面對(duì)精確導(dǎo)航和授時(shí)所需的GPS信號(hào)面臨的日益嚴(yán)重的威脅，美國國防部正在關(guān)注局部量子傳感器，將其作為天基全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)的替代方案。

美國國防創(chuàng)新部門（DIU）的Nicholas Estep中校指出，在軍事沖突中，“你需要預(yù)先假設(shè)一個(gè)GPS信號(hào)退化、甚至遭到拒絕的環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，你不能依賴GPS等外部PNT信號(hào)。”

俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)和中東的戰(zhàn)爭(zhēng)暴露了信號(hào)干擾與欺騙如何給軍隊(duì)帶來毀滅性的打擊，因此尋找GPS的替代方案已是當(dāng)務(wù)之急。

正因如此，五角大樓在硅谷的采購前哨DIU正在尋找商業(yè)合作伙伴，幫助國防部開發(fā)分布式、本地化的GPS替代方案，這些替代方案不再依賴于來自地球表面數(shù)千英里外容易受到干擾的信號(hào)。

這一次，美國國防部將目光投向了量子傳感器。

“盡快將這些方案交到軍隊(duì)手中”

“我們必須找到能夠繼續(xù)支持PNT（Positioning，Navigation&Timing，定位、導(dǎo)航和授時(shí)）的解決方案，讓聯(lián)合部隊(duì)能夠執(zhí)行使命。”Nicholas Estep中校強(qiáng)調(diào)道。

Nicholas Estep中校是美國空軍現(xiàn)役軍官，也是DIU新興技術(shù)產(chǎn)品組合的主任。Nicholas負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)新興技術(shù)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)目前專注于為國防部開發(fā)與提供創(chuàng)新的量子應(yīng)用、高超音速和先進(jìn)材料解決方案。

圖：Nicholas Estep

來源：DIU

今年5月，DIU發(fā)布“量子傳感器轉(zhuǎn)化”（TQS）項(xiàng)目招標(biāo)書，向工業(yè)界尋求能夠替代GPS的量子傳感器。該項(xiàng)目探索三個(gè)主要領(lǐng)域：量子慣導(dǎo)、量子磁力計(jì)和量子傳感的螺旋增強(qiáng)。DIU官網(wǎng)資料顯示，TQS項(xiàng)目側(cè)重于展示量子傳感器的軍事用途，以解決聯(lián)合部隊(duì)的戰(zhàn)略能力，如PNT和異常檢測(cè)。

數(shù)十份提案涌入。Estep表示：“我們確實(shí)收到了非常多的熱情反饋，其中既有傳統(tǒng)的初創(chuàng)公司，也有非傳統(tǒng)公司。”

Estep說，此次征集旨在鼓勵(lì)各種方法和解決方案。“不可能出現(xiàn)一個(gè)適用于所有情況、滿足所有部隊(duì)需求的量子傳感器。空軍會(huì)使用，海軍也想使用，陸軍更是如此……不存在one fit all的靈丹妙藥 ，對(duì)于量子和經(jīng)典傳感器都是如此。”

因此，DIU把外形尺寸和技術(shù)成熟度作為不同的標(biāo)準(zhǔn)，將行業(yè)申請(qǐng)者提出的各種方法與適當(dāng)?shù)挠美嘟Y(jié)合。“有些量子傳感器可能更適合飛機(jī)，有些技術(shù)則更適合為水面或水下船只提供支撐。”Estep表示。

據(jù)悉，DIU正在與國防部的多個(gè)軍種和其他利益相關(guān)者合作，“以盡快將這些創(chuàng)新解決方案交到軍隊(duì)人員手中”，Estep解釋道，“我們會(huì)幫助協(xié)調(diào)這些不同的技術(shù)解決方案，相關(guān)性最強(qiáng)的就是服務(wù)部署機(jī)制和各種任務(wù)集。”

美國太空軍（美國空軍下屬的獨(dú)立部隊(duì)，于2019年正式成立）還在研究彈性的天基PNT解決方案，包括將GPS信號(hào)分散到不同軌道的各種衛(wèi)星上，以此來提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性與抗干擾性。

事實(shí)上，彈性PNT是空軍部長(zhǎng)Frank Kendall確定的“兩種能力”之一，可以在國會(huì)授權(quán)的新“快速啟動(dòng)”資金權(quán)限下使用，使得太空軍無需等待完整的的立法審查即可提前啟動(dòng)某些項(xiàng)目。


關(guān)于量子傳感器與GPS，我們需要知道


幾十年來，全球定位系統(tǒng)（GPS）一直是PNT（定位、導(dǎo)航和授時(shí)）的基石，GPS技術(shù)在準(zhǔn)確性、完整性、安全性與使用范圍方面都在不斷發(fā)展。盡管GPS是一種功能強(qiáng)大且無處不在的工具，但它的使用和可靠性仍然存在局限：GPS依賴衛(wèi)星的特性使其容易受到太空天氣事件和潛在的太空敵對(duì)行動(dòng)的影響，威脅行為者可以通過干擾和欺騙手段干預(yù)GPS系統(tǒng)，主要表現(xiàn)為服務(wù)中斷、被拒絕與受到操縱。

