Satélites de Comunicações Breve História

Possível Aldeia Global

por David J. Whalen

Em 500 anos, quando a humanidade olha para o início da viagem espacial, a aterragem de Apolo na Lua em 1969 pode ser o único evento lembrado. Ao mesmo tempo, porém, Lyndon B. Johnson, ele próprio um ávido promotor do programa espacial, sentiu que só os satélites de reconhecimento justificavam cada centavo gasto no espaço. A previsão meteorológica sofreu uma revolução devido à disponibilidade de imagens de satélites meteorológicos geoestacionários – imagens que vemos todos os dias na televisão. Todos estes são aspectos importantes da era espacial, mas as comunicações por satélite tiveram provavelmente mais efeito do que qualquer um dos outros na pessoa comum. As comunicações via satélite são também a única tecnologia espacial verdadeiramente comercial – gerando bilhões de dólares anualmente em vendas de produtos e serviços.

A Tecnologia de Bilhões de Dólares

No outono de 1945 um oficial de eletrônica da RAF e membro da Sociedade Interplanetária Britânica, Arthur C. Clarke, escreveu um pequeno artigo no Wireless World que descreveu o uso de satélites tripulados em órbitas de 24 horas acima das massas terrestres do mundo para distribuir programas de televisão. Seu artigo aparentemente teve pouco efeito duradouro, apesar de Clarke ter repetido a história em seu 1951/52 The Exploration of Space . Talvez a primeira pessoa a avaliar cuidadosamente as várias opções técnicas nas comunicações por satélite e a avaliar as perspectivas financeiras tenha sido John R. Pierce do AT&T’s Bell Telephone Laboratories que, num discurso de 1954 e num artigo de 1955, elaborou a utilidade de um “espelho” de comunicações no espaço, de um “repetidor” de órbita média e de um “repetidor” de órbita 24 horas. Ao comparar a capacidade de comunicação de um satélite, que estimou em 1.000 chamadas telefônicas simultâneas, e a capacidade de comunicação do primeiro cabo telefônico transatlântico (TAT-1), que poderia transportar 36 chamadas telefônicas simultâneas a um custo de 30-50 milhões de dólares, Pierce se perguntava se um satélite valeria um bilhão de dólares.

Após o lançamento do Sputnik I em 1957, muitos consideraram os benefícios, lucros e prestígio associados às comunicações via satélite. Devido aos receios do Congresso de “duplicação”, a NASA limitou-se a experiências com satélites de comunicações “espelhos” ou “passivos” (ECHO), enquanto o Departamento de Defesa era responsável pelos satélites “repetidores” ou “activos” que amplificam o sinal recebido no satélite – fornecendo comunicações de muito maior qualidade. Em 1960 AT&T apresentou à Comissão Federal de Comunicações (FCC) a permissão para lançar um satélite experimental de comunicações, com vista a implementar rapidamente um sistema operacional. O governo dos EUA reagiu com surpresa – não havia uma política para ajudar a executar as muitas decisões relacionadas com a proposta AT&T. Em meados de 1961, a NASA havia concedido um contrato competitivo à RCA para construir um satélite de comunicações ativo de média órbita (RELAY); o AT&T estava construindo seu próprio satélite de média órbita (TELSTAR) que a NASA lançaria com base no custo reembolsável; e a NASA havia concedido um contrato de fonte única à Hughes Aircraft Company para construir um satélite (SYNCOM) de 24 horas (20.000 milhas de altura). O programa militar, ADVENT, foi cancelado um ano depois devido à complexidade da espaçonave, atraso na disponibilidade do lançador e custos de sobre-exploração.

Até 1964, dois TELSTARs, dois RELAYs, e dois SYNCOMs tinham operado com sucesso no espaço. Este timing foi afortunado porque a Communications Satellite Corporation (COMSAT), formada como resultado do Communications Satellite Act de 1962, estava em processo de contratação para o seu primeiro satélite. A capitalização inicial da COMSAT de 200 milhões de dólares foi considerada suficiente para construir um sistema de dezenas de satélites de média órbita. Por várias razões, incluindo os custos, a COMSAT acabou por rejeitar a oferta conjunta AT&T/RCA de um satélite de órbita média incorporando o melhor da TELSTAR e da RELAY. Eles escolheram o satélite de 24 horas (geossíncrono) oferecido pela Hughes Aircraft Company para seus dois primeiros sistemas e um satélite TRW geossíncrono para seu terceiro sistema. Em 6 de abril de 1965, o primeiro satélite da COMSAT, EARLY BIRD, foi lançado do Cabo Canaveral. As comunicações globais por satélite tinham começado.

