面對精確導(dǎo)航和授時所需的GPS信號面臨的日益嚴重的威脅，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GPS信號退化、甚至遭到拒絕的環(huán)境，在這個環(huán)境中，你不能依賴GPS等外部PNT信號。”

俄烏戰(zhàn)爭和中東的戰(zhàn)爭暴露了信號干擾與欺騙如何給軍隊帶來毀滅性的打擊，因此尋找GPS的替代方案已是當務(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。

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）的解決方案，讓聯(lián)合部隊能夠執(zhí)行使命。”Nicholas Estep中校強調(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負責(zé)領(lǐng)導(dǎo)新興技術(shù)團隊，該團隊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）項目招標書，向工業(yè)界尋求能夠替代GPS的量子傳感器。該項目探索三個主要領(lǐng)域：量子慣導(dǎo)、量子磁力計和量子傳感的螺旋增強。DIU官網(wǎng)資料顯示，TQS項目側(cè)重于展示量子傳感器的軍事用途，以解決聯(lián)合部隊的戰(zhàn)略能力，如PNT和異常檢測。

數(shù)十份提案涌入。Estep表示：“我們確實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，此次征集旨在鼓勵各種方法和解決方案。“不可能出現(xiàn)一個適用于所有情況、滿足所有部隊需求的量子傳感器。空軍會使用，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準，將行業(yè)申請者提出的各種方法與適當?shù)挠美嘟Y(jié)合。“有些量子傳感器可能更適合飛機，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人員手中”，Estep解釋道，“我們會幫助協(xié)調(diào)這些不同的技術(shù)解決方案，相關(guān)性最強的就是服務(wù)部署機制和各種任務(wù)集。”

美國太空軍（美國空軍下屬的獨立部隊，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。

事實上，彈性PNT是空軍部長Frank Kendall確定的“兩種能力”之一，可以在國會授權(quán)的新“快速啟動”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某些項目。


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）的基石，GPS技術(shù)在準確性、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行動的影響，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，有時包括高度）以及相對于參考點的方向的能力；

導(dǎo)航，即能夠測量并修正航向、方向和速度，以到達期望位置的能力；

授時，即在用戶定義的及時性參數(shù)范圍內(nèi)，能夠獲取、維持和/或同步相對于標準時間（如協(xié)調(diào)世界時）的準確和精確時間的能力。

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)濟發(fā)展聯(lián)盟（QED-C）的報告，此類傳感器包括量子加速度計、陀螺儀、磁力計、重力儀和重力梯度儀。量子重力儀和量子磁力計是被動的，可以在全天候條件下、一天中的任何時間以及海洋等無特征的環(huán)境中運行，從而實現(xiàn)引力異常輔助導(dǎo)航（GravNav）和磁異常輔助導(dǎo)航（MagNav）。

圖：美國陸軍研究實驗室（ARL）的Rydberg量子傳感器實驗裝置
來源：美國陸軍研究實驗室


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。它們可以在GPS信號受到干擾的情況下提供替代PNT信息，并幫助識別信號何時被欺騙，例如通過使用原子鐘為射頻場提供更準確的到達時間測量。聯(lián)網(wǎng)量子傳感器有望為當前的PNT工具提供補充信息，在短期內(nèi)不會完全取代GPS。GPS將繼續(xù)發(fā)展，新一代衛(wèi)星使用先進的量子傳感器/原子鐘，提供更好的信號結(jié)構(gòu)和先進的地面控制系統(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，以及其他經(jīng)典的互補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)濟發(fā)展聯(lián)盟（QED-C）是由美國國家標準與技術(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。

“在某種程度上，可以支持定位、導(dǎo)航和授時的量子傳感技術(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)亞原子粒子的運動提供精確計時。

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

Merzbacher預(yù)測，國防部的參與可能會在五年內(nèi)刺激量子傳感PNT的商業(yè)市場。她提到，如果沒有國防部，市場增長將需要更長的時間，“因為這些為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，投資于任何需耗費超過兩三年上市時間的產(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）實際上是在為量子傳感市場定信號、做擔(dān)保。”

“政府確實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)進步，”她解釋道，“最終，隨著收入的產(chǎn)生，這些公司可以進行再投資。但是，如果政府沒有選擇介入......那么進展只會慢得多。”

從實驗室到戰(zhàn)場的過渡是一個關(guān)鍵障礙。她提到：“一個巨大的挑戰(zhàn)是在受控環(huán)境中集成這些實際上剛剛在實驗室中被開發(fā)出來的新組件，將它們打包成可以裝上飛機或太空平臺的東西，并承受振動或輻射的嚴酷考驗。”


行動

美國海岸警衛(wèi)隊（U.S. Coast Guard）職業(yè)軍官、彈性導(dǎo)航與授時基金會（Resilient Navigation and Timing Foundation，簡稱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)擁有了一個運行中的地面替代GPS系統(tǒng)——增強型羅蘭授時系統(tǒng)（eLORAN），Goward表示。eLORAN依賴于雙曲線導(dǎo)航，其中飛機、船只或車輛可以通過對比兩個或更多地面廣播塔發(fā)出的信號來確定其位置。

“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認為量子傳感是“令人興奮的”，但他也表示，這項技術(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，實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。他還提到，GPS現(xiàn)在已被消費者和企業(yè)視為理所當然，并且對于它的脆弱性知之甚少。但是，需要在極低溫度下維護材料或在極其精確的激光頻率下運行的技術(shù)，還遠遠沒有準備好進入黃金時期。“它們會不斷改進，也許有一天它會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)標志著一個重大的變化，它代表了一種從傳統(tǒng)的基于信標信號的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量的東西來導(dǎo)航，”量子技術(shù)公司Q-CTRL的首席執(zhí)行官Michael Biercuk說。

由于地球的磁場和重力場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，一個能夠測量這些微小變化的工具就可以準確定位用戶，Biercuk解釋道。“如果你將這些地球物理現(xiàn)象的高質(zhì)量地圖與一個高質(zhì)量的本地傳感器結(jié)合起來，你就可以做到有時被我們笑稱為‘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，“量子傳感器在實驗室的性能非常出色，但實驗室外的表現(xiàn)會大大下降。任何時候只要你把它放在一個移動的載體上，都很難保持其運行。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，實際上可以使這些工具在真實環(huán)境中變得可行。該公司正在與空客公司合作，對一種可以安裝在商用飛機中的GPS替代慣性運動傳感器進行安全測試，預(yù)計“可能在兩到三年內(nèi)實現(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