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陳銘
2025-05-01 11:26
日常生活中，不管是駕駛車輛、外賣點單還是運動鍛煉，經(jīng)常會用到衛(wèi)星導航技術。那么，沒有衛(wèi)星導航信號或信號很弱時，人們該如何導航？科學家提出了一種新思路——將量子傳感器應用于導航，實現(xiàn)衛(wèi)星信號拒止條件下的定位、導航、授時功能。衛(wèi)星信號拒止條件是指導航衛(wèi)星信號受到干擾、遮擋甚至惡意攻擊等無法正確輸出導航參數(shù)信息的情形。
4月初，澳大利亞Q-CTRL公司的一項研究宣布，他們研制出首個在商業(yè)上可行的量子慣性導航系統(tǒng)，其精度可達傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)的46倍。目前，量子導航領域已成為國際科研前沿熱點之一，中國、美國、俄羅斯和歐盟等都提出了各自的發(fā)展計劃和時間表。
量子導航系統(tǒng)使用的量子傳感器，是一種利用量子力學原理來探測微觀世界的新型工具。它們利用量子相干效應或量子糾纏等特性，可實現(xiàn)對某些物理量的精確測量，比如電磁場、時間、重力加速度、溫度、壓力、角速度等。憑借超高精度、超高靈敏度、超快響應速度等特點，量子傳感器有望帶來顛覆性改變，突破傳統(tǒng)傳感器瓶頸。
在衛(wèi)星信號拒止條件下，目前量子傳感器主要提供3種不同的導航替代方案：
第一種是量子慣性導航系統(tǒng)，其結構與傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)基本類似，主要由原子陀螺儀、原子加速度計、原子鐘和信號采集處理單元等4個部分構成。通過對原子的量子調控，原子陀螺儀可實現(xiàn)超高靈敏度的慣性測量，包括對運動物體加速度、角速度的精準測量，實時計算其位置和姿態(tài)。比如，在傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)下，潛艇定位偏差每天可達數(shù)公里，而量子慣性導航系統(tǒng)的誤差有望實現(xiàn)每月小于1公里。這一系統(tǒng)在未來深空探測中也大有可為。
第二種和第三種方案分別是量子磁力導航和量子重力導航。由于地球各區(qū)域的磁場和重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制出地球磁場地圖和重力加速度地圖，在衛(wèi)星信號拒止條件下，通過量子傳感器測量磁場或者重力加速度的變化，將收集的數(shù)據(jù)與已知的地圖比對，就能快速確定自身位置。目前，英國已經(jīng)利用無人機搭載量子磁強計，并輔助其他技術手段，實現(xiàn)10厘米精度的衛(wèi)星信號拒止環(huán)境定位。
這兩種方案還可應用于地下勘探、海底潛航。深地、深海等環(huán)境是衛(wèi)星導航常見的盲區(qū)，量子導航可以用于探測地下百米級的地質構造、地下無人駕駛地鐵的厘米級定位等。
整體來看，量子導航系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。它具備比傳統(tǒng)衛(wèi)星導航更高的精度，并且不依賴外部信號，在衛(wèi)星信號受限或受干擾的環(huán)境中仍能正常工作。同時，量子傳感器的信號不向外發(fā)射，不易被外部探測和截獲，也具有較好的隱蔽性。
不過，當前發(fā)展量子導航系統(tǒng)還面臨很多困難：一是系統(tǒng)設備較為復雜，成本高；二是量子傳感器對外界環(huán)境因素極為敏感，需要研發(fā)先進的屏蔽技術和抗干擾算法，以提高復雜環(huán)境下的適應性和穩(wěn)定性；三是產生的數(shù)據(jù)量龐大，需要進行高效的數(shù)據(jù)處理，并消除累計偏差。如果能夠突破這些挑戰(zhàn)，未來融合傳統(tǒng)衛(wèi)星導航和量子導航的全球導航系統(tǒng)，不僅將為我們的日常生活帶來更多便利，還將助力人類探索更廣闊的星辰大海。
（作者為中國科學技術大學科技傳播系副研究員）
