銥星系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與四維空間特點(diǎn)

銥星系統(tǒng)
的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)與四維空間特點(diǎn)

class="song">羅利春　王越　陶然

　　摘要
　現(xiàn)代電信系統(tǒng)的基本要求之一，就是要具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。銥星系統(tǒng)的發(fā)展體現(xiàn)
了選定正確的核概念，并且在性能維、經(jīng)濟(jì)維、時(shí)間維和發(fā)展維所構(gòu)成的四維要求空間中，為系統(tǒng)
尋求競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)代人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。

　　關(guān)鍵詞　移動(dòng)通信　銥星　競(jìng)爭(zhēng)　四維空間

１　引言

　　現(xiàn)代電信系統(tǒng)的
基本特征之一，就是要具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，先進(jìn)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅決定著現(xiàn)代電信
系統(tǒng)的使用功能，而且直接影響著它們的市場(chǎng)生存力。現(xiàn)代人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)在由性能維、經(jīng)濟(jì)
維、時(shí)間維和發(fā)展維所構(gòu)成的四維要求空間中，尋求最優(yōu)狀態(tài)。四維空間的命題是在系統(tǒng)理論指導(dǎo)
下，對(duì)現(xiàn)代人工系統(tǒng)研究發(fā)展規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，提出人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求［１］。它的應(yīng)用有助
于避免系統(tǒng)研究發(fā)展中的盲目性，引導(dǎo)系統(tǒng)趨向成功。

　　銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)是美國(guó)Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司研究開發(fā)的一種全新的衛(wèi)
星移動(dòng)通信系統(tǒng)。它的主要技術(shù)特征是，采用ＬＥＯ（低地球軌道）極軌道多星星座，以及單星多
波束技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括極地在內(nèi)的移動(dòng)通信全球覆蓋。本文從人工系統(tǒng)研發(fā)核概念與設(shè)計(jì)要求四維空
間出發(fā)，對(duì)銥星計(jì)劃的總體設(shè)計(jì)思想進(jìn)行分析。從而得出其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)所在，以供我國(guó)移動(dòng)通信和電
信業(yè)發(fā)展借鑒。

class="song">２　銥星計(jì)劃的背景與系統(tǒng)概況［２，３］

２．１　銥
星計(jì)劃的產(chǎn)生背景

　　銥星衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃，是在十分鮮明的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)背景下產(chǎn)
生的。隨著世界經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生活的發(fā)展，人類對(duì)通信的需求也呈現(xiàn)日益增強(qiáng)的勢(shì)頭。在這種需求
中，移動(dòng)通信越來(lái)越具有不可替代的使用價(jià)值。而在移動(dòng)通信的發(fā)展中，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也在不
斷增強(qiáng)著其競(jìng)爭(zhēng)力。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著通信科技的發(fā)展，在移動(dòng)通信的市場(chǎng)中，
必將出現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和最近問(wèn)世的同溫層平臺(tái)移動(dòng)
通信系統(tǒng)（ＨＡＰＳ）三分天下的局面。

　　衛(wèi)星移動(dòng)通信過(guò)去一直是由ＧＥＯ（地球靜止軌道）實(shí)現(xiàn)的。其業(yè)務(wù)主要
由ＩＮＭＡＲ－ＳＡＴ（國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織，即原國(guó)際海事衛(wèi)星組織）所經(jīng)營(yíng)和提供。由于人們對(duì)
移動(dòng)通信的要求越來(lái)越高，基于ＧＥＯ的ＩＮＭＡＲＳＡＴ全球移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)也越來(lái)越不適應(yīng)
競(jìng)爭(zhēng)的要求，并且明顯地暴露出它的以下缺陷［２］：（１）
終端笨重。不能提供基于手持機(jī)實(shí)現(xiàn)的個(gè)人移動(dòng)通信業(yè)務(wù)；（２） 價(jià)格昂
貴。僅用戶語(yǔ)音終端就達(dá)３ ０００至數(shù)萬(wàn)美元不等。而空間段費(fèi)用也達(dá)每分鐘３～７美元；
（３）
容量不足。最新的第三代ＩＮＭＡＲＳＡＴ全球移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，一個(gè)大點(diǎn)
波束內(nèi)僅可提供３００～４００路話音信道；（４） 頻譜利用率低；（５）
通信時(shí)延大，回聲抑制費(fèi)用高。

