日常生活中，不管是駕駛車輛、外賣點(dian)單還是運(yun)動(dong)鍛煉，經常會用(yong)到(dao)(dao)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)技(ji)術。那么，沒有衛(wei)(wei)星(xing)(xing)導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)信(xin)(xin)(xin)號或信(xin)(xin)(xin)號很弱時，人們(men)該(gai)如(ru)何(he)導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)？科學家(jia)提出(chu)了一種新思路(lu)——將(jiang)量子傳感器應(ying)用(yong)于(yu)導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)，實現(xian)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)信(xin)(xin)(xin)號拒(ju)止(zhi)條件下的(de)定位、導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)、授時功能(neng)。衛(wei)(wei)星(xing)(xing)信(xin)(xin)(xin)號拒(ju)止(zhi)條件是指導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)衛(wei)(wei)星(xing)(xing)信(xin)(xin)(xin)號受到(dao)(dao)干擾、遮擋甚至惡(e)意攻(gong)擊等無法正確輸出(chu)導(dao)(dao)(dao)航(hang)(hang)參數(shu)信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)情形(xing)。
4月初，澳大利(li)亞(ya)Q-CTRL公司的(de)(de)(de)一項研(yan)究宣布，他們研(yan)制出首個在商業(ye)上可行(xing)的(de)(de)(de)量子慣性導(dao)(dao)航系統(tong)，其精度(du)可達傳(chuan)統(tong)慣性導(dao)(dao)航系統(tong)的(de)(de)(de)46倍。目前(qian)，量子導(dao)(dao)航領域已成為國際科研(yan)前(qian)沿熱點之一，中國、美國、俄(e)羅斯和歐盟等都提出了各自的(de)(de)(de)發展計劃和時間表。
量子(zi)(zi)導航(hang)系統使用(yong)的(de)量子(zi)(zi)傳(chuan)感器(qi)，是(shi)一種(zhong)利用(yong)量子(zi)(zi)力學原(yuan)理來探測微觀(guan)世界(jie)的(de)新型工具。它們(men)利用(yong)量子(zi)(zi)相干效應或量子(zi)(zi)糾(jiu)纏(chan)等特(te)(te)性(xing)，可實現對某些物理量的(de)精確(que)測量，比(bi)如電磁場(chang)、時間、重力加速度(du)、溫(wen)度(du)、壓力、角速度(du)等。憑借(jie)超高(gao)精度(du)、超高(gao)靈敏度(du)、超快響應速度(du)等特(te)(te)點，量子(zi)(zi)傳(chuan)感器(qi)有望帶來顛覆性(xing)改(gai)變，突破傳(chuan)統傳(chuan)感器(qi)瓶(ping)頸。
在衛星信號拒止條件下，目前量子傳感器主要提供(gong)3種不同的導(dao)航替代方案：
第一種是量(liang)子(zi)慣性(xing)導航(hang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，其結構與傳統(tong)(tong)慣性(xing)導航(hang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)基本(ben)類(lei)似，主要(yao)由(you)原(yuan)子(zi)陀(tuo)(tuo)螺儀、原(yuan)子(zi)加速(su)度計、原(yuan)子(zi)鐘(zhong)和信號采集(ji)處理單元等4個部分構成。通(tong)過(guo)對原(yuan)子(zi)的量(liang)子(zi)調控(kong)，原(yuan)子(zi)陀(tuo)(tuo)螺儀可實(shi)現(xian)超高靈敏度的慣性(xing)測(ce)量(liang)，包括(kuo)對運動物體(ti)加速(su)度、角(jiao)速(su)度的精(jing)準(zhun)測(ce)量(liang)，實(shi)時計算其位置(zhi)和姿態。比如，在傳統(tong)(tong)慣性(xing)導航(hang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)下，潛艇定位偏差(cha)每天可達數公里，而量(liang)子(zi)慣性(xing)導航(hang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的誤差(cha)有望實(shi)現(xian)每月小于1公里。這(zhe)一系(xi)(xi)統(tong)(tong)在未來深空探測(ce)中(zhong)也大有可為。
第二種和(he)第三(san)種方案分別是量子(zi)磁(ci)力(li)(li)導航和(he)量子(zi)重(zhong)(zhong)力(li)(li)導航。由于(yu)地(di)球各區(qu)域的(de)磁(ci)場和(he)重(zhong)(zhong)力(li)(li)加(jia)速(su)度都不一樣，理(li)論(lun)上我們可以繪制出地(di)球磁(ci)場地(di)圖(tu)和(he)重(zhong)(zhong)力(li)(li)加(jia)速(su)度地(di)圖(tu)，在衛星(xing)信號(hao)拒(ju)止(zhi)條件下，通過量子(zi)傳感(gan)器測量磁(ci)場或(huo)者重(zhong)(zhong)力(li)(li)加(jia)速(su)度的(de)變化，將收集(ji)的(de)數據與已知的(de)地(di)圖(tu)比(bi)對，就(jiu)能快速(su)確(que)定自身(shen)位置。目前，英國已經利用(yong)無人機搭載量子(zi)磁(ci)強計，并輔助其他技(ji)術(shu)手段，實(shi)現10厘米精度的(de)衛星(xing)信號(hao)拒(ju)止(zhi)環境(jing)定位。
這兩種方案還可(ke)應用于地(di)下(xia)勘探(tan)、海底(di)潛航(hang)。深地(di)、深海等環(huan)境是(shi)衛星(xing)導航(hang)常(chang)見的(de)盲(mang)區，量子(zi)導航(hang)可(ke)以用于探(tan)測地(di)下(xia)百米(mi)級(ji)的(de)地(di)質構(gou)造、地(di)下(xia)無人駕駛地(di)鐵的(de)厘米(mi)級(ji)定位等。
整體來看，量(liang)子導(dao)航(hang)系(xi)統(tong)優勢明顯。它具(ju)備比傳(chuan)統(tong)衛(wei)星導(dao)航(hang)更高的(de)精度，并且不依賴外(wai)部信號(hao)，在(zai)衛(wei)星信號(hao)受限或受干擾的(de)環境中仍(reng)能正常工作。同時，量(liang)子傳(chuan)感器的(de)信號(hao)不向外(wai)發(fa)射，不易被外(wai)部探測和截獲，也具(ju)有較好的(de)隱(yin)蔽(bi)性(xing)。
不(bu)過，當前(qian)發展(zhan)量(liang)子(zi)導(dao)航系(xi)統還(huan)面臨很多困難：一是(shi)系(xi)統設備較為(wei)復雜，成本高；二是(shi)量(liang)子(zi)傳感器對外界(jie)環境(jing)因素(su)極為(wei)敏感，需要研發先進的屏蔽(bi)技術(shu)和(he)抗干擾算(suan)法，以提高復雜環境(jing)下的適應性(xing)和(he)穩定性(xing)；三是(shi)產(chan)生的數據量(liang)龐大(da)，需要進行高效的數據處理，并消除累計偏差。如果能夠突破(po)這(zhe)些挑戰，未來(lai)融(rong)合傳統衛星導(dao)航和(he)量(liang)子(zi)導(dao)航的全(quan)球導(dao)航系(xi)統，不(bu)僅將為(wei)我們的日常生活(huo)帶(dai)來(lai)更多便利，還(huan)將助力(li)人(ren)類探索更廣(guang)闊的星辰大(da)海。
（作者(zhe)為(wei)188bet足球科技傳播系副研究員席正）
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