铱星系统的竞争优势与四维空间特点

铱星系统
的竞争优势与四维空间特点

class="song">罗利春　王越　陶然

　　摘要
　现代电信系统的基本要求之一，就是要具有强大的市场竞争力。铱星系统的发展体现
了选定正确的核概念，并且在性能维、经济维、时间维和发展维所构成的四维要求空间中，为系统
寻求竞争优势的现代人工系统设计思想。

　　关键词　移动通信　铱星　竞争　四维空间

１　引言

　　现代电信系统的
基本特征之一，就是要具有强大的市场竞争力。因此，先进合理的系统设计，不仅决定着现代电信
系统的使用功能，而且直接影响着它们的市场生存力。现代人工系统设计，应在由性能维、经济
维、时间维和发展维所构成的四维要求空间中，寻求最优状态。四维空间的命题是在系统理论指导
下，对现代人工系统研究发展规律进行总结，提出人工系统设计的基本要求［１］。它的应用有助
于避免系统研究发展中的盲目性，引导系统趋向成功。

　　铱星卫星通信系统是美国Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司研究开发的一种全新的卫
星移动通信系统。它的主要技术特征是，采用ＬＥＯ（低地球轨道）极轨道多星星座，以及单星多
波束技术，实现包括极地在内的移动通信全球覆盖。本文从人工系统研发核概念与设计要求四维空
间出发，对铱星计划的总体设计思想进行分析。从而得出其竞争优势所在，以供我国移动通信和电
信业发展借鉴。

class="song">２　铱星计划的背景与系统概况［２，３］

２．１　铱
星计划的产生背景

　　铱星卫星移动通信系统计划，是在十分鲜明的技术、经济和市场背景下产
生的。随着世界经济与社会生活的发展，人类对通信的需求也呈现日益增强的势头。在这种需求
中，移动通信越来越具有不可替代的使用价值。而在移动通信的发展中，卫星移动通信系统也在不
断增强着其竞争力。毫无疑问，随着通信科技的发展，在移动通信的市场中，
必将出现卫星移动通信系统、地面移动通信系统和最近问世的同温层平台移动
通信系统（ＨＡＰＳ）三分天下的局面。

　　卫星移动通信过去一直是由ＧＥＯ（地球静止轨道）实现的。其业务主要
由ＩＮＭＡＲ－ＳＡＴ（国际移动卫星组织，即原国际海事卫星组织）所经营和提供。由于人们对
移动通信的要求越来越高，基于ＧＥＯ的ＩＮＭＡＲＳＡＴ全球移动卫星通信系统也越来越不适应
竞争的要求，并且明显地暴露出它的以下缺陷［２］：（１）
终端笨重。不能提供基于手持机实现的个人移动通信业务；（２） 价格昂
贵。仅用户语音终端就达３ ０００至数万美元不等。而空间段费用也达每分钟３～７美元；
（３）
容量不足。最新的第三代ＩＮＭＡＲＳＡＴ全球移动卫星通信系统，一个大点
波束内仅可提供３００～４００路话音信道；（４） 频谱利用率低；（５）
通信时延大，回声抑制费用高。

　　此外，在军事应用中，抗干扰能力与隐蔽性、抗毁性和顽存性等要求，也
是ＧＥＯ移动卫星通信系统所难以满足的。

　　在这种形势下，卫星通信的原始方式——ＬＥＯ（低地球轨道）卫星通信
重新引起了人们的注意。铱星卫星移动通信系统计划就是在这种ＬＥＯ卫星通信重新升温的背景下
问世的。该计划是由美国Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司于１９９０年提出的。目前，与铱星系统类似的Ｌ
ＥＯ卫星移动通信系统已超过２０个［２］。

２．２　铱星系统概况


　　铱星系统的取名来源于金属铱的原子结构。铱原子共有７７个电子围绕其
原子核运行。因此，铱星卫星移动通信系统也是由７７颗卫星构成（其运行结构为６６颗星）。它
的卫星轨道高度约为７８０
ｋｍ。共有７个（运行６个）极地轨道平面，每个平面共有１１颗卫星。每颗
星绕地球一周约需１．５ ｈ。每颗卫星用点波束形成４８个蜂窝覆盖区。每个蜂窝区可提供１１
０条话音信道。用户与卫星之间采用Ｌ频段（１
６１０．０～１ ６２６．５ ＭＨｚ） 进行通信。而卫星间通信及卫星与地
面关口站和控制中心间的通信，则采用Ｋａ频段（２２．５５～３０
ＧＨｚ）。用户通信采用ＴＤＱＰＳＫ调制方式和ＴＤＭＡ接入方式；数据业
务速率为２ ４００ ｂｉｔ／ｓ；数据话音编码速率为４ ８００
ｂｉｔ／ｓ；纠错方式为３／４的ＦＥＣ纠错卷积码。用户终端可以是手持式
电话机（约重１．３ ｋｇ）。铱星系统于１９９６年开始试验发射，计划１９９８年投入业务，
总投资为３４亿美元［２］。设计使用寿命为５年［３］。

