Krátká historie komunikačních satelitů

Globální vesnice možná

od Davida J. Whalena

Až za 500 let, až se lidstvo ohlédne za úsvitem cestování do vesmíru, bude přistání Apolla na Měsíci v roce 1969 možná jedinou vzpomínanou událostí. Přitom však Lyndon B. Johnson, sám horlivý propagátor kosmického programu, měl za to, že už jen průzkumné družice ospravedlňují každou korunu vynaloženou na vesmír. Předpověď počasí prošla revolucí díky dostupnosti snímků z geostacionárních meteorologických družic – snímků, které vidíme každý den v televizi. To všechno jsou důležité aspekty kosmického věku, ale družicová komunikace měla na průměrného člověka pravděpodobně větší vliv než všechny ostatní. Družicová komunikace je také jedinou skutečně komerční vesmírnou technologií, která generuje miliardy dolarů ročně z prodeje produktů a služeb.

Technologie za miliardy dolarů

Na podzim roku 1945 napsal Arthur C. Clarke, důstojník elektroniky RAF a člen Britské meziplanetární společnosti, krátký článek do časopisu Wireless World, který popisoval využití pilotovaných družic na 24hodinových oběžných drahách vysoko nad pevninou k distribuci televizních programů. Jeho článek zřejmě neměl trvalý účinek, přestože jej Clarke zopakoval ve své knize The Exploration of Space (1951/52) . Snad první osobou, která pečlivě zhodnotila různé technické možnosti v oblasti družicové komunikace a posoudila finanční vyhlídky, byl John R. Pierce z Bellových telefonních laboratoří AT&T, který ve svém projevu v roce 1954 a v článku z roku 1955 rozvedl užitečnost komunikačního „zrcadla“ ve vesmíru, „opakovače“ na střední oběžné dráze a „opakovače“ na 24hodinové oběžné dráze. Při srovnání komunikační kapacity družice, kterou odhadoval na 1 000 současných telefonních hovorů, a komunikační kapacity prvního transatlantického telefonního kabelu (TAT-1), který mohl přenášet 36 současných telefonních hovorů při nákladech 30-50 milionů dolarů, Pierce uvažoval, zda by družice stála za miliardu dolarů.

Po vypuštění Sputniku I v roce 1957 mnozí zvažovali výhody, zisky a prestiž spojenou s družicovou komunikací. Kvůli obavám Kongresu z „duplikace“ se NASA omezila na experimenty se „zrcadlovými“ nebo „pasivními“ komunikačními družicemi (ECHO), zatímco ministerstvo obrany bylo zodpovědné za „opakovací“ nebo „aktivní“ družice, které zesilují přijímaný signál na družici – poskytují mnohem kvalitnější komunikaci. V roce 1960 společnost AT&T požádala Federální komunikační komisi (FCC) o povolení vypustit experimentální komunikační družici s cílem rychle zavést operační systém. Americká vláda reagovala překvapivě – neexistovala žádná politika, která by pomohla provést mnohá rozhodnutí související s návrhem AT&T. V polovině roku 1961 NASA zadala konkurenční zakázku společnosti RCA na stavbu aktivní komunikační družice na střední oběžné dráze (výška 4 000 mil) (RELAY); AT&T stavěla vlastní družici na střední oběžné dráze (TELSTAR), kterou NASA vypustí na základě náhrady nákladů; a NASA zadala výhradní zakázku společnosti Hughes Aircraft Company na stavbu 24hodinové (výška 20 000 mil) družice (SYNCOM). Vojenský program ADVENT byl o rok později zrušen kvůli složitosti kosmické lodi, zpoždění dostupnosti nosné rakety a překročení nákladů.

Do roku 1964 úspěšně pracovaly ve vesmíru dvě družice TELSTAR, dvě družice RELAY a dvě družice SYNCOM. Toto načasování bylo šťastné, protože společnost COMSAT (Communications Satellite Corporation), která vznikla v důsledku zákona o komunikačních družicích z roku 1962, právě uzavírala smlouvy na svou první družici. Počáteční kapitalizace společnosti COMSAT ve výši 200 milionů dolarů byla považována za dostatečnou pro vybudování systému desítek družic na střední oběžné dráze. Z různých důvodů, včetně nákladů, se COMSAT nakonec rozhodl odmítnout společnou nabídku AT&T/RCA na družici se střední oběžnou dráhou, která by obsahovala to nejlepší z družic TELSTAR a RELAY. Pro první dva systémy si vybrala družici s 24hodinovou oběžnou dráhou (geosynchronní) nabízenou společností Hughes Aircraft Company a pro třetí systém geosynchronní družici TRW. Dne 6. dubna 1965 byla z mysu Canaveral vypuštěna první družice společnosti COMSAT, EARLY BIRD. Začala globální satelitní komunikace.

