de lancering van de Spoetnik I in 1957 dachten velen na over de voordelen, de winsten en het prestige die verbonden waren aan satellietcommunicatie. Vanwege de vrees van het Congres voor “doublures” beperkte de NASA zich tot experimenten met “spiegels” of “passieve” communicatiesatellieten (ECHO), terwijl het Ministerie van Defensie verantwoordelijk was voor “repeater” of “actieve” satellieten die het ontvangen signaal op de satelliet versterken–het verschaffen van communicatie van veel hogere kwaliteit. In 1960 diende AT&T bij de Federal Communications Commission (FCC) een verzoek in om toestemming voor de lancering van een experimentele communicatiesatelliet met het oog op een snelle invoering van een operationeel systeem. De Amerikaanse regering reageerde met verbazing – er was geen beleid om de vele beslissingen in verband met het AT&T-voorstel te helpen uitvoeren. Tegen het midden van 1961 had de NASA een concurrerend contract toegekend aan RCA voor de bouw van een actieve communicatiesatelliet in een middelhoge omloopbaan (4000 mijl hoog) (RELAY); AT&T was bezig met de bouw van zijn eigen satelliet in een middelhoge omloopbaan (TELSTAR) die de NASA zou lanceren op een kostendekkende basis; en de NASA had een eenzijdig contract toegekend aan Hughes Aircraft Company voor de bouw van een 24-uurs (20.000 mijl hoog) satelliet (SYNCOM). Het militaire programma, ADVENT, werd een jaar later geannuleerd wegens de complexiteit van het ruimtevaartuig, vertraging in de beschikbaarheid van de draagraket, en kostenoverschrijdingen.

Tegen 1964 hadden twee TELSTARs, twee RELAYs, en twee SYNCOMs met succes in de ruimte geopereerd. Deze timing was gelukkig omdat de Communications Satellite Corporation (COMSAT), opgericht als gevolg van de Communications Satellite Act van 1962, bezig was met het sluiten van contracten voor hun eerste satelliet. De aanvankelijke kapitalisatie van COMSAT van 200 miljoen dollar werd voldoende geacht om een systeem van tientallen satellieten in een middelhoge omloopbaan te bouwen. Om diverse redenen, waaronder de kosten, besloot COMSAT uiteindelijk het gezamenlijke AT&T/RCA-aanbod af te wijzen van een satelliet met een middelhoge omloopbaan waarin het beste van TELSTAR en RELAY was verwerkt. Zij kozen voor de 24-uurs omloopbaan (geosynchrone) satelliet die werd aangeboden door Hughes Aircraft Company voor hun eerste twee systemen en voor een geosynchrone satelliet van TRW voor hun derde systeem. Op 6 april 1965 werd de eerste satelliet van COMSAT, EARLY BIRD, gelanceerd vanaf Cape Canaveral. Wereldwijde satelliet communicatie was begonnen.

Het Wereldwijde Dorp: Internationale Communicatie

Er was al een glimp opgevangen van de Global Village tijdens experimenten met TELSTAR, RELAY, en SYNCOM. Deze omvatten het uitzenden van delen van de Olympische Spelen van Tokio in 1964. Hoewel COMSAT en de eerste draagraketten en satellieten van Amerikaanse makelij waren, waren er vanaf het begin ook andere landen bij betrokken. AT&T had aanvankelijk met zijn Europese “partners” in de telefoonkabel onderhandeld over de bouw van grondstations voor TELSTAR-experimenten. NASA had deze onderhandelingen uitgebreid tot RELAY en SYNCOM experimenten. Tegen de tijd dat EARLY BIRD werd gelanceerd, bestonden er al communicatiegrondstations in het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Duitsland, Italië, Brazilië en Japan. Verdere onderhandelingen in 1963 en 1964 resulteerden in een nieuwe internationale organisatie, die uiteindelijk de eigendom van de satellieten en de verantwoordelijkheid voor het beheer van het wereldwijde systeem op zich zou nemen. Op 20 augustus 1964 werden overeenkomsten ondertekend waarbij de Internationale Telecommunicatie Satelliet Organisatie (INTELSAT) in het leven werd geroepen.

