[科普中国]-【前沿技术】简析量子定位技术及应用前景

陀螺仪结构图

作者：杨春燕、吴德伟、余永林

全空域、全时域的无缝定位导航是未来定位导航产业的技术制高点。随着量子精密测量技术的快速发展，基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。

“十二五”863计划地球观测与导航技术领域主题项目“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪关键技术”由北京自动化控制设备研究所承担，项目研究开展一年半取得突破性进展。项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术，完成了小型化磁共振气室、高效磁屏蔽等元件的精密设计与制造，并研制成功我国首个基于磁共振的原子自旋陀螺仪原理样机。样机零偏稳定性优于2°/h，成为世界上第二个掌握该技术的国家，与美国技术差距从10年缩小到7年。

项目所取得的研究成果为进一步提高基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，为支撑我国量子导航领域的发展打下了坚实的技术基础。原子陀螺仪的技术突破使现有应用于高端装备的无缝定位导航系统的体积、质量、功耗、成本等下降约两个数量级，将应用于大众定位导航市场，可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。（来源：中国政府网）

世界量子导航技术概况

美国量子定位系统将引发卫星导航领域的技术革命

卫星导航定位技术以天基人造卫星为基本平台，能够为全球海、陆、空、天各类军民用载体提供全天候、二十四小时连续不间断的高精度三维位置、速度和时间信息。目前技术比较成熟的四大全球卫星导航定位系统是：美国的GPS，俄罗斯的格洛纳斯、我国的北斗及欧洲的伽利略。卫星导航系统广泛应用于交通导航、卫星授时应用、应急指挥、民用水情测报服务等，发挥了非常重要的作用。 虽然卫星导航定位系统在导航定位领域获得了前所未有的成功，但仍然存在以下几个方面的问题（以GPS为例）：

1、定位精度仍然不够高系统体制仍存在着物理极限。因为GPS定位的原理是通过重复地向空间发射电磁波信号，检测电磁波到达待测点的时间延迟来实现的，这种以经典物理学为基础的方法受到所能实现的可利用功率及宽带的限制，其测量精度很难获得进一步的提高。

2、保密性较差美国斯坦福大学设立有一个专业实验室，主要截获并分析全球所有的卫星信号，华裔学者高杏欣在2008年的博士论文《Towards navigation based on 120 satellites:analyzing the new signals》,较为详细地阐述了卫星信号的跟踪与破译方法，虽然不能确信是否能够破译所有的伪随机码，但至少是可以部分破译的。

3、抗干扰能力差与其他传感器系统相比，GPS信号强度较弱，因此更加容易受到电磁干扰，使基于GPS的导航系统存在稳定性漏洞。

由于存在着这些缺陷，美国一直投入巨资完善并发展导航定位系统。量子定位系统（即QPS，Quantum Positioning System）作为一种定位精度高、保密性能强的导航定位技术，就是其发展重点之一。量子定位的概念最先是由美国麻省理工学院研究人员于2001年提出，其与传统定位系统的本质区别在于所采用信号的不同。传统定位如GPS系统采用的是基于重复发送电磁波脉冲测量信号达到时间，通过计算得到距离信息，而量子定位系统采用的是具有量子特性的光子脉冲。QPS可以突破经典无线电导航体制的定位精度上限，因此可以达到很高的定位精度，同时还内置加密能力，在信息安全等方面具有绝对优势，这无疑将会引发一场卫星导航领域的技术革命。

尽管如此，并不意味着QPS能很快取代卫星导航系统，因为目前研究成果显示，QPS的实现都是建立在定位系统自身参考点的位置是精确已知的前提下，由此带来了QPS在工程实现上的难度。从当前卫星导航的系统构成上看，若要构建一个完整的QPS，实现代价将是非常大的。

QPS与卫星导航系统的相互组合则是一个有价值的研究方向，同时具有良好的军事应用前景。

英“量子罗盘”或将取代GPS全球定位系统

除了我国北斗，长期处于导航领域霸主地位的美国GPS全球定位系统又将迎来一位强有力争夺者，而且这次的挑战者绝对与众不同，甚至被赋予“颠覆性”，因为它摒弃了传统的卫星技术。外媒报道，英国称会在未来3-5年内开始研发新的导航技术，不依靠轨道卫星，而是一种名叫“量子导航”的小型系统。 英国国防部表示，目前GPS的信号无法覆盖到长期处于深潜状态的核潜艇，这也是他们投入数百万英镑资金研发新型导航技术的初衷。英国国防部希望有这样一种定位系统不仅可以应用于战斗机，还能覆盖至核潜艇，在军事领域发挥更大作用。

英国国防科技实验室斯坦斯菲尔德，其设计灵感来自超冷原子（UltraCold Atom）技术，其敏感性甚至可感知地球磁场和重力场的变化，从而换算出精确的位置信息。“传统的轨道技术已经非常脆弱，可以想象，如果在战争中将卫星击落或者进行干扰，后果将不堪设想，我们开发的量子导航技术就可以解决这个问题。同时，小型化后的量子导航装置方便携带，让它能够军民两用。”

有评论指出，量子导航技术可以取代GPS全球定位系统，发射一套由24-30颗卫星组成的全球定位系统需要花费百亿美元以上，俄罗斯、欧洲、中国和美国都投入了大量资金打造自己的导航系统，量子导航即将颠覆整个行业。

（资料来源：《未来空天导航新技术-量子定位系统》《简析量子定位技术及应用前景》，整理：卫星与网络）

(来源：北京航天情报与信息研究所，原文载航天防务微信公号，已获授权转载）