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量子罗盘,英国研制量子导航定位系统QPS

时间:2019-08-31 14:43来源:科学研究
英国研制量子导航定位系统QPS 日前,英国国防部表示无需依赖卫星信号的军事级别导航系统已经研发成功。该导航系统被称为“量子指南针(quantumcompass)”。该“量子指南针”导航系统

英国研制量子导航定位系统QPS

日前,英国国防部表示无需依赖卫星信号的军事级别导航系统已经研发成功。该导航系统被称为“量子指南针(quantumcompass)”。该“量子指南针”导航系统是由英国国防部主持研发的,其主要研究目的是为英国国防部潜艇提供无需依赖卫星信号的导航系统。

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“量子罗盘”或取代产值百亿美元的GPS

在当前的陆海空交通中,全球定位系统已成为必不可少的定向导航工具。万一GPS失灵,那该怎么办?英国国防科学与技术实验室正在研究一种以超冷原子为基础的加速计——量子定位系统,能前所未有地精确跟踪你的位置。

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据英国《新科学家》网站近日报道,英国海军2016年将用这种量子系统把系泊舰和航行舰分开,记录舰船位置,精确度比以往提高1000倍。如果QPS海上测试成功,将进一步缩小用在飞机、火车、汽车甚至手机上,为城市交通、自动驾驶车辆提供一种后备导航工具。

名为“量子指南针”的全新导航系统名字更加具有科技感,其名称像是20实际90年代特别版车型的名字。该“量子指南针”导航系统在工作时无需依赖卫星信号。而全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)最初是起源于美国军方的一个研究项目,其目前已经广泛应用于人们的智能手机中,或者仅需要几百块钱就可以在电器商店中轻易购买到,另外大多数的汽车仪表盘中均配备了卫星导航系统。由此推断,在未来几十年中该“量子指南针”导航系统也将很有可能广泛应用于汽车中。

日前,英国国防部表示无需依赖卫星信号的军事级别导航系统已经研发成功。该导航系统被称为“量子指南针”。该“量子指南针”导航系统是由英国国防部主持研发的,其主要研究目的是为英国国防部潜艇提供无需依赖卫星信号的导航系统。

量子罗盘技术或将取代全球定位系统

GPS会在水下失灵,所以潜艇下沉后会失去GPS信号,此时要用加速计来导航,记录每次扭身、转向,但目前的加速计并不精确。DSTL的内尔:斯坦菲尔德说:“目前如果没有GPS定位,潜艇在水面航行一天可能偏离航线1公里左右,而QPS会将偏离减小到1米。”

根据国外媒体GPSDaily的描述,该“量子指南针”导航系统在真空环境下通过利用稍稍高出绝对零度的温度俘获并冷却原子云。在如此低的温度下,原子会达到某种量子态,此时原子对加速和地球的磁场非常敏感。这意味着通过判断加速度,“量子指南针”可以测量位移。同时也可以比对地球“磁场分布图”来确定目前的绝对位置。此前,潜艇定位系统在水下主要依赖于加速度计来实现定位功能,利用此加速度计完成1整天的定位工作后其定位误差达到了1英里。而目前通过“量子指南针”得到的潜艇位置相较以上方法准确度有了大幅的提高,在完成1整天的定位工作后其定位误差仅为3英尺。

名为“量子指南针”的全新导航系统名字更加具有科技感,其名称像是20世纪90年代特别版车型的名字。该“量子指南针”导航系统在工作时无需依赖卫星信号。而全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)最初是起源于美国军方的一个研究项目,其目前已经广泛应用于人们的智能手机中,或者仅需要几百块钱就可以在电器商店中轻易购买到,另外大多数的汽车仪表盘中均配备了卫星导航系统。由此推断,在未来几十年中该“量子指南针”导航系统也将很有可能广泛应用于汽车中。

腾讯科学讯据国外媒体报道,目前导航领域处于领先地位的仍然是美国的全球定位系统,可为全球大约98%的地区提供精确的定位服务,全球定位系统共有24颗导航卫星,接收卫星信号时如果导航卫星越多,定位的精确也越高。24颗卫星分布在6个轨道上,可以保证任何时间都能接收到4-5颗卫星的信号,定位精度在10米级左右。现在,来自英国的科学家称未来三至五年内开始研发新的导航技术,不依靠太空技术,使用量子罗盘来取代全球定位系统,不仅可以用于军事领域,还能在手机上实现导航。

激光能捕获真空中的原子云,并使其冷却到绝对零度以上不到1度,超低温下原子会变成一种量子态,这种量子态很容易受外力干扰而破坏,这时用另一束激光来跟踪监测干扰造成的任何变化,就能计算出外力大小。由于潜艇航行时会受到海水作用而左右摇晃,导致略微偏向,DSTL小组希望能把这套系统用在水下环境。

