Global Village Possible

av David J. Whalen

Om 500 år, när mänskligheten ser tillbaka på rymdfartens gryning, kan Apollos landning på månen 1969 vara den enda händelsen man kommer ihåg. Samtidigt ansåg dock Lyndon B. Johnson, som själv var en ivrig förespråkare av rymdprogrammet, att enbart spaningssatelliterna motiverade varje krona som spenderades på rymden. Väderprognoser har genomgått en revolution tack vare tillgången till bilder från geostationära meteorologiska satelliter – bilder som vi ser varje dag på TV. Alla dessa är viktiga aspekter av rymdåldern, men satellitkommunikation har förmodligen haft större effekt på den vanliga människan än någon av de övriga. Satellitkommunikation är också den enda verkligt kommersiella rymdtekniken – den genererar årligen miljarder dollar i försäljning av produkter och tjänster.

Tekniken för miljarder dollar

Hösten 1945 skrev en elektronikofficer från RAF och medlem av British Interplanetary Society, Arthur C. Clarke, en kort artikel i Wireless World som beskrev användningen av bemannade satelliter i 24-timmarsbanor högt ovanför världens landmassor för att distribuera TV-program. Hans artikel hade uppenbarligen inte någon bestående effekt trots att Clarke upprepade historien i sin 1951/52 års The Exploration of Space . Den kanske första person som noggrant utvärderade de olika tekniska alternativen inom satellitkommunikation och de ekonomiska utsikterna var John R. Pierce från AT&T:s Bell Telephone Laboratories som i ett tal 1954 och en artikel 1955 utvecklade nyttan av en ”spegel” för kommunikation i rymden, en ”repeater” i medelhög omloppsbana och en ”repeater” i 24-timmarsomloppsbana. När Pierce jämförde kommunikationskapaciteten hos en satellit, som han uppskattade till 1 000 samtidiga telefonsamtal, med kommunikationskapaciteten hos den första transatlantiska telefonkabeln (TAT-1), som kunde överföra 36 samtidiga telefonsamtal till en kostnad av 30-50 miljoner dollar, undrade han om en satellit skulle vara värd en miljard dollar.

Efter uppskjutningen av Sputnik I 1957 var det många som funderade på de fördelar, vinster och den prestige som var förknippade med satellitkommunikation. På grund av kongressens rädsla för ”dubbelarbete” begränsade sig NASA till experiment med ”speglar” eller ”passiva” kommunikationssatelliter (ECHO), medan försvarsdepartementet ansvarade för ”repeater” eller ”aktiva” satelliter som förstärker den mottagna signalen vid satelliten – vilket ger kommunikation av mycket högre kvalitet. 1960 ansökte AT&T hos Federal Communications Commission (FCC) om tillstånd att skjuta upp en experimentell kommunikationssatellit i syfte att snabbt införa ett operativt system. Den amerikanska regeringen reagerade med förvåning – det fanns ingen politik som kunde hjälpa till att genomföra de många beslut som rörde AT&T:s förslag. I mitten av 1961 hade NASA tilldelat RCA ett konkurrensutsatt kontrakt för att bygga en aktiv kommunikationssatellit (RELAY) i medelhög omloppsbana (4 000 miles höjd); AT&T byggde sin egen satellit i medelhög omloppsbana (TELSTAR) som NASA skulle skjuta upp på en kostnadsersättningsbaserad grund; och NASA hade tilldelat Hughes Aircraft Company ett kontrakt om en enda källa för att bygga en 24-timmarssatellit (20 000 miles höjd) (SYNCOM). Det militära programmet, ADVENT, avbröts ett år senare på grund av rymdfarkostens komplexitet, förseningar i fråga om uppskjutningsutrustning och kostnadsöverskridanden.

