Global Village möglich

von David J. Whalen

In 500 Jahren, wenn die Menschheit auf die Anfänge der Raumfahrt zurückblickt, wird man sich vielleicht nur an die Apollo-Landung auf dem Mond 1969 erinnern. Lyndon B. Johnson, selbst ein begeisterter Befürworter des Raumfahrtprogramms, war jedoch der Meinung, dass allein die Aufklärungssatelliten jeden Cent rechtfertigten, der für die Raumfahrt ausgegeben wurde. Die Wettervorhersage wurde durch die Verfügbarkeit von Bildern geostationärer Wettersatelliten revolutioniert – Bilder, die wir jeden Tag im Fernsehen sehen. All dies sind wichtige Aspekte des Weltraumzeitalters, aber die Satellitenkommunikation hat wahrscheinlich mehr Auswirkungen auf den Durchschnittsbürger als alle anderen. Die Satellitenkommunikation ist auch die einzige wirklich kommerzielle Raumfahrttechnologie, die jährlich Milliarden von Dollar mit dem Verkauf von Produkten und Dienstleistungen einbringt.

Die Milliarden-Dollar-Technologie

Im Herbst 1945 schrieb Arthur C. Clarke, ein Elektronikoffizier der RAF und Mitglied der British Interplanetary Society, einen kurzen Artikel in der Wireless World, in dem er den Einsatz bemannter Satelliten in 24-Stunden-Umlaufbahnen hoch über den Landmassen der Welt zur Verbreitung von Fernsehprogrammen beschrieb. Sein Artikel hatte offenbar wenig nachhaltige Wirkung, obwohl Clarke die Geschichte in seinem 1951/52 erschienenen Buch The Exploration of Space wiederholte. Vielleicht war John R. Pierce von den AT&T’s Bell Telephone Laboratories die erste Person, die die verschiedenen technischen Möglichkeiten der Satellitenkommunikation sorgfältig bewertete und die finanziellen Aussichten abschätzte. In einer Rede 1954 und einem Artikel 1955 erläuterte er den Nutzen eines Kommunikations-„Spiegels“ im Weltraum, eines „Repeaters“ in der mittleren Umlaufbahn und eines „Repeaters“ in der 24-Stunden-Umlaufbahn. Pierce verglich die Kommunikationskapazität eines Satelliten, die er auf 1.000 gleichzeitige Telefongespräche schätzte, mit der Kommunikationskapazität des ersten transatlantischen Telefonkabels (TAT-1), das 36 gleichzeitige Telefongespräche zu einem Preis von 30-50 Millionen Dollar übertragen konnte, und fragte sich, ob ein Satellit eine Milliarde Dollar wert sei.

Nach dem Start von Sputnik I im Jahr 1957 dachten viele über die Vorteile, den Gewinn und das Prestige nach, die mit der Satellitenkommunikation verbunden waren. Wegen der Befürchtungen des Kongresses vor „Doppelarbeit“ beschränkte sich die NASA auf Experimente mit „Spiegel-“ oder „passiven“ Kommunikationssatelliten (ECHO), während das Verteidigungsministerium für „Repeater-“ oder „aktive“ Satelliten zuständig war, die das empfangene Signal am Satelliten verstärken und so eine viel bessere Kommunikationsqualität liefern. 1960 beantragte AT&T bei der Federal Communications Commission (FCC) die Genehmigung zum Start eines experimentellen Kommunikationssatelliten mit dem Ziel der raschen Einführung eines operationellen Systems. Die US-Regierung reagierte überrascht – es gab keine Strategie, um die zahlreichen Entscheidungen im Zusammenhang mit dem AT&T-Vorschlag umzusetzen. Mitte 1961 hatte die NASA einen Wettbewerbsvertrag an RCA für den Bau eines aktiven Kommunikationssatelliten in mittlerer Umlaufbahn (4.000 Meilen Höhe) (RELAY) vergeben; AT&T baute seinen eigenen Satelliten in mittlerer Umlaufbahn (TELSTAR), den die NASA auf einer kostenpflichtigen Basis starten würde; und die NASA hatte einen Alleinauftrag an die Hughes Aircraft Company für den Bau eines 24-Stunden-Satelliten (20.000 Meilen Höhe) (SYNCOM) vergeben. Das militärische Programm ADVENT wurde ein Jahr später wegen der Komplexität des Raumfahrzeugs, der Verzögerung bei der Verfügbarkeit der Trägerrakete und der Kostenüberschreitung eingestellt.