A Aldeia Global: Comunicações Internacionais

A Global Village já tinha tido alguns vislumbres durante experiências com TELSTAR, RELAY e SYNCOM. Estes tinham incluído peças televisivas dos Jogos Olímpicos de Tóquio de 1964. Embora a COMSAT e os veículos e satélites de lançamento iniciais fossem americanos, outros países tinham estado envolvidos desde o início. AT&T tinha inicialmente negociado com seus “parceiros” europeus de cabo telefônico para construir estações terrestres para a experimentação TELSTAR. A NASA tinha expandido essas negociações para incluir as experiências RELAY e SYNCOM. Quando a EARLY BIRD foi lançada, já existiam estações terrestres de comunicação no Reino Unido, França, Alemanha, Itália, Brasil e Japão. Outras negociações em 1963 e 1964 resultaram numa nova organização internacional, que acabaria por assumir a propriedade dos satélites e a responsabilidade pela gestão do sistema global. Em 20 de agosto de 1964, foram assinados acordos que criaram a Organização Internacional de Satélites de Telecomunicações (INTELSAT).

Até o final de 1965, EARLY BIRD tinha fornecido 150 “meios-circuitos” telefónicos e 80 horas de serviço de televisão. A série INTELSAT II era uma versão um pouco mais capaz e de maior duração do EARLY BIRD. Muito do uso precoce do sistema COMSAT/INTELSAT foi para fornecer circuitos para a Rede de Comunicações da NASA (NASCOM). A série INTELSAT III foi a primeira a fornecer cobertura do Oceano Índico para completar a rede global. Esta cobertura foi concluída poucos dias antes de meio bilhão de pessoas verem o APOLLO 11 aterrissar na Lua, em 20 de julho de 1969.

De algumas centenas de circuitos telefónicos e um punhado de membros em 1965, o INTELSAT cresceu para um sistema actual com mais membros que as Nações Unidas e a capacidade de fornecer centenas de milhares de circuitos telefónicos. O custo para as operadoras por circuito passou de quase $100.000 para alguns milhares de dólares. O custo para os consumidores passou de mais de 10 dólares por minuto para menos de 1 dólar por minuto. Se os efeitos da inflação forem incluídos, isto é uma diminuição tremenda! A INTELSAT fornece serviços para todo o mundo, não apenas para as nações industrializadas.

Hello Guam: Comunicações Domésticas

Em 1965, a ABC propôs um sistema de satélite doméstico para distribuir sinais de televisão. A proposta afundou no esquecimento temporário, mas em 1972 a TELESAT CANADA lançou o primeiro satélite doméstico de comunicações, o ANIK, para servir a vasta área continental canadense. A RCA alugou rapidamente circuitos no satélite canadense até que eles pudessem lançar seu próprio satélite. O primeiro satélite de comunicações doméstico dos EUA foi o WESTAR I da Western Union, lançado em 13 de abril de 1974. Em Dezembro do ano seguinte, a RCA lançou o seu SATCOM F- 1 da RCA. No início de 1976, a AT&T e a COMSAT lançaram o primeiro da série COMSTAR. Estes satélites eram utilizados para voz e dados, mas muito rapidamente a televisão se tornou um grande utilizador. No final de 1976 havia 120 transponders disponíveis nos Estados Unidos, cada um capaz de fornecer 1500 canais telefónicos ou um canal de televisão. Muito rapidamente os “canais de cinema” e as “super estações” estavam disponíveis para a maioria dos americanos. O crescimento dramático da TV a cabo não teria sido possível sem um método barato de distribuição de vídeo.

