QPS，永不失聯的導航系統(tǒng)

小顧

在當前的陸海空交通中，全球定位系統(tǒng)（GPS）已成為必不可少的定向導航工具。萬一GPS失靈，那該怎么辦？英國國防科學與技術實驗室（DSTL）正在研究一種以超冷原子為基礎的加速計——量子定位系統(tǒng)（QPS），能前所未有地精確跟蹤你的位置。

英國海軍2016年將用這種量子系統(tǒng)把系泊艦和航行艦分開，記錄艦船位置，精確度比以往提高1000倍。如果QPS海上測試成功，將進一步縮小用在飛機、火車、汽車甚至手機上，為城市交通、自動駕駛車輛提供一種后備導航工具。GPS會在水下失靈，所以潛艇下沉后會失去GPS信號，此時要用加速計來導航，記錄每次扭身、轉向，但目前的加速計并不精確。DSTL的內爾·斯坦菲爾德說：“目前如果沒有GPS定位，潛艇在水面航行一天可能偏離航線1千米左右，而QPS會將偏離減小到1米。”激光能捕獲真空中的原子云，并使其冷卻到絕對零度以上不到1度，超低溫下原子會變成一種量子態(tài)，這種量子態(tài)很容易受外力干擾而破壞，這時用另一束激光來跟蹤監(jiān)測干擾造成的任何變化，就能計算出外力大小。由于潛艇航行時會受到海水作用而左右搖晃，導致略微偏向，DSTL小組希望能把這套系統(tǒng)用在水下環(huán)境。該QPS樣機就像個1米長的鞋盒，一開始只能沿一條軸線工作，加入另外兩套激光器和捕獲的原子之后，就能協(xié)調三維方向的運動了。每套激光器能給100萬個銣原子制冷。“一旦我們掌握了第一代，就能把它們小型化用到其他地方。”斯坦菲爾德說。他們將于2015年9月先在陸地上進行實驗。

目前該QPS尚未完成，它還不能把微小的萬有引力效果和船只運動造成的加速區(qū)分開來。“如果潛艇通過一個水下山脈，山脈的萬有引力把它向西吸引，感覺上就像它在向東加速。我們要有很好的萬有引力地圖才能把它引導到正確方向。”倫敦帝國學院冷物質中心的愛德華·海因德說。除了DSTL小組以外，中國和澳大利亞也在研究量子導航系統(tǒng)。英國法斯萊恩北約（NATO）潛艇救援服務機構負責人、前皇家海軍潛艇駕駛員約翰·波伊斯說：“超精導航系統(tǒng)能讓潛艇船長睡得更好。由于潛艇不必再擔心與GPS失聯，也會讓巡航探測更輕松。”波伊斯認為，該技術可能產生的最大影響是微型化以后用在未來武器上。“雖然潛艇的位置不需要精確到幾米幾厘米，但導彈、炮彈需要。”它的應用還不止武器范圍。研究小組負責人斯蒂芬·蒂爾說：“10到20年前我們需要一個巨大的低溫制冷器，但激光制冷原子云改變了一切，下一代制冷技術可能拓展到方方面面，從汽車到智能手機。“我們相信它在尺寸和耗能方面都會下降到能裝在儀表板上。”

延伸閱讀

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是覆蓋全球的、能自主地利空間定位的衛(wèi)星系統(tǒng)，它允許小巧的電子接收器確定它的所在位置（經度、緯度和高度），并且經由衛(wèi)星廣播沿著視線方向傳送的時間信號精確到10米的范圍內。

截至目前，只有美國的全球定位系統(tǒng)（GPS，共由24顆衛(wèi)星組成）及俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）是完全覆蓋全球的定位系統(tǒng)。中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）則于2012年12月開始服務于亞太區(qū)（共由16顆衛(wèi)星組成），預計于約2020年覆蓋全球。歐洲的伽利略定位系統(tǒng)則是還處于初期部署階段的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，預定最早到2020年才能夠充分的運作。此外，包括日本、印度等一些國家也都在發(fā)展區(qū)域導航系統(tǒng)。

每個覆蓋全球的系統(tǒng)通常都是由20～30顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，分布在幾個軌道平面上，軌道傾角都大于50°，軌道周期大約都是12小時。

GPS

GPS，又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美國國防部研制和維護的中距離圓型軌道衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。全球定位系統(tǒng)可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面上1個主控站、3個數據注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛(wèi)星數越多，解碼出來的位置就越精確。

GPS系統(tǒng)由美國政府于1970年代開始進行研制并于1994年全面建成。GPS信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）和軍規(guī)的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）兩類。由于SPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發(fā)動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規(guī)的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對民用信號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

BDS

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，縮寫為BDS，于2011年12月27日起提供連續(xù)導航定位與授時服務。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及可以與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端組成。

2000年，北斗導航試驗系統(tǒng)建成，我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家，2011年12月27日起開始向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導航定位和授時服務。2012年12月，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度20米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。授權服務是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務等信息。