Bis 1964 hatten zwei TELSTARs, zwei RELAYs und zwei SYNCOMs erfolgreich im Weltraum gearbeitet. Der Zeitpunkt war günstig, denn die Communications Satellite Corporation (COMSAT), die auf der Grundlage des Communications Satellite Act von 1962 gegründet worden war, war gerade dabei, ihren ersten Satelliten in Auftrag zu geben. Die anfängliche Kapitalausstattung von COMSAT in Höhe von 200 Millionen Dollar wurde als ausreichend angesehen, um ein System von Dutzenden von Satelliten in mittlerer Umlaufbahn zu bauen. Aus verschiedenen Gründen, unter anderem aus Kostengründen, entschied sich COMSAT schließlich, das gemeinsame Angebot von AT&T/RCA für einen Satelliten in mittlerer Umlaufbahn abzulehnen, der das Beste von TELSTAR und RELAY enthielt. Man entschied sich für den von der Hughes Aircraft Company angebotenen 24-Stunden-Satelliten (geosynchron) für die ersten beiden Systeme und für einen geosynchronen TRW-Satelliten für das dritte System. Am 6. April 1965 wurde der erste Satellit von COMSAT, EARLY BIRD, von Cape Canaveral aus gestartet. Die weltweite Satellitenkommunikation hatte begonnen.

Das globale Dorf: Internationale Kommunikation

Ein paar Einblicke in das Global Village gab es bereits bei Experimenten mit TELSTAR, RELAY und SYNCOM. Dazu gehörte auch die Fernsehübertragung von Teilen der Olympischen Spiele 1964 in Tokio. Obwohl COMSAT und die ersten Trägerraketen und Satelliten aus den USA stammten, waren auch andere Länder von Anfang an beteiligt. AT&T hatte zunächst mit seinen europäischen Telefonkabel-„Partnern“ über den Bau von Bodenstationen für TELSTAR-Versuche verhandelt. Die NASA hatte diese Verhandlungen auf RELAY- und SYNCOM-Versuche ausgedehnt. Zum Zeitpunkt des Starts von EARLY BIRD gab es bereits Kommunikationsbodenstationen im Vereinigten Königreich, in Frankreich, Deutschland, Italien, Brasilien und Japan. Weitere Verhandlungen in den Jahren 1963 und 1964 führten zur Gründung einer neuen internationalen Organisation, die schließlich das Eigentum an den Satelliten und die Verantwortung für die Verwaltung des globalen Systems übernehmen sollte. Am 20. August 1964 wurden die Vereinbarungen zur Gründung der Internationalen Fernmeldesatellitenorganisation (INTELSAT) unterzeichnet.

Bis Ende 1965 hatte EARLY BIRD 150 Telefon-„Halbschaltungen“ und 80 Stunden Fernsehdienst bereitgestellt. Die INTELSAT II-Serie war eine etwas leistungsfähigere und langlebigere Version von EARLY BIRD. Ein Großteil der frühen Nutzung des COMSAT/INTELSAT-Systems bestand in der Bereitstellung von Leitungen für das NASA-Kommunikationsnetz (NASCOM). Die INTELSAT III-Serie war die erste, die den Indischen Ozean abdeckte, um das globale Netz zu vervollständigen. Diese Abdeckung wurde nur wenige Tage vor der Landung von APOLLO 11 auf dem Mond am 20. Juli 1969 fertiggestellt, die von einer halben Milliarde Menschen verfolgt wurde.

Aus ein paar hundert Telefonkreisen und einer Handvoll Mitgliedern im Jahr 1965 ist INTELSAT zu einem System gewachsen, das heute mehr Mitglieder hat als die Vereinten Nationen und Hunderttausende von Telefonkreisen bereitstellen kann. Die Kosten für die Netzbetreiber pro Schaltkreis sind von fast 100.000 Dollar auf ein paar tausend Dollar gesunken. Die Kosten für die Verbraucher sind von über 10 Dollar pro Minute auf weniger als 1 Dollar pro Minute gesunken. Wenn man die Auswirkungen der Inflation mit einbezieht, ist dies ein enormer Rückgang! INTELSAT bietet Dienste für den gesamten Globus an, nicht nur für die Industrienationen.

