美軍量子傳感技術(shù)在定位導(dǎo)航授時（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(PNT)系統(tǒng)占據(jù)著核心地位，是各類武器裝備得以精確打擊、部隊(duì)實(shí)現(xiàn)高效機(jī)動以及作戰(zhàn)行動達(dá)成協(xié)同配合的關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng) PNT 體系對全球定位系統(tǒng)(GPS)存在嚴(yán)重依賴，然而 GPS 信號易遭受干擾、欺騙，并且受地理環(huán)境限制，在復(fù)雜戰(zhàn)場環(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，成為美軍提升 PNT 能力、重塑戰(zhàn)場優(yōu)勢的關(guān)鍵技術(shù)。美軍通過國防高級研究計劃局(DARPA)等多機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，投入大量資源，積極推動量子傳感技術(shù)在 PNT 領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，期望在未來戰(zhàn)爭中搶占先機(jī)。

技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

原子陀螺儀

美國國防創(chuàng)新單位(DIU)與Vector Atomic公司合作，成功開發(fā)出首臺通過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量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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、航行等過程中的位置誤差。在無人機(jī)、飛機(jī)、衛(wèi)星等平臺上，原子陀螺儀能精確感知平臺姿態(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合作開展量子慣性導(dǎo)航飛行試驗(yàn)，將六軸量子慣性測量單元(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)行四小時測試。該IMU運(yùn)用原子干涉法量子傳感技術(shù)，通過原子檢測旋轉(zhuǎn)和加速度。飛行全程中，系統(tǒng)依據(jù)檢測到的姿態(tài)變化與加速度信息，持續(xù)計算飛機(jī)位置與運(yùn)動軌跡，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 飛行測試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行量子導(dǎo)航飛行測試

量子加速度計

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

量子磁力計輔助導(dǎo)航

美國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)航飛行測試。該系統(tǒng)利用量子傳感器測量原子變化，精準(zhǔn)檢測環(huán)境細(xì)微波動，識別獨(dú)特地理磁場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

美國亞利桑那州微芯片公司推出的低噪聲芯片級原子鐘 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防關(guān)鍵任務(wù)。其配套 Clockstudio 軟件工具及開發(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、低功耗計時需求提供了可靠解決方案。

美軍事應(yīng)用分析及未來布局

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)，為無人機(jī)、衛(wèi)星等平臺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)測試中表現(xiàn)出色，能夠依據(jù)實(shí)時檢測的姿態(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。量子加速度計的超高精度測量減少了導(dǎo)航系統(tǒng)漂移，助力特種作戰(zhàn)與隱蔽偵察裝備長時間自主導(dǎo)航。量子磁力計輔助導(dǎo)航系統(tǒng)適配性強(qiáng)，可用于多種機(jī)型，精準(zhǔn)識別地理磁場輔助定位。原子鐘具備高精度、低功耗等優(yōu)勢，為航空航天和國防關(guān)鍵任務(wù)提供可靠計時方案。這些量子技術(shù)將全方位增強(qiáng)美軍軍事行動的精準(zhǔn)性與自主性。

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

美軍未來在量子技術(shù)領(lǐng)域?qū)募夹g(shù)研發(fā)、軍事應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)生態(tài)三方面展開布局：持續(xù)推進(jìn)“魯棒量子傳感器”等計劃，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)同授時效率。通過強(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)競爭格局中的優(yōu)勢地位。

總結(jié)

美軍對量子PNT領(lǐng)域的大規(guī)模投入，本質(zhì)是為在 “GPS 拒止” 戰(zhàn)場環(huán)境下構(gòu)建不可替代的 PNT 優(yōu)勢。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 “無衛(wèi)星依賴作戰(zhàn)” 的新范式 —— 從單兵到戰(zhàn)略平臺，從導(dǎo)航到偵察監(jiān)視，量子傳感技術(shù)正推動美軍作戰(zhàn)體系向適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的方向持續(xù)優(yōu)化升級。現(xiàn)階段，美軍在航空導(dǎo)航、太空平臺等關(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 GPS 環(huán)境下的飛行測試，展現(xiàn)出卓越的自主導(dǎo)航能力;全球首臺太空級原子陀螺儀也成功通過鑒定，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)，美軍將推動量子傳感向陸、海、空、天全域作戰(zhàn)滲透，從定位導(dǎo)航授時(PNT)到情報監(jiān)視偵察(ISR)，全方位提升軍事行動的精準(zhǔn)性與協(xié)同性，多維度增強(qiáng)戰(zhàn)場態(tài)勢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