《量子导航的军事应用》报告

量子导航技术有望彻底改变军事行动，尤其是在传统导航系统难以发挥作用的情况下。随着战争越来越依赖于隐形、自主系统以及在全球定位系统失效环境下的可靠导航，量子技术提供了无与伦比的精确性、自主性和安全性。在陆地、海上或空中的军事环境中，这些系统有望克服全球导航卫星系统（GNSS）和惯性导航系统（INS）的局限性。量子惯性传感器、重力仪、磁力计、定位系统和量子通信协议可用于加强军事行动。

包括全球定位系统在内的全球导航卫星系统一直是现代军事导航的基石。然而，对卫星信号的依赖使这些系统容易受到干扰、欺骗和物理攻击。全球定位系统信号很容易受到对手的干扰，在某些环境下，如水下或信号干扰密集的争议地区，其可靠性会急剧下降。现代冲突，如正在进行的俄罗斯-乌克兰战争和以色列-哈马斯战争，暴露了 GPS 固有的弱点，即信号干扰、欺骗和在有争议的环境中失去服务，严重影响军事效率。这种局限性迫使军事战略家和研究人员探索替代导航系统，而量子技术作为一种潜在的游戏规则改变者走在了前列。此外，全球导航卫星系统在水下无法使用，严重限制了其在潜艇或北极条件下的应用。

量子惯性导航系统（QINS）：革新惯性导航

传统的惯性导航系统虽然能够独立于全球导航卫星系统（GNSS）工作，但会出现 “漂移”--一种由不精确的加速度计和陀螺仪造成的累积误差。这种误差会随着时间的推移而加剧，从而限制了惯性导航系统在不通过全球导航卫星系统重新校准的情况下执行长时间任务的有效性。然而，量子惯性导航系统（QINS）基于原子干涉测量法，可显著提高精度并最大限度地减少随时间的漂移。

量子加速度计和陀螺仪利用量子力学原理，将超冷原子（如铷或铯）作为高灵敏度的运动探测器。例如，第一台使用铯原子的量子陀螺仪的偏置稳定性比最好的商用级光纤陀螺仪好 300 倍，其角度随机漫步（噪音测量）的准确性也高出 1000 倍。这意味着量子陀螺仪可以提供长达数月的高精度导航，而无需重新校准，因此非常适合军用潜艇或在 GPS 信号屏蔽环境中自主运行的无人机。

目前，量子陀螺仪的角漂移率已达到 1e-6°/小时，明显优于传统系统，后者的漂移率为 0.001°至 1°/小时，导致 10 公里/小时的误差。量子陀螺仪的这一精度水平降低了通常与 INS 漂移相关的导航误差，使军事资产能够长时间保持航向，而无需进行地面固定。

量子定位系统（QPS）：自主、防篡改

量子定位系统（QPS）为全球导航卫星系统（GNSS）提供了一个改变游戏规则的替代方案。通过利用量子加速计、陀螺仪和重力仪，QPS 无需外部信号或卫星数据就能计算出精确的位置，从而使其具有防篡改性，不受干扰或欺骗。

QPS 依靠量子增强惯性传感器，即使在长时间任务中，也能以精确的精度持续跟踪飞行器的运动。与量子重力仪和磁力计集成后，这些系统提供的实时位置更新比目前任何基于卫星的系统都更加精确。这对于在全球定位系统禁区内作业的潜艇、飞机和无人机尤为有用。

QPS 技术可将定位精度保持在 1 厘米以内，而 GPS 的精度仅为 1-5 米。这种精度水平对于导弹部署或侦察等隐形行动至关重要，因为在这些行动中，即使是很小的偏差也会影响任务的成功。

图 1：用于定位导航和定时的量子技术概览

量子导航系统的军事应用

量子导航系统在各个军事领域都有广泛的应用。从提高空中和海上行动的精确度到提高地面部队的应变能力，量子导航系统有望彻底改变现代战争。

海上行动英国皇家海军在 XV 帕特里克-布莱克特号上进行的测试证明，量子导航技术在海上行动中非常有效。该系统可在没有全球定位系统的情况下实现精确导航，这对于无法在水下使用全球定位系统的潜艇来说至关重要。量子增强惯性导航系统（INS）和量子重力仪可实现潜艇的隐身、长时间导航，降低探测风险。此外，自动潜航器（AUV）也能从量子系统中获益，最大限度地减少漂移，提高长时间任务的性能。

图 2：英国皇家海军 XV 帕特里克-布莱克特号舰载量子导航系统

机载操作

波音公司成功地在飞机上测试了量子导航系统，这是一项关键的进步，可以实现无 GPS 的精确导航，尤其是在 GPS 被屏蔽的环境中。这对于战斗机、无人机和运输机等军用飞机来说至关重要，因为在这些飞机上，GPS 经常受到干扰。量子导航在无人机战争中也大有可为，可确保在 GPS 受干扰的情况下仍能有效作战。

图 3：测试量子导航系统的波音机组人员