量子計量技術(shù)在預(yù)警機導(dǎo)航中的應(yīng)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(fā)展最主要方向。最近這些年，是各種量子探測科學領(lǐng)域中，發(fā)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(xiàn)象分析來測量常規(guī)學的實驗現(xiàn)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(xiàn)象，量子計量可以打破現(xiàn)有測量系統(tǒng)（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(tǒng)。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(dǎo)入到量子計量領(lǐng)域。檢測能力是早期警戒飛機的核心戰(zhàn)斗能力之一。作為一個復(fù)雜的大規(guī)模信息采集系統(tǒng)，量子計量技術(shù)將帶來現(xiàn)有早期預(yù)警飛機檢測系統(tǒng)的重要變化，其應(yīng)用大大提高了預(yù)警飛機的核心能力[1]。

一、量子計量技術(shù)主要應(yīng)用

（一）量子導(dǎo)航技術(shù)

以網(wǎng)絡(luò)為中心的戰(zhàn)爭（NCW）系統(tǒng)需要利用確切時間數(shù)據(jù)和空間節(jié)點在戰(zhàn)斗平臺中進行信息合作。作為空中的重要核心節(jié)點，預(yù)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(dǎo)航信息。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航（gps）和慣性導(dǎo)航是最常用的兩種導(dǎo)航方式。然而，戰(zhàn)斗的持續(xù)進行，很多缺陷也暴露在大家眼前。首先，中國構(gòu)筑了Beidou衛(wèi)星系統(tǒng)，但Beidou系統(tǒng)不完善，所以GPS導(dǎo)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(zhàn)爭。第二，在電子信息戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展中，GPS、等一系列偽裝技術(shù)逐漸成熟，很多信息傳輸也逐漸不安全，第三很多導(dǎo)航系統(tǒng)都會對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。第四，在復(fù)雜地理環(huán)境中，衛(wèi)星導(dǎo)航信息不可用。目前，光學陀螺儀廣泛用于飛機安裝慣性導(dǎo)航裝置×10-4系統(tǒng)的精度比傳統(tǒng)的機械式回轉(zhuǎn)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(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)存在的問題，開始發(fā)展新的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。量子導(dǎo)航技術(shù)是最有希望的新導(dǎo)航技術(shù)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(shè)定了所有相關(guān)項目，對量子導(dǎo)航技術(shù)進行了徹底的研究。目前，量子導(dǎo)航的主要技術(shù)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(fā)之后，超精細低能量狀態(tài)的原子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌毟吣軕B(tài)。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(jié)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(luò)區(qū)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(tǒng)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(xiàn)。目前，DARPA已經(jīng)開始了基于低溫原子干擾原理的三個導(dǎo)航工程。水蛇（高動態(tài)范圍原子傳感器）、C-掃描（芯片組合原子導(dǎo)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(dǎo)航用小型高性能原子干涉儀）的慣性導(dǎo)航，作為緊湊的陀螺/accel也執(zhí)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(dǎo)航技術(shù)。同時，在各種研究領(lǐng)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(fā)展，改善冷原子干擾陀螺技術(shù)。目前，在實驗室中進行的低溫原子干擾導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)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(shù)中獲得重大突破。然而，為了實現(xiàn)冷原子導(dǎo)航裝置的實際應(yīng)用，有必要進一步降低系統(tǒng)的體積，重量和耗電，并進一步提高系統(tǒng)集成。

圖1 冷原子干涉原理圖

圖2 超流體原理圖

二、量子導(dǎo)航技術(shù)對預(yù)警機作戰(zhàn)模式的改變

與傳統(tǒng)的陀螺技術(shù)相比較來看，高精度的量子陀螺旋轉(zhuǎn)技術(shù)、更新層次的接入網(wǎng)絡(luò)、抵抗外部環(huán)境干擾。各種量子信息技術(shù)已經(jīng)相對成熟，陀螺儀旋轉(zhuǎn)功能也快速發(fā)展，并且對提高現(xiàn)有的早期警報器的能力是實際重要的。量子陀螺的應(yīng)用大大提高了預(yù)警飛機今后的戰(zhàn)斗能力，并使預(yù)警飛機的變更模式的使用形態(tài)如下。Beidou和其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將被完全替換。早期預(yù)警飛機對戰(zhàn)斗環(huán)境的適應(yīng)性進一步增強，復(fù)雜環(huán)境（復(fù)雜地形，復(fù)雜氣候，復(fù)雜的電磁環(huán)境等）下的戰(zhàn)斗能力大大提高。早期警戒系統(tǒng)快速發(fā)展，例如beidou和其他衛(wèi)星偽裝技術(shù)有了很大的突破，相關(guān)領(lǐng)域的電子戰(zhàn)模式發(fā)生了很大變化。早期預(yù)警飛機的時間、姿勢、速度、位置、導(dǎo)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(dǎo)航信息是AWCS的每個子系統(tǒng)的基準，因此AWACS的檢測精度、命令精度和網(wǎng)絡(luò)通信性能大大提高。除了獲得各種信息數(shù)據(jù)，還可以進行地形探測。因此，相應(yīng)的設(shè)備可以安裝在其他民間任務(wù)中，以發(fā)揮早期預(yù)警飛機的作用[3]。

三、結(jié)束語

作為一個大規(guī)模的復(fù)雜信息系統(tǒng)，量子計量的發(fā)展必然對現(xiàn)有的性能和系統(tǒng)有很大的影響。量子計量技術(shù)對于現(xiàn)有的測量系統(tǒng)的巨大優(yōu)點還破壞性地提高了預(yù)警飛機的戰(zhàn)斗能力，改變了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)爭的現(xiàn)有概念。在量子計量技術(shù)的沖擊下，改變現(xiàn)有的戰(zhàn)斗模式和系統(tǒng)，在新的戰(zhàn)斗系統(tǒng)下發(fā)揮智能站和命令控制中心的作用，將對應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