Global Village Possible

by David J. Whalen

Za 500 lat, gdy ludzkość spojrzy wstecz na początki podróży kosmicznych, lądowanie Apollo na Księżycu w 1969 roku może być jedynym pamiętanym wydarzeniem. Jednak w tym samym czasie Lyndon B. Johnson, który sam był zapalonym promotorem programu kosmicznego, uważał, że same satelity zwiadowcze uzasadniają każdy grosz wydany na kosmos. Prognozowanie pogody przeszło rewolucję dzięki dostępności zdjęć z geostacjonarnych satelitów meteorologicznych – zdjęć, które widzimy codziennie w telewizji. Wszystkie te dziedziny są ważnymi aspektami ery kosmicznej, ale komunikacja satelitarna wywarła prawdopodobnie większy wpływ na przeciętnego człowieka niż wszystkie pozostałe. Łączność satelitarna jest również jedyną prawdziwie komercyjną technologią kosmiczną – generującą miliardy dolarów rocznie ze sprzedaży produktów i usług.

Technologia warta miliardy dolarów

W jesieni 1945 roku oficer elektroniki RAF-u i członek Brytyjskiego Towarzystwa Międzyplanetarnego, Arthur C. Clarke, napisał krótki artykuł w Wireless World, który opisywał użycie załogowych satelitów na 24-godzinnych orbitach wysoko nad masami lądowymi świata do dystrybucji programów telewizyjnych. Jego artykuł najwyraźniej nie miał zbyt trwałego wpływu, mimo że Clarke powtórzył tę historię w swojej książce The Exploration of Space (1951/52). Być może pierwszą osobą, która dokładnie oceniła różne opcje techniczne w komunikacji satelitarnej i oszacowała perspektywy finansowe, był John R. Pierce z AT&T’s Bell Telephone Laboratories, który w przemówieniu z 1954 r. i artykule z 1955 r. rozwinął użyteczność „lustra” komunikacyjnego w przestrzeni kosmicznej, „repeatera” na średniej orbicie i „repeatera” na orbicie 24-godzinnej. Porównując możliwości komunikacyjne satelity, które szacował na 1000 jednoczesnych rozmów telefonicznych, oraz możliwości komunikacyjne pierwszego transatlantyckiego kabla telefonicznego (TAT-1), który mógł przenosić 36 jednoczesnych rozmów telefonicznych kosztem 30-50 milionów dolarów, Pierce zastanawiał się, czy satelita byłby wart miliard dolarów.

Po 1957 uruchomieniu Sputnika I, wielu rozważało korzyści, zyski i prestiż związany z komunikacją satelitarną. Z powodu Kongresu obawy „duplikacji”, NASA ograniczyła się do eksperymentów z „lustra” lub „pasywne” satelitów komunikacyjnych (ECHO), podczas gdy Departament Obrony był odpowiedzialny za „repeater” lub „aktywne” satelitów, które wzmacniają otrzymany sygnał na satelicie – zapewniając znacznie wyższą jakość komunikacji. W 1960 roku AT&T złożył wniosek do Federalnej Komisji Łączności (FCC) o pozwolenie na wystrzelenie eksperymentalnego satelity komunikacyjnego z zamiarem szybkiego wdrożenia systemu operacyjnego. Rząd USA zareagował z zaskoczeniem – nie istniała żadna polityka, która pomogłaby w realizacji wielu decyzji związanych z propozycją AT&T. Do połowy 1961 roku NASA przyznała konkurencyjny kontrakt firmie RCA na budowę aktywnego satelity komunikacyjnego na średniej orbicie (4,000 mil wysokości) (RELAY); AT&T budowała swojego własnego satelitę na średniej orbicie (TELSTAR), którego NASA wystrzeli na zasadzie refundacji kosztów; a NASA przyznała kontrakt typu sole- source firmie Hughes Aircraft Company na budowę 24-godzinnego (20,000 mil wysokości) satelity (SYNCOM). Program wojskowy, ADVENT, został anulowany rok później z powodu złożoności statku kosmicznego, opóźnienia w dostępności wyrzutni i przekroczenia kosztów.