Hallo Guam: Inländische Kommunikation

Im Jahr 1965 schlug ABC ein inländisches Satellitensystem zur Verbreitung von Fernsehsignalen vor. Der Vorschlag geriet vorübergehend in Vergessenheit, aber 1972 startete TELESAT CANADA den ersten inländischen Kommunikationssatelliten ANIK, der das riesige kanadische Festland versorgen sollte. RCA mietete prompt Schaltkreise auf dem kanadischen Satelliten, bis sie ihren eigenen Satelliten starten konnten. Der erste inländische Kommunikationssatellit der USA war WESTAR I von Western Union, der am 13. April 1974 gestartet wurde. Im Dezember des folgenden Jahres startete RCA seinen RCA SATCOM F- 1. Anfang 1976 starteten AT&T und COMSAT den ersten der COMSTAR-Serie. Diese Satelliten wurden für Sprach- und Datenübertragungen eingesetzt, aber sehr schnell wurde das Fernsehen zu einem Hauptnutzer. Ende 1976 waren 120 Transponder über den USA verfügbar, von denen jeder 1500 Telefonkanäle oder einen Fernsehkanal bereitstellen konnte. Sehr schnell waren die „Filmkanäle“ und „Superstationen“ für die meisten Amerikaner verfügbar. Das dramatische Wachstum des Kabelfernsehens wäre ohne eine kostengünstige Methode zur Verbreitung von Video nicht möglich gewesen.

In den folgenden zwei Jahrzehnten haben sich einige Veränderungen ergeben: Western Union gibt es nicht mehr; Hughes ist jetzt sowohl ein Satellitenbetreiber als auch ein Hersteller; AT&T ist immer noch ein Satellitenbetreiber, aber nicht mehr in Partnerschaft mit COMSAT; GTE, die ursprünglich in den frühen 60er Jahren mit Hughes zusammenarbeitete, um ein globales System zu bauen und zu betreiben, ist jetzt ein wichtiger inländischer Satellitenbetreiber. Die inländische Satellitenkommunikation wird nach wie vor vom Fernsehen dominiert, aber die Datenübertragung hat mit dem Aufkommen der VSATs (Very Small Aperture Terminals) enorm zugenommen. Kleine Antennen, ob TV-Receive Only (TVRO) oder VSAT, sind überall im Land zu sehen.

Neue Technologie

Das erste große geosynchrone Satellitenprojekt war der ADVENT-Kommunikationssatellit des Verteidigungsministeriums. Er war in drei Achsen stabilisiert und nicht drehbar. Er hatte eine Antenne, die seine Funkenergie auf die Erde richtete. Er war ziemlich kompliziert und schwer. Mit einem Gewicht von 500-1000 Pfund konnte er nur mit der ATLAS-CENTAUR-Trägerrakete gestartet werden. ADVENT ist nie geflogen, vor allem, weil die CENTAUR-Stufe bis 1968 nicht völlig zuverlässig war, aber auch wegen Problemen mit dem Satelliten. Als das Programm 1962 eingestellt wurde, galt dies als das Todesurteil für geosynchrone Satelliten, die Drei-Achsen-Stabilisierung, das ATLAS-CENTAUR und komplexe Kommunikationssatelliten im Allgemeinen. Geosynchrone Satelliten wurden 1963 zur Realität und 1965 zur einzigen Wahl. Auch die anderen ADVENT-Merkmale wurden in den Folgejahren alltäglich.