Globální vesnice: Mezinárodní komunikace

Nějaké záblesky globální vesnice se objevily již během experimentů s družicemi TELSTAR, RELAY a SYNCOM. Ty zahrnovaly televizní přenos části olympijských her v Tokiu v roce 1964. Ačkoli COMSAT a první nosné rakety a družice byly americké, od počátku se na nich podílely i další země. Společnost AT&T zpočátku jednala se svými evropskými „partnery“ z oblasti telefonních kabelů o vybudování pozemních stanic pro experimenty TELSTAR. NASA tato jednání rozšířila o experimenty RELAY a SYNCOM. V době zahájení projektu EARLY BIRD již existovaly komunikační pozemní stanice ve Velké Británii, Francii, Německu, Itálii, Brazílii a Japonsku. Výsledkem dalších jednání v letech 1963 a 1964 byla nová mezinárodní organizace, která měla nakonec převzít vlastnictví družic a odpovědnost za správu globálního systému. Dne 20. srpna 1964 byly podepsány dohody, na jejichž základě vznikla Mezinárodní telekomunikační družicová organizace (INTELSAT).

Koncem roku 1965 EARLY BIRD poskytl 150 telefonních „polovičních okruhů“ a 80 hodin televizního vysílání. Řada INTELSAT II byla o něco výkonnější a životnostně delší verzí družice EARLY BIRD. Systém COMSAT/INTELSAT byl zpočátku využíván především k poskytování okruhů pro komunikační síť NASA (NASCOM). Řada INTELSAT III byla první, která poskytla pokrytí Indického oceánu a doplnila tak globální síť. Toto pokrytí bylo dokončeno jen několik dní předtím, než půl miliardy lidí sledovalo 20. července 1969 přistání APOLLA 11 na Měsíci.

Z několika stovek telefonních okruhů a hrstky členů v roce 1965 se INTELSAT rozrostl do dnešní podoby systému, který má více členů než OSN a je schopen poskytovat statisíce telefonních okruhů. Náklady operátorů na jeden okruh se snížily z téměř 100 000 dolarů na několik tisíc dolarů. Náklady spotřebitelů se snížily z více než 10 dolarů za minutu na méně než 1 dolar za minutu. Při započtení vlivu inflace se jedná o obrovský pokles! INTELSAT poskytuje služby celému světu, nejen průmyslově vyspělým zemím.

Dobrý den, Guam:

V roce 1965 navrhla společnost ABC domácí satelitní systém pro šíření televizního signálu. Návrh upadl v dočasné zapomnění, ale v roce 1972 společnost TELESAT CANADA vypustila první domácí komunikační družici ANIK, která sloužila rozsáhlému kanadskému kontinentálnímu území. Společnost RCA si okamžitě pronajala okruhy na kanadském satelitu do doby, než bude moci vypustit vlastní satelit. První americkou domácí komunikační družicí byl WESTAR I společnosti Western Union, vypuštěný 13. dubna 1974. V prosinci následujícího roku vypustila společnost RCA svůj satelit RCA SATCOM F- 1. Počátkem roku 1976 vypustila společnost AT&T a COMSAT první satelit řady COMSTAR. Tyto družice se používaly pro přenos hlasu a dat, ale velmi rychle se hlavním uživatelem stala televize. Koncem roku 1976 bylo nad USA k dispozici 120 transpondérů, z nichž každý mohl poskytovat 1500 telefonních kanálů nebo jeden televizní kanál. Velmi rychle byly pro většinu Američanů dostupné „filmové kanály“ a „superstanice“. Dramatický rozvoj kabelové televize by nebyl možný bez levného způsobu distribuce videa.