　　铱星系统提供的用户业务有：移动电话（手机）、 寻呼和数据［２］。

　　目前，铱星系统已突破了星间链路等关键技术问题。系统基本结构与规程
已初步建成。系统研究发展的各个方面都取得了重要进展。全世界几十家公司都参与了其计划的实
施［５］。这些情况表明，铱星计划的确立、运筹和实施，已取得初步成功。

３　铱星计划之核
概念

　　在系统理论与人
工系统设计方法的研究中，本文作者之一王越提出了人工系统研究发展的核概念的命题［１］。所
谓核概念，就是在人工系统研究发展中赖以确定系统序参量的核心思想与过程。
而序参量，则是德国物理学家哈肯在协同学中提出的重要命题。在系统科学的
发展史上，协同学发展了耗散结构理论关于非平衡系统的思想［６］。它指出，一个系统从无序向
有序转化，其关键不在于是否处于热力学平衡，也不在于是否远离平衡态，而在于组成这一系统的
子系统，通过一定条件下的非线性相互作用，产生一定的时间结构、空间结构或时空结构，形成具
有一定功能的自组织结构，并达到新的有序状态。序参量就是决定系统宏观有序程度的参变量。它
是系统演化过程中的慢变量。它主宰着系统的整个演化进程。序参量支配系统其它参变量的变化。
当一个系统有几个序参量时，它们的协作与竞争也将导致系统新的有序［６］。

　　核概念直接决定了人工系统研发中，能否正确决定系统之序参量。核概念
的偏差，将引起序参量选择的错误。而序参量的选择错误，又将最终导致人工系统研究发展的失
败。在实际生活中，有大量由于序参量选择不当，而导致人工系统发展失败的例子［１］。

　　根据上述序参量的思想，以及已经看到的铱星计划的实施情况，我们不难
分析出铱星计划的核概念。这就是，在发展这一新的卫星移动通信系统时，把用手机实现全球（包
括地球极地地区）个人移动通信的目标作为系统研发的序参量。选择手机全球通作为序参量，不仅
意味着新系统将能提供方便快捷的通信服务，而且将具有价格便宜的特点。而这两点，正是当今移
动通信竞争的焦点。后来的发展证明，铱星计划这一核概念确立，不仅使铱星系统在与ＧＥＯ卫星
移动通信系统的竞争中取得了巨大优势，而且在整个卫星通信与地面微波移动通信和光缆通信的竞
争中［４］，为前者赢得了更多的投资和用户。

　　为了实现铱星计划的上述核概念，铱星系统采用了以往的卫星移动通信系
统不曾采用的ＬＥＯ多卫星星座、多轨道平面和极地轨道的卫星轨道新体制，以及多小点波束和星
间链路等核心技术。

　　铱星计划核概念的贯彻实施，及其核心技术的应用，确保了铱星系统在飞
速膨胀的现代个人通信市场中，占据可观的份额，夺取竞争的主动。

class="song">４　铱星计划的四维空间特点

４．１　人
工系统设计四维空间之要点

　　在吸取哈肯等前辈科学家之系统科学理论精髓的基础上，本参考文献１对
现代人工系统设计规律进行了总结，提出了人工系统设计哲学的基本框架。其要点包括［１］：所
谓“设计”，乃是一种按目的将未来的欲达到的状态和运动，提前固化到现在的强化过程；人工系
统设计可看作一种广义的变换；设计目的之达到，必是功能与结构对立统一的完美实现等等
［１］。在这些框架的基础上，提出了人工系统设计应满足四维空间的要求的命题。其基本要点如
下［１］。

　　（１） 人工系统设计应在性能维、经济成本维、时间维和发展维所构成
的四维空间上，同时达到在相应约束之下的最佳状态。即在每一维上系统之边界状态应是其它三维
状态约束下的最佳状态；