In den frühen 1960er Jahren wurden umgerüstete ballistische Interkontinentalraketen (ICBMs) und ballistische Mittelstreckenraketen (IRBMs) als Trägerraketen eingesetzt. Sie alle hatten ein gemeinsames Problem: Sie waren dafür ausgelegt, ein Objekt auf die Erdoberfläche zu befördern, und nicht, ein Objekt in eine Umlaufbahn zu bringen. Die Oberstufen mussten so konstruiert sein, dass sie im Apogäum eine Delta-Vee (Geschwindigkeitsänderung) bewirken, um die Umlaufbahn zu zirkulieren. Die DELTA-Trägerraketen, die alle frühen Kommunikationssatelliten in die Umlaufbahn brachten, waren THOR-IRBMs, die die VANGUARD-Oberstufe verwendeten, um dieses Delta-Vee zu erreichen. Man erkannte, dass die DELTA relativ klein war, und es wurde ein Projekt zur Entwicklung von CENTAUR, einer Hochenergie-Oberstufe für die ATLAS-ICBM, gestartet. ATLAS-CENTAUR wurde 1968 zuverlässig und die vierte Generation der INTELSAT-Satelliten nutzte diese Trägerrakete. Die fünfte Generation verwendete ATLAS-CENTAUR und eine neue Trägerrakete, die europäische ARIANE. Seitdem sind weitere Produkte auf den Markt gekommen, darunter die russische PROTON-Trägerrakete und die chinesische LONG MARCH. Alle sind in der Lage, Satelliten zu starten, die fast dreißigmal so schwer sind wie die EARLY BIRD.

Mitte der 1970er Jahre wurden mehrere Satelliten mit Drei-Achsen-Stabilisierung gebaut. Sie waren komplizierter als die Spinner, aber sie boten mehr Fläche für die Montage von Antennen und ermöglichten den Einsatz sehr großer Solar-Arrays. Je größer die Masse und die Leistung sind, desto größer scheint der Vorteil der Drei-Achsen-Stabilisierung zu sein. Das vielleicht sicherste Indiz für den Erfolg dieser Form der Stabilisierung war die Umstellung der Firma Hughes, die eng mit drehenden Satelliten identifiziert wird, auf diese Form der Stabilisierung Anfang der 90er Jahre. Die neuesten Produkte der Hersteller von SYNCOM sehen dem in Verruf geratenen ADVENT-Design der späten 1950er Jahre recht ähnlich.

Ein Großteil der Technologie für Kommunikationssatelliten existierte bereits 1960, wurde aber im Laufe der Zeit verbessert. Die grundlegende Kommunikationskomponente des Satelliten war die Wanderfeldröhre (traveling-wave-tube, TWT). Diese waren in England von Rudoph Kompfner erfunden worden, wurden aber in den Bell Labs von Kompfner und J. R. Pierce perfektioniert. Alle drei frühen Satelliten verwendeten TWTs, die von einem ehemaligen Mitarbeiter der Bell Labs gebaut worden waren. Diese frühen Röhren hatten eine Ausgangsleistung von nur 1 Watt. Heute sind TWTs mit höherer Leistung (50-300 Watt) für Standard-Satellitendienste und für Direktübertragungsanwendungen erhältlich. Eine noch wichtigere Verbesserung war die Verwendung von Antennen mit hoher Verstärkung. Die Bündelung der Energie eines 1-Watt-Senders auf der Erdoberfläche entspricht der eines 100-Watt-Senders, der in alle Richtungen strahlt. Die Bündelung dieser Energie auf den Osten der USA entspricht einem 1000-Watt-Sender, der in alle Richtungen abstrahlt. Die wichtigste Auswirkung dieses Anstiegs der tatsächlichen und effektiven Leistung ist, dass Erdfunkstellen nicht länger 100-Fuß-Schüsselreflektoren mit kryogenisch gekühlten Maser-Verstärkern sind, deren Bau bis zu 10 Millionen Dollar (1960) kostet. Antennen für normale Satellitendienste sind in der Regel 15-Fuß-Reflektorschüsseln, die 30.000 $ (1990 Dollar) kosten. Antennen für Direktübertragungen haben nur einen Durchmesser von einem Fuß und kosten ein paar hundert Dollar.

Mobile Dienste

Im Februar 1976 startete COMSAT eine neue Art von Satellit, MARISAT, um mobile Dienste für die US-Marine und andere maritime Kunden anzubieten. Anfang der 1980er Jahre brachten die Europäer die MARECS-Serie auf den Markt, um die gleichen Dienste anzubieten. 1979 förderte die Internationale Seeschifffahrtsorganisation der Vereinten Nationen die Gründung der Internationalen Maritimen Satellitenorganisation (INMARSAT) in ähnlicher Weise wie INTELSAT. INMARSAT mietete zunächst die Transponder der MARISAT- und MARECS-Satelliten, startete aber im Oktober 1990 den ersten eigenen Satelliten, INMARSAT II F-1. Die dritte Generation, INMARSAT III, ist bereits gestartet worden.