As duas décadas que se seguiram viram algumas mudanças: A Western Union já não é mais; a Hughes é agora um operador de satélite, assim como um fabricante; a AT&T ainda é um operador de satélite, mas não mais em parceria com a COMSAT; a GTE, originalmente em parceria com a Hughes no início dos anos 60 para construir e operar um sistema global, é agora um grande operador de satélite doméstico. A televisão ainda domina as comunicações por satélite domésticas, mas os dados cresceram tremendamente com o advento de terminais de abertura muito pequena (VSATs). Pequenas antenas, sejam elas TV-Receve Only (TVRO) ou VSAT são uma visão comum em todo o país.

Nova Tecnologia

O primeiro grande projeto de satélite geossíncrono foi o satélite de comunicações ADVENT do Departamento de Defesa. Foi estabilizado em três eixos em vez de girar. Ele tinha uma antena que direcionava sua energia de rádio para a Terra. Era bastante sofisticado e pesado. Com 500-1000 libras só podia ser lançado pelo veículo de lançamento ATLAS- CENTAUR. ADVENT nunca voou, principalmente porque o estágio CENTAUR não era totalmente confiável até 1968, mas também por causa de problemas com o satélite. Quando o programa foi cancelado em 1962, foi visto como o toque de morte dos satélites geossíncronos, estabilização de três eixos, o ATLAS-CENTAUR, e satélites de comunicações complexos em geral. Os satélites geossíncronos tornaram-se uma realidade em 1963, e tornaram-se a única escolha em 1965. As outras características do ADVENT também se tornaram comuns nos anos seguintes.

No início dos anos 60, foram utilizados como veículos de lançamento mísseis balísticos intercontinentais convertidos (ICBMs) e mísseis balísticos de alcance intermédio (IRBMs). Todos estes tinham um problema comum: foram concebidos para entregar um objecto à superfície terrestre, não para colocar um objecto em órbita. Os estágios superiores tinham que ser projetados para fornecer um delta-Vee (mudança de velocidade) no apogeu para circular a órbita. Os veículos de lançamento DELTA, que colocaram todos os primeiros satélites de comunicações em órbita, foram os THOR IRBMs que utilizaram o estágio superior VANGUARD para fornecer este delta-Vee. Foi reconhecido que o DELTA era relativamente pequeno e foi iniciado um projeto para desenvolver o CENTAUR, um estágio superior de alta energia para o ATLAS ICBM. O ATLAS-CENTAUR tornou-se fiável em 1968 e a quarta geração de satélites INTELSAT utilizou este veículo de lançamento. A quinta geração utilizou o ATLAS-CENTAUR e um novo veículo de lançamento, o ARIANE europeu. Desde essa altura, entraram no mercado outras entradas, incluindo o veículo de lançamento russo PROTON e o LONG MARCH chinês. Todos são capazes de lançar satélites quase trinta vezes o peso do EARLY BIRD.

Em meados dos anos 70, vários satélites foram construídos usando estabilização de três eixos. Eram mais complexos que os spinners, mas proporcionavam uma superfície mais desprezível para a montagem de antenas e possibilitavam a implantação de matrizes solares muito grandes. Quanto maior a massa e a potência, maior a vantagem da estabilização em três eixos parece ser. Talvez a indicação mais segura do sucesso desta forma de estabilização tenha sido a comutação de Hughes, estreitamente identificada com os satélites giratórios, para esta forma de estabilização no início dos anos 90. Os últimos produtos dos fabricantes da SYNCOM parecem bastante semelhantes ao desacreditado design ADVENT do final dos anos 50.

Muito da tecnologia para satélites de comunicações existia em 1960, mas seria melhorado com o tempo. O componente básico de comunicações do satélite era o tubo de ondas progressivas (TWT). Estes tinham sido inventados na Inglaterra por Rudoph Kompfner, mas tinham sido aperfeiçoados no Bell Labs por Kompfner e J. R. Pierce. Todos os três primeiros satélites usaram TWTs construídos por um ex-participante da Bell Labs. Estes primeiros tubos tinham potências tão baixas como 1 watt. Os TWT de maior potência (50-300 watts) estão hoje disponíveis para serviços padrão de satélite e para aplicações de transmissão direta via satélite. Uma melhoria ainda mais importante foi o uso de antenas de alto ganho. O foco da energia de um transmissor de 1 watt na superfície da Terra equivale a ter um transmissor de 100 watt irradiando em todas as direções. Focalizar essa energia no leste dos EUA é como ter um transmissor de 1000 watts irradiando em todas as direções. O principal efeito deste aumento na potência real e efetiva é que as estações terrestres não são mais refletores de prato de 100 pés com amplificadores de maser refrigerados criogenicamente, custando até $10 milhões (1960 dólares) para construir. Antenas para serviços normais de satélite são tipicamente refletores de prato de 15 pés que custam 30.000 dólares (1990 dólares). As antenas de transmissão direta terão apenas um pé de diâmetro e custarão algumas centenas de dólares.

