Um satélite de comunicações é um satélite artificial que retransmite e amplifica sinais de telecomunicações por rádio por meio de um transponder; ele cria um canal de comunicação entre um transmissor de origem e um receptor em diferentes localidades na Terra. Os satélites de comunicações são utilizados para aplicações em televisão, telefone, rádio, Internet e para fins militares. Alguns satélites de comunicações encontram-se em órbita geoestacionária a 22 236 milhas (35 785 km) acima do equador, de modo que o satélite aparenta permanecer estacionário no mesmo ponto do céu; consequentemente, as antenas de antenas parabólicas de estações terrestres podem ser apontadas permanentemente para essa posição sem a necessidade de se moverem para rastrear o satélite. No entanto, a maioria compõe constelações de satélites em órbita terrestre baixa, onde as antenas terrestres precisam rastrear os satélites e alternar frequentemente a conexão entre eles.
As ondas de rádio empregadas para enlaces de telecomunicações propagam-se por linha de visada e, portanto, são bloqueadas pela curvatura da Terra. O propósito dos satélites de comunicações é retransmitir o sinal contornando a curvatura terrestre, permitindo a comunicação entre pontos geograficamente distantes. Os satélites de comunicações operam em uma ampla faixa de frequências de rádio e micro-ondas. Para evitar interferências nos sinais, organizações internacionais estabelecem regulamentações que definem quais faixas de frequência ou "bandas" determinadas entidades têm permissão para operar. Essa alocação de bandas minimiza o risco de interferência mútua de sinal.
Em outubro de 1945, Arthur C. Clarke publicou um artigo intitulado "Extraterrestrial Relays" na revista britânica Wireless World. O artigo descrevia os princípios fundamentais por trás da implantação de satélites artificiais em órbitas geoestacionárias para a retransmissão de sinais de rádio. Por essa razão, Arthur C. Clarke é frequentemente citado como o proponente original do conceito de satélite de comunicações, e a expressão "Cinturão de Clarke" passou a ser utilizada para designar essa órbita.
O primeiro satélite artificial da Terra foi o Sputnik 1, colocado em órbita pela União Soviética em 4 de outubro de 1957. Ele foi desenvolvido por Mikhail Tikhonravov e Sergei Korolev, baseando-se nos estudos de Konstantin Tsiolkovsky. O Sputnik 1 estava equipado com um transmissor de rádio de bordo que operava nas frequências de 20,005 e 40,002 MHz, correspondentes aos comprimentos de onda de 7 e 15 metros. O satélite não foi inserido em órbita com a finalidade de trafegar dados entre pontos terrestres; seu transmissor de rádio destinava-se a investigar as propriedades de propagação das ondas de rádio através da ionosfera. O lançamento do Sputnik 1 representou um marco histórico na exploração espacial e no desenvolvimento da tecnologia de foguetes, assinalando o início da Era Espacial.
Primeiros experimentos com satélites ativos e passivos
Existem duas classes principais de satélites de comunicações: os passivos e os ativos. Os satélites passivos limitam-se a refletir o sinal proveniente da fonte em direção ao receptor. Com satélites passivos, o sinal refletido não é amplificado na espaçonave, e apenas uma fração muito pequena da energia transmitida efetivamente atinge a estação receptora. Como o satélite encontra-se a grande distância da Terra, o sinal de rádio sofre atenuação decorrente da perda de percurso no espaço livre, resultando na recepção de sinais sumamente fracos no solo. Os satélites ativos, por sua vez, amplificam o sinal captado antes de retransmiti-lo aos receptores na superfície terrestre. Os satélites passivos constituíram os primeiros satélites de comunicações, mas caíram em desuso na atualidade.