Mitte der 1970er Jahre wurde ein Satellit für die Luftfahrt vorgeschlagen. Der Auftrag für den Bau des Satelliten wurde an General Electric vergeben, dann aber wieder gestrichen, so dass INMARSAT nun diesen Dienst anbietet. Obwohl INMARSAT ursprünglich als Methode zur Bereitstellung von Telefondiensten und Verkehrsüberwachungsdiensten auf Schiffen auf See gedacht war, hat es viel mehr zu bieten. Der Journalist mit dem Aktentaschentelefon ist schon seit geraumer Zeit allgegenwärtig, aber der Golfkrieg hat diese Technologie in den Blickpunkt der Öffentlichkeit gerückt.

Die Vereinigten Staaten und Kanada diskutierten seit einiger Zeit über einen nordamerikanischen Mobilfunksatelliten. Im nächsten Jahr soll der erste MSAT-Satellit, bei dem AMSC (USA) und TMI (Kanada) zusammenarbeiten, gestartet werden und ganz Nordamerika über Satellit mit Mobiltelefonen versorgen.

Wettbewerb

Im Jahr 1965, als EARLY BIRD gestartet wurde, bot der Satellit fast die 10-fache Kapazität der Unterwasser-Telefonkabel für fast ein Zehntel des Preises. Dieser Preisunterschied wurde bis zur Verlegung von TAT-8 in den späten 1980er Jahren beibehalten. TAT-8 war das erste Glasfaserkabel, das über den Atlantik verlegt wurde. Bei der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation sind Satelliten immer noch wettbewerbsfähig mit Kabeln, aber der künftige Vorteil könnte beim Glasfaserkabel liegen. Satelliten haben immer noch zwei Vorteile gegenüber dem Kabel: Sie sind zuverlässiger und können für Punkt-zu-Multipunkt-Übertragungen eingesetzt werden (Rundfunk).

Zellulartelefonsysteme sind zu einer Herausforderung für alle anderen Arten der Telefonie geworden. Es ist möglich, ein zellulares System in einem Entwicklungsland zu einem sehr vernünftigen Preis zu installieren. Ferngespräche erfordern eine andere Technologie, aber das können entweder Satelliten oder Glasfaserkabel sein.

Die LEO-Systeme

Die zellulare Telefonie hat uns ein neues technologisches „System“ gebracht – das persönliche Kommunikationssystem (PCS). In einem voll entwickelten PCS würde der Einzelne sein Telefon bei sich tragen. Dieses Telefon könnte für Sprache oder Daten verwendet werden und wäre überall einsetzbar. Mehrere Unternehmen haben sich verpflichtet, eine Version dieses Systems unter Verwendung von Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO) anzubieten. Diese Orbits sind deutlich niedriger als die TELSTAR/RELAY-Orbits der frühen 1960er Jahre. Die frühen „Low-Orbit“-Satelliten befanden sich in elliptischen Umlaufbahnen, die sie durch den unteren Van-Allen-Strahlungsgürtel führten. Die neuen Systeme befinden sich in Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 500 Meilen, also unterhalb des Gürtels.

Das ehrgeizigste dieser LEO-Systeme ist Iridium, das von Motorola gesponsert wird. Iridium plant, 66 Satelliten in eine polare Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 400 Meilen zu bringen. Jede der sechs Bahnebenen, die in einem Abstand von 30 Grad um den Äquator angeordnet sind, wird elf Satelliten enthalten. Ursprünglich plante Iridium 77 Satelliten – daher der Name. Das Element 66 trägt den weniger angenehmen Namen Dysprosium. Iridium erwartet, 1998 Kommunikationsdienste für Handtelefone anbieten zu können. Die Gesamtkosten für das Iridium-System belaufen sich auf weit über drei Milliarden Dollar.

Neben den „großen LEOS“ wie Iridium und Globalstar gibt es noch mehrere „kleine LEOS“. Diese Unternehmen planen, begrenztere Dienste anzubieten, typischerweise Daten und Funkbestimmung. Ein typisches Beispiel hierfür ist ORBCOM, das bereits einen Versuchssatelliten gestartet hat und in naher Zukunft einen begrenzten Dienst anbieten will.