Do 1964 roku dwa TELSTAR-y, dwa RELAY-y i dwa SYNCOM-y z powodzeniem działały w przestrzeni kosmicznej. Termin ten był szczęśliwy, ponieważ Communications Satellite Corporation (COMSAT), utworzona w wyniku Communications Satellite Act z 1962 roku, była w trakcie zawierania kontraktu na swojego pierwszego satelitę. Początkowa kapitalizacja COMSAT w wysokości 200 milionów dolarów była uznawana za wystarczającą do zbudowania systemu kilkudziesięciu satelitów średnio-orbitalnych. Z wielu powodów, w tym kosztów, COMSAT ostatecznie zdecydował się odrzucić wspólną ofertę AT&T/RCA na satelitę średnio-orbitalnego łączącego w sobie najlepsze cechy TELSTAR i RELAY. Wybrano 24-godzinnego satelitę orbitalnego (geosynchronicznego) oferowanego przez Hughes Aircraft Company dla dwóch pierwszych systemów oraz satelitę geosynchronicznego TRW dla trzeciego systemu. 6 kwietnia 1965 roku pierwszy satelita COMSAT, EARLY BIRD, został wystrzelony z przylądka Canaveral. Rozpoczęła się globalna komunikacja satelitarna.

Globalna wioska: Komunikacja międzynarodowa

Pewne przebłyski Globalnej Wioski zostały już dostarczone podczas eksperymentów z TELSTAR, RELAY i SYNCOM. Obejmowały one transmisję telewizyjną części Igrzysk Olimpijskich w Tokio w 1964 roku. Chociaż COMSAT oraz początkowe rakiety nośne i satelity były amerykańskie, inne kraje były zaangażowane w projekt od samego początku. AT&T początkowo negocjował ze swoimi europejskimi „partnerami” z branży telefonii kablowej, aby zbudować stacje naziemne dla eksperymentów TELSTAR. NASA rozszerzyła te negocjacje na eksperymenty RELAY i SYNCOM. W czasie, gdy EARLY BIRD został uruchomiony, komunikacyjne stacje naziemne istniały już w Wielkiej Brytanii, Francji, Niemczech, Włoszech, Brazylii i Japonii. Dalsze negocjacje w 1963 i 1964 roku zaowocowały powstaniem nowej organizacji międzynarodowej, która ostatecznie miała przejąć własność satelitów i odpowiedzialność za zarządzanie globalnym systemem. 20 sierpnia 1964 r. podpisano porozumienia, na mocy których powstała Międzynarodowa Organizacja Satelitarna Telekomunikacji (INTELSAT).

Do końca 1965 roku, EARLY BIRD dostarczył 150 telefonicznych „półobwodów” i 80 godzin usług telewizyjnych. Seria INTELSAT II była nieco bardziej sprawną i dłużej działającą wersją EARLY BIRD. Znaczna część wczesnego wykorzystania systemu COMSAT/INTELSAT polegała na dostarczaniu obwodów dla NASA Communications Network (NASCOM). Seria INTELSAT III była pierwszą, która zapewniła pokrycie Oceanu Indyjskiego w celu uzupełnienia globalnej sieci. Sieć ta została ukończona na kilka dni przed tym, jak pół miliarda ludzi obejrzało lądowanie APOLLO 11 na Księżycu 20 lipca 1969 roku.

Z kilkuset obwodów telefonicznych i garstki członków w 1965 roku, INTELSAT rozrósł się do dzisiejszego systemu z większą liczbą członków niż Organizacja Narodów Zjednoczonych i możliwością zapewnienia setek tysięcy obwodów telefonicznych. Koszt jednego obwodu dla przewoźników wzrósł z prawie 100 000 dolarów do kilku tysięcy dolarów. Koszty ponoszone przez konsumentów wzrosły z ponad 10 dolarów za minutę do mniej niż 1 dolara za minutę. Jeśli uwzględni się skutki inflacji, jest to ogromny spadek! INTELSAT świadczy usługi dla całej kuli ziemskiej, nie tylko dla krajów uprzemysłowionych.