V následujících dvou desetiletích došlo k určitým změnám: Společnost Western Union již neexistuje; Hughes je nyní satelitním operátorem i výrobcem; AT&T je stále satelitním operátorem, ale již nespolupracuje se společností COMSAT; GTE, která se původně na počátku 60. let spojila s Hughesem za účelem vybudování a provozování globálního systému, je nyní hlavním domácím satelitním operátorem. Televize stále dominuje domácí satelitní komunikaci, ale s příchodem terminálů s velmi malou aperturou (VSAT) došlo k obrovskému nárůstu datových přenosů. Malé antény, ať už TVRO (TV-Receive Only) nebo VSAT, jsou běžným jevem po celé zemi.

Nové technologie

Prvním velkým geosynchronním družicovým projektem byla komunikační družice ADVENT ministerstva obrany. Byla stabilizovaná ve třech osách, nikoli rotující. Měla anténu, která směrovala její rádiovou energii na Zemi. Byla poměrně složitá a těžká. Vážila 500-1000 kg a mohla být vypuštěna pouze nosnou raketou ATLAS- CENTAUR. ADVENT nikdy nevzlétl, především proto, že stupeň CENTAUR nebyl do roku 1968 plně spolehlivý, ale také kvůli problémům s družicí. Když byl program v roce 1962 zrušen, bylo to považováno za smrtelnou ránu pro geosynchronní družice, tříosou stabilizaci, ATLAS-CENTAUR a složité komunikační družice obecně. Geosynchronní družice se staly realitou v roce 1963 a v roce 1965 se staly jedinou volbou. V následujících letech se staly běžnými i další charakteristiky družic ADVENT.

Na počátku 60. let se jako nosné rakety používaly upravené mezikontinentální balistické rakety (ICBM) a balistické rakety středního doletu (IRBM). Všechny tyto rakety měly společný problém: byly určeny k dopravení objektu na zemský povrch, nikoliv k umístění objektu na oběžnou dráhu. Horní stupně musely být navrženy tak, aby zajistily delta-Vee (změnu rychlosti) v apogeu, aby oběžná dráha byla cirkulární. Nosné rakety DELTA, které vynesly na oběžnou dráhu všechny první komunikační družice, byly IRBM THOR, které používaly horní stupeň VANGUARD k zajištění tohoto delta-Vee. Bylo zjištěno, že DELTA je relativně malá, a byl zahájen projekt vývoje CENTAUR, vysokoenergetického horního stupně pro ICBM ATLAS. ATLAS-CENTAUR se stal spolehlivým v roce 1968 a čtvrtá generace družic INTELSAT používala tuto nosnou raketu. Pátá generace využívala ATLAS-CENTAUR a novou nosnou raketu, evropskou ARIANE. Od té doby se na trhu objevily další, včetně ruské nosné rakety PROTON a čínské LONG MARCH. Všechny jsou schopny vynášet družice o téměř třicetinásobné hmotnosti než EARLY BIRD.

V polovině sedmdesátých let bylo postaveno několik družic využívajících tříosou stabilizaci. Byly složitější než spinnery, ale poskytovaly větší despunovou plochu pro montáž antén a umožňovaly rozmístění velmi velkých slunečních soustav. Čím větší je hmotnost a výkon, tím větší se zdá být výhoda tříosé stabilizace. Snad nejjistějším důkazem úspěchu této formy stabilizace byl přechod společnosti Hughes, úzce ztotožňované s rotujícími družicemi, na tuto formu stabilizace na počátku 90. let. Nejnovější výrobky výrobců SYNCOM se dosti podobají zdiskreditované konstrukci ADVENT z konce 50. let.

Velká část technologie pro komunikační družice existovala již v roce 1960, ale časem by se zdokonalila. Základním komunikačním prvkem družice byl thr traveling-wave-tube (TWT). Ty vynalezl v Anglii Rudoph Kompfner, ale v Bellových laboratořích je zdokonalili Kompfner a J. R. Pierce. Všechny tři první satelity používaly TWT, které sestrojil jeden z absolventů Bellových laboratoří. Tyto první elektronky měly výkon pouhý 1 watt. Dnes jsou k dispozici TWT s vyšším výkonem (50-300 wattů) pro standardní satelitní služby a pro přímé vysílání. Ještě důležitějším zlepšením bylo použití antén s vysokým ziskem. Soustředění energie z 1wattového vysílače na zemský povrch je ekvivalentní 100wattovému vysílači vyzařujícímu do všech směrů. Soustředění této energie na východní část USA se rovná vysílači o výkonu 1000 wattů, který vyzařuje do všech směrů. Hlavním důsledkem tohoto zvýšení skutečného a efektivního výkonu je, že pozemní stanice již nejsou 100metrové talířové reflektory s kryogenně chlazenými maserovými zesilovači, jejichž stavba stojí až 10 milionů dolarů (1960 dolarů). Antény pro běžné satelitní služby jsou obvykle patnáctimetrové talířové reflektory s cenou 30 000 dolarů (1990 dolarů). Antény pro přímé vysílání mají průměr pouze jeden metr a stojí několik set dolarů.