近日,英国国防部向人们展示了该“量子指南针”导航系统的原型机,其外形酷似长约1米的鞋盒子。因此,该“量子指南针”导航系统下一步的工作就是进行小型化设计。经过小型化设计后,该“量子指南针”导航系统可以由单个士兵进行独立操作,并可以应用到大型船舶以及潜艇中。另外,该“量子指南针”导航系统不仅定位准确,而且其安全性能更加突出。该“量子指南针”导航系统可以防止信号受到干扰。因此,其更加适合军事级别的应用。但是,该量子指南针”导航系统的定位精度更加准确,这有助于该技术应用到所有相关行业中。

根据国外媒体GPSDaily的描述,该“量子指南针”导航系统在真空环境下通过利用稍稍高出绝对零度的温度俘获并冷却原子云。在如此低的温度下,原子会达到某种量子态,此时原子对加速和地球的磁场非常敏感。这意味着通过判断加速度,“量子指南针”可以测量位移。同时也可以比对地球“磁场分布图”来确定目前的绝对位置。此前,潜艇定位系统在水下主要依赖于加速度计来实现定位功能,利用此加速度计完成1整天的定位工作后其定位误差达到了1英里。而目前通过“量子指南针”得到的潜艇位置相较以上方法准确度有了大幅的提高,在完成1整天的定位工作后其定位误差仅为3英尺。

英国国防部投入了数百万英镑的资金来研究新的导航与定位技术,他们希望能在军事领域发挥强大的作用,不仅可以用于战斗机导航和定位,连核潜艇也可以使用,目前全球定位系统的信号显然无法支持长期处于深潜状态的核潜艇,这也是英国国防部研发新型导航技术的初衷,量子罗盘技术可以让核潜艇获得自己的位置,增加作战的主动性。

该QPS样机就像个1米长的鞋盒,一开始只能沿一条轴线工作,加入另外两套激光器和捕获的原子之后,就能协调三维方向的运动了。每套激光器能给100万个铷原子制冷。“一旦我们掌握了第一代,就能把它们小型化用到其他地方。”斯坦菲尔德说。他们将于2015年9月先在陆地上进行实验。

近日,英国国防部向人们展示了该“量子指南针”导航系统的原型机,其外形酷似长约1米的鞋盒子。因此,该“量子指南针”导航系统下一步的工作就是进行小型化设计。经过小型化设计后,该“量子指南针”导航系统可以由单个士兵进行独立操作,并可以应用到大型船舶以及潜艇中。另外,该“量子指南针”导航系统不仅定位准确,而且其安全性能更加突出。该“量子指南针”导航系统可以防止信号受到干扰。因此,其更加适合军事级别的应用。但是,该量子指南针”导航系统的定位精度更加准确,这有助于该技术应用到所有相关行业中。

英国国防科技实验室斯坦斯菲尔德认为定位系统对核潜艇有着至关重要的作用,尤其是在作战部署时可以精确定位潜艇的位置,并为发射导弹服务,该技术最大的特点是不依赖太空卫星。其设计灵感来自超冷原子技术,其敏感性可感知地球磁场和重力场的变化,从而换算出精确的位置信息,该技术此前获得了诺贝尔奖。如果英国科学家将其开发成定位系统,那将是导航领域的一大飞跃。

目前该QPS尚未完成,它还不能把微小的万有引力效果和船只运动造成的加速区分开来。“如果潜艇通过一个水下山脉,山脉的万有引力把它向西吸引,感觉上就像它在向东加速。我们要有很好的万有引力地图才能把它引导到正确方向。” 伦敦帝国学院冷物质中心的爱德华:海因德说。

目前导航使用的是卫星技术,如果战争中将卫星击落或者进行干扰,那么导航定位功能就无法实现,国防科技实验室开发的量子导航技术可以解决这个问题,同时小型化后的量子导航可以方便携带,成为一种军民两用的导航定位系统。

除了DSTL小组以外,中国和澳大利亚也在研究量子导航系统。英国法斯莱恩北约潜艇救援服务机构负责人、前皇家海军潜艇驾驶员约翰:波伊斯说:“超精导航系统能让潜艇船长睡得更好。由于潜艇不必再担心与GPS失联,也会让巡航探测更轻松。”

有评论指出,量子罗盘技术可以让全球定位系统过时,发射组网一套由24-30颗卫星组成的全球定位系统需要花费百亿美元以上,俄罗斯、欧洲、中国和美国都投入了大量资金打造自己的导航系统,量子罗盘显然会颠覆整个行业,让这些百亿美元的太空资产变成鸡肋。从中可以看出,技术创新是非常重要的,循规蹈矩永远也赶不上技术发展的潮流,尤其在反卫星手段越加丰富的趋势下,轨道卫星显得更加脆弱。

波伊斯认为,该技术可能产生的最大影响是微型化以后用在未来武器上。“虽然潜艇的位置不需要精确到几米几厘米,但导弹、炮弹需要。”

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它的应用还不止武器范围。研究小组负责人斯蒂芬:蒂尔说:“10到20年前我们需要一个巨大的低温制冷器,但激光制冷原子云改变了一切,下一代制冷技术可能拓展到方方面面,从汽车到智能手机。“我们相信它在尺寸和耗能方面都会下降到能装在仪表板上。”

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