替代GPS！美国五角大楼重金研发量子传感器，这是最成熟的量子技术

面对精确导航和授时所需的GPS信号面临的日益严重的威胁，美国国防部正在关注局部量子传感器，将其作为天基全球定位卫星系统的替代方案。
 

美国国防创新部门（DIU）的Nicholas Estep中校指出，在军事冲突中，“你需要预先假设一个GPS信号退化、甚至遭到拒绝的环境，在这个环境中，你不能依赖GPS等外部PNT信号。”
 

俄乌战争和中东的战争暴露了信号干扰与欺骗如何给军队带来毁灭性的打击，因此寻找GPS的替代方案已是当务之急。
 

正因如此，五角大楼在硅谷的采购前哨DIU正在寻找商业合作伙伴，帮助国防部开发分布式、本地化的GPS替代方案，这些替代方案不再依赖于来自地球表面数千英里外容易受到干扰的信号。
 

这一次，美国国防部将目光投向了量子传感器。

  “尽快将这些方案交到军队手中”

 

“我们必须找到能够继续支持PNT（Positioning，Navigation&Timing，定位、导航和授时）的解决方案，让联合部队能够执行使命。”Nicholas Estep中校强调道。
 

Nicholas Estep中校是美国空军现役军官，也是DIU新兴技术产品组合的主任。Nicholas负责领导新兴技术团队，该团队目前专注于为国防部开发与提供创新的量子应用、高超音速和先进材料解决方案。
 

图：Nicholas Estep
 

来源：DIU
 

  今年5月，DIU发布“量子传感器转化”（TQS）项目招标书，向工业界寻求能够替代GPS的量子传感器。该项目探索三个主要领域：量子惯导、量子磁力计和量子传感的螺旋增强。DIU官网资料显示，TQS项目侧重于展示量子传感器的军事用途，以解决联合部队的战略能力，如PNT和异常检测。
 

数十份提案涌入。Estep表示：“我们确实收到了非常多的热情反馈，其中既有传统的初创公司，也有非传统公司。”
 

Estep说，此次征集旨在鼓励各种方法和解决方案。“不可能出现一个适用于所有情况、满足所有部队需求的量子传感器。空军会使用，海军也想使用，陆军更是如此……不存在one fit all的灵丹妙药 ，对于量子和经典传感器都是如此。”
 

因此，DIU把外形尺寸和技术成熟度作为不同的标准，将行业申请者提出的各种方法与适当的用例相结合。“有些量子传感器可能更适合飞机，有些技术则更适合为水面或水下船只提供支撑。”Estep表示。
   
    据悉，DIU正在与国防部的多个军种和其他利益相关者合作，“以尽快将这些创新解决方案交到军队人员手中”，Estep解释道，“我们会帮助协调这些不同的技术解决方案，相关性最强的就是服务部署机制和各种任务集。”
 

美国太空军（美国空军下属的独立部队，于2019年正式成立）还在研究弹性的天基PNT解决方案，包括将GPS信号分散到不同轨道的各种卫星上，以此来提高系统的稳健性与抗干扰性。
 

事实上，弹性PNT是空军部长Frank Kendall确定的“两种能力”之一，可以在国会授权的新“快速启动”资金权限下使用，使得太空军无需等待完整的的立法审查即可提前启动某些项目。


  关于量子传感器与GPS，我们需要知道


    几十年来，全球定位系统（GPS）一直是PNT（定位、导航和授时）的基石，GPS技术在准确性、完整性、安全性与使用范围方面都在不断发展。尽管GPS是一种功能强大且无处不在的工具，但它的使用和可靠性仍然存在局限：GPS依赖卫星的特性使其容易受到太空天气事件和潜在的太空敌对行动的影响，威胁行为者可以通过干扰和欺骗手段干预GPS系统，主要表现为服务中断、被拒绝与受到操纵。
 

  来源：NASA

    上文频繁提及的PNT，所代表的三种基本功能为：

定位，即能够准确和精确地确定物体或人的位置（通常是纬度和经度，有时包括高度）以及相对于参考点的方向的能力；

导航，即能够测量并修正航向、方向和速度，以到达期望位置的能力；

授时，即在用户定义的及时性参数范围内，能够获取、维持和/或同步相对于标准时间（如协调世界时）的准确和精确时间的能力。

干扰和欺骗的攻击方法不同，但这两种情况在世界范围内都变得越来越普遍，包括在波罗的海地区、乌克兰和中东地区对GPS系统的攻击。除了欺骗和干扰，GPS在无GPS或受限的环境中还面临挑战，在这些环境中，GPS信号要么不可用，要么不可靠。这些环境可能是由于多种原因造成的，包括：地下或水下位置；城市峡谷；极地地区等。
 

即使在GPS信号不可用或不可靠的环境中，许多量子传感器依然可以提供导航信息。根据量子经济发展联盟（QED-C）的报告，此类传感器包括量子加速度计、陀螺仪、磁力计、重力仪和重力梯度仪。量子重力仪和量子磁力计是被动的，可以在全天候条件下、一天中的任何时间以及海洋等无特征的环境中运行，从而实现引力异常辅助导航（GravNav）和磁异常辅助导航（MagNav）。
 