Tegen het einde van 1965 had EARLY BIRD 150 telefoon- “halve circuits” en 80 uur televisiedienst geleverd. De INTELSAT II serie was een iets capabeler en langer levende versie van EARLY BIRD. Het COMSAT/INTELSAT-systeem werd in een vroeg stadium voornamelijk gebruikt voor het leveren van circuits voor het NASA Communications Network (NASCOM). De INTELSAT III serie was de eerste die dekking gaf in de Indische Oceaan om het wereldwijde netwerk te completeren. Deze dekking werd voltooid enkele dagen voordat een half miljard mensen APOLLO 11 op de maan zagen landen op 20 juli 1969.

Van een paar honderd telefooncircuits en een handvol leden in 1965 is INTELSAT uitgegroeid tot een hedendaags systeem met meer leden dan de Verenigde Naties en de mogelijkheid om honderdduizenden telefooncircuits aan te bieden. De kosten voor de carriers per circuit zijn gedaald van bijna 100.000 dollar naar een paar duizend dollar. De kosten voor de consument zijn gestegen van meer dan 10 dollar per minuut tot minder dan 1 dollar per minuut. Als de gevolgen van de inflatie worden meegerekend, is dit een enorme daling! INTELSAT levert diensten aan de hele wereld, niet alleen aan de geïndustrialiseerde landen.

Hallo Guam: Domestic Communications

In 1965, stelde ABC een binnenlands satellietsysteem voor om televisiesignalen te verspreiden. Het voorstel raakte tijdelijk in de vergetelheid, maar in 1972 lanceerde TELESAT CANADA de eerste binnenlandse communicatiesatelliet, ANIK, om het uitgestrekte Canadese vasteland te bedienen. RCA huurde onmiddellijk circuits op de Canadese satelliet totdat zij haar eigen satelliet kon lanceren. De eerste binnenlandse communicatiesatelliet in de V.S. was Western Union’s WESTAR I, gelanceerd op 13 april 1974. In december van het volgende jaar lanceerde RCA hun RCA SATCOM F- 1. Begin 1976 lanceerden AT&T en COMSAT de eerste van de COMSTAR-reeks. Deze satellieten werden gebruikt voor spraak en gegevens, maar al snel werd televisie een belangrijke gebruiker. Tegen eind 1976 waren er 120 transponders beschikbaar boven de V.S., die elk 1500 telefoonkanalen of één televisiekanaal konden verschaffen. Al snel waren de “filmkanalen” en “superstations” beschikbaar voor de meeste Amerikanen. De dramatische groei van kabeltelevisie zou niet mogelijk zijn geweest zonder een goedkope methode om video te distribueren.

De daaropvolgende twee decennia hebben enkele veranderingen gezien: Western Union is niet meer; Hughes is nu zowel een satellietexploitant als een fabrikant; AT&T is nog steeds een satellietexploitant, maar niet langer in partnerschap met COMSAT; GTE, oorspronkelijk samenwerkend met Hughes in de vroege jaren zestig om een wereldwijd systeem te bouwen en te exploiteren, is nu een belangrijke binnenlandse satellietexploitant. Televisie domineert nog steeds de binnenlandse satellietcommunicatie, maar data is enorm gegroeid met de komst van VSAT’s (Very Small Aperture Terminals). Kleine antennes, of het nu TV-Receive Only (TVRO) of VSAT zijn, zijn een alledaags beeld in het hele land.

Nieuwe technologie

Het eerste grote geosynchrone satellietproject was de ADVENT-communicatiesatelliet van het Ministerie van Defensie. Hij was drie-assig gestabiliseerd in plaats van rond te draaien. Hij had een antenne die zijn radio-energie op de aarde richtte. Het was nogal geavanceerd en zwaar. Hij woog 500-1000 pond en kon alleen worden gelanceerd met de ATLAS- CENTAUR draagraket. ADVENT heeft nooit gevlogen, voornamelijk omdat de CENTAUR trap pas in 1968 volledig betrouwbaar was, maar ook vanwege problemen met de satelliet. Toen het programma in 1962 werd geannuleerd werd dit gezien als de doodsteek voor geosynchrone satellieten, drie-assige stabilisatie, de ATLAS-CENTAUR, en complexe communicatiesatellieten in het algemeen. Geosynchrone satellieten werden een realiteit in 1963, en werden de enige keuze in 1965. Ook de andere ADVENT-kenmerken werden in de daaropvolgende jaren gemeengoed.

