日常生活中，不管是駕駛車輛、外賣點(diǎn)單還是運(yùn)動鍛煉，經(jīng)常會用到衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。那么，沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號或信號很弱時，人們該如何導(dǎo)航？科學(xué)家提出了一種新思路——將量子傳感器應(yīng)用于導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號拒止條件下的定位、導(dǎo)航、授時功能。衛(wèi)星信號拒止條件是指導(dǎo)航衛(wèi)星信號受到干擾、遮擋甚至惡意攻擊等無法正確輸出導(dǎo)航參數(shù)信息的情形。

4月初，澳大利亞Q-CTRL公司的一項(xiàng)研究宣布，他們研制出首個在商業(yè)上可行的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度可達(dá)傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的46倍。目前，量子導(dǎo)航領(lǐng)域已成為國際科研前沿?zé)狳c(diǎn)之一，中國、美國、俄羅斯和歐盟等都提出了各自的發(fā)展計(jì)劃和時間表。

量子導(dǎo)航系統(tǒng)使用的量子傳感器，是一種利用量子力學(xué)原理來探測微觀世界的新型工具。它們利用量子相干效應(yīng)或量子糾纏等特性，可實(shí)現(xiàn)對某些物理量的精確測量，比如電磁場、時間、重力加速度、溫度、壓力、角速度等。憑借超高精度、超高靈敏度、超快響應(yīng)速度等特點(diǎn)，量子傳感器有望帶來顛覆性改變，突破傳統(tǒng)傳感器瓶頸。

在衛(wèi)星信號拒止條件下，目前量子傳感器主要提供3種不同的導(dǎo)航替代方案：

第一種是量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本類似，主要由原子陀螺儀、原子加速度計(jì)、原子鐘和信號采集處理單元等4個部分構(gòu)成。通過對原子的量子調(diào)控，原子陀螺儀可實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的慣性測量，包括對運(yùn)動物體加速度、角速度的精準(zhǔn)測量，實(shí)時計(jì)算其位置和姿態(tài)。比如，在傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)下，潛艇定位偏差每天可達(dá)數(shù)公里，而量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差有望實(shí)現(xiàn)每月小于1公里。這一系統(tǒng)在未來深空探測中也大有可為。

第二種和第三種方案分別是量子磁力導(dǎo)航和量子重力導(dǎo)航。由于地球各區(qū)域的磁場和重力加速度都不一樣，理論上我們可以繪制出地球磁場地圖和重力加速度地圖，在衛(wèi)星信號拒止條件下，通過量子傳感器測量磁場或者重力加速度的變化，將收集的數(shù)據(jù)與已知的地圖比對，就能快速確定自身位置。目前，英國已經(jīng)利用無人機(jī)搭載量子磁強(qiáng)計(jì)，并輔助其他技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)10厘米精度的衛(wèi)星信號拒止環(huán)境定位。

這兩種方案還可應(yīng)用于地下勘探、海底潛航。深地、深海等環(huán)境是衛(wèi)星導(dǎo)航常見的盲區(qū)，量子導(dǎo)航可以用于探測地下百米級的地質(zhì)構(gòu)造、地下無人駕駛地鐵的厘米級定位等。

整體來看，量子導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。它具備比傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航更高的精度，并且不依賴外部信號，在衛(wèi)星信號受限或受干擾的環(huán)境中仍能正常工作。同時，量子傳感器的信號不向外發(fā)射，不易被外部探測和截獲，也具有較好的隱蔽性。

不過，當(dāng)前發(fā)展量子導(dǎo)航系統(tǒng)還面臨很多困難：一是系統(tǒng)設(shè)備較為復(fù)雜，成本高；二是量子傳感器對外界環(huán)境因素極為敏感，需要研發(fā)先進(jìn)的屏蔽技術(shù)和抗干擾算法，以提高復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性；三是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，需要進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理，并消除累計(jì)偏差。如果能夠突破這些挑戰(zhàn)，未來融合傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航和量子導(dǎo)航的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，不僅將為我們的日常生活帶來更多便利，還將助力人類探索更廣闊的星辰大海。

（作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副研究員）