　　此外，在軍事應(yīng)用中，抗干擾能力與隱蔽性、抗毀性和頑存性等要求，也
是ＧＥＯ移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)所難以滿足的。

　　在這種形勢(shì)下，衛(wèi)星通信的原始方式——ＬＥＯ（低地球軌道）衛(wèi)星通信
重新引起了人們的注意。銥星衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃就是在這種ＬＥＯ衛(wèi)星通信重新升溫的背景下
問(wèn)世的。該計(jì)劃是由美國(guó)Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司于１９９０年提出的。目前，與銥星系統(tǒng)類似的Ｌ
ＥＯ衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)已超過(guò)２０個(gè)［２］。

２．２　銥星系統(tǒng)概況


　　銥星系統(tǒng)的取名來(lái)源于金屬銥的原子結(jié)構(gòu)。銥原子共有７７個(gè)電子圍繞其
原子核運(yùn)行。因此，銥星衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也是由７７顆衛(wèi)星構(gòu)成（其運(yùn)行結(jié)構(gòu)為６６顆星）。它
的衛(wèi)星軌道高度約為７８０
ｋｍ。共有７個(gè)（運(yùn)行６個(gè)）極地軌道平面，每個(gè)平面共有１１顆衛(wèi)星。每顆
星繞地球一周約需１．５ ｈ。每顆衛(wèi)星用點(diǎn)波束形成４８?jìng)�(gè)蜂窩覆蓋區(qū)。每個(gè)蜂窩區(qū)可提供１１
０條話音信道。用戶與衛(wèi)星之間采用Ｌ頻段（１
６１０．０～１ ６２６．５ ＭＨｚ） 進(jìn)行通信。而衛(wèi)星間通信及衛(wèi)星與地
面關(guān)口站和控制中心間的通信，則采用Ｋａ頻段（２２．５５～３０
ＧＨｚ）。用戶通信采用ＴＤＱＰＳＫ調(diào)制方式和ＴＤＭＡ接入方式；數(shù)據(jù)業(yè)
務(wù)速率為２ ４００ ｂｉｔ／ｓ；數(shù)據(jù)話音編碼速率為４ ８００
ｂｉｔ／ｓ；糾錯(cuò)方式為３／４的ＦＥＣ糾錯(cuò)卷積碼。用戶終端可以是手持式
電話機(jī)（約重１．３ ｋｇ）。銥星系統(tǒng)于１９９６年開始試驗(yàn)發(fā)射，計(jì)劃１９９８年投入業(yè)務(wù)，
總投資為３４億美元［２］。設(shè)計(jì)使用壽命為５年［３］。

　　銥星系統(tǒng)提供的用戶業(yè)務(wù)有：移動(dòng)電話（手機(jī)）、 尋呼和數(shù)據(jù)［２］。


　　目前，銥星系統(tǒng)已突破了星間鏈路等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與規(guī)程
已初步建成。系統(tǒng)研究發(fā)展的各個(gè)方面都取得了重要進(jìn)展。全世界幾十家公司都參與了其計(jì)劃的實(shí)
施［５］。這些情況表明，銥星計(jì)劃的確立、運(yùn)籌和實(shí)施，已取得初步成功。