För 1964 hade två TELSTARs, två RELAYs och två SYNCOMs opererat framgångsrikt i rymden. Denna tidpunkt var lyckosam eftersom Communications Satellite Corporation (COMSAT), som bildades som ett resultat av Communications Satellite Act från 1962, höll på att sluta avtal om sin första satellit. COMSAT:s ursprungliga kapitalisering på 200 miljoner dollar ansågs vara tillräcklig för att bygga ett system med dussintals satelliter i medelhög omloppsbana. Av olika skäl, bl.a. kostnader, valde COMSAT slutligen att förkasta det gemensamma erbjudandet från AT&T/RCA om en satellit i medelhög omloppsbana som innehöll det bästa av TELSTAR och RELAY. De valde en satellit i 24-timmars omloppsbana (geosynkron) som erbjöds av Hughes Aircraft Company för sina två första system och en geosynkron satellit från TRW för sitt tredje system. Den 6 april 1965 sköts COMSAT:s första satellit, EARLY BIRD, upp från Cape Canaveral. Den globala satellitkommunikationen hade börjat.

Den globala byn: Internationella kommunikationer

Vissa glimtar av den globala byn hade redan getts under experimenten med TELSTAR, RELAY och SYNCOM. Dessa hade bland annat innefattat tv-sändningar av delar av de olympiska spelen i Tokyo 1964. Även om COMSAT och de första bärraketerna och satelliterna var amerikanska, hade andra länder varit inblandade från början. AT&T hade till en början förhandlat med sina europeiska ”partners” för telefonkablar om att bygga jordstationer för TELSTAR-experiment. NASA hade utvidgat dessa förhandlingar till att omfatta RELAY- och SYNCOM-experiment. När EARLY BIRD lanserades fanns det redan jordstationer för kommunikation i Storbritannien, Frankrike, Tyskland, Italien, Brasilien och Japan. Ytterligare förhandlingar 1963 och 1964 resulterade i en ny internationell organisation som i slutändan skulle överta äganderätten till satelliterna och ansvaret för förvaltningen av det globala systemet. Den 20 augusti 1964 undertecknades avtal som skapade International Telecommunications Satellite Organization (INTELSAT).

I slutet av 1965 hade EARLY BIRD tillhandahållit 150 ”halvkretsar” för telefoni och 80 timmars TV-tjänster. INTELSAT II-serien var en något mer kapabel version av EARLY BIRD med längre livslängd. En stor del av den tidiga användningen av COMSAT/INTELSAT-systemet bestod i att tillhandahålla kretsar för NASA:s kommunikationsnätverk (NASCOM). INTELSAT III-serien var den första som gav täckning i Indiska oceanen för att komplettera det globala nätverket. Täckningen avslutades bara några dagar innan en halv miljard människor såg APOLLO 11 landa på månen den 20 juli 1969.

Från några hundra telefonkretsar och en handfull medlemmar 1965 har INTELSAT vuxit till dagens system med fler medlemmar än FN och med kapacitet att tillhandahålla hundratusentals telefonkretsar. Kostnaden för operatörerna per krets har gått från nästan 100 000 dollar till några tusen dollar. Kostnaden för konsumenterna har gått från över 10 dollar per minut till mindre än 1 dollar per minut. Om man räknar med inflationens effekter är detta en enorm minskning! INTELSAT tillhandahåller tjänster till hela världen, inte bara till de industrialiserade länderna.

Hej Guam: Inhemska kommunikationer

In 1965 föreslog ABC ett inhemskt satellitsystem för att distribuera TV-signaler. Förslaget föll i tillfällig glömska, men 1972 sköt TELESAT CANADA upp den första inhemska kommunikationssatelliten, ANIK, för att betjäna det stora kanadensiska fastlandet. RCA hyrde omedelbart kretsar på den kanadensiska satelliten tills de kunde lansera sin egen satellit. Den första inhemska kommunikationssatelliten i USA var Western Unions WESTAR I, som sköts upp den 13 april 1974. I december året därpå lanserade RCA sin RCA SATCOM F-1. I början av 1976 lanserade AT&T och COMSAT den första av COMSTAR-serien. Dessa satelliter användes för röst och data, men mycket snabbt blev televisionen en viktig användare. I slutet av 1976 fanns det 120 transpondrar tillgängliga över USA, var och en med kapacitet för 1500 telefonkanaler eller en TV-kanal. Mycket snabbt blev ”filmkanaler” och ”superstationer” tillgängliga för de flesta amerikaner. Den dramatiska tillväxten av kabel-TV skulle inte ha varit möjlig utan en billig metod för att distribuera video.