Witaj Guam: Domestic Communications

W 1965 roku ABC zaproponowała krajowy system satelitarny do dystrybucji sygnałów telewizyjnych. Propozycja zatonęła w chwilowym zapomnieniu, ale w 1972 TELESAT CANADA uruchomił pierwszy krajowy satelita komunikacyjny, ANIK, aby służyć ogromny obszar kontynentalny Kanady. RCA natychmiast wydzierżawiła obwody na kanadyjskim satelicie, dopóki nie będzie mogła wystrzelić własnego satelity. Pierwszym amerykańskim krajowym satelitą komunikacyjnym był WESTAR I firmy Western Union, wystrzelony 13 kwietnia 1974 roku. W grudniu następnego roku firma RCA wystrzeliła swojego RCA SATCOM F- 1. Na początku 1976 roku AT&T i COMSAT wystrzeliły pierwszego z serii COMSTAR. Satelity te były wykorzystywane do transmisji głosu i danych, ale bardzo szybko telewizja stała się głównym użytkownikiem. Do końca 1976 roku było 120 transponderów dostępnych nad USA, z których każdy był w stanie zapewnić 1500 kanałów telefonicznych lub jeden kanał telewizyjny. Bardzo szybko „kanały filmowe” i „superstacje” stały się dostępne dla większości Amerykanów. Gwałtowny rozwój telewizji kablowej nie byłby możliwy bez niedrogiej metody dystrybucji wideo.

W następnych dwóch dekadach nastąpiły pewne zmiany: Western Union nie jest już więcej; Hughes jest teraz operatorem satelitarnym, jak również producentem; AT&T jest nadal operatorem satelitarnym, ale już nie w partnerstwie z COMSAT; GTE, pierwotnie zespół z Hughes we wczesnych latach 60-tych do budowy i obsługi globalnego systemu jest teraz głównym krajowym operatorem satelitarnym. Telewizja nadal dominuje w krajowej komunikacji satelitarnej, ale dane wzrosła ogromnie wraz z pojawieniem się bardzo małych terminali apertura (VSAT). Małe anteny, czy TV-Receive Only (TVRO) lub VSAT są powszechnym widokiem w całym kraju.

Nowe technologie

Pierwszym dużym geosynchronicznym projektem satelitarnym był satelita komunikacyjny ADVENT Departamentu Obrony. To był trzy-osiowy stabilizowany zamiast obracać. Miał antenę, która kierowała jego energię radiową na ziemię. To było dość skomplikowane i ciężkie. Przy masie 500-1000 funtów mógł być wyniesiony na orbitę tylko przez rakietę ATLAS- CENTAUR. ADVENT nigdy nie poleciał, głównie dlatego, że stopień CENTAUR nie był w pełni niezawodny aż do 1968 roku, ale także z powodu problemów z satelitą. Kiedy w 1962 roku program został odwołany, uznano to za zagładę satelitów geosynchronicznych, trójosiowej stabilizacji, rakiety ATLAS-CENTAUR i ogólnie złożonych satelitów komunikacyjnych. Satelity geosynchroniczne stały się rzeczywistością w 1963 roku, a w 1965 roku stały się jedynym wyborem. Pozostałe cechy ADVENT również stały się powszechne w kolejnych latach.

