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量子罗盘问世,未来导航不靠GPS?

作者:时间:2018-11-28来源:硅谷动力

  在古代,中国的风水先生们首先发明了罗盘。

本文引用地址:/article/201811/394944.htm

  罗盘后来传入了西方,恩格斯在《机器、自然力和科学的应用》一书中写道:“罗盘(指南针)打开了世界市场并建立了殖民地。”

  古代中国人的这项发明被西方人应用于大航海时代,对地理大发现以及资本主义兴起起到了推动作用。

  几百年过去了……

  2018年11月,英国帝国理工学院研究人员和M Squared公司携手,研制出全球首款用于导航的量子加速度计,这款导航设备被称为“”。它是不依赖全球定位卫星()的防干扰导航装置。

  这个由西方人发明的“”看起来在未来的导航产业中具有巨大的价值。

  这年头,只要与“量子”挂钩的技术都显得十分高大上,比如不久前还有人提出了“量子针灸”等概念。但是,并不是所有的“量子技术”都是真正的科学。

  这款“”到底是不是真的高科技呢?它的基本原理是什么?未来的导航还需要用吗?

  三种不同的导航原理

  导航设备一般可以分为三类:惯性导航、卫星导航与天文导航。

  惯性导航比较传统,一开始出现在第二次世界大战期间,那时候德国的导弹能从德国发射后很精确地飞到英国伦敦上空。这主要就是因为导弹里安装有惯性导航的设备——那时候还没有卫星导航这个技术。惯性导航的设备主要由加速度传感器与陀螺仪组成。加速度传感器可以定出飞行器(导弹等)在空中相对于自身固连惯性参考系的加速度。而陀螺仪则可以定出飞行器自身固连惯性参考系与地面参考系之间的变换矩阵。

  这种应用于导弹的惯性导航后来被用到飞机与潜艇等设备中。但惯性导航很少用到汽车里,在全球定位系统建成之前,家用汽车是没有导航的,那时候的人开汽车去陌生地方很容易走错路。

  卫星导航主要依靠天上的人造地球卫星给地面上的运动物体导航。最著名的卫星导航系统有美国的全球定位系统与中国的北斗系统等。在天上的四颗卫星可以定出地面上运动物体的(X,Y,Z,T)四个时空坐标,这就能实现定位导航。但卫星导航有一个缺点——这需要电磁波的传递,在深海里的潜艇无法接受到空间的电磁波,因此接受卫星导航信号。

  天文导航则是一个既古老又现代的概念。中国古人就用北斗七星中的北极星来导航,这就是一种古老的天文导航思想。在科幻小说《三体》中,作者这写到了利用恒星之间的距离关系来导航的思想。在现实中,最近中国的航天五院有一些科学家提出了利用宇宙空间的脉冲星来进行导航的思想——不过脉冲星导航也许在地球上的飞行器飞出太阳系之后才有实际用处。天文导航是未来星际旅行时代的导航发展方向。

  量子罗盘属于惯性导航

  那么,量子罗盘属于上面所说的三种导航原理中的哪一种呢?

  英国帝国理工学院研究人员和M Squared公司研制的这款“量子罗盘”能确定地球上任何地方的精确位置,它不依赖外部卫星导航信息,所以不属于卫星导航;这个设备也不需要北极星或者脉冲星的参与,因此也与天文导航无关。

  量子罗盘是一款惯性导航产品。

  那么,这款量子罗盘是怎么工作的呢?其量子性又体现在什么地方?

  据报道,这款量子罗盘能测量极低温度(接近绝对零度,也就是零下273度)下超冷原子的运动。制备超冷原子的基本技术之一是用激光致冷原子,这是华人物理学家朱棣文等人发明的方法,朱棣文还因此得到诺贝尔物理学奖,随后出任美国能源部部长。

  因此,要实现原子的超冷状态,需要用一种定制的激光器来操纵和控制原子。这种激光器正是由总部位于格拉斯哥的M Squared公司花了近三年时间才研制出来。

  有了超冷原子,如何才能实现导航呢?