Under de följande två decennierna har vissa förändringar skett: Western Union finns inte längre; Hughes är nu både satellitoperatör och tillverkare; AT&T är fortfarande satellitoperatör, men inte längre i samarbete med COMSAT; GTE, som ursprungligen samarbetade med Hughes i början av 1960-talet för att bygga och driva ett globalt system, är nu en stor inhemsk satellitoperatör. Televisionen dominerar fortfarande den inhemska satellitkommunikationen, men data har ökat enormt i och med tillkomsten av VSAT-terminaler (Very Small Aperture Terminals). Små antenner, oavsett om det rör sig om TVRO (TV-Receive Only) eller VSAT, är en vanlig syn över hela landet.

Ny teknik

Det första stora geosynkrona satellitprojektet var försvarsdepartementets kommunikationssatellit ADVENT. Den var treaxligt stabiliserad i stället för att snurra. Den hade en antenn som riktade sin radioenergi mot jorden. Den var ganska sofistikerad och tung. Den vägde 500-1000 pund och kunde endast skjutas upp av bärraketen ATLAS-CENTAUR. ADVENT flög aldrig, främst på grund av att CENTAUR-steget inte var helt tillförlitligt förrän 1968, men också på grund av problem med satelliten. När programmet avbröts 1962 sågs det som dödsstöten för geosynkrona satelliter, treaxlig stabilisering, ATLAS-CENTAUR och komplexa kommunikationssatelliter i allmänhet. Geosynkrona satelliter blev verklighet 1963 och blev det enda alternativet 1965. De andra ADVENT-egenskaperna blev också vanliga under de följande åren.

I början av 1960-talet användes ombyggda interkontinentala ballistiska missiler (ICBM) och ballistiska missiler med medelräckvidd (IRBM) som bärraketer. Dessa hade alla ett gemensamt problem: de var utformade för att leverera ett objekt till jordens yta, inte för att placera ett objekt i omloppsbana. De övre stegen måste utformas för att ge en delta-Vee (hastighetsförändring) vid apogee för att cirkulera omloppsbanan. DELTA-raketerna, som placerade alla de tidiga kommunikationssatelliterna i omloppsbana, var THOR IRBM:er som använde VANGUARD-översteget för att åstadkomma denna delta-Vee. Man insåg att DELTA var relativt liten och ett projekt för att utveckla CENTAUR, ett högenergiöversteg för ATLAS ICBM, påbörjades. ATLAS-CENTAUR blev tillförlitlig 1968 och den fjärde generationen INTELSAT-satelliter använde detta bärraketer. Den femte generationen använde ATLAS-CENTAUR och ett nytt bärraketer, det europeiska ARIANE. Sedan dess har andra produkter, bland annat den ryska bärraketen PROTON och den kinesiska LONG MARCH, kommit in på marknaden. Alla kan skjuta upp satelliter som är nästan trettio gånger så tunga som EARLY BIRD.

I mitten av 1970-talet byggdes flera satelliter med treaxlig stabilisering. De var mer komplicerade än spinnarna, men de gav mer despun-yta för att montera antenner och de gjorde det möjligt att placera ut mycket stora solfångare. Ju större massa och effekt, desto större verkar fördelen med treaxlig stabilisering vara. Den kanske säkraste indikationen på att denna form av stabilisering är framgångsrik var att Hughes, som är nära förknippad med snurrande satelliter, övergick till denna form av stabilisering i början av 1990-talet. De senaste produkterna från tillverkarna av SYNCOM ser ganska lika ut som den misskrediterade ADVENT-konstruktionen från slutet av 1950-talet.

En stor del av tekniken för kommunikationssatelliter fanns 1960, men skulle förbättras med tiden. Satellitens grundläggande kommunikationskomponent var thr traveling-wave-tube (TWT). Dessa hade uppfunnits i England av Rudoph Kompfner, men de hade fulländats vid Bell Labs av Kompfner och J. R. Pierce. Alla tre tidiga satelliter använde TWT:er som byggdes av en av Bell Labs alumner. Dessa tidiga rör hade en effekt på så lite som 1 watt. TWT-rör med högre effekt (50-300 watt) finns idag tillgängliga för vanliga satellittjänster och för direktsändningar. En ännu viktigare förbättring var användningen av antenner med hög förstärkning. Att fokusera energin från en sändare på 1 watt på jordens yta motsvarar en sändare på 100 watt som strålar i alla riktningar. Att fokusera denna energi på östra USA är detsamma som att ha en 1000-wattsändare som strålar i alla riktningar. Den viktigaste effekten av denna ökning av den faktiska och effektiva effekten är att jordstationer inte längre är 100-fots parabolreflektorer med kryogeniskt kylda maserförstärkare som kostar så mycket som 10 miljoner dollar (1960 års dollar) att bygga. Antenner för normala satellittjänster är vanligtvis 15-fots parabolreflektorer som kostar 30 000 dollar (1990 års priser). Antenner för direktsändning har endast en fot i diameter och kostar några hundra dollar.

