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美国量子导航突破!导弹不再依赖GPS?称中国在第三层次

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美国正在开发一种新型量子惯性导航技术,导弹可不再依赖GPS?或已建立不对称优势。

GPS欺骗

俄乌战争,双方都高度依赖GPS等卫星定位系统,不仅坦克、装甲车、飞机、导弹,甚至炮弹也要GPS,美国援助乌克兰的海马斯可以发射GPS制导炮弹,前期给俄罗斯造成了巨大损失,此后俄罗斯加强了GPS干扰,才让海马斯渐渐失去了威力。

目前俄乌双方都在大肆干扰GPS卫星信号,不仅两国民众苦不堪言,周边国家也受到了影响,今年这类消息更是层出不穷,比如波兰一半领土上的GPS信号,就被俄罗斯压制时断时续,欧洲数千架飞机遭到GPS干扰,俄罗斯GPS干扰给黑海地区带来新的危险,波罗的海GPS干扰激增等等。



GPS包括其他各国的卫星定位系统,可以说已成为人类最重要的基础设施,对我们的工作生活有着举足轻重的作用,但GPS也是出了名的脆弱,信号很容易就被干扰,因为卫星在20000多公里的轨道上,信号传到地球表面已极为微弱,甚至室内都无法接收,更别说用电子战手法干扰了,一个功率不大的干扰器,都可能导致大片地区的GPS信号受到影响。

尤其是现在的导弹,如果完全依靠GPS导航,很容易被干扰失去准确打击的能力,那要怎么办呢?美国海军研究实验室 (NRL)最近就开发出了一种新型的量子导航工具,叫做连续3D冷却原子束干涉仪(Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer),可以显著提高惯性导航的精度,或许已建立了针对其他国家的不对称优势。



惯性导航

所谓惯性导航,就是利用加速计、陀螺仪测量物体的加速度和角速度,通过电脑来估算运动物体的位置、姿态、速度,从而进行定位导航。事实上惯性导航并不是什么新东西,早在二战时期,德国的冯·布劳恩就将加速计、陀螺仪与模拟计算机结合起来,制成了V2导弹导航系统,向盟军发射了3000多枚,导致近万名平民和军人死亡。

战后冯·布劳恩及500名火箭专家被美国俘获,开始为美国研发火箭,1950年代麻省理工也开发出了独立的惯性导航系统,此后的阿波罗登月、波音公司早期的747、美国空军的运输机等也使用了惯性导航技术。



惯性导航的原理很简单,就是通过运动轨迹实时推算自己的方位。系统主要由测量单元IMU和计算单元构成,IMU主要包括加速计、陀螺仪,有的还有电子罗盘和气压计等传感器,可以获得更精确的测量信息。计算单元则主要由姿态解算单元、积分单元和误差补偿单元组成。

其中加速计负责测量物体在各个方向上的加速度,通过积分来求得速度和位置。陀螺仪则通过测量物体围绕轴旋转的角速度,来确定物体的方向变化。这些信息汇集到计算单元后,通过积分计算及误差补偿,最终得到准确的导航信息。

这个可能有点难以理解,你可以想象你被蒙上眼睛带上汽车,汽车加速你向后倒,汽车刹车你身体前倾,汽车上坡你下压座位,汽车下坡你短暂失重,汽车转弯你左倾右倾。这是因为我们的耳蜗里就有加速计和陀螺仪,叫做耳石和半规管,它们测得的信息汇入大脑后,通过计算就可以帮助我们确定身体运动的速度和方向了。



惯性导航的优点很明显,那就是它不依赖外部信号,可以独立操作,你只需要在运动开始的时候,给它提供初始位置和速度,它就能通过加速计、陀螺仪不断地测量加速度、角速度,实时计算出当前的位置和速度。想象一下,导弹用它导航将不会受到任何干扰,可以勇往直前直捣黄龙,令敌人无法防范。

但惯性导航的优点远不止于此,水下、地下、太空无法接收GPS信号,利用惯性导航可以不受客观条件的限制,全天候、全天时、全地理地工作。更关键的是,惯性导航和外界信号没有关系,不会受到干扰和欺骗,还能提供GPS没有的姿态和航向信息。另外把它和卫星导航结合起来,就可以提供更精确的导航服务,并且不怕卫星信号被短时遮挡,在立交桥下或者隧道内实现连续的定位。比如中国的北斗/INS组合系统,就可以显著提高导航精度和可靠性,特别适合在卫星信号受限的区域提供高精度的导航。