Na początku lat 60-tych, przerobione międzykontynentalne rakiety balistyczne (ICBM) i rakiety balistyczne pośredniego zasięgu (IRBM) były używane jako pojazdy startowe. Wszystkie one miały wspólny problem: były zaprojektowane do dostarczenia obiektu na powierzchnię Ziemi, a nie do umieszczenia obiektu na orbicie. Górne stopnie musiały być zaprojektowane tak, aby zapewnić delta-Vee (zmianę prędkości) w punkcie apogeum w celu zakreślenia orbity. Rakiety nośne DELTA, które umieściły na orbicie wszystkie wczesne satelity komunikacyjne, były rakietami THOR IRBM, wykorzystującymi górny stopień VANGUARD do zapewnienia tej delta-Vee. Uznano, że DELTA jest stosunkowo mała i rozpoczęto projekt opracowania CENTAUR, wysokoenergetycznego górnego stopnia dla ICBM ATLAS. ATLAS-CENTAUR stał się niezawodny w 1968 roku i czwarta generacja satelitów INTELSAT korzystała z tej rakiety nośnej. W piątej generacji wykorzystano ATLAS-CENTAUR i nowy pojazd nośny – europejski ARIANE. Od tego czasu na rynku pojawiły się inne pojazdy, w tym rosyjski PROTON i chiński LONG MARCH. Wszystkie są zdolne do wynoszenia satelitów o masie prawie trzydziestokrotnie większej niż EARLY BIRD.

W połowie lat 70. zbudowano kilka satelitów wykorzystujących trójosiową stabilizację. Były one bardziej złożone niż wirniki, ale zapewniały więcej powierzchni do montażu anten i umożliwiały rozmieszczenie bardzo dużych baterii słonecznych. Im większa masa i moc, tym większa wydaje się być przewaga trzyosiowej stabilizacji. Chyba najpewniejszą oznaką sukcesu tej formy stabilizacji było przestawienie się na nią na początku lat 90-tych przez firmę Hughes, ściśle utożsamianą z kręcącymi się satelitami. Najnowsze produkty producentów SYNCOM wyglądają dość podobnie do skompromitowanej konstrukcji ADVENT z końca lat 50-tych.

Większość technologii dla satelitów komunikacyjnych istniała w 1960 roku, ale z czasem została ulepszona. Podstawowym komponentem komunikacyjnym satelity była rurka TWT (traveling-wave-tube). Zostały one wynalezione w Anglii przez Rudopha Kompfnera, ale udoskonalone w Bell Labs przez Kompfnera i J.R. Pierce’a. Wszystkie trzy wczesne satelity korzystały z TWT zbudowanych przez absolwenta Bell Labs. Te wczesne lampy miały moc wyjściową już od 1 wata. Obecnie dostępne są TWT o większej mocy (50-300 watów), wykorzystywane w standardowych usługach satelitarnych oraz w transmisjach bezpośrednich. Jeszcze ważniejszym udoskonaleniem było zastosowanie anten o dużym zysku. Skupienie energii z 1-watowego nadajnika na powierzchni Ziemi jest równoważne ze skupieniem energii ze 100-watowego nadajnika promieniującego we wszystkich kierunkach. Skupienie tej energii na obszarze wschodnich Stanów Zjednoczonych jest równoznaczne z posiadaniem 1000-watowego nadajnika promieniującego we wszystkich kierunkach. Głównym efektem tego wzrostu rzeczywistej i efektywnej mocy jest to, że stacje naziemne nie są już 100-stopowymi reflektorami z chłodzonymi kriogenicznie wzmacniaczami maserowymi, których budowa kosztowała aż 10 milionów dolarów (w 1960 roku). Anteny dla zwykłych usług satelitarnych są zazwyczaj 15-stopowymi reflektorami talerzowymi, których koszt wynosi 30 000 dolarów (1990 dolarów). Anteny do bezpośredniej transmisji będą miały średnicę tylko jednej stopy i będą kosztować kilkaset dolarów.

Usługi mobilne

W lutym 1976 roku COMSAT uruchomił nowy rodzaj satelity, MARISAT, aby zapewnić usługi mobilne dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych i innych klientów morskich. Na początku lat 80-tych Europejczycy uruchomili serię MARECS, aby zapewnić te same usługi. W 1979 r. Międzynarodowa Organizacja Morska ONZ sponsorowała utworzenie Międzynarodowej Morskiej Organizacji Satelitarnej (INMARSAT) w sposób podobny do INTELSAT. INMARSAT początkowo dzierżawił transpondery satelitów MARISAT i MARECS, ale w październiku 1990 r. wystrzelił pierwszego własnego satelitę, INMARSAT II F-1. Trzecia generacja, INMARSAT III, została już wystrzelona.