來源：NASA

上文頻繁提及的PNT，所代表的三種基本功能為：

定位，即能夠準(zhǔn)確和精確地確定物體或人的位置（通常是緯度和經(jīng)度，有時(shí)包括高度）以及相對(duì)于參考點(diǎn)的方向的能力；

導(dǎo)航，即能夠測(cè)量并修正航向、方向和速度，以到達(dá)期望位置的能力；

授時(shí)，即在用戶定義的及時(shí)性參數(shù)范圍內(nèi)，能夠獲取、維持和/或同步相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（如協(xié)調(diào)世界時(shí)）的準(zhǔn)確和精確時(shí)間的能力。

干擾和欺騙的攻擊方法不同，但這兩種情況在世界范圍內(nèi)都變得越來越普遍，包括在波羅的海地區(qū)、烏克蘭和中東地區(qū)對(duì)GPS系統(tǒng)的攻擊。除了欺騙和干擾，GPS在無GPS或受限的環(huán)境中還面臨挑戰(zhàn)，在這些環(huán)境中，GPS信號(hào)要么不可用，要么不可靠。這些環(huán)境可能是由于多種原因造成的，包括：地下或水下位置；城市峽谷；極地地區(qū)等。

即使在GPS信號(hào)不可用或不可靠的環(huán)境中，許多量子傳感器依然可以提供導(dǎo)航信息。根據(jù)量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（QED-C）的報(bào)告，此類傳感器包括量子加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、重力儀和重力梯度儀。量子重力儀和量子磁力計(jì)是被動(dòng)的，可以在全天候條件下、一天中的任何時(shí)間以及海洋等無特征的環(huán)境中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)引力異常輔助導(dǎo)航（GravNav）和磁異常輔助導(dǎo)航（MagNav）。

圖：美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的Rydberg量子傳感器實(shí)驗(yàn)裝置
來源：美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室


與傳統(tǒng)GPS相比，量子傳感器在抵抗欺騙和干擾方面也具有一些優(yōu)勢(shì)。它們可以在GPS信號(hào)受到干擾的情況下提供替代PNT信息，并幫助識(shí)別信號(hào)何時(shí)被欺騙，例如通過使用原子鐘為射頻場(chǎng)提供更準(zhǔn)確的到達(dá)時(shí)間測(cè)量。聯(lián)網(wǎng)量子傳感器有望為當(dāng)前的PNT工具提供補(bǔ)充信息，在短期內(nèi)不會(huì)完全取代GPS。GPS將繼續(xù)發(fā)展，新一代衛(wèi)星使用先進(jìn)的量子傳感器/原子鐘，提供更好的信號(hào)結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的地面控制系統(tǒng)。隨著量子傳感器技術(shù)的成熟和商業(yè)化，它在各種PNT應(yīng)用中的采用可能會(huì)增加。混合系統(tǒng)也可能出現(xiàn)，它利用傳統(tǒng)GPS和尖端量子傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及其他經(jīng)典的互補(bǔ)PNT技術(shù)。

美國國防部入局，量子傳感是三大量子領(lǐng)域最成熟的技術(shù)

量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟（QED-C）是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）支持的行業(yè)主導(dǎo)的、目前最大的量子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。量子經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)盟的執(zhí)行董事Celia Merzbacher表示，量子傳感是三大量子領(lǐng)域（指量子計(jì)算、量子通信、量子傳感）中“（公眾）了解度最低但技術(shù)成熟度最高”的一個(gè)。

“在某種程度上，可以支持定位、導(dǎo)航和授時(shí)的量子傳感技術(shù)已經(jīng)存在。”她表示，該技術(shù)與原子鐘中使用的技術(shù)相同，后者根據(jù)亞原子粒子的運(yùn)動(dòng)提供精確計(jì)時(shí)。

DIU提供的產(chǎn)品概述了量子傳感適用于PNT的三種方式：測(cè)量運(yùn)動(dòng)、重力和地球磁場(chǎng)。每種方法都為飛機(jī)、輪船或車輛提供了一種準(zhǔn)確確定其位置的方法，而不必依賴來自遙遠(yuǎn)GPS衛(wèi)星的無線電信號(hào)。

Merzbacher預(yù)測(cè)，國防部的參與可能會(huì)在五年內(nèi)刺激量子傳感PNT的商業(yè)市場(chǎng)。她提到，如果沒有國防部，市場(chǎng)增長(zhǎng)將需要更長(zhǎng)的時(shí)間，“因?yàn)檫@些為PNT和其他用途開發(fā)量子傳感器的公司都是較小的公司，他們無法在資源有限的情況下，投資于任何需耗費(fèi)超過兩三年上市時(shí)間的產(chǎn)品。”

來源：DIU
這正是DIU成立的初衷——為技術(shù)搭建通往私募股權(quán)的橋梁。“私人資本很昂貴，而且很難獲得，”Merzbacher坦言，“國防部（的招標(biāo)）實(shí)際上是在為量子傳感市場(chǎng)定信號(hào)、做擔(dān)保。”

