星链卫星的工作原理，它是如何提供互联网服务的？

摘要：先拆开防水外壳，首先看到的是航空铝材打造的弧形基座，基座表面镶嵌着布满电子元件的核心主板，主板正面上百个元器件中，最显眼的是640枚邮票大小的信号处理器，如同微型大脑般排列成矩阵。围绕在周围的20枚主控芯片比硬币稍大，负责协调整个系统运作。

这个能让方圆百里联网的银色大锅盖，实际上是星链信号收发系统，它是马斯克名下Space X公司的杰作，它的内部结构是怎样的？我们不妨拆开来看一看。

先拆开防水外壳，首先看到的是航空铝材打造的弧形基座，基座表面镶嵌着布满电子元件的核心主板，主板正面上百个元器件中，最显眼的是640枚邮票大小的信号处理器，如同微型大脑般排列成矩阵。围绕在周围的20枚主控芯片比硬币稍大，负责协调整个系统运作。

在主板边缘区域，GPS定位模块与中央处理器组成导航系统，确保时刻知晓自身方位。翻转到主板背面，1400个铜制圆环精密排布，与3层特殊材质的蜂窝板组合，共同构成1280个六边形信号发射单元。

每个发射单元都暗藏玄机，底层是布满纳米电路的芯片层，通过比发丝还细的金属导线连接着上层的辐射金属片。当芯片开始工作时，会产生每秒120亿次振动的高频信号，每次振动仅持续83皮秒。

这就像用极快的速度反复开关水龙头，当信号处于波谷时，电子被“推挤”到导线末端，形成负极区域，而上方金属片则变成正极，两者之间产生强磁场。当信号升至波峰时，电子流动方向瞬间反转，磁场方向也随之调转。这种肉眼不可见的急速切换，每秒可达120亿次，使得磁场与电场如同快速抖动的床单，把电磁波能量源源不断抖向空中。

单个发射单元还是不够，它产生的电磁波还是太弱了，电磁波四散无法远射。但当两个单元协同工作时，魔法就出现了，第一个单元发出的电磁波还在空中传播时，第二个单元以特定时间差发出相同波形，当两列波峰相遇时，能量就会叠加增强。

扩展到全部1280个单元协同工作时，通过精确控制每个单元的发射时间差，如果这时再加一个反射的大锅，那电磁波束就更加强了，信号直接满格。

有了它，所有电磁波的波峰波谷就能整齐排列，最终形成笔直的能量光束。这种集体协作产生的波束，发散角度仅有1.5度，甚至比激光笔的光束还要集中。

要让这束信号电磁波始终锁定高速移动的卫星可不是一件简单的事，星链收发系统配备了智能追踪系统，定位模块每秒钟更新数十次卫星坐标，主控芯片随即计算每个发射单元需要的相位差。

例如，当卫星向右偏移时，系统会给右侧发射单元增加延迟发射时间，让波束叠加点向右偏移，这种相位调节精度达到0.1度级别，相当于能在千米之外调整绣花针的指向角度。整个系统由20个区域控制器分管32组发射模块，每组精准控制2个发射单元的工作节奏，即便卫星以每秒7.5公里的速度飞行，波束指向误差始终不超过0.05度。

那么电磁波是如何承载信息的呢？

系统采用64种不同的二进制组合来传递信息，每种组合由特定信号强度、幅值与节奏快慢也就是相位共同决定。例如二进制数据01101对应中等强度配30度相位角，而数据101000则对应高强度配75度相位角。

这些精心设计的编码通过电磁波传送，每秒钟能组合出4亿种变化，理论最高传输速度可达每秒4亿比特，一分钟能传20部电影。

这里有个问题，卫星是在动的，地面上的“大锅盖”如何知道什么时候该发射给空中的哪颗小卫星呢？

主要利用相位阵列自动转向，持续发射聚焦波束。在动画中可以看到，每个发射单元就像音乐会上的灯光师，通过精确控制自己的开关时间，让所有光束在特定时间特定位置交汇。通过上面的原理，星链就能给全球提供网络服务，相当于让网络基站飘在天上。

不过星链可以服务的人还是太少了，这套卫星网络依赖低轨道卫星群传递信号，550公里高度的单颗卫星虽然能以每秒数GB的速度传输数据，但其电磁波覆盖范围直径仅约1000公里，且受地球曲率影响，每颗卫星只能有效服务其中200公里范围的区域。当前在轨的7000颗卫星虽能形成连续覆盖，但受限于相控阵天线的波束聚焦特性，每颗卫星最多只能同时连接2000个地面终端设备。