In het begin van de jaren zestig werden omgebouwde intercontinentale ballistische raketten (ICBM’s) en ballistische middellangeafstandsraketten (IRBM’s) gebruikt als lanceervoertuigen. Deze hadden allemaal een gemeenschappelijk probleem: zij waren ontworpen om een voorwerp naar het aardoppervlak te brengen, niet om een voorwerp in een baan om de aarde te brengen. De bovenste trappen moesten zo worden ontworpen dat zij op het hoogste punt een delta-Vee (snelheidsverandering) konden bewerkstelligen om de omloopbaan te cirkelen. De DELTA lanceervoertuigen, die alle vroege communicatiesatellieten in een baan om de aarde brachten, waren THOR IRBM’s die de VANGUARD bovenste trap gebruikten om voor deze delta-Vee te zorgen. Men zag in dat de DELTA relatief klein was en een project om CENTAUR te ontwikkelen, een hoogenergetische bovenste trap voor de ATLAS ICBM, werd gestart. ATLAS-CENTAUR werd in 1968 betrouwbaar en de vierde generatie INTELSAT-satellieten gebruikte deze draagraket. De vijfde generatie gebruikte ATLAS-CENTAUR en een nieuw lanceervoertuig, de Europese ARIANE. Sindsdien zijn andere lanceerinrichtingen op de markt gekomen, waaronder de Russische PROTON draagraket en de Chinese LONG MARCH. Alle zijn in staat satellieten te lanceren die bijna dertig maal zo zwaar zijn als de EARLY BIRD.

In het midden van de jaren zeventig werden verschillende satellieten gebouwd met drie-assige stabilisatie. Ze waren complexer dan de spinners, maar ze boden meer despun oppervlak om antennes te monteren en ze maakten het mogelijk om zeer grote zonnepanelen in te zetten. Hoe groter de massa en het vermogen, hoe groter het voordeel van drie-assige stabilisatie lijkt te zijn. Misschien wel de zekerste aanwijzing voor het succes van deze vorm van stabilisatie was de overstap van Hughes, nauw geïdentificeerd met ronddraaiende satellieten, naar deze vorm van stabilisatie in het begin van de jaren negentig. De nieuwste producten van de fabrikanten van SYNCOM lijken sterk op het in diskrediet gebrachte ADVENT-ontwerp van eind jaren vijftig.

Veel van de technologie voor communicatiesatellieten bestond al in 1960, maar zou mettertijd worden verbeterd. De basis communicatiecomponent van de satelliet was de traveling-wave-tube (TWT). Deze waren uitgevonden in Engeland door Rudoph Kompfner, maar ze waren geperfectioneerd bij Bell Labs door Kompfner en J.R. Pierce. Alle drie de eerste satellieten gebruikten TWT’s die door een oud-student van Bell Labs waren gebouwd. Deze vroege buizen hadden vermogens van slechts 1 watt. TWT’s met een hoger vermogen (50-300 watt) zijn tegenwoordig beschikbaar voor standaard satellietdiensten en voor direct-broadcast toepassingen. Een nog belangrijkere verbetering was het gebruik van high-gain antennes. Het concentreren van de energie van een 1-watt zender op het aardoppervlak staat gelijk aan het uitstralen van een 100-watt zender in alle richtingen. Concentratie van deze energie op het oosten van de V.S. komt overeen met een 1000-watt zender die in alle richtingen straalt. Het belangrijkste gevolg van deze toename van het werkelijke en effectieve vermogen is dat aardstations niet langer schotelreflectoren zijn van 1 meter hoog met cryogeen gekoelde maserversterkers die tot 10 miljoen dollar (in 1960) kosten om te bouwen. Antennes voor normale satellietdiensten zijn doorgaans schotelreflectoren van 15 voet die 30.000 dollar (in dollars van 1990) kosten. Direct-broadcast antennes zullen slechts een voet in diameter zijn en kosten een paar honderd dollar.