但惯性导航也有致命的缺点,那就是它精度不高,并且随着时间的增加,误差累积会越来越大。数十年来科学家们通过不断改进加速计、陀螺仪和算法,开发出了各种惯性导航系统。尤其是惯性导航精度严重依赖于陀螺仪,目前已有激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪、原子陀螺仪等问世,惯性导航的精度也越来越高,目前商用惯性导航系统在360小时,也就是15天内的导航误差累积约为1海里左右。

但总归来说,惯性导航精度越高,系统越复杂,成本越高,动辄数十数百万元,严重限制了它的应用范围,目前还是主要应用于军事航天领域,并且由于需要初始校准和累计误差,主要是作为辅助定位系统,和其他定位技术组合使用,比如F-22、F-35等隐形战斗机就安装有惯性导航系统,可以悄无声息地遂行作战任务。

连续3D冷却原子束干涉仪

美国海军这次推出的连续3D冷却原子束干涉仪,是一种基于量子技术的高级惯性测量设备,使用了冷原子技术和原子干涉仪原理。所谓冷原子技术,就是通过激光冷却和磁光阱技术,把原子冷却到接近绝对零度,使其热运动极其微弱,从而可以非常精确地控制和测量它们的运动状态。在极低的温度下,原子的德布罗意波长增加,量子效应也更加显著,从而可以提高测量的精度和灵敏度。



而原子束干涉仪,则是利用量子力学的波函数干涉效应来测量原子的运动状态。在干涉仪中,一束冷却的原子会被分成两个分支,这两个分支沿着不同的路径移动,经历不同的相位变化,当它们重合时,相位差就会形成干涉图样。通过测量这种干涉图样,可以非常精确地推断出原子在两条路径上所受到的影响,如加速度和旋转。

传统的原子干涉仪通常使用脉冲原子束,即原子在特定时刻以脉冲的形式释放。而连续三维冷却原子束干涉仪则维持一个持续的原子流,有助于实现更连续和稳定的测量,特别是在需要长时间监测的应用中。冷原子束干涉仪的高灵敏度和精确度,让它能够检测极其微小的加速度和角速度变化,显著提高测量精度和系统的抗干扰能力。



根据美国海军研究所的说法,连续3D冷却原子束干涉仪能够实现高测量对比度、低噪声并改进对传感器环境变化的处理,有可能帮助海军在无法使用GPS的环境中作战,并克服GPS精度的限制。这是什么意思呢?是不是意味着这种导航的精度极高,可以实现不依赖GPS的精确导航了呢?由于没有更多的信息透露,我们暂时还不得而知,但如果真的是这样,那就可能已建立了某种不对称的优势。可以想象,这种技术的发展可能会对军事、航天和其他高精度测量领域,产生多么深远的影响。



而随着无人驾驶、人形机器人、无人机、无人船、无人潜航器等无人系统的发展,惯性导航由于自主连续、全方位、全时空、不受外界干扰等优点,必然会越来越多地进入民用领域,甚至可能会起主导作用,道理很简单,一个人形机器人,你不可能让它完全凭借GPS来定位,一朵云飘来都可能让它呆若木鸡,这还怎么工作啊?

所以让这些无人系统像我们人类一样,拥有自己的“耳蜗”系统,可以自主地,不受外界干扰地确定自己的速度、位置和姿态等信息,是技术发展的必然。虽然这些现在都还处于开发初期,可能暂时还涉及不到,但未来惯性导航将成为这些系统必不可少的要件。

中国还有一定差距

不过中国在惯性导航方面前期似乎并未引起重视,目前的发展离世界先进水平可能还有较大差距,我看到一份2020年的报告,美国防部根据惯性导航技术的发展水平,把全球国家分为4个层次:

第一层次包括美国、英国和法国,具备完全自主研发惯性技术的能力;

第二层次包括俄罗斯、德国、以色列和日本,具备大部分自主研发能力;

第三层次包括中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰,具备部分研发能力;

第四层次包括韩国、印度、巴西、朝鲜、瑞士、意大利等,具备较为有限的惯性技术研发能力。



具体来说,美国的霍尼韦尔、诺格和法国的赛峰是全球惯性技术领域最顶尖的公司,其他还有英国BAE系统公司,德国博世公司,俄罗斯物理光学,日本航空电子工业、三菱精密等。

同年的另一份调研报告表明,中国国防科大已实现激光陀螺仪技术突破,达到世界领先水平,光纤陀螺仪产能过深,但高精度产品还有差距,其他更先进、更高精度的MEMS陀螺仪、半球谐振陀螺仪则差距较大。

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