我國量子導航技術獲得突破性進展， 「量子導航」是個什麼鬼？

陀螺儀結構圖

全空域、全時域的無縫定位導航是未來定位導航產業的技術制高點。隨著量子精密測量技術的快速發展，基於量子精密測量的陀螺及慣性導航系統具有高精度、小體積、低成本等優勢，將對無縫定位導航領域提供顛覆性新技術。

「十二五」863計劃地球觀測與導航技術領域主題項目「基於磁共振的微小型原子自旋陀螺儀關鍵技術」由北京自動化控制設備研究所承擔，項目研究開展一年半取得突破性進展。項目組攻克了核自旋-電子自旋耦合極化與檢測等精密量子操控技術，完成了小型化磁共振氣室、高效磁屏蔽等元件的精密設計與製造，並研製成功我國首個基於磁共振的原子自旋陀螺儀原理樣機。樣機零偏穩定性優於2°/h，成為世界上第二個掌握該技術的國家，與美國技術差距從10年縮小到7年。

項目所取得的研究成果為進一步提高基於磁共振的微小型原子自旋陀螺儀的精度與集成度，為支撐我國量子導航領域的發展打下了堅實的技術基礎。原子陀螺儀的技術突破使現有應用於高端裝備的無縫定位導航系統的體積、質量、功耗、成本等下降約兩個數量級，將應用於大眾定位導航市場，可在微小體積、低成本條件下實現米級定位精度，提供不依賴衛星的全空域、全時域無縫定位導航新能力。

（來源：中國政府網）

世界量子導航技術概況

美國量子定位系統將引發衛星導航領域的技術革命

衛星導航定位技術以天基人造衛星為基本平台，能夠為全球海、陸、空、天各類軍民用載體提供全天候、二十四小時連續不間斷的高精度三維位置、速度和時間信息。目前技術比較成熟的四大全球衛星導航定位系統是：美國的GPS，俄羅斯的格洛納斯、我國的北斗及歐洲的伽利略。衛星導航系統廣泛應用於交通導航、衛星授時應用、應急指揮、民用水情測報服務等，發揮了非常重要的作用。

雖然衛星導航定位系統在導航定位領域獲得了前所未有的成功，但仍然存在以下幾個方面的問題（以GPS為例）：

1、定位精度仍然不夠高

系統體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重複地向空間發射電磁波信號，檢測電磁波到達待測點的時間延遲來實現的，這種以經典物理學為基礎的方法受到所能實現的可利用功率及寬頻的限制，其測量精度很難獲得進一步的提高。

2、保密性較差

美國斯坦福大學設立有一個專業實驗室，主要截獲並分析全球所有的衛星信號，華裔學者高杏欣在2008年的博士論文《Towards navigation based on 120 satellites:analyzing the new signals》,較為詳細地闡述了衛星信號的跟蹤與破譯方法，雖然不能確信是否能夠破譯所有的偽隨機碼，但至少是可以部分破譯的。

3、抗干擾能力差

與其他感測器系統相比，GPS信號強度較弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基於GPS的導航系統存在穩定性漏洞。

由於存在著這些缺陷，美國一直投入巨資完善並發展導航定位系統。量子定位系統（即QPS，Quantum Positioning System）作為一種定位精度高、保密性能強的導航定位技術，就是其發展重點之一。量子定位的概念最先是由美國麻省理工學院研究人員於2001年提出，其與傳統定位系統的本質區別在於所採用信號的不同。傳統定位如GPS系統採用的是基於重複發送電磁波脈衝測量信號達到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統採用的是具有量子特性的光子脈衝。QPS可以突破經典無線電導航體制的定位精度上限，因此可以達到很高的定位精度，同時還內置加密能力，在信息安全等方面具有絕對優勢，這無疑將會引發一場衛星導航領域的技術革命。

儘管如此，並不意味著QPS能很快取代衛星導航系統，因為目前研究成果顯示，QPS的實現都是建立在定位系統自身參考點的位置是精確已知的前提下，由此帶來了QPS在工程實現上的難度。從當前衛星導航的系統構成上看，若要構建一個完整的QPS，實現代價將是非常大的。

QPS與衛星導航系統的相互組合則是一個有價值的研究方向，同時具有良好的軍事應用前景。

英「量子羅盤」或將取代GPS全球定位系統

除了我國北斗，長期處於導航領域霸主地位的美國GPS全球定位系統又將迎來一位強有力爭奪者，而且這次的挑戰者絕對與眾不同，甚至被賦予「顛覆性」，因為它摒棄了傳統的衛星技術。外媒報道，英國稱會在未來3-5年內開始研發新的導航技術，不依靠軌道衛星，而是一種名叫「量子導航」的小型系統。

英國國防部表示，目前GPS的信號無法覆蓋到長期處於深潛狀態的核潛艇，這也是他們投入數百萬英鎊資金研發新型導航技術的初衷。英國國防部希望有這樣一種定位系統不僅可以應用於戰鬥機，還能覆蓋至核潛艇，在軍事領域發揮更大作用。

英國國防科技實驗室斯坦斯菲爾德，其設計靈感來自超冷原子（UltraCold Atom）技術，其敏感性甚至可感知地球磁場和重力場的變化，從而換算出精確的位置信息。「傳統的軌道技術已經非常脆弱，可以想像，如果在戰爭中將衛星擊落或者進行干擾，後果將不堪設想，我們開發的量子導航技術就可以解決這個問題。同時，小型化後的量子導航裝置方便攜帶，讓它能夠軍民兩用。」

有評論指出，量子導航技術可以取代GPS全球定位系統，發射一套由24-30顆衛星組成的全球定位系統需要花費百億美元以上，俄羅斯、歐洲、中國和美國都投入了大量資金打造自己的導航系統，量子導航即將顛覆整個行業。

（資料來源：《未來空天導航新技術-量子定位系統》，作者：楊春燕、吳德偉、余永林；《簡析量子定位技術及應用前景》，整理：衛星與網路）

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