Mobilní služby

V únoru 1976 vypustila společnost COMSAT nový typ družice MARISAT, která měla poskytovat mobilní služby námořnictvu Spojených států a dalším námořním zákazníkům. Na začátku 80. let spustili Evropané řadu MARECS, která měla poskytovat stejné služby. V roce 1979 Mezinárodní námořní organizace OSN sponzorovala založení Mezinárodní námořní družicové organizace (INMARSAT) podobně jako INTELSAT. INMARSAT si zpočátku pronajímal transpondéry družic MARISAT a MARECS, ale v říjnu 1990 vypustil první z vlastních družic, INMARSAT II F-1. Třetí generace, INMARSAT III, již byla vypuštěna.

V polovině 70. let byl navržen letecký satelit. Zakázka na stavbu družice byla zadána společnosti General Electric, ale byla zrušena – nyní tuto službu poskytuje INMARSAT. Ačkoli byl INMARSAT původně koncipován jako metoda poskytování telefonních služeb a služeb sledování provozu na lodích na moři, poskytoval mnohem více. Novináři s kufříkovým telefonem jsou již nějakou dobu všudypřítomní, ale válka v Perském zálivu přivedla tuto technologii do povědomí veřejnosti.

Spojené státy a Kanada nějakou dobu diskutovaly o severoamerickém mobilním satelitu. V příštím roce bude vypuštěna první družice MSAT, na níž spolupracují AMSC (USA) a TMI (Kanada) a která bude poskytovat mobilní telefonní služby prostřednictvím družice pro celou Severní Ameriku.

Konkurence

V roce 1965, kdy byla vypuštěna družice EARLY BIRD, poskytovala téměř desetinásobek kapacity podmořských telefonních kabelů za téměř desetinu ceny. Tento cenový rozdíl se udržel až do položení TAT-8 na konci 80. let. TAT-8 byl prvním optickým kabelem položeným přes Atlantik. Satelity jsou stále konkurenceschopné s kabely pro komunikaci mezi jednotlivými body, ale budoucí výhodu může mít optický kabel. Satelity si oproti kabelům stále zachovávají dvě výhody: jsou spolehlivější a lze je používat jako point-to-multi-point (vysílání).

Systémy celulárních telefonů se staly výzvou pro všechny ostatní typy telefonie. V rozvojové zemi je možné umístit celulární systém za velmi přijatelnou cenu. Dálkové hovory vyžadují jinou technologii, ale tou mohou být buď satelity, nebo optický kabel.

Systémy LEO

Buněčná telefonie nám přinesla nový technologický „systém“ – osobní komunikační systém (PCS). V plně rozvinutém PCS by jednotlivec nosil svůj telefon u sebe. Tento telefon lze používat pro přenos hlasu nebo dat a je použitelný kdekoli. Několik společností se zavázalo poskytovat verzi tohoto systému pomocí satelitů na nízkých oběžných drahách Země (LEO). Tyto oběžné dráhy jsou podstatně nižší než oběžné dráhy TELSTAR/RELAY z počátku 60. let. První „nízkoorbitální“ družice byly na eliptických oběžných drahách, které je vedly přes spodní van Allenův radiační pás. Nové systémy se budou pohybovat na oběžných drahách ve vzdálenosti přibližně 500 mil, tedy pod tímto pásem.