Mobila tjänster

I februari 1976 lanserade COMSAT en ny typ av satellit, MARISAT, för att tillhandahålla mobila tjänster till Förenta staternas flotta och andra maritima kunder. I början av 1980-talet lanserade européerna MARECS-serien för att tillhandahålla samma tjänster. År 1979 sponsrade FN:s internationella sjöfartsorganisation inrättandet av International Maritime Satellite Organization (INMARSAT) på samma sätt som INTELSAT. INMARSAT hyrde till en början MARISAT- och MARECS-satelliternas transpondrar, men i oktober 1990 sköt man upp den första av sina egna satelliter, INMARSAT II F-1. Den tredje generationen, INMARSAT III, har redan skjutits upp.

En luftfartssatellit föreslogs i mitten av 1970-talet. Ett kontrakt tilldelades General Electric för att bygga satelliten, men det avbröts – INMARSAT tillhandahåller nu denna tjänst. Även om INMARSAT ursprungligen var tänkt som en metod för att tillhandahålla telefontjänster och trafikövervakningstjänster på fartyg till sjöss, har den tillhandahållit mycket mer. Journalisten med en telefon i portföljen har varit allestädes närvarande under en tid, men Gulfkriget gjorde denna teknik allmänt känd.

USA och Kanada diskuterade under en tid en nordamerikansk mobilsatellit. Under nästa år kommer den första MSAT-satelliten, där AMSC (USA) och TMI (Kanada) samarbetar, att skjutas upp och ge mobiltelefontjänster via satellit till hela Nordamerika.

Konkurrens

In 1965, när EARLY BIRD lanserades, erbjöd satelliten nästan tio gånger större kapacitet än de undervattensbaserade telefonkablarna till nästan en tiondel av priset. Denna prisskillnad bibehölls fram till utläggningen av TAT-8 i slutet av 1980-talet. TAT-8 var den första fiberoptiska kabeln som lades över Atlanten. Satelliter är fortfarande konkurrenskraftiga med kabel för punkt-till-punkt-kommunikation, men den framtida fördelen kan ligga hos fiberoptiska kablar. Satelliter har fortfarande två fördelar jämfört med kabel: de är mer tillförlitliga och de kan användas punkt-till-multipunkt (sändning).

Cellulärtelefonsystem har vuxit fram som en utmaning för alla andra typer av telefoni. Det är möjligt att placera ett cellulärt system i ett utvecklingsland till ett mycket rimligt pris. För långdistanssamtal krävs någon annan teknik, men det kan vara antingen satelliter eller fiberoptisk kabel.

Leo-systemen

Cellulär telefoni har gett oss ett nytt tekniskt ”system” – det personliga kommunikationssystemet (PCS). I ett fullt utvecklat PCS skulle individen bära med sig sin telefon. Telefonen kan användas för röst eller data och kan användas var som helst. Flera företag har åtagit sig att tillhandahålla en version av detta system med hjälp av satelliter i låga omloppsbanor (LEO). Dessa banor är betydligt lägre än TELSTAR/RELAY-banorna i början av 1960-talet. De tidiga satelliterna i låg omloppsbana befann sig i elliptiska banor som förde dem genom det nedre van Allen-strålningsbältet. De nya systemen kommer att befinna sig i omloppsbanor på cirka 500 miles, under bältet.

Det mest ambitiösa av dessa LEO-system är Iridium, som sponsras av Motorola. Iridium planerar att skjuta upp 66 satelliter i polarbanor på en höjd av cirka 400 miles. Var och en av sex omloppsbanor, separerade med 30 grader runt ekvatorn, kommer att innehålla elva satelliter. Iridium planerade ursprungligen att ha 77 satelliter – därav namnet. Element 66 har det mindre trevliga namnet dysprosium. Iridium räknar med att tillhandahålla kommunikationstjänster till handhållna telefoner 1998. Den totala kostnaden för Iridium-systemet är långt över tre miljarder dollar.