３　銥星計(jì)劃之核
概念

　　在系統(tǒng)理論與人
工系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究中，本文作者之一王越提出了人工系統(tǒng)研究發(fā)展的核概念的命題［１］。所
謂核概念，就是在人工系統(tǒng)研究發(fā)展中賴以確定系統(tǒng)序參量的核心思想與過(guò)程。
而序參量，則是德國(guó)物理學(xué)家哈肯在協(xié)同學(xué)中提出的重要命題。在系統(tǒng)科學(xué)的
發(fā)展史上，協(xié)同學(xué)發(fā)展了耗散結(jié)構(gòu)理論關(guān)于非平衡系統(tǒng)的思想［６］。它指出，一個(gè)系統(tǒng)從無(wú)序向
有序轉(zhuǎn)化，其關(guān)鍵不在于是否處于熱力學(xué)平衡，也不在于是否遠(yuǎn)離平衡態(tài)，而在于組成這一系統(tǒng)的
子系統(tǒng)，通過(guò)一定條件下的非線性相互作用，產(chǎn)生一定的時(shí)間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)或時(shí)空結(jié)構(gòu)，形成具
有一定功能的自組織結(jié)構(gòu)，并達(dá)到新的有序狀態(tài)。序參量就是決定系統(tǒng)宏觀有序程度的參變量。它
是系統(tǒng)演化過(guò)程中的慢變量。它主宰著系統(tǒng)的整個(gè)演化進(jìn)程。序參量支配系統(tǒng)其它參變量的變化。
當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)有幾個(gè)序參量時(shí)，它們的協(xié)作與競(jìng)爭(zhēng)也將導(dǎo)致系統(tǒng)新的有序［６］。

　　核概念直接決定了人工系統(tǒng)研發(fā)中，能否正確決定系統(tǒng)之序參量。核概念
的偏差，將引起序參量選擇的錯(cuò)誤。而序參量的選擇錯(cuò)誤，又將最終導(dǎo)致人工系統(tǒng)研究發(fā)展的失
敗。在實(shí)際生活中，有大量由于序參量選擇不當(dāng)，而導(dǎo)致人工系統(tǒng)發(fā)展失敗的例子［１］。

　　根據(jù)上述序參量的思想，以及已經(jīng)看到的銥星計(jì)劃的實(shí)施情況，我們不難
分析出銥星計(jì)劃的核概念。這就是，在發(fā)展這一新的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)，把用手機(jī)實(shí)現(xiàn)全球（包
括地球極地地區(qū)）個(gè)人移動(dòng)通信的目標(biāo)作為系統(tǒng)研發(fā)的序參量。選擇手機(jī)全球通作為序參量，不僅
意味著新系統(tǒng)將能提供方便快捷的通信服務(wù)，而且將具有價(jià)格便宜的特點(diǎn)。而這兩點(diǎn)，正是當(dāng)今移
動(dòng)通信競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。后來(lái)的發(fā)展證明，銥星計(jì)劃這一核概念確立，不僅使銥星系統(tǒng)在與ＧＥＯ衛(wèi)星
移動(dòng)通信系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)中取得了巨大優(yōu)勢(shì)，而且在整個(gè)衛(wèi)星通信與地面微波移動(dòng)通信和光纜通信的競(jìng)
爭(zhēng)中［４］，為前者贏得了更多的投資和用戶。

　　為了實(shí)現(xiàn)銥星計(jì)劃的上述核概念，銥星系統(tǒng)采用了以往的衛(wèi)星移動(dòng)通信系
統(tǒng)不曾采用的ＬＥＯ多衛(wèi)星星座、多軌道平面和極地軌道的衛(wèi)星軌道新體制，以及多小點(diǎn)波束和星
間鏈路等核心技術(shù)。

　　銥星計(jì)劃核概念的貫徹實(shí)施，及其核心技術(shù)的應(yīng)用，確保了銥星系統(tǒng)在飛
速膨脹的現(xiàn)代個(gè)人通信市場(chǎng)中，占據(jù)可觀的份額，奪取競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)。

class="song">４　銥星計(jì)劃的四維空間特點(diǎn)

４．１　人
工系統(tǒng)設(shè)計(jì)四維空間之要點(diǎn)