Serviços móveis

Em Fevereiro de 1976 a COMSAT lançou um novo tipo de satélite, MARISAT, para fornecer serviços móveis à Marinha dos Estados Unidos e a outros clientes marítimos. No início dos anos 80, os europeus lançaram a série MARECS para fornecer os mesmos serviços. Em 1979 a Organização Marítima Internacional da ONU patrocinou a criação da Organização Marítima Internacional de Satélites (INMARSAT) de uma forma semelhante à INTELSAT. O INMARSAT alugou inicialmente os transponders de satélite MARISAT e MARECS, mas em Outubro de 1990 lançou o primeiro dos seus próprios satélites, o INMARSAT II F-1. A terceira geração, o INMARSAT III, já foi lançada.

Um satélite aeronáutico foi proposto em meados da década de 1970. Um contrato foi adjudicado à General Electric para a construção do satélite, mas foi cancelado – o INMARSAT fornece agora este serviço. Embora o INMARSAT tenha sido inicialmente concebido como um método de prestação de serviços telefónicos e de monitorização de tráfego em navios no mar, tem prestado muito mais. O jornalista com uma pasta telefónica tem estado omnipresente há algum tempo, mas a Guerra do Golfo trouxe esta tecnologia aos olhos do público.

Os Estados Unidos e o Canadá discutiram um satélite móvel norte-americano durante algum tempo. No próximo ano será lançado o primeiro satélite MSAT, no qual AMSC (Estados Unidos) e TMI (Canadá) cooperam, fornecendo serviço de telefonia móvel via satélite para toda a América do Norte.

Competição

Em 1965, quando o EARLY BIRD foi lançado, o satélite forneceu quase 10 vezes a capacidade dos cabos telefônicos submarinos por quase 1/10 do preço. Este diferencial de preço foi mantido até a colocação do TAT-8, no final dos anos 80. O TAT-8 foi o primeiro cabo de fibra óptica instalado em todo o Atlântico. Os satélites ainda são competitivos com o cabo para comunicações ponto-a-ponto, mas a vantagem futura pode estar no cabo de fibra ótica. Os satélites ainda mantêm duas vantagens sobre o cabo: são mais confiáveis e podem ser usados ponto-a-multiponto (radiodifusão).

Os sistemas telefónicos celulares têm-se erguido como desafios para todos os outros tipos de telefonia. É possível colocar um sistema celular em um país em desenvolvimento a um preço muito razoável. As chamadas de longa distância requerem alguma outra tecnologia, mas esta pode ser satélites ou cabo de fibra ótica.

Os Sistemas LEO

Telefonia celular nos trouxe um novo “sistema” tecnológico — o sistema de comunicação pessoal (PCS). No PCS totalmente desenvolvido, o indivíduo carregaria seu telefone com ele. Este telefone poderia ser usado para voz ou dados e seria utilizável em qualquer lugar. Várias empresas se comprometeram a fornecer uma versão deste sistema utilizando satélites em órbitas baixas de terra (LEO). Estas órbitas são significativamente mais baixas que as órbitas TELSTAR/RELAY do início dos anos 60. Os primeiros satélites de “baixa órbita” estavam em órbitas elípticas que os levavam através da faixa inferior de radiação van Allen. Os novos sistemas estarão em órbitas a cerca de 500 milhas, abaixo da cintura.