Perspektive und Rückblick

Arthur C. Clarke hatte 1945 die Vision eines Systems von drei „bemannten“ Satelliten, die über den großen Landmassen der Erde positioniert werden und direktes Fernsehen im großen Stil bieten. Die der Satellitenkommunikation innewohnende „Broadcast“-Natur hat die Direktübertragung zu einem immer wiederkehrenden Thema gemacht – das jedoch nie verwirklicht wurde. Die Probleme sind nicht technischer Natur, sondern politischer, sozialer und künstlerischer Natur. Wofür werden die Menschen bereit sein zu zahlen? Das ist die Frage – insbesondere angesichts der Verfügbarkeit von Kabelsystemen mit 120 Kanälen. Hughes ist offenbar dabei, in diesen Bereich einzusteigen und könnte andere dazu ermutigen, dasselbe zu tun. Erst dann wird sich die prophetische Vision von Clarke erfüllen.

Es gibt derzeit sechs Unternehmen, die feste Satellitendienste in den USA anbieten: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE, und Hughes Communications. Sie betreiben 36 Satelliten mit einem Nettowert von über vier Milliarden Dollar. Die Bodenstationen, die mit diesen Satelliten kommunizieren, sind zahllos und können einen ähnlichen Nettowert haben. INTELSAT hat seit 1986 mit Pan American Satellite Konkurrenz auf dem internationalen Markt. Orion Satellite wird voraussichtlich 1994 den internationalen Dienst aufnehmen. Seit Kanada 1972 den inländischen Satellitendienst aufgenommen hat, sind die Vereinigten Staaten (1974), Indonesien (1976), Japan (1978), Indien (1982), Australien (1985), Brasilien (1985), Mexiko (1985) und viele andere Länder hinzugekommen. Jedes Jahr werden 10-20 Kommunikationssatelliten im Wert von jeweils etwa 75 Millionen Dollar gestartet. Die Trägerraketen, die sie in die Umlaufbahn bringen, haben einen ähnlichen Wert. Sowohl Satelliten als auch Trägerraketen sind milliardenschwere Unternehmen. Das Geschäft mit den Bodenstationen ist ebenso groß. Schließlich sind auch die Kommunikationsdienste selbst ein Milliardengeschäft. John R. Pierce hatte Recht – es wäre eine Milliarde Dollar wert.

A Selective Communications Satellite Chronology

  • 1945 Arthur C. Clarke Artikel: „Extra-terrestrische Relais“
  • 1955 John R. Pierce Artikel: „Orbital Radio Relays“
  • 1956 Erstes transatlantisches Telefonkabel: TAT-1
  • 1957 Sputnik: Russland startet den ersten Erdsatelliten.
  • 1960 Erste erfolgreiche DELTA-Trägerrakete
  • 1960 AT&T beantragt bei der FCC eine Lizenz für experimentelle Satellitenkommunikation
  • 1961 Offizieller Start der TELSTAR-, RELAY- und SYNCOM-Programme
  • 1962 TELSTAR und RELAY starten
  • 1962 Communications Satellite Act (U.S.))
  • 1963 SYNCOM gestartet
  • 1964 INTELSAT gegründet
  • 1965 COMSAT’s EARLY BIRD: 1. kommerzieller Kommunikationssatellit
  • 1969 INTELSAT-III Serie bietet globale Abdeckung
  • 1972 ANIK: 1. inländischer Kommunikationssatellit (Kanada)
  • 1974 WESTAR: 1.US-amerikanischer Inlandskommunikationssatellit
  • 1975 INTELSAT-IVA: 1. Einsatz der Doppelpolarisierung
  • 1975 RCA SATCOM: 1. einsatzbereiter körperstabilisierter Kommunikationssatellit
  • 1976 MARISAT: Erster mobiler Kommunikationssatellit
  • 1976 PALAPA: Drittes Land (Indonesien), das einen inländischen Kommunikationssatelliten startet
  • 1979 INMARSAT wird gegründet.
  • 1988 TAT-8: 1. Transatlantisches Glasfaser-Telefonkabel