　　在吸取哈肯等前輩科學(xué)家之系統(tǒng)科學(xué)理論精髓的基礎(chǔ)上，本參考文獻(xiàn)１對(duì)
現(xiàn)代人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，提出了人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)哲學(xué)的基本框架。其要點(diǎn)包括［１］：所
謂“設(shè)計(jì)”，乃是一種按目的將未來(lái)的欲達(dá)到的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)，提前固化到現(xiàn)在的強(qiáng)化過(guò)程；人工系
統(tǒng)設(shè)計(jì)可看作一種廣義的變換；設(shè)計(jì)目的之達(dá)到，必是功能與結(jié)構(gòu)對(duì)立統(tǒng)一的完美實(shí)現(xiàn)等等
［１］。在這些框架的基礎(chǔ)上，提出了人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足四維空間的要求的命題。其基本要點(diǎn)如
下［１］。

　�。ǎ保� 人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)在性能維、經(jīng)濟(jì)成本維、時(shí)間維和發(fā)展維所構(gòu)成
的四維空間上，同時(shí)達(dá)到在相應(yīng)約束之下的最佳狀態(tài)。即在每一維上系統(tǒng)之邊界狀態(tài)應(yīng)是其它三維
狀態(tài)約束下的最佳狀態(tài)；

　�。ǎ玻� 性能維分為基本性能維和使用性能維。前者是目的系統(tǒng)之特征性
能。而后者則是所有人工系統(tǒng)的通用性能。它包括可靠性、安全性和維護(hù)性等；

　�。ǎ常� 經(jīng)濟(jì)成本維是目的系統(tǒng)的一個(gè)重要約束條件。它直接影響目的系
統(tǒng)在性能維等其它三維的可行性。它包括研制成本、生產(chǎn)成本和使用成本等；

　�。ǎ矗� 時(shí)間維，是指目的系統(tǒng)的整個(gè)研究開發(fā)，以及進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)
間限制等；

　�。ǎ担� 發(fā)展維，是指給目的系統(tǒng)留下的發(fā)展空間。包括生存容限和系統(tǒng)
發(fā)展指標(biāo)等。

　　上述四維空間要求，用幾何拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)予以概括，就是由系統(tǒng)狀態(tài)在每
一維的邊界所構(gòu)成的流形，應(yīng)具有最大的容積。當(dāng)四維空間退化為三維空間（如性能維、經(jīng)濟(jì)維和
時(shí)間維）時(shí)，其流形應(yīng)為正方體；而當(dāng)它退化為二維空間（如性能維和經(jīng)濟(jì)維）時(shí)，其流形應(yīng)為正
方形。

４．２　銥星系統(tǒng)之四維空間特點(diǎn)

　　從上述人工系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求四維空間基本要點(diǎn)出發(fā)，我們可以分析得到銥星
系統(tǒng)在四維空間的特點(diǎn)。

４．２．１　性能維

　　在性能維，銥星系統(tǒng)在衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信兩方面的發(fā)展中，實(shí)現(xiàn)了大跨
度的間斷（連續(xù)與間斷也是系統(tǒng)理論中重要的對(duì)立統(tǒng)一范疇［１］）。其主要間斷點(diǎn)如下：

　　（１） 采用ＬＥＯ衛(wèi)星作中繼平臺(tái)，使星上接收機(jī)和地面接收終端所需
的ＥＩＲＰ，都比ＧＥＯ衛(wèi)星通信系統(tǒng)的ＥＩＲＰ大大降低。這使得減小地面接收終端之體積，簡(jiǎn)
化其結(jié)構(gòu)成為可能。從而為手機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造了寬松的技術(shù)環(huán)境；

　　（２） 采用多波束技術(shù)（每顆星４８?jìng)�(gè)點(diǎn)波束），實(shí)現(xiàn)了極高的頻率復(fù)
用率，因而大大提高了系統(tǒng)的通信容量。在一個(gè)ＩＮＭＡＲＳＡＴ－ＩＩＩ移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的點(diǎn)
波束大區(qū)內(nèi)，可提供話音信道為３００～４００路。而在相同面積的區(qū)域內(nèi)，銥星系統(tǒng)可提供１
１００路話音信道。其頻率復(fù)用率提高了２倍；

