美軍量子傳感技術(shù)在定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）領(lǐng)域的應(yīng)用分析

在現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)體系里，定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)系統(tǒng)占據(jù)著核心地位，是各類(lèi)武器裝備得以精確打擊、部隊(duì)實(shí)現(xiàn)高效機(jī)動(dòng)以及作戰(zhàn)行動(dòng)達(dá)成協(xié)同配合的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng) PNT 體系對(duì)全球定位系統(tǒng)(GPS)存在嚴(yán)重依賴，然而 GPS 信號(hào)易遭受干擾、欺騙，并且受地理環(huán)境限制，在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，其可靠性與穩(wěn)定性大打折扣。在此種背景下，量子傳感技術(shù)憑借超高精度、強(qiáng)抗干擾性等突出優(yōu)勢(shì)，成為美軍提升 PNT 能力、重塑戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)。美軍通過(guò)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)等多機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，投入大量資源，積極推動(dòng)量子傳感技術(shù)在 PNT 領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，期望在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。

技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

原子陀螺儀

美國(guó)國(guó)防創(chuàng)新單位(DIU)與Vector Atomic公司合作，成功開(kāi)發(fā)出首臺(tái)通過(guò)太空鑒定的原子陀螺儀。該陀螺儀利用原子與精確激光的相互作用測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相較傳統(tǒng)依賴光子的陀螺儀，精度大幅提升，可有效降低載體在飛行、航行等過(guò)程中的位置誤差。在無(wú)人機(jī)、飛機(jī)、衛(wèi)星等平臺(tái)上，原子陀螺儀能精確感知平臺(tái)姿態(tài)變化，為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供高精度角速度數(shù)據(jù)，助力平臺(tái)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定飛行與精確導(dǎo)航。

原子陀螺儀的物理學(xué)部件

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

2024年5月波音公司與AOSense合作開(kāi)展量子慣性導(dǎo)航飛行試驗(yàn)，將六軸量子慣性測(cè)量單元(IMU)集成至全慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并安裝于比奇1900D飛機(jī)進(jìn)行四小時(shí)測(cè)試。該IMU運(yùn)用原子干涉法量子傳感技術(shù)，通過(guò)原子檢測(cè)旋轉(zhuǎn)和加速度。飛行全程中，系統(tǒng)依據(jù)檢測(cè)到的姿態(tài)變化與加速度信息，持續(xù)計(jì)算飛機(jī)位置與運(yùn)動(dòng)軌跡，即便遭遇復(fù)雜氣流、高度和速度變化，仍能精確跟蹤路徑，著陸階段定位精度確保飛機(jī)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)跑道平穩(wěn)降落，驗(yàn)證了量子慣性導(dǎo)航技術(shù)在航空定位中的高精度與可靠性。

波音-AOSense 飛行測(cè)試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行量子導(dǎo)航飛行測(cè)試

量子加速度計(jì)

美國(guó)持續(xù)加碼量子加速度計(jì)研發(fā)，其中混合量子加速度計(jì)性能尤為突出。研究表明，該加速度計(jì)可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定測(cè)量低至6×10??g的加速度(相當(dāng)于地球重力的0.0000006%)，測(cè)量穩(wěn)定性相較經(jīng)典加速度計(jì)提升50倍。這種超高精度的加速度測(cè)量計(jì)能顯著減少慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)漂移，使裝備無(wú)需外部通信即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、高精度自主導(dǎo)航，尤其適用于特種作戰(zhàn)、隱蔽偵察等場(chǎng)景。

量子磁力計(jì)輔助導(dǎo)航

美國(guó)SandboxAQ公司研發(fā)的AQNav磁導(dǎo)航系統(tǒng)于2024年2月22日在C-17“環(huán)球霸主”運(yùn)輸機(jī)上進(jìn)行磁導(dǎo)航飛行測(cè)試。該系統(tǒng)利用量子傳感器測(cè)量原子變化，精準(zhǔn)檢測(cè)環(huán)境細(xì)微波動(dòng)，識(shí)別獨(dú)特地理磁場(chǎng)并匹配地圖特定位置。AQNav可安裝于B-52轟炸機(jī)等大型噴氣式飛機(jī)及MQ-9戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)等小型飛機(jī)，設(shè)備體積可壓縮至2平方英尺的盒子或兩個(gè)機(jī)架插槽，適配性強(qiáng)。

C-17“環(huán)球霸主”運(yùn)輸機(jī)上的AQNav磁導(dǎo)航系統(tǒng)

原子鐘

美國(guó)亞利桑那州微芯片公司推出的低噪聲芯片級(jí)原子鐘 SA65-LN，采用 EMXO 技術(shù)，具備寬溫域工作能力(-40°C 至 + 80°C)，輪廓高度僅 ? 英寸，功耗低于 295 mW。該原子鐘初始精度達(dá) ±0.5 ppb，融合了晶體振蕩器與傳統(tǒng)原子鐘的優(yōu)點(diǎn)，適用于航空航天和國(guó)防關(guān)鍵任務(wù)。其配套 Clockstudio 軟件工具及開(kāi)發(fā)工具包，支持便捷集成與調(diào)試，目前已實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)，為高精度、低功耗計(jì)時(shí)需求提供了可靠解決方案。

