美军量子传感技术在定位导航授时（PNT）领域的应用分析

在现代军事作战体系里，定位导航授时(PNT)系统占据着核心地位，是各类武器装备得以精确打击、部队实现高效机动以及作战行动达成协同配合的关键支撑。传统 PNT 体系对全球定位系统(GPS)存在严重依赖，然而 GPS 信号易遭受干扰、欺骗，并且受地理环境限制，在复杂战场环境下，其可靠性与稳定性大打折扣。在此种背景下，量子传感技术凭借超高精度、强抗干扰性等突出优势，成为美军提升 PNT 能力、重塑战场优势的关键技术。美军通过国防高级研究计划局(DARPA)等多机构主导，投入大量资源，积极推动量子传感技术在 PNT 领域的研究与应用，期望在未来战争中抢占先机。

技术发展现状

原子陀螺仪

美国国防创新单位(DIU)与Vector Atomic公司合作，成功开发出首台通过太空鉴定的原子陀螺仪。该陀螺仪利用原子与精确激光的相互作用测量旋转运动，相较传统依赖光子的陀螺仪，精度大幅提升，可有效降低载体在飞行、航行等过程中的位置误差。在无人机、飞机、卫星等平台上，原子陀螺仪能精确感知平台姿态变化，为惯性导航系统提供高精度角速度数据，助力平台在复杂环境下稳定飞行与精确导航。

惯性导航系统

2024年5月波音公司与AOSense合作开展量子惯性导航飞行试验，将六轴量子惯性测量单元(IMU)集成至全惯性导航系统，并安装于比奇1900D飞机进行四小时测试。该IMU运用原子干涉法量子传感技术，通过原子检测旋转和加速度。飞行全程中，系统依据检测到的姿态变化与加速度信息，持续计算飞机位置与运动轨迹，即便遭遇复杂气流、高度和速度变化，仍能精确跟踪路径，着陆阶段定位精度确保飞机准确对准跑道平稳降落，验证了量子惯性导航技术在航空定位中的高精度与可靠性。

量子加速度计

美国持续加码量子加速度计研发，其中混合量子加速度计性能尤为突出。研究表明，该加速度计可在长时间内稳定测量低至6×10⁻⁸g的加速度(相当于地球重力的0.0000006%)，测量稳定性相较经典加速度计提升50倍。这种超高精度的加速度测量计能显著减少惯性导航系统(INS)漂移，使装备无需外部通信即可实现长时间、高精度自主导航，尤其适用于特种作战、隐蔽侦察等场景。

量子磁力计辅助导航

美国SandboxAQ公司研发的AQNav磁导航系统于2024年2月22日在C-17“环球霸主”运输机上进行磁导航飞行测试。该系统利用量子传感器测量原子变化，精准检测环境细微波动，识别独特地理磁场并匹配地图特定位置。AQNav可安装于B-52轰炸机等大型喷气式飞机及MQ-9战斗无人机等小型飞机，设备体积可压缩至2平方英尺的盒子或两个机架插槽，适配性强。

原子钟

美国亚利桑那州微芯片公司推出的低噪声芯片级原子钟 SA65-LN，采用 EMXO 技术，具备宽温域工作能力(-40°C 至 + 80°C)，轮廓高度仅 ½ 英寸，功耗低于 295 mW。该原子钟初始精度达 ±0.5 ppb，融合了晶体振荡器与传统原子钟的优点，适用于航空航天和国防关键任务。其配套 Clockstudio 软件工具及开发工具包，支持便捷集成与调试，目前已实现批量供应，为高精度、低功耗计时需求提供了可靠解决方案。

美军事应用分析及未来布局

美军在量子PNT领域积极布局且成果显著，多项量子技术正深度融入军事应用。原子陀螺仪精度远超传统，为无人机、卫星等平台提供高精度角速度数据，保障复杂环境下稳定飞行与精确导航。量子惯性导航系统在飞机测试中表现出色，能够依据实时检测的姿态变化与加速度数据精确跟踪飞行路径，在复杂气流环境下保障飞机平稳降落，显著提升了航空作战的导航精度与任务可靠性。量子加速度计的超高精度测量减少了导航系统漂移，助力特种作战与隐蔽侦察装备长时间自主导航。量子磁力计辅助导航系统适配性强，可用于多种机型，精准识别地理磁场辅助定位。原子钟具备高精度、低功耗等优势，为航空航天和国防关键任务提供可靠计时方案。这些量子技术将全方位增强美军军事行动的精准性与自主性。

图注：带有惯性导航系统的潜艇会检测自身速度和方向的变化，计算出自身位置

美军未来在量子技术领域将从技术研发、军事应用、产业生态三方面展开布局：持续推进“鲁棒量子传感器”等计划，攻克环境干扰难题，探索新型量子传感器的研发;推动量子传感技术在陆、海、空多军种作战装备与系统中的深度应用，强化在PNT领域的核心能力，提升单兵精准定位、装备火控导航精度及多军种作战协同授时效率。通过强化高校、科研机构与企业间的产学研合作，加速技术转化，并构建自主可控的产业供应链，保障军事需求的稳定供应，以巩固其在全球量子技术竞争格局中的优势地位。

总结

美军对量子PNT领域的大规模投入，本质是为在 “GPS 拒止” 战场环境下构建不可替代的 PNT 优势。量子传感技术不仅强化了现有装备在复杂环境下的作战效能，更催生了 “无卫星依赖作战” 的新范式 —— 从单兵到战略平台，从导航到侦察监视，量子传感技术正推动美军作战体系向适应复杂战场环境的方向持续优化升级。现阶段，美军在航空导航、太空平台等关键领域已取得实质化突破。例如，波音公司研发的量子惯性导航系统顺利完成无 GPS 环境下的飞行测试，展现出卓越的自主导航能力;全球首台太空级原子陀螺仪也成功通过鉴定，为太空任务提供了更为精准的姿态与位置感知手段。后续，美军将推动量子传感向陆、海、空、天全域作战渗透，从定位导航授时(PNT)到情报监视侦察(ISR)，全方位提升军事行动的精准性与协同性，多维度增强战场态势感知与决策支持能力。(北京蓝德信息科技有限公司)

参考资料

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