W połowie lat 70. zaproponowano satelitę lotniczego. Kontrakt na budowę satelity przyznano firmie General Electric, ale został on anulowany – obecnie tę usługę świadczy INMARSAT. Chociaż INMARSAT był początkowo pomyślany jako metoda dostarczania usług telefonicznych i usług monitorowania ruchu na statkach na morzu, dostarczył on znacznie więcej. Dziennikarz z telefonem w teczce jest wszechobecny od jakiegoś czasu, ale wojna w Zatoce Perskiej sprawiła, że technologia ta stała się widoczna dla opinii publicznej.

Stany Zjednoczone i Kanada dyskutowały o północnoamerykańskim satelicie mobilnym przez jakiś czas. W przyszłym roku pierwszy satelita MSAT, w którym współpracują AMSC (USA) i TMI (Kanada), zostanie wystrzelony, zapewniając usługi telefonii komórkowej przez satelitę dla całej Ameryki Północnej.

Konkurencja

W 1965 roku, kiedy wystrzelono EARLY BIRD, satelita zapewniał prawie 10-krotnie większą pojemność niż podmorskie kable telefoniczne za prawie 1/10 ceny. Ta różnica w cenie została utrzymana aż do położenia TAT-8 w późnych latach 80-tych. TAT-8 był pierwszym kablem światłowodowym położonym przez Atlantyk. Satelity są nadal konkurencyjne w stosunku do kabli do komunikacji punkt-punkt, ale w przyszłości przewaga może należeć do światłowodów. Satelity nadal mają dwie zalety w porównaniu z kablami: są bardziej niezawodne i mogą być używane punkt-wielopunkt (nadawanie).

Komórkowe systemy telefoniczne stały się wyzwaniem dla wszystkich innych rodzajów telefonii. Możliwe jest umieszczenie systemu komórkowego w kraju rozwijającym się za bardzo rozsądną cenę. Połączenia długodystansowe wymagają innej technologii, ale mogą to być satelity lub światłowody.

Systemy LEO

Telefonia komórkowa przyniosła nam nowy „system” technologiczny — system komunikacji osobistej (PCS). We w pełni rozwiniętym PCS, człowiek nosiłby swój telefon przy sobie. Telefon ten mógłby być używany do przesyłania głosu lub danych i mógłby być używany w dowolnym miejscu. Kilka firm zobowiązało się do zapewnienia wersji tego systemu przy użyciu satelitów na niskich orbitach okołoziemskich (LEO). Orbity te są znacznie niższe niż orbity TELSTAR/RELAY z początku lat 60-tych. Wczesne satelity „low-orbit” znajdowały się na orbitach eliptycznych, które prowadziły je przez dolny pas promieniowania van Allena. Nowe systemy będą na orbitach około 500 mil, poniżej pasa.

Najambitniejszym z tych systemów LEO jest Iridium, sponsorowany przez Motorolę. Iridium planuje uruchomienie 66 satelitów na orbitę polarną na wysokości około 400 mil. Każda z sześciu płaszczyzn orbitalnych, oddzielonych od siebie o 30 stopni wokół równika, będzie zawierać jedenaście satelitów. Iridium pierwotnie planował mieć 77 satelitów – stąd jego nazwa. Element 66 ma mniej przyjemną nazwę Dysprosium. Iridium spodziewa się, że w 1998 roku będzie świadczyć usługi komunikacyjne dla telefonów komórkowych. Całkowity koszt systemu Iridium znacznie przekracza trzy miliardy dolarów.

W uzupełnieniu do „Big LEOS”, takich jak Iridium i Globalstar, istnieje kilka „little leos”. Firmy te planują zaoferować bardziej ograniczone usługi, zazwyczaj dane i radiodeterminacja. Typowym z nich jest ORBCOM, który już uruchomił eksperymentalnego satelitę i spodziewa się zaoferować ograniczone usługi w bardzo niedalekiej przyszłości.

