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(yè)的技術制高點。隨著量子精密測量技術的快速發(fā)展，基于量子精密測量的陀螺及慣性導航系統(tǒng)具有高精度、小體積、低成本等優(yōu)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“基于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制造，并研制成功我國首個基于磁共振的原子自旋陀螺儀原理樣機。樣機零偏穩(wěn)定性優(yōu)于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于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(fā)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于高端裝備的無縫定位導航系統(tǒng)的體積、質量、功耗、成本等下降約兩個數量級，將應用于大眾定位導航市場，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(wèi)星的全空域、全時域無縫定位導航新能力。

（來源：中國政府網）

美國量子定位系統(tǒng)將引發(fā)衛(wèi)星導航領域的技術革命

雖然衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)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(tǒng)體制仍存在著物理極限。因為GPS定位的原理是通過重復地向空間發(fā)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帶的限制，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(yè)實驗室，主要截獲并分析全球所有的衛(wèi)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(wèi)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

與其他傳感器系統(tǒng)相比，GPS信號強度較弱，因此更加容易受到電磁干擾，使基于GPS的導航系統(tǒng)存在穩(wěn)定性漏洞。

由于存在著這些缺陷，美國一直投入巨資完善并發(fā)展導航定位系統(tǒng)。量子定位系統(tǒng)（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(fā)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于2001年提出，其與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的本質區(qū)別在于所采用信號的不同。傳統(tǒng)定位如GPS系統(tǒng)采用的是基于重復發(fā)送電磁波脈沖測量信號達到時間，通過計算得到距離信息，而量子定位系統(tǒng)采用的是具有量子特性的光子脈沖。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(yōu)勢，這無疑將會引發(fā)一場衛(wèi)星導航領域的技術革命。

盡管如此，并不意味著QPS能很快取代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，因為目前研究成果顯示，QPS的實現都是建立在定位系統(tǒng)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(wèi)星導航的系統(tǒng)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(wèi)星導航系統(tǒng)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(tǒng)

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

英國國防部表示，目前GPS的信號無法覆蓋到長期處于深潛狀態(tài)的核潛艇，這也是他們投入數百萬英鎊資金研發(fā)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(tǒng)不僅可以應用于戰(zhàn)斗機，還能覆蓋至核潛艇，在軍事領域發(fā)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(tǒng)的軌道技術已經非常脆弱，可以想象，如果在戰(zhàn)爭中將衛(wèi)星擊落或者進行干擾，后果將不堪設想，我們開發(fā)的量子導航技術就可以解決這個問題。同時，小型化后的量子導航裝置方便攜帶，讓它能夠軍民兩用。”

評論指出，量子導航技術可以取代GPS全球定位系統(tǒng)，發(fā)射一套由24-30顆衛(wèi)星組成的全球定位系統(tǒng)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(tǒng)，量子導航即將顛覆整個行業(yè)。

（資料來源：《未來空天導航新技術-量子定位系統(tǒng)》，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(wèi)星與網絡）