美軍事應(yīng)用分析及未來(lái)布局

美軍在量子PNT領(lǐng)域積極布局且成果顯著，多項(xiàng)量子技術(shù)正深度融入軍事應(yīng)用。原子陀螺儀精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)，為無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星等平臺(tái)提供高精度角速度數(shù)據(jù)，保障復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定飛行與精確導(dǎo)航。量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機(jī)測(cè)試中表現(xiàn)出色，能夠依據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的姿態(tài)變化與加速度數(shù)據(jù)精確跟蹤飛行路徑，在復(fù)雜氣流環(huán)境下保障飛機(jī)平穩(wěn)降落，顯著提升了航空作戰(zhàn)的導(dǎo)航精度與任務(wù)可靠性。量子加速度計(jì)的超高精度測(cè)量減少了導(dǎo)航系統(tǒng)漂移，助力特種作戰(zhàn)與隱蔽偵察裝備長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航。量子磁力計(jì)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)適配性強(qiáng)，可用于多種機(jī)型，精準(zhǔn)識(shí)別地理磁場(chǎng)輔助定位。原子鐘具備高精度、低功耗等優(yōu)勢(shì)，為航空航天和國(guó)防關(guān)鍵任務(wù)提供可靠計(jì)時(shí)方案。這些量子技術(shù)將全方位增強(qiáng)美軍軍事行動(dòng)的精準(zhǔn)性與自主性。

圖注：帶有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的潛艇會(huì)檢測(cè)自身速度和方向的變化，計(jì)算出自身位置

美軍未來(lái)在量子技術(shù)領(lǐng)域?qū)募夹g(shù)研發(fā)、軍事應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)生態(tài)三方面展開(kāi)布局：持續(xù)推進(jìn)“魯棒量子傳感器”等計(jì)劃，攻克環(huán)境干擾難題，探索新型量子傳感器的研發(fā);推動(dòng)量子傳感技術(shù)在陸、海、空多軍種作戰(zhàn)裝備與系統(tǒng)中的深度應(yīng)用，強(qiáng)化在PNT領(lǐng)域的核心能力，提升單兵精準(zhǔn)定位、裝備火控導(dǎo)航精度及多軍種作戰(zhàn)協(xié)同授時(shí)效率。通過(guò)強(qiáng)化高校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)間的產(chǎn)學(xué)研合作，加速技術(shù)轉(zhuǎn)化，并構(gòu)建自主可控的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，保障軍事需求的穩(wěn)定供應(yīng)，以鞏固其在全球量子技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)格局中的優(yōu)勢(shì)地位。

總結(jié)

美軍對(duì)量子PNT領(lǐng)域的大規(guī)模投入，本質(zhì)是為在 “GPS 拒止” 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下構(gòu)建不可替代的 PNT 優(yōu)勢(shì)。量子傳感技術(shù)不僅強(qiáng)化了現(xiàn)有裝備在復(fù)雜環(huán)境下的作戰(zhàn)效能，更催生了 “無(wú)衛(wèi)星依賴作戰(zhàn)” 的新范式 —— 從單兵到戰(zhàn)略平臺(tái)，從導(dǎo)航到偵察監(jiān)視，量子傳感技術(shù)正推動(dòng)美軍作戰(zhàn)體系向適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的方向持續(xù)優(yōu)化升級(jí)。現(xiàn)階段，美軍在航空導(dǎo)航、太空平臺(tái)等關(guān)鍵領(lǐng)域已取得實(shí)質(zhì)化突破。例如，波音公司研發(fā)的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)順利完成無(wú) GPS 環(huán)境下的飛行測(cè)試，展現(xiàn)出卓越的自主導(dǎo)航能力;全球首臺(tái)太空級(jí)原子陀螺儀也成功通過(guò)鑒定，為太空任務(wù)提供了更為精準(zhǔn)的姿態(tài)與位置感知手段。后續(xù)，美軍將推動(dòng)量子傳感向陸、海、空、天全域作戰(zhàn)滲透，從定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)到情報(bào)監(jiān)視偵察(ISR)，全方位提升軍事行動(dòng)的精準(zhǔn)性與協(xié)同性，多維度增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知與決策支持能力。(北京藍(lán)德信息科技有限公司)

參考資料

https://www.diu.mil/latest/quantum-sensing-enters-the-dod-landscape-in-first-of-a-kind-high-performance

https://www.usni.org/magazines/proceedings/sponsored/quantum-sensing-new-approach-maintaining-pnt-gps-denied

https://thequantuminsider.com/2024/08/09/boeings-quantum-based-navigation-system-takes-flight-in-historic-test/

Templier S, Cheiney P, d’Armagnac de Castanet Q, et al. Tracking the vector acceleration with a hybrid quantum accelerometer triad[J]. Science Advances, 2022, 8(45): eadd3854.

https://www.microchip.com/en-us/about/news-releases/products/microchip-launches-next-generation-of-low-noise-chip-scale-atomic-clock