Nejambicióznějším z těchto systémů LEO je Iridium, sponzorované společností Motorola. Iridium plánuje vynést 66 družic na polární oběžnou dráhu ve výšce asi 400 mil. Každá ze šesti orbitálních rovin, oddělených 30 stupni kolem rovníku, bude obsahovat jedenáct družic. Iridium původně plánovalo mít 77 satelitů – odtud jeho název. Prvek 66 má méně příjemný název Dysprosium. Iridium očekává, že v roce 1998 bude poskytovat komunikační služby pro ruční telefony. Celkové náklady na systém Iridium značně přesahují tři miliardy dolarů.

Kromě „velkých LEOS“, jako jsou Iridium a Globalstar, existuje několik „malých LEOS“. Tyto společnosti plánují nabízet omezenější služby, typicky datové a radiodeterminační. Typickou z nich je společnost ORBCOM, která již vypustila experimentální družici a očekává, že v blízké budoucnosti bude nabízet omezené služby.

Perspektiva a retrospektiva

Vizi Arthura C. Clarka z roku 1945 představoval systém tří „pilotovaných“ družic umístěných nad hlavními zemskými masivy a poskytujících přímou celoplošnou televizi. Vzhledem k inherentní „vysílací“ povaze družicové komunikace se přímé vysílání stalo opakovaným tématem – které však nikdy nebylo realizováno. Problémy nejsou technické, ale politické, sociální a umělecké. Za co budou lidé ochotni platit? To je otázka – zejména s ohledem na dostupnost 120kanálových kabelových systémů. Hughes se zřejmě chystá vstoupit na toto pole a možná povzbudí ostatní, aby učinili totéž. Teprve pak se naplní Clarkeova prorocká vize.

V současné době poskytuje pevné satelitní služby v USA šest společností: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE a Hughes Communications. Provozují 36 satelitů s čistou hodnotou přes čtyři miliardy dolarů. Základnových stanic, které s těmito satelity komunikují, je nespočet a mohou mít podobnou čistou hodnotu. Společnost INTELSAT má od roku 1986 na mezinárodním trhu konkurenci v podobě společnosti Pan American Satellite. Očekává se, že společnost Orion Satellite zahájí mezinárodní provoz v roce 1994. Od roku 1972, kdy Kanada zahájila vnitrostátní satelitní služby, se k této zemi připojily Spojené státy (1974), Indonésie (1976), Japonsko (1978), Indie (1982), Austrálie (1985), Brazílie (1985), Mexiko (1985) a mnoho dalších. Každý rok je vypuštěno 10-20 komunikačních družic, každá v hodnotě přibližně 75 milionů dolarů. Podobnou hodnotu mají i nosné rakety, které je vynášejí na oběžnou dráhu. Jak satelity, tak nosné rakety představují mnohamiliardový byznys. Stejně velký je i obchod s pozemními stanicemi. A konečně samotné komunikační služby představují mnohamiliardový byznys. John R. Pierce měl pravdu – mělo by to hodnotu jedné miliardy dolarů.

Výběrová chronologie komunikačních družic

• 1945 Článek Arthura C. Clarka: Clarke: „Extra-Terrestrial Relays“
• 1955 John R. Pierce Article: „
• 1956 První transatlantický telefonní kabel: TAT-1
• 1957 Sputnik: Rusko vypouští první družici Země.
• 1960 První úspěšná nosná raketa DELTA
• 1960 AT&T žádá FCC o licenci na experimentální družicovou komunikaci
• 1961 Formální zahájení programů TELSTAR, RELAY a SYNCOM
• 1962 Vypuštěny programy TELSTAR a RELAY
• 1962 Communications Satellite Act (zákon o komunikačních družicích USA).)
• 1963 Vypuštěn SYNCOM
• 1964 Založena společnost INTELSAT
• 1965 EARLY BIRD společnosti COMSAT: 1. komerční komunikační družice
• 1969 Řada INTELSAT-III zajišťuje globální pokrytí
• 1972 ANIK: 1. domácí komunikační družice (Kanada)
• 1974 WESTAR: 1. americká družice.Domácí komunikační družice USA
• 1975 INTELSAT-IVA: 1. použití dvoupolarizace
• 1975 RCA SATCOM: 1. operační komunikační družice se stabilizovaným tělem
• 1976 MARISAT: PALAPA: 3. země (Indonésie), která vypustila domácí komunikační družici
• 1979 Založen INMARSAT.
• 1988 TAT-8: 1. optický transatlantický telefonní kabel

.