O mais ambicioso destes sistemas LEO é o Iridium, patrocinado pela Motorola. Iridium planeia lançar 66 satélites em órbita polar a altitudes de cerca de 400 milhas. Cada um de seis aviões orbitais, separados por 30 graus ao redor do equador, conterá onze satélites. O Iridium originalmente planeou ter 77 satélites… daí o seu nome. O elemento 66 tem o nome menos agradável, Disprosium. Iridium espera estar a fornecer serviços de comunicações para telefones portáteis em 1998. O custo total do sistema Iridium é bem superior a três bilhões de dólares.

Além dos “Grandes LEOS” como Iridium e Globalstar, existem vários “pequenos leos”. Estas empresas planejam oferecer serviços mais limitados, tipicamente de dados e radiodeterminação. Típico destes é o ORBCOM que já lançou um satélite experimental e espera oferecer um serviço limitado num futuro muito próximo.

Prospect e Retrospect

Arthur C. Clarke’s 1945 visão era de um sistema de três satélites “tripulados” localizados sobre as principais massas terrestres da Terra e fornecendo televisão direta. A natureza inerente da “transmissão” das comunicações por satélite tornou a transmissão directa por satélite um tema recorrente – ainda assim nunca foi concretizado. Os problemas não são técnicos – eles são políticos, sociais e artísticos. O que é que as pessoas estarão dispostas a pagar? Esta é a questão – especialmente com a disponibilidade de sistemas de cabo de 120 canais. Hughes está aparentemente prestes a entrar neste campo e pode encorajar outros a fazer o mesmo. Só então a visão profética de Clarke será cumprida.

Existem actualmente seis empresas que fornecem serviços fixos via satélite para os EUA: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE, e Hughes Communications. Elas operam 36 satélites com um valor líquido de mais de quatro bilhões de dólares. As estações de gound que comunicam com estes satélites são inúmeras e podem ter um valor líquido semelhante. A INTELSAT tem competido no mercado internacional com a Pan American Satellite desde 1986. Espera-se que o Orion Satellite inicie o serviço internacional em 1994. Desde que o Canadá iniciou o serviço doméstico via satélite em 1972, a esse país juntaram-se os Estados Unidos (1974), Indonésia (1976), Japão (1978), Índia (1982), Austrália (1985), Brasil (1985), México (1985), e muitos outros. A cada ano são lançados de 10 a 20 satélites de comunicações avaliados em cerca de 75 milhões de dólares cada. Os veículos de lançamento que os colocam em órbita têm valores semelhantes. Tanto os satélites como os veículos de lançamento são negócios de vários bilhões de dólares. O negócio das estações terrestres é igualmente grande. Finalmente os próprios serviços de comunicações são negócios de vários bilhões de dólares. John R. Pierce estava certo, valeria um bilião de dólares.

Uma Cronologia de Comunicações Selectivas por Satélite

• 1945 Artigo de Arthur C. Clarke: “Relés Extra-Terrestre”
• 1955 Artigo de John R. Pierce: “Relés de Rádio Orbital”
• 1956 Primeiro Cabo Telefónico Trans-Atlântico: TAT-1
• 1957 Sputnik: A Rússia lança o primeiro satélite terrestre.
• 1960 1º Veículo de Lançamento DELTA bem sucedido
• 1960 AT&T aplica-se à FCC para licença experimental de comunicações via satélite
• 1961 Início formal dos Programas TELSTAR, RELAY e SYNCOM
• 1962 TELSTAR e RELAY lançados
• 1962 Communications Satellite Act (U.S.)
• 1963 SYNCOM lançado
• 1964 INTELSAT formado
• 1965 COMSAT’s EARLY BIRD: 1º satélite de comunicações comerciais
• 1969 INTELSAT-III series provides global coverage
• 1972 ANIK: 1º satélite de comunicações domésticas (Canadá)
• 1974 WESTAR: 1º U.S. Satélite de Comunicações Domésticas
• 1975 INTELSAT-IVA: 1º uso de polarização dupla
• 1975 RCA SATCOM: 1º satélite de comunicações estabilizado pelo corpo
• 1976 MARISAT: 1º satélite de comunicações móveis
• 1976 PALAPA: 3º país (Indonésia) a lançar satélite de comunicações domésticas
• 1979 INMARSAT formado.
• 1988 TAT-8: 1º cabo telefónico transatlântico de fibra óptica