图：美国陆军研究实验室（ARL）的Rydberg量子传感器实验装置
  来源：美国陆军研究实验室


    与传统GPS相比，量子传感器在抵抗欺骗和干扰方面也具有一些优势。它们可以在GPS信号受到干扰的情况下提供替代PNT信息，并帮助识别信号何时被欺骗，例如通过使用原子钟为射频场提供更准确的到达时间测量。联网量子传感器有望为当前的PNT工具提供补充信息，在短期内不会完全取代GPS。GPS将继续发展，新一代卫星使用先进的量子传感器/原子钟，提供更好的信号结构和先进的地面控制系统。随着量子传感器技术的成熟和商业化，它在各种PNT应用中的采用可能会增加。混合系统也可能出现，它利用传统GPS和尖端量子传感器技术的优势，以及其他经典的互补PNT技术。

  美国国防部入局，量子传感是三大量子领域最成熟的技术

    量子经济发展联盟（QED-C）是由美国国家标准与技术研究院（NIST）支持的行业主导的、目前最大的量子产业联盟。量子经济发展联盟的执行董事Celia Merzbacher表示，量子传感是三大量子领域（指量子计算、量子通信、量子传感）中“（公众）了解度最低但技术成熟度最高”的一个。
 

“在某种程度上，可以支持定位、导航和授时的量子传感技术已经存在。”她表示，该技术与原子钟中使用的技术相同，后者根据亚原子粒子的运动提供精确计时。

DIU提供的产品概述了量子传感适用于PNT的三种方式：测量运动、重力和地球磁场。每种方法都为飞机、轮船或车辆提供了一种准确确定其位置的方法，而不必依赖来自遥远GPS卫星的无线电信号。

Merzbacher预测，国防部的参与可能会在五年内刺激量子传感PNT的商业市场。她提到，如果没有国防部，市场增长将需要更长的时间，“因为这些为PNT和其他用途开发量子传感器的公司都是较小的公司，他们无法在资源有限的情况下，投资于任何需耗费超过两三年上市时间的产品。”
 

来源：DIU
    这正是DIU成立的初衷——为技术搭建通往私募股权的桥梁。“私人资本很昂贵，而且很难获得，”Merzbacher坦言，“国防部（的招标）实际上是在为量子传感市场定信号、做担保。”

“政府确实可以通过介入并支付现阶段的工程研发成本来加速技术进步，”她解释道，“最终，随着收入的产生，这些公司可以进行再投资。但是，如果政府没有选择介入......那么进展只会慢得多。”

从实验室到战场的过渡是一个关键障碍。她提到：“一个巨大的挑战是在受控环境中集成这些实际上刚刚在实验室中被开发出来的新组件，将它们打包成可以装上飞机或太空平台的东西，并承受振动或辐射的严酷考验。”


  行动

美国海岸警卫队（U.S. Coast Guard）职业军官、弹性导航与授时基金会（Resilient Navigation and Timing Foundation，简称RNTF）主席Dana Goward提到，其他国家正在投资于自己的解决方案。

Goward表示，中国以及美国的盟友韩国和沙特阿拉伯等已经拥有了一个运行中的地面替代GPS系统——增强型罗兰授时系统（eLORAN），Goward表示。eLORAN依赖于双曲线导航，其中飞机、船只或车辆可以通过对比两个或更多地面广播塔发出的信号来确定其位置。

“它比GPS或其他基于卫星的PNT系统更精确、更难以被干扰，”Goward说。

来源：DIU
    Goward认为量子传感是“令人兴奋的”，但他也表示，这项技术可能需要“许多年”才能清除所有必要的工程和技术障碍，实现广泛应用。他还提到，GPS现在已被消费者和企业视为理所当然，并且对于它的脆弱性知之甚少。但是，需要在极低温度下维护材料或在极其精确的激光频率下运行的技术，还远远没有准备好进入黄金时期。“它们会不断改进，也许有一天它会普及到像你我这样的普通人。”

  量子定向越野
 

许多支持者表示，支持PNT的量子传感技术标志着一个重大的变化，它代表了一种从传统的基于信标信号的GPS或eLORAN方法的根本转变。“下一代PNT技术将定位功能回归到本地车辆或个体，并本质上表明，现在我们希望能够仅使用我们本地测量的东西来导航，”量子技术公司Q-CTRL的首席执行官Michael Biercuk说。

由于地球的磁场和重力场在不同地方有微小的变化，并且这些变化已经被绘制成图，一个能够测量这些微小变化的工具就可以准确定位用户，Biercuk解释道。“如果你将这些地球物理现象的高质量地图与一个高质量的本地传感器结合起来，你就可以做到有时被我们笑称为‘量子定向越野’（Quantum Orienteering ）的事情，”他说，“你可以拿着你的地图和传感器，计算出你在哪里。”

“量子传感设备的极端技术要求可以通过使用软件算法来缓解，”Michael Biercuk提到，“量子传感器在实验室的性能非常出色，但实验室外的表现会大大下降。任何时候只要你把它放在一个移动的载体上，都很难保持其运行。它们是非常非常敏感的设备。”

但Q-CTRL已经证明，将非常好的硬件工程与软件启用结合起来时，实际上可以使这些工具在真实环境中变得可行。该公司正在与空客公司合作，对一种可以安装在商用飞机中的GPS替代惯性运动传感器进行安全测试，预计“可能在两到三年内实现”。
  参考链接

  [1]https://www.airandspaceforces.com/dod-innovators-quantum-tech-alternative-gps/

[2]https://www.diu.mil/team/nick-estep

[3]https://thequantuminsider.com/2024/05/16/us-defense-innovation-unit-launches-new-tech-portfolio-with-quantum-sensors-initiative/

[4]https://quantumconsortium.org/pnt2024/

[5]https://www.diu.mil/latest/defense-innovation-unit-launches-first-cso-under-new-emerging-technology

[6]https://quantumconsortium.org/  

来源：光子盒