Pesquisas iniciadas na área de coleta de inteligência eletrônica no Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos em 1951 deram origem ao projeto denominado Communication Moon Relay. Os planejadores militares demonstravam grande interesse por linhas de comunicações seguras e estáveis como necessidade tática; o objetivo final do projeto era a criação do mais longo circuito de comunicações da história humana até então, empregando a Lua, satélite natural da Terra, como um retransmissor passivo. Após realizar a primeira transmissão interoceânica entre Washington, D.C. e o Havaí em 23 de janeiro de 1956, o sistema foi publicamente inaugurado e entrou em operação formal de produção em janeiro de 1960.
O primeiro satélite construído com o propósito específico de retransmitir comunicações de forma ativa foi o Projeto SCORE, conduzido pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada (ARPA) e lançado em 18 de dezembro de 1958. O SCORE utilizava um gravador de fita para armazenar e reproduzir uma mensagem de voz, bem como para receber, gravar e retransmitir mensagens enviadas de solo. Ele foi utilizado para difundir ao mundo uma mensagem natalina do presidente dos Estados Unidos, Dwight D. Eisenhower. O satélite executou também transmissões em tempo real antes de suas baterias não recarregáveis se esgotarem em 30 de dezembro de 1958, após oito horas acumuladas de funcionamento efetivo.
O sucessor direto do SCORE foi outro projeto gerenciado pela ARPA denominado Courier. O Courier 1B foi lançado em 4 de outubro de 1960 para investigar a viabilidade do estabelecimento de uma rede militar global de comunicações baseada em satélites do tipo "repetidor retardado" (store and forward), que recebiam e armazenavam informações até receberem comandos para retransmiti-las. Após 17 dias de missão, uma pane no sistema de comando encerrou as comunicações com o satélite.
O programa de aplicações de satélites da NASA lançou o primeiro satélite artificial utilizado para comunicações passivas por reflexão, o Echo 1, em 12 de agosto de 1960. O Echo 1 consistia em um satélite-balão metalizado com revestimento de alumínio que atuava como um refletor passivo de sinais de micro-ondas. Os sinais de comunicação eram refletidos na superfície do balão esférico entre diferentes localidades terrestres. O experimento demonstrou a viabilidade de transmissões globais de sinais de telefonia, rádio e televisão.
Outros marcos pioneiros e experimentos posteriores
O Telstar foi o primeiro satélite comercial de comunicações ativas de retransmissão direta e realizou a primeira transmissão transatlântica de sinais de televisão. Pertencente à AT&T como parte de um acordo multinacional envolvendo a AT&T, a Bell Labs, a NASA, a agência governamental britânica General Post Office e a empresa pública francesa PTT para desenvolver comunicações espaciais, o satélite foi lançado pela NASA a partir de Cabo Canaveral em 10 de julho de 1962, tornando-se o primeiro lançamento espacial com financiamento privado.
Outro experimento de retransmissão passiva voltado primordialmente a comunicações militares foi o Projeto West Ford, conduzido pelo Laboratório Lincoln do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Após uma falha no primeiro lançamento em 1961, um voo bem-sucedido em 9 de maio de 1963 dispersou 350 milhões de pequenas agulhas de cobre (dipolos) em órbita terrestre média para formar um anel refletor passivo. Embora apenas cerca de metade das agulhas tenha se separado adequadamente, o experimento comprovou com sucesso a transmissão de rádio na banda X do espectro de SHF.
Um precursor direto dos satélites geoestacionários foi o Syncom 2, construído pela Hughes Aircraft e lançado em 26 de julho de 1963. O Syncom 2 foi o primeiro satélite de comunicações em órbita geossíncrona. Ele completava uma revolução em torno da Terra a cada dia com velocidade constante; todavia, como sua órbita possuía inclinação em relação ao equador, apresentava movimento oscilatório aparente no sentido norte-sul, demandando antenas terrestres móveis com mecanismos de rastreio. Seu sucessor, o Syncom 3, lançado em 19 de julho de 1964, foi o primeiro satélite de comunicações verdadeiramente geoestacionário. O Syncom 3 alcançou uma órbita geossíncrona circular e com inclinação nula sobre a linha do equador, aparentando para observadores na superfície terrestre estar fixo no firmamento.