Mobiele diensten

In februari 1976 lanceerde COMSAT een nieuw soort satelliet, MARISAT, om mobiele diensten te verlenen aan de marine van de Verenigde Staten en andere maritieme klanten. In het begin van de jaren tachtig lanceerden de Europeanen de MARECS-serie om dezelfde diensten te verlenen. In 1979 steunde de Internationale Maritieme Organisatie van de VN de oprichting van de Internationale Maritieme Satelliet Organisatie (INMARSAT) op een soortgelijke wijze als INTELSAT. INMARSAT huurde aanvankelijk de MARISAT- en MARECS-satelliettransponders, maar lanceerde in oktober 1990 de eerste van haar eigen satellieten, INMARSAT II F-1. De derde generatie, INMARSAT III, is reeds gelanceerd.

In het midden van de jaren zeventig werd een voorstel gedaan voor een luchtvaartsatelliet. Er werd een contract gegund aan General Electric om de satelliet te bouwen, maar het werd geannuleerd–INMARSAT levert nu deze dienst. Hoewel INMARSAT oorspronkelijk was ontworpen als een methode om telefoondiensten en verkeersmonitoringdiensten op schepen op zee te leveren, heeft het veel meer mogelijk gemaakt. De journalist met een aktetas telefoon is al enige tijd alomtegenwoordig, maar de Golfoorlog bracht deze technologie onder de aandacht van het publiek.

De Verenigde Staten en Canada hebben enige tijd gesproken over een Noord-Amerikaanse mobiele satelliet. In het komende jaar zal de eerste MSAT-satelliet, waarin AMSC (VS) en TMI (Canada) samenwerken, worden gelanceerd die mobiele telefoondiensten via satelliet aan geheel Noord-Amerika zal verstrekken.

Competitie

In 1965, toen EARLY BIRD werd gelanceerd, bood de satelliet bijna 10 maal de capaciteit van de onderzeese telefoonkabels voor bijna 1/10e van de prijs. Dit prijsverschil bleef bestaan tot de aanleg van TAT-8 aan het eind van de jaren tachtig. TAT-8 was de eerste glasvezelkabel die over de Atlantische Oceaan werd gelegd. Satellieten zijn nog steeds concurrerend met kabel voor punt-tot-punt-communicatie, maar het voordeel voor de toekomst kan bij glasvezelkabel liggen. Satellieten hebben nog steeds twee voordelen ten opzichte van de kabel: zij zijn betrouwbaarder en zij kunnen worden gebruikt van punt-tot-meerpunt (omroep).

Cellulaire telefoonsystemen zijn een uitdaging geworden voor alle andere vormen van telefonie. Het is mogelijk een cellulair systeem in een ontwikkelingsland te plaatsen tegen een zeer redelijke prijs. Voor langeafstandsgesprekken is een andere technologie nodig, maar dit kunnen zowel satellieten als glasvezelkabels zijn.

De LEO-systemen

Cellulaire telefonie heeft ons een nieuw technologisch “systeem” gebracht — het persoonlijke communicatiesysteem (PCS). In het volledig ontwikkelde PCS, zou het individu zijn telefoon bij zich dragen. Deze telefoon zou voor spraak of data kunnen worden gebruikt en zou overal inzetbaar zijn. Verscheidene bedrijven hebben zich ertoe verbonden een versie van dit systeem te leveren met gebruikmaking van satellieten in lage omloopbanen (LEO). Deze banen zijn aanzienlijk lager dan de TELSTAR/RELAY-banen van het begin van de jaren zestig. De vroege “low-orbit”-satellieten bevonden zich in elliptische banen die hen door de onderste Van Allen-stralingsgordel voerden. De nieuwe systemen zullen in banen op ongeveer 500 mijl, onder de gordel, worden gebracht.

De meest ambitieuze van deze LEO-systemen is Iridium, gesponsord door Motorola. Iridium is van plan 66 satellieten te lanceren in een polaire baan op een hoogte van ongeveer 400 mijl. Elk van de zes baanvlakken, gescheiden door 30 graden rond de evenaar, zal elf satellieten bevatten. Iridium was oorspronkelijk van plan 77 satellieten te lanceren, vandaar de naam. Element 66 heeft de minder aangename naam Dysprosium. Iridium verwacht in 1998 communicatiediensten voor draagbare telefoons te kunnen leveren. De totale kosten van het Iridium systeem bedragen meer dan drie miljard dollar.

