信号弱？量子导航来帮忙（科技大观）

日常生活中，不管是驾驶车辆、外卖点单还是运动锻炼，经常会用到卫星导航技术。那么，没有卫星导航信号或信号很弱时，人们该如何导航？科学家提出了一种新思路——将量子传感器应用于导航，实现卫星信号拒止条件下的定位、导航、授时功能。卫星信号拒止条件是指导航卫星信号受到干扰、遮挡甚至恶意攻击等无法正确输出导航参数信息的情形。

4月初，澳大利亚Q-CTRL公司的一项研究宣布，他们研制出首个在商业上可行的量子惯性导航系统，其精度可达传统惯性导航系统的46倍。目前，量子导航领域已成为国际科研前沿热点之一，中国、美国、俄罗斯和欧盟等都提出了各自的发展计划和时间表。

量子导航系统使用的量子传感器，是一种利用量子力学原理来探测微观世界的新型工具。它们利用量子相干效应或量子纠缠等特性，可实现对某些物理量的精确测量，比如电磁场、时间、重力加速度、温度、压力、角速度等。凭借超高精度、超高灵敏度、超快响应速度等特点，量子传感器有望带来颠覆性改变，突破传统传感器瓶颈。

在卫星信号拒止条件下，目前量子传感器主要提供3种不同的导航替代方案：

第一种是量子惯性导航系统，其结构与传统惯性导航系统基本类似，主要由原子陀螺仪、原子加速度计、原子钟和信号采集处理单元等4个部分构成。通过对原子的量子调控，原子陀螺仪可实现超高灵敏度的惯性测量，包括对运动物体加速度、角速度的精准测量，实时计算其位置和姿态。比如，在传统惯性导航系统下，潜艇定位偏差每天可达数公里，而量子惯性导航系统的误差有望实现每月小于1公里。这一系统在未来深空探测中也大有可为。

第二种和第三种方案分别是量子磁力导航和量子重力导航。由于地球各区域的磁场和重力加速度都不一样，理论上我们可以绘制出地球磁场地图和重力加速度地图，在卫星信号拒止条件下，通过量子传感器测量磁场或者重力加速度的变化，将收集的数据与已知的地图比对，就能快速确定自身位置。目前，英国已经利用无人机搭载量子磁强计，并辅助其他技术手段，实现10厘米精度的卫星信号拒止环境定位。

这两种方案还可应用于地下勘探、海底潜航。深地、深海等环境是卫星导航常见的盲区，量子导航可以用于探测地下百米级的地质构造、地下无人驾驶地铁的厘米级定位等。

整体来看，量子导航系统优势明显。它具备比传统卫星导航更高的精度，并且不依赖外部信号，在卫星信号受限或受干扰的环境中仍能正常工作。同时，量子传感器的信号不向外发射，不易被外部探测和截获，也具有较好的隐蔽性。

不过，当前发展量子导航系统还面临很多困难：一是系统设备较为复杂，成本高；二是量子传感器对外界环境因素极为敏感，需要研发先进的屏蔽技术和抗干扰算法，以提高复杂环境下的适应性和稳定性；三是产生的数据量庞大，需要进行高效的数据处理，并消除累计偏差。如果能够突破这些挑战，未来融合传统卫星导航和量子导航的全球导航系统，不仅将为我们的日常生活带来更多便利，还将助力人类探索更广阔的星辰大海。

（作者为中国科学技术大学科技传播系副研究员）