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不被干擾、不被欺騙、全天候……它將全面取代衛星導航?

點擊：6181  作者：張文卓 杜鵬程    來源：瞭望智庫微信號  發布時間:2024-09-25 10:55:04

 

2024年9月19日9時14分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級，成功發射第59、60顆北斗導航衛星。新華社發（楊熙 攝）

 

最近，量子導航領域的動態頗為引人注目。先是波音公司完成了全球首個多量子傳感器飛行測試，實現了無需GPS的精準導航；不久后，美國量子公司SandboxAQ又宣布獲得了美國空軍（USAF）授予的SBIR Phase 2B戰術性資金增加（TACFI），以進一步開發Sandbox的雙用途AQNav磁導航（MagNav）系統。

 

這種突破性的導航技術，可以為人們提供一種晝夜適用、適應各種環境的被動實時導航解決方案，并且完全不依賴全球導航衛星系統。

 

由此，量子導航對于國防和商業應用的重要性得到廣泛認可。而量子技術在導航、測量等領域的技術應用也成為各國投入研究和開發的重鎮......到底什么是量子導航？它和衛星導航、慣性導航是什么關系？又會被用在哪些關鍵領域？

 

讓我們先從熟悉的衛星導航說起。

 

文｜張文卓 夸密量子創始人兼CEO，中國科學院量子光學重點實驗室博士，中國科學技術大學墨子號衛星團隊前成員；杜鵬程 北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院青年教師，中國科學院物理研究所博士

審校專家｜趙政鑫 希微智能創始人兼CEO，航天科技集團博士，曾參與探月、大運載火箭等航天任務用的多款光纖慣導產品的研制

 

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被廣泛應用的衛星導航

 

衛星導航，即通過使用衛星定位系統來確定地球上任何位置的精確坐標，從而根據實時位置更新進行導航。衛星定位系統通常由三個部分組成：導航衛星、地面控制系統、用戶接收設備。最早的衛星定位系統是美國的全球定位系統（GPS），它已經成為了日常用語中衛星定位的代名詞。其他全球或區域性的衛星導航系統包括我國的北斗衛星導航系統（BDS），歐盟的伽利略系統（Galileo），俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）等。

 

衛星定位系統可以為用戶提供位置信息、導航數據以及精確的時間信息。衛星定位技術被廣泛應用于汽車導航、智能手機定位服務、航空航海、應急救援、環境監測等多個領域。

 

 

2022年2月7日，在中國科學院國家授時中心空間鍶原子光鐘實驗室，測量儀器顯示相關實驗信號。新華社記者 張博文 攝

 

導航衛星的核心設備是原子鐘。根據量子力學原理，能量的最小單位為頻率f乘以普朗克常數h。而原子的外層電子根據量子力學存在穩定的能級，能級之間的能量差dE固定。電子在兩個能級之間躍遷就是吸收和輻射光子，該光子頻率為兩能級能量差除以普朗克常數h。由于頻率f是周期T的倒數，固定頻率就代表固定的時間周期，就相當于鐘表“嘀嗒”一次需要的時間固定。能級間能量差越準確，時間周期也就越準確，計時也就越準確。

 

空間距離s等于時間t乘以光速c，根據相對論的光速不變原理，c是一個恒定常數，不隨時空參考系而變化，那么準確計時就意味著準確距離測量。衛星導航的接收器可接收來自多個衛星的微波信號，并通過衛星上的原子鐘計算出不同衛星的微波信號傳播到接收器所用時間，再乘以光速即可以確定接收器與不同衛星之間距離，只要接收衛星信號數量不低于3，即可通過幾何關系計算出接收器所在位置的三維坐標（在地球上就是經度、緯度和高度）。

 

由此，導航衛星的數量是保證其定位精度和可靠性的關鍵因素之一。據報道，2024年9月19日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級，成功發射了第59、60顆北斗導航衛星。這兩顆北斗衛星作為北斗三號衛星系統的最后兩顆備份衛星，將起到提高北斗系統運行穩定性的重要作用。同時，這兩顆衛星除了完成常規的組網星的任務以外，還會做一些新技術實驗和探索。