Naast de “grote LEOS”, zoals Iridium en Globalstar, zijn er verschillende “kleine LEOS.” Deze bedrijven zijn van plan meer beperkte diensten aan te bieden, meestal data en radiodeterminatie. Een typisch voorbeeld hiervan is ORBCOM die reeds een experimentele satelliet heeft gelanceerd en verwacht in de zeer nabije toekomst beperkte diensten aan te bieden.

Prospect and Retrospect

Arthur C. Clarke’s visie uit 1945 was een systeem van drie “bemande” satellieten die zich boven de grote landmassa’s van de aarde bevonden en televisie met rechtstreekse ontvangst aanboden. Het inherente “omroep”-karakter van satellietcommunicatie heeft van rechtstreekse omroep een steeds terugkerend thema gemaakt – dat echter nooit tot uitvoering is gebracht. De problemen zijn niet van technische aard, maar van politieke, sociale en artistieke aard. Waar zullen de mensen voor willen betalen? Dat is de vraag, vooral met de beschikbaarheid van 120-kanaals kabel systemen. Hughes staat blijkbaar op het punt dit gebied te betreden en kan anderen aanmoedigen hetzelfde te doen. Alleen dan zal Clarke’s profetische visie worden vervuld.

Er zijn momenteel zes bedrijven die vaste satellietdiensten in de V.S. leveren: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE, en Hughes Communications. Zij exploiteren 36 satellieten met een nettowaarde van meer dan vier miljard dollar. De grondstations die met deze satellieten communiceren zijn ontelbaar en kunnen een vergelijkbare nettowaarde hebben. INTELSAT ondervindt sinds 1986 concurrentie op de internationale markt van Pan American Satellite. Orion Satellite zal naar verwachting in 1994 met de internationale dienst beginnen. Sinds Canada in 1972 met binnenlandse satellietdiensten is begonnen, hebben de Verenigde Staten (1974), Indonesië (1976), Japan (1978), India (1982), Australië (1985), Brazilië (1985), Mexico (1985) en vele anderen zich bij dit land gevoegd. Elk jaar worden 10 tot 20 communicatiesatellieten gelanceerd voor een waarde van ongeveer 75 miljoen dollar per stuk. De draagraketten die ze in een baan om de aarde brengen hebben een vergelijkbare waarde. Zowel satellieten als draagraketten zijn miljardenbedrijven. De sector van de grondstations is al even groot. En de communicatiediensten zelf zijn miljardenbedrijven. John R. Pierce had gelijk. Het zou een miljard dollar waard zijn.

Een Selectieve Communicatie Satelliet Chronologie

  • 1945 Arthur C. Clarke Artikel: “Extra-Terrestrial Relays”
  • 1955 John R. Pierce Artikel: “Orbitale Radio Relays”
  • 1956 Eerste Trans-Atlantische Telefoon Kabel: TAT-1
  • 1957 Spoetnik: Rusland lanceert de eerste aardse satelliet.
  • 1960 Eerste succesvolle DELTA-lanceervoertuig
  • 1960 AT&T vraagt bij FCC experimentele satellietcommunicatievergunning aan
  • 1961 Formele start van TELSTAR-, RELAY-, en SYNCOM-programma’s
  • 1962 TELSTAR en RELAY gelanceerd
  • 1962 Communications Satellite Act (U.S.)
  • 1963 SYNCOM gelanceerd
  • 1964 INTELSAT gevormd
  • 1965 COMSAT’s EARLY BIRD: 1ste commerciële communicatiesatelliet
  • 1969 INTELSAT-III serie biedt wereldwijde dekking
  • 1972 ANIK: 1ste binnenlandse communicatiesatelliet (Canada)
  • 1974 WESTAR: 1ste U.S. Domestic Communications Satellite
  • 1975 INTELSAT-IVA: 1ste gebruik van dual-polarisatie
  • 1975 RCA SATCOM: 1ste operationele body-gestabiliseerde comm. satelliet
  • 1976 MARISAT: 1e mobiele communicatiesatelliet
  • 1976 PALAPA: 3e land (Indonesië) dat binnenlandse comm. satelliet lanceert
  • 1979 INMARSAT gevormd.
  • 1988 TAT-8: 1e glasvezel trans-Atlantische telefoonkabel