  按照惯性导航的原理,我们需要知道系统的加速度,然后才可以对加速度做间积分得到速度,再对速度求时间积分得到位置信息,因此测出加速度信息是关键。据中国科学技术大学副研究员张文卓向我们介绍, 冷原子的物质波干涉可以测出这个加速度的信息,从而实现惯性导航。而且这个量子罗盘的导航精度非常高,比目前依靠经典电路的加速度传感器的精度要高几个数量级。

  量子罗盘会取代卫星导航吗?

  最近几十年来,卫星导航已经成为最重要的社会基础设施之一。对于私家车主来说,离开了导航系统,很多人都不知道怎么开车了。中国的北斗系统与美国的全球定位系统,都构成了巨大的产业链,但这些导航系统依赖于卫星信号。这也给未来的发展留下了隐患,尤其是在战争期间,一旦卫星系统被摧毁,那么全球各地的导航信号都将消失。

  因此,很明显,首先从军事上来说,量子罗盘具有现实意义。因为量子罗盘不需要卫星信号,它依靠自身的冷原子干涉就可以实现自主导航,这在军事上的价值巨大。比如在深海中,核潜艇需要在很深的海底航行,海水与空气不同,电磁波无法在深海里传播,所以在海底,依靠卫星导航是不可能的,量子罗盘可以在核潜艇中使用。

  因此,从军事意义上来说,我们国家除了要发展北斗系统等导航设备,也需要关注量子罗盘等新一代惯性导航技术的发展,这对国家安全至关重要。

  除了军事意义,量子罗盘作为一种新兴事物,暂时还不会影响现在的民用导航产业格局。因为目前的量子罗盘还处于实验研发阶段,从公开资料来看,量子罗盘的体积很大(体积超过了1立方米),而且需要用到真空设备与激光设备,造价昂贵(至少价值上千万人民币),这在民用上普及还不可能。要想在民用市场上普及,必须做到小型化以及低成本化,这在短期内是无法做到的。

  所以,量子罗盘问世,在短期内不会取代GPS等卫星导航设备的市场地位。

  中国导航产业界应重视量子罗盘这个“黑科技”

  目前,我们国家的导航产业主要是北斗卫星导航系统,2017年我国卫星导航与位置服务产业总体产值已达到2550亿元。2018年,北斗系统进入全球组网密集发射期,目前已成功发射17颗北斗三号组网卫星,年底前还将发射两颗组网卫星,服务“一带一路”沿线国家和地区。这说明中国的北斗系统已经有了很大的成就。

  《2018中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》预计,到2020年北斗应用在交通运输、和智慧城市建设等细分市场的规模有望超过2万亿元。

  虽然北斗卫星导航是我们国家导航产业的主旋律之一,但我们还需要一些新的导航方法,尤其是不能放弃惯性导航这种传统的导航方法。目前依然有不少企业在惯性导航上做技术攻关,比如星网宇达就是一家致力于惯性技术研发及产业化的高科技公司,可为用户提供从单一器件到配套产品直至整个系统的解决方案。

  而在惯性导航方面,量子罗盘是一个值得跟踪的研究方向,因为其定位精度极高,而且冷原子的干涉技术可以用到引力地图的测量、矿产资源的探测等多个领域,这些领域虽然不是直接与导航产业相关,但都有巨大的产业价值。

  重视量子罗盘的发展,在适当的时候把它引入到中国的导航产业中来,是所有有前瞻性眼光的企业都应该努力去做的事情。

  也许在未来,人类进入了太空时代,那时候肯定不能再用卫星导航,量子罗盘这种惯性导航将成为未来时代的主要导航手段。

  未来社会是一个量子的社会,顺势而为必将有所作为。量子罗盘,值得我们从现在开始就去关注它!



关键词: 量子罗盘 GPS

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