　�。ǎ常� 采用極地軌道，實(shí)現(xiàn)了ＧＥＯ系統(tǒng)所未能
做到的極地地區(qū)的通信覆蓋；

　�。ǎ矗� 采用ＬＥＯ，使衛(wèi)星—用戶鏈路的長(zhǎng)度，較ＧＥＯ系統(tǒng)大幅度降
低（約降低７５％）。使每一跳的信號(hào)傳輸時(shí)延大大降低，提高了話音通信的舒適性；

　　（５） 采用星際鏈路，實(shí)現(xiàn)了單跳全球通，免除了諸如ＧＥＯ系統(tǒng)多跳
通信給用戶帶來(lái)的長(zhǎng)時(shí)延、大回聲煩惱。

４．２．２　經(jīng)濟(jì)成本維

　　在經(jīng)濟(jì)成本維中，銥星系統(tǒng)的研究發(fā)展和生產(chǎn)成本，比傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系
統(tǒng)，也具有大幅度間斷。其３４億美元的總投資額，與具有相似功能的美軍ＭＩＬＳＴＡＲ（軍事
星）衛(wèi)星通信系統(tǒng)縮減后的１６０億美元投資額相比，只是后者的五分之一。因此，銥星系統(tǒng)的研
制生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較以往的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有大幅度提高。

　　而從使用成本看，銥星系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更具有明顯優(yōu)勢(shì)。它用手機(jī)作為地球
終端的個(gè)人移動(dòng)通信，使用戶付出的購(gòu)機(jī)成本降至目前衛(wèi)星通信地球終端的最低限，約為５００美
元（而ＩＮＭＡＲＳＡＴ－ＩＩＩ終端約需３
０００～５０ ０００美元［２］）。而它的較大的通信容量，又使得其單路
運(yùn)行成本大幅度下降，其租金降至０．６５美元／分鐘（ＩＮＭＡＲＳＡＴ各類終端線路租用費(fèi)為
３～７美元／分鐘［２］）。

４．２．３　時(shí)間維

　　銥星衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃是１９９０年提出的。并于１９９６年開始試
驗(yàn)發(fā)射，１９９８年開始投入業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。在銥星系統(tǒng)研制期間，正是世界范圍內(nèi)移動(dòng)通信市場(chǎng)蓬勃
發(fā)展之時(shí)。而ＧＥＯ衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和剛剛問(wèn)世的同溫層平臺(tái)移動(dòng)通信系統(tǒng)
都不能滿足目前大量增加的移動(dòng)通信需求。因此，移動(dòng)通信市場(chǎng)正潛藏著大量機(jī)會(huì)。銥星系統(tǒng)在這
時(shí)捷足先登，投入運(yùn)營(yíng)，可謂正是時(shí)候。目前，所有其它ＬＥＯ多星衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究發(fā)展時(shí)間
都晚于銥星系統(tǒng)。它們大多要到２０００年以后，才能投入使用。因此，在時(shí)間維上銥星系統(tǒng)也具
有極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

４．２．４　發(fā)展維

　　銥星系統(tǒng)具有衛(wèi)星與地面關(guān)口站及控制中心進(jìn)行通信的能力，因此，它理
所當(dāng)然地具備向日益火爆的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)發(fā)展的余地。它可以成為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的通信子
網(wǎng)。并與光纜等電話網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)相連，提供多媒體通信服務(wù)。

５　結(jié)束語(yǔ)

　　由于銥星計(jì)劃確
定了正確的系統(tǒng)研發(fā)核概念，加之在總體技術(shù)上實(shí)施了大跨度的間斷，采用了大量以往的衛(wèi)星通信
系統(tǒng)所未曾采用過(guò)的新技術(shù)，使銥星系統(tǒng)在四維空間都達(dá)到和保持良好狀態(tài)。因此，銥星系統(tǒng)取得
了并將繼續(xù)取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其項(xiàng)目研發(fā)核概念和系統(tǒng)序參量的選取思想和方法，無(wú)疑值得我國(guó)移動(dòng)
通信乃至整個(gè)電信業(yè)發(fā)展借鑒。