“政府確實(shí)可以通過介入并支付現(xiàn)階段的工程研發(fā)成本來加速技術(shù)進(jìn)步，”她解釋道，“最終，隨著收入的產(chǎn)生，這些公司可以進(jìn)行再投資。但是，如果政府沒有選擇介入......那么進(jìn)展只會(huì)慢得多。”

從實(shí)驗(yàn)室到戰(zhàn)場(chǎng)的過渡是一個(gè)關(guān)鍵障礙。她提到：“一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是在受控環(huán)境中集成這些實(shí)際上剛剛在實(shí)驗(yàn)室中被開發(fā)出來的新組件，將它們打包成可以裝上飛機(jī)或太空平臺(tái)的東西，并承受振動(dòng)或輻射的嚴(yán)酷考驗(yàn)。”


行動(dòng)

美國海岸警衛(wèi)隊(duì)（U.S. Coast Guard）職業(yè)軍官、彈性導(dǎo)航與授時(shí)基金會(huì)（Resilient Navigation and Timing Foundation，簡(jiǎn)稱RNTF）主席Dana Goward提到，其他國家正在投資于自己的解決方案。

Goward表示，中國以及美國的盟友韓國和沙特阿拉伯等已經(jīng)擁有了一個(gè)運(yùn)行中的地面替代GPS系統(tǒng)——增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)（eLORAN），Goward表示。eLORAN依賴于雙曲線導(dǎo)航，其中飛機(jī)、船只或車輛可以通過對(duì)比兩個(gè)或更多地面廣播塔發(fā)出的信號(hào)來確定其位置。

“它比GPS或其他基于衛(wèi)星的PNT系統(tǒng)更精確、更難以被干擾，”Goward說。

來源：DIU
Goward認(rèn)為量子傳感是“令人興奮的”，但他也表示，這項(xiàng)技術(shù)可能需要“許多年”才能清除所有必要的工程和技術(shù)障礙，實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。他還提到，GPS現(xiàn)在已被消費(fèi)者和企業(yè)視為理所當(dāng)然，并且對(duì)于它的脆弱性知之甚少。但是，需要在極低溫度下維護(hù)材料或在極其精確的激光頻率下運(yùn)行的技術(shù)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有準(zhǔn)備好進(jìn)入黃金時(shí)期。“它們會(huì)不斷改進(jìn)，也許有一天它會(huì)普及到像你我這樣的普通人。”

量子定向越野

許多支持者表示，支持PNT的量子傳感技術(shù)標(biāo)志著一個(gè)重大的變化，它代表了一種從傳統(tǒng)的基于信標(biāo)信號(hào)的GPS或eLORAN方法的根本轉(zhuǎn)變。“下一代PNT技術(shù)將定位功能回歸到本地車輛或個(gè)體，并本質(zhì)上表明，現(xiàn)在我們希望能夠僅使用我們本地測(cè)量的東西來導(dǎo)航，”量子技術(shù)公司Q-CTRL的首席執(zhí)行官M(fèi)ichael Biercuk說。

由于地球的磁場(chǎng)和重力場(chǎng)在不同地方有微小的變化，并且這些變化已經(jīng)被繪制成圖，一個(gè)能夠測(cè)量這些微小變化的工具就可以準(zhǔn)確定位用戶，Biercuk解釋道。“如果你將這些地球物理現(xiàn)象的高質(zhì)量地圖與一個(gè)高質(zhì)量的本地傳感器結(jié)合起來，你就可以做到有時(shí)被我們笑稱為‘量子定向越野’（Quantum Orienteering ）的事情，”他說，“你可以拿著你的地圖和傳感器，計(jì)算出你在哪里。”

“量子傳感設(shè)備的極端技術(shù)要求可以通過使用軟件算法來緩解，”Michael Biercuk提到，“量子傳感器在實(shí)驗(yàn)室的性能非常出色，但實(shí)驗(yàn)室外的表現(xiàn)會(huì)大大下降。任何時(shí)候只要你把它放在一個(gè)移動(dòng)的載體上，都很難保持其運(yùn)行。它們是非常非常敏感的設(shè)備。”

但Q-CTRL已經(jīng)證明，將非常好的硬件工程與軟件啟用結(jié)合起來時(shí)，實(shí)際上可以使這些工具在真實(shí)環(huán)境中變得可行。該公司正在與空客公司合作，對(duì)一種可以安裝在商用飛機(jī)中的GPS替代慣性運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行安全測(cè)試，預(yù)計(jì)“可能在兩到三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)”。
參考鏈接

[1]https://www.airandspaceforces.com/dod-innovators-quantum-tech-alternative-gps/

[2]https://www.diu.mil/team/nick-estep

[3]https://thequantuminsider.com/2024/05/16/us-defense-innovation-unit-launches-new-tech-portfolio-with-quantum-sensors-initiative/

[4]https://quantumconsortium.org/pnt2024/

[5]https://www.diu.mil/latest/defense-innovation-unit-launches-first-cso-under-new-emerging-technology

[6]https://quantumconsortium.org/

來源：光子盒