量子計量技術在預警機導航中的應用

吳 勇 劉則洋

(陜西省計量科學研究院 陜西西安 710100)

量子計量學是各個國家重視的量子學發展最主要方向。最近這些年，是各種量子探測科學領域中，發展較快，研究最重要的方向之一。量子計量學的基本物理原理和現象分析來測量常規學的實驗現象等一系列功能，如檢測、距離測量、定時、定位和成像。為了使用量子糾纏、量子不確定性和其他量子物理原理和現象，量子計量可以打破現有測量系統（如散粒噪聲極限、Rayligh極限等）的精確極限及其測量精度。測量距離和靈敏度大大提高了以往的測量系統。近年來，隨著研究的深化，量子計量的研究趨勢有了飛躍性的進展，量子信息學的研究成果被導入到量子計量領域。檢測能力是早期警戒飛機的核心戰斗能力之一。作為一個復雜的大規模信息采集系統，量子計量技術將帶來現有早期預警飛機檢測系統的重要變化，其應用大大提高了預警飛機的核心能力[1]。

一、量子計量技術主要應用

（一）量子導航技術

以網絡為中心的戰爭（NCW）系統需要利用確切時間數據和空間節點在戰斗平臺中進行信息合作。作為空中的重要核心節點，預警飛機（AWACS）在檢測、命令來確定檢測需要的正確定位和其他導航信息。目前，衛星導航（gps）和慣性導航是最常用的兩種導航方式。然而，戰斗的持續進行，很多缺陷也暴露在大家眼前。首先，中國構筑了Beidou衛星系統，但Beidou系統不完善，所以GPS導航信息可能會被其余國家探測到，但GPS是美國研究并控制在手的，顯然不能用于戰爭。第二，在電子信息戰爭的不斷發展中，GPS、等一系列偽裝技術逐漸成熟，很多信息傳輸也逐漸不安全，第三很多導航系統都會對環境產生巨大影響。第四，在復雜地理環境中，衛星導航信息不可用。目前，光學陀螺儀廣泛用于飛機安裝慣性導航裝置×10-4系統的精度比傳統的機械式回轉儀高（精度為10-1，這是非常改善的）。近年來，歐美各國認識到現有導航系統存在的問題，開始發展新的慣性導航系統。量子導航技術是最有希望的新導航技術之一。國防高等研究計劃廳（DARPA）、USAF科學咨詢委員會（USAF）和英國Defense Technology研究所設定了所有相關項目，對量子導航技術進行了徹底的研究。目前，量子導航的主要技術方法是冷原子干涉和超流動[2]。

（二）冷原子干涉陀螺

如今，冷原子陀螺精度不斷提高，冷原子干涉儀的操作原理與光干涉儀的操作原理非常相似，只有光學干涉儀的激光器被冷原子取代。在諧振行波激發之后，超精細低能量狀態的原子態轉變為超精細高能態。用途π/2→π→π/2在分裂并移位之后，原子波再次收斂到傳感器，成為干擾和測量結果（如圖1所示）。與光學干涉儀相比，冷原子干涉儀的通量和包絡區域較低。然而，由于de brogle波，冷原子干涉儀的相位分辨率和頻率分辨率比傳統光學干涉儀的相位分辨率高得多。與基于超流動原理的量子陀螺相比，基于冷原子干擾理論的量子陀螺在工程中更容易實現。目前，DARPA已經開始了基于低溫原子干擾原理的三個導航工程。水蛇（高動態范圍原子傳感器）、C-掃描（芯片組合原子導航）、量子輔助感測及讀出（量子輔助感及讀出）USAF科學咨詢委員會為了基于光脈沖AI和鏈條（導航用小型高性能原子干涉儀）的慣性導航，作為緊湊的陀螺/accel也執行了這樣的項目。2015年的三個新研究項目例如冷原子干擾導航技術。同時，在各種研究領域也進行了大量計算和資金投入，尤其是美國極其重視這些方向的投入和發展，改善冷原子干擾陀螺技術。目前，在實驗室中進行的低溫原子干擾導航技術已經有了很大的進展并取得不小成效。未來還想在激光冷卻、原子捕獲和甚至其余技術中獲得重大突破。然而，為了實現冷原子導航裝置的實際應用，有必要進一步降低系統的體積，重量和耗電，并進一步提高系統集成。

圖1 冷原子干涉原理圖

圖2 超流體原理圖

二、量子導航技術對預警機作戰模式的改變

與傳統的陀螺技術相比較來看，高精度的量子陀螺旋轉技術、更新層次的接入網絡、抵抗外部環境干擾。各種量子信息技術已經相對成熟，陀螺儀旋轉功能也快速發展，并且對提高現有的早期警報器的能力是實際重要的。量子陀螺的應用大大提高了預警飛機今后的戰斗能力，并使預警飛機的變更模式的使用形態如下。Beidou和其他衛星導航系統將被完全替換。早期預警飛機對戰斗環境的適應性進一步增強，復雜環境（復雜地形，復雜氣候，復雜的電磁環境等）下的戰斗能力大大提高。早期警戒系統快速發展，例如beidou和其他衛星偽裝技術有了很大的突破，相關領域的電子戰模式發生了很大變化。早期預警飛機的時間、姿勢、速度、位置、導航信息的精度大幅提高（量子陀螺的精度可達到10-9°/H～10-7°/H），由于導航信息是AWCS的每個子系統的基準，因此AWACS的檢測精度、命令精度和網絡通信性能大大提高。除了獲得各種信息數據，還可以進行地形探測。因此，相應的設備可以安裝在其他民間任務中，以發揮早期預警飛機的作用[3]。

三、結束語

作為一個大規模的復雜信息系統，量子計量的發展必然對現有的性能和系統有很大的影響。量子計量技術對于現有的測量系統的巨大優點還破壞性地提高了預警飛機的戰斗能力，改變了網絡中心戰爭的現有概念。在量子計量技術的沖擊下，改變現有的戰斗模式和系統，在新的戰斗系統下發揮智能站和命令控制中心的作用，將對應的戰術和戰術公式化應該是將來應用的重點。新興發展中國家，如何最大限度地利用逆向優勢，增加量子計量領域的科學研究投資，轉變為今后國家戰略水平的優勢，是在下一階段應該討論的重要課題。