 

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不依賴外部信號的慣性導航

 

慣性導航是一種不依賴外部信號的導航方法，通過三個軸向的加速度計（accelerometer）獲取載體的加速度信息，同時通過三個軸向的陀螺儀（gyroscope）獲取載體的角速度信息，再通過載體角速度信息的解算可獲取載體的實時姿態，將載體的加速度與姿態信息結合可獲取載體相對慣性空間的實時加速度大小和方向。根據牛頓力學，在已知加速度大小和方向的情況下，加速度對時間進行一次積分，可得到速度信息，對時間二次積分可得到位置信息。

 

由于慣性導航不依賴于衛星等外部信號源，具有較強的隱蔽性和抗干擾性，廣泛應用于飛機、導彈、艦艇、核潛艇及坦克等軍用領域，是現代國防系統的關鍵技術。

 

慣性導航系統的核心部件是加速度計和陀螺儀。加速度計是測量載體的加速度的傳感器，常用的加速度計有石英撓性加速度計、MEMS（微機電系統）加速度計等。陀螺儀是測量載體角速度的傳感器，常用的陀螺儀有機電式陀螺儀（以經典力學為基礎）、光電類陀螺儀（以近代物理學效應為基礎）等。

 

由于衛星信號的頻率限制（一般為1~20Hz），高動態（即載體運動有較大加速度或較高轉速）運動的載體，僅靠衛星信號無法實時準確獲取載體位置，因此航天器（火箭、導彈等），航空器（高速飛機和無人機等）都會采用高精度的慣性導航系統。此外，在無法有效接收衛星定位信號的應用場景下，如水下、隧道、管道，以及其他衛星定位信號受干擾的情況下，也會用到慣性導航。因此慣性導航不僅在國防領域大量使用，在很多民用領域也發揮著不可替代的作用。

 

3

衛星導航中的量子精密測量

 

隨著科技的發展，量子技術逐漸在導航領域得到應用。比如在衛星導航中，就有量子精密測量的身影。

 

盡管原子鐘基于量子力學原理，但傳統原子鐘不涉及直接操控量子體系，因此習慣上歸類于光譜技術而不是量子技術。直到上個世紀80年代激光冷卻原子氣體的技術出現，接近絕對零度的原子氣體消除了因為運動產生的頻率不確定度，讓原子鐘的精確度大幅提高，進入量子頻標的時代。  

 

例如現在導航衛星主要采用的氫原子鐘和銫原子鐘，都是熱原子蒸汽，頻率準確度和穩定度為10的-9次方量級，那么對于高軌衛星（36000km地球同步軌道）來說，地球表面定位誤差理論上能到分米級，考慮到其他誤差影響會在米級。而冷原子鐘的頻率不確定度可以達到為10的-13次方量級甚至更高。例如我國天宮二號的空間冷原子鐘是世界上第一個空間在軌運行過的冷原子鐘，短期準確度和穩定度達到了10的-16次方量級，長期準確度和穩定度達到了10的-13次方量級，我國的空間站和墨子號衛星二代（中高軌）也都會裝載更精確的光頻率冷原子鐘做實驗。

 

 

冷原子鐘照片。新華社發

 

如果多個高軌導航衛星上都安裝冷原子鐘，那地球表面定位誤差理論上就是微米級。這樣的導航精度用在地球上有些浪費，但是用在探索太陽系上就意義非凡。例如地球到太陽系其他行星的距離最遠可達幾十億公里，這時地球軌道上如果有多個攜帶冷原子鐘的飛行器，可以把其他行星距離飛行器的定位誤差控制在米級。同時它還能有效支持很多基礎科學的研究，比如更精確地測量物理常數和遙遠星系距離、監控引力波現象、尋找暗物質和暗能量的證據等。

 

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潛力巨大的量子導航

 

通常意義的量子導航指的是使用量子精密測量技術的慣性導航。相比于使用冷原子鐘的衛星導航，使用原子陀螺儀和原子加速度計的慣性導航在地球上的應用場景更為普遍，也具備更好的產業化前景。

 