Perspektywa i Retrospektywa

Wizja Arthura C. Clarke’a z 1945 roku dotyczyła systemu trzech „załogowych” satelitów umieszczonych nad głównymi masami ziemskimi i zapewniających bezpośrednią telewizję. Nieodłączna „nadawcza” natura komunikacji satelitarnej sprawiła, że bezpośrednia transmisja stała się powracającym tematem, który jednak nigdy nie został zrealizowany. Problemy nie są techniczne – są polityczne, społeczne i artystyczne. Za co ludzie będą skłonni zapłacić? To jest pytanie – szczególnie przy dostępności 120-kanałowych systemów kablowych. Hughes najwyraźniej zamierza wkroczyć na to pole i może zachęcić innych do zrobienia tego samego. Dopiero wtedy prorocza wizja Clarke’a zostanie spełniona.

Jest obecnie sześć firm dostarczających stałe usługi satelitarne do USA: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE i Hughes Communications. Obsługują one 36 satelitów o wartości netto ponad cztery miliardy dolarów. The gound stations which communicate with these satellites are innumerable and may have a similar net worth. INTELSAT ma konkurencję na rynku międzynarodowym ze strony Pan American Satellite od 1986 roku. Oczekuje się, że Orion Satellite rozpocznie usługi międzynarodowe w 1994 roku. Odkąd Kanada rozpoczęła krajowe usługi satelitarne w 1972 roku, do tego kraju dołączyły Stany Zjednoczone (1974), Indonezja (1976), Japonia (1978), Indie (1982), Australia (1985), Brazylia (1985), Meksyk (1985) i wiele innych. Każdego roku wystrzeliwanych jest od 10 do 20 satelitów komunikacyjnych o wartości około 75 milionów dolarów każdy. Podobną wartość mają rakiety nośne umieszczające je na orbicie. Zarówno satelity, jak i rakiety nośne są biznesami wartymi wiele miliardów dolarów. Równie duży jest biznes związany ze stacjami naziemnymi. Wreszcie same usługi komunikacyjne to biznesy warte wiele miliardów dolarów. John R. Pierce miał rację – to byłoby warte miliard dolarów.

Wybiórcza chronologia satelitów komunikacyjnych

  • 1945 Artykuł Arthura C. Clarke’a: „Extra-Terrestrial Relays”
  • 1955 John R. Pierce Artykuł: „Orbitalne przekaźniki radiowe”
  • 1956 Pierwszy Trans-Atlantycki Kabel Telefoniczny: TAT-1
  • 1957 Sputnik: Rosja wystrzeliwuje pierwszego satelitę Ziemi.
  • 1960 Pierwszy udany pojazd startowy DELTA
  • 1960 AT&T składa wniosek do FCC o licencję na eksperymentalną komunikację satelitarną
  • 1961 Formalne rozpoczęcie programów TELSTAR, RELAY i SYNCOM
  • 1962 TELSTAR i RELAY wystrzelone
  • 1962 Communications Satellite Act (U.S.)
  • 1963 SYNCOM uruchomiony
  • 1964 INTELSAT utworzony
  • 1965 COMSAT’S EARLY BIRD: pierwszy komercyjny satelita komunikacyjny
  • 1969 INTELSAT-III serii zapewnia globalny zasięg
  • 1972 ANIK: 1st Domestic Communications Satellite (Kanada)
  • 1974 WESTAR: 1st U.S. Domestic Communications Satellite
  • 1975 INTELSAT-IVA: 1. użycie podwójnej polaryzacji
  • 1975 RCA SATCOM: 1. operacyjny body-stabilized comm. satelita
  • 1976 MARISAT: 1st mobile communications satellite
  • 1976 PALAPA: 3rd country (Indonesia) to launch domestic comm. satellite
  • 1979 INMARSAT formed.
  • 1988 TAT-8: pierwszy światłowodowy transatlantycki kabel telefoniczny

.