Inom de ”stora LEOS” som Iridium och Globalstar finns det flera ”små LEOS”. Dessa företag planerar att erbjuda mer begränsade tjänster, vanligtvis data och radiodeterminering. Typiskt för dessa är ORBCOM som redan har skjutit upp en försökssatellit och räknar med att erbjuda begränsade tjänster inom en mycket snar framtid.

Prospekt och retrospekt

Arthur C. Clarkes vision från 1945 var ett system med tre ”bemannade” satelliter som var placerade över jordens större landmassor och som tillhandahöll direktsänd tv. Satellitkommunikationens inneboende ”sändningskaraktär” har gjort direktsändning till ett återkommande tema – som dock aldrig har förverkligats. Problemen är inte tekniska – de är politiska, sociala och konstnärliga. Vad kommer folk att vara villiga att betala för? Detta är frågan, särskilt med tanke på tillgången till kabelsystem med 120 kanaler. Hughes är tydligen på väg att ge sig in på detta område och kan uppmuntra andra att göra detsamma. Först då kommer Clarkes profetiska vision att uppfyllas.

Det finns för närvarande sex företag som tillhandahåller fasta satellittjänster i USA: GE Americom, Alascom, AT&T, COMSAT, GTE och Hughes Communications. De driver 36 satelliter med ett nettoförmögenhet på över fyra miljarder dollar. Det finns ett oräkneligt antal basstationer som kommunicerar med dessa satelliter och de kan ha en liknande nettoförmögenhet. INTELSAT har haft konkurrens på den internationella marknaden från Pan American Satellite sedan 1986. Orion Satellite förväntas inleda internationell service 1994. Sedan Kanada började med inhemsk satellittjänst 1972 har USA (1974), Indonesien (1976), Japan (1978), Indien (1982), Australien (1985), Brasilien (1985), Mexiko (1985) och många andra länder anslutit sig till landet. Varje år skjuts 10-20 kommunikationssatelliter upp till ett värde av cirka 75 miljoner dollar vardera. De bärraketer som placerar dem i omloppsbana har ett liknande värde. Både satelliter och bärraketer är företag som omsätter flera miljarder dollar. Verksamheten med jordstationer är lika stor. Slutligen är själva kommunikationstjänsterna företag som omsätter flera miljarder dollar. John R. Pierce hade rätt – det skulle vara värt en miljard dollar.

En selektiv kronologi för kommunikationssatelliter

  • 1945 Arthur C. Clarke Artikel: ”Extra-Terrestrial Relays”
  • 1955 John R. Pierce Artikel: ”Orbital Radio Relays”
  • 1956 Första transatlantiska telefonkabeln: TAT-1
  • 1957 Sputnik: Ryssland skjuter upp den första jordsatelliten.
  • 1960 Första framgångsrika DELTA-lanseringen
  • 1960 AT&T ansöker hos FCC om licens för experimentell satellitkommunikation
  • 1961 Formell start av TELSTAR-, RELAY- och SYNCOM-programmen
  • 1962 TELSTAR och RELAY lanseras
  • 1962 Communications Satellite Act (U.S.)
  • 1963 SYNCOM lanseras
  • 1964 INTELSAT bildas
  • 1965 COMSAT:s EARLY BIRD: 1:a kommersiella kommunikationssatellit
  • 1969 INTELSAT-III-serien ger global täckning
  • 1972 ANIK: 1:a inhemska kommunikationssatellit (Kanada)
  • 1974 WESTAR: 1:a amerikanska kommunikationssatellit (USA)
  • 1974USA:s första inhemska kommunikationssatellit
  • 1975 INTELSAT-IVA: Första användningen av dubbelpolarisation
  • 1975 RCA SATCOM: Första operativa kroppsstabiliserade kommunikationssatellit
  • 1976 MARISAT: PALAPA: Det tredje landet (Indonesien) som skjuter upp en inhemsk kommunikationssatellit
  • 1979 INMARSAT bildas.
  • 1988 TAT-8: Första fiberoptiska transatlantiska telefonkabeln

.