量子導航在傳統慣性導航的基礎上，利用量子傳感器代替傳統傳感器，由于量子傳感器采用了量子精密測量技術，理論精度更高，因而可顯著提升慣性導航系統的精度和長期穩定性。原子陀螺儀和原子加速度計在慣性導航中可以顯著降低系統的漂移誤差，并能在長期運行中保持高精度，通常能將目前的慣性導航精度提高2-3個數量級。量子導航可以看作是傳統慣性導航技術的革新與升級。

 

目前量子導航比較成熟的方向是原子加速度計和原子陀螺儀。和冷原子鐘一樣，原子陀螺儀和原子加速度計也采用了冷原子技術，但使用的是冷原子的物質波干涉。根據量子力學原理，原子的物質波波長lambda和其動量p成反比,相乘為普朗克常數h。常溫下的原子動量很大，導致物質波波長很短（納米級），無法觀測到物質波干涉。而冷原子的動量很小，物質波波長可以超過一個微米，因此其干涉效應可以被通用的電子學設備測量。由于原子具有質量，加速度會產生外力（牛頓第二定律），導致冷原子的物質波干涉效應會隨著所在系統的加速度而變化，這個變化既能測量線性加速度（加速度計），也能測量轉動角速度（陀螺儀），因此基于冷原子技術的原子加速度計和原子陀螺儀比較適合共用冷原子資源，集成為一套量子導航系統。

 

此外，還有一種基于原子極化原子氣體的原子自旋陀螺技術路線，能獲得更高靈敏度轉動測量陀螺儀。其工作原理是在接近零磁場環境下，原子通過光泵極化，使其自旋狀態趨向一致。當外界施加一個角速度時，由于角動量守恒，原子的自旋方向會發生偏轉。這一自旋變化可以通過探測原子對特定光的雙折射效應來測量。在磁場補償點下，核自旋能夠實現對慣性的敏感和對磁場波動的抑制，這使得原子自旋陀螺可以實現對旋轉角速度的精確探測，廣泛用于精密導航和基礎物理研究。

 

 

圖源：美國量子公司SandboxAQ網站

 

2024年8月16日，美國量子公司SandboxAQ宣布獲得了美國空軍（USAF）授予的SBIR Phase 2B戰術性資金增加（TACFI），以進一步開發Sandbox的雙用途AQNav磁導航（MagNav）系統。這是一種突破性的導航技術，利用專有的AI大型定量模型（LQMs）、量子傳感器以及地殼磁場，提供一種不被干擾、不被欺騙、全天候、晝夜適用、適應各種環境的被動實時導航解決方案，適用于軍事和商業應用，并且完全不依賴全球導航衛星系統（GNSS）。

 

我國在量子導航技術的研發方面也處于國際領先地位，尤其在量子測量與傳感器技術上取得了顯著進展。近年來，中國在量子導航領域開展了大量研究，成功研制了原子陀螺儀、原子加速度計等一系列設備，并布局在航天、國防等領域進行的應用。盡管量子導航技術尚未在日常生活中得到廣泛應用，但其潛力巨大，具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷成熟，未來量子導航有望在消費電子、物流、災害應急等領域得到普及應用。

 

量子（慣性）導航的問世引發了關于其是否會取代以GPS為代表的衛星導航的討論。量子導航具備不依賴外部信號、能夠自主定位的優勢，這意味著在衛星導航信號受限或受干擾的情況下，量子導航可以作為重要的備選方案。尤其在軍事、航天、深海探索等高需求場景中，量子導航的優勢十分明顯。然而在短期內，量子導航不太可能完全取代衛星導航。

 

量子導航系統雖然在精度上具有顯著優勢，但其成本、體積、功耗等方面仍需要進一步優化。同時，衛星導航已經在全球范圍內廣泛部署，具有高度的可靠性和成熟性。量子導航更有可能與衛星導航互補，共同構建一個更為健全的全球導航體系。例如，在衛星導航信號丟失時，量子導航系統可以接管導航任務，提供連續的位置信息，從而提高導航的穩定性和安全性。

 

來源：瞭望智庫微信號