　　（２） 性能维分为基本性能维和使用性能维。前者是目的系统之特征性
能。而后者则是所有人工系统的通用性能。它包括可靠性、安全性和维护性等；

　　（３） 经济成本维是目的系统的一个重要约束条件。它直接影响目的系
统在性能维等其它三维的可行性。它包括研制成本、生产成本和使用成本等；

　　（４） 时间维，是指目的系统的整个研究开发，以及进入市场竞争的时
间限制等；

　　（５） 发展维，是指给目的系统留下的发展空间。包括生存容限和系统
发展指标等。

　　上述四维空间要求，用几何拓扑学的观点予以概括，就是由系统状态在每
一维的边界所构成的流形，应具有最大的容积。当四维空间退化为三维空间（如性能维、经济维和
时间维）时，其流形应为正方体；而当它退化为二维空间（如性能维和经济维）时，其流形应为正
方形。

４．２　铱星系统之四维空间特点

　　从上述人工系统设计要求四维空间基本要点出发，我们可以分析得到铱星
系统在四维空间的特点。

４．２．１　性能维

　　在性能维，铱星系统在卫星通信和移动通信两方面的发展中，实现了大跨
度的间断（连续与间断也是系统理论中重要的对立统一范畴［１］）。其主要间断点如下：

　　（１） 采用ＬＥＯ卫星作中继平台，使星上接收机和地面接收终端所需
的ＥＩＲＰ，都比ＧＥＯ卫星通信系统的ＥＩＲＰ大大降低。这使得减小地面接收终端之体积，简
化其结构成为可能。从而为手机通信的实现，创造了宽松的技术环境；

　　（２） 采用多波束技术（每颗星４８个点波束），实现了极高的频率复
用率，因而大大提高了系统的通信容量。在一个ＩＮＭＡＲＳＡＴ－ＩＩＩ移动卫星通信系统的点
波束大区内，可提供话音信道为３００～４００路。而在相同面积的区域内，铱星系统可提供１
１００路话音信道。其频率复用率提高了２倍；

　　（３） 采用极地轨道，实现了ＧＥＯ系统所未能
做到的极地地区的通信覆盖；

　　（４） 采用ＬＥＯ，使卫星—用户链路的长度，较ＧＥＯ系统大幅度降
低（约降低７５％）。使每一跳的信号传输时延大大降低，提高了话音通信的舒适性；

　　（５） 采用星际链路，实现了单跳全球通，免除了诸如ＧＥＯ系统多跳
通信给用户带来的长时延、大回声烦恼。

４．２．２　经济成本维

　　在经济成本维中，铱星系统的研究发展和生产成本，比传统卫星通信系
统，也具有大幅度间断。其３４亿美元的总投资额，与具有相似功能的美军ＭＩＬＳＴＡＲ（军事
星）卫星通信系统缩减后的１６０亿美元投资额相比，只是后者的五分之一。因此，铱星系统的研
制生产经济性较以往的卫星通信系统有大幅度提高。

　　而从使用成本看，铱星系统的经济性更具有明显优势。它用手机作为地球
终端的个人移动通信，使用户付出的购机成本降至目前卫星通信地球终端的最低限，约为５００美
元（而ＩＮＭＡＲＳＡＴ－ＩＩＩ终端约需３
０００～５０ ０００美元［２］）。而它的较大的通信容量，又使得其单路
运行成本大幅度下降，其租金降至０．６５美元／分钟（ＩＮＭＡＲＳＡＴ各类终端线路租用费为
３～７美元／分钟［２］）。

４．２．３　时间维

　　铱星卫星移动通信系统计划是１９９０年提出的。并于１９９６年开始试
验发射，１９９８年开始投入业务运营。在铱星系统研制期间，正是世界范围内移动通信市场蓬勃
发展之时。而ＧＥＯ卫星移动通信系统、地面移动通信系统和刚刚问世的同温层平台移动通信系统
都不能满足目前大量增加的移动通信需求。因此，移动通信市场正潜藏着大量机会。铱星系统在这
时捷足先登，投入运营，可谓正是时候。目前，所有其它ＬＥＯ多星卫星通信系统的研究发展时间
都晚于铱星系统。它们大多要到２０００年以后，才能投入使用。因此，在时间维上铱星系统也具
有极大的竞争优势。

４．２．４　发展维

　　铱星系统具有卫星与地面关口站及控制中心进行通信的能力，因此，它理
所当然地具备向日益火爆的计算机远程网络市场发展的余地。它可以成为计算机远程网络的通信子
网。并与光缆等电话网和数据网相连，提供多媒体通信服务。

５　结束语

　　由于铱星计划确
定了正确的系统研发核概念，加之在总体技术上实施了大跨度的间断，采用了大量以往的卫星通信
系统所未曾采用过的新技术，使铱星系统在四维空间都达到和保持良好状态。因此，铱星系统取得
了并将继续取得竞争优势。其项目研发核概念和系统序参量的选取思想和方法，无疑值得我国移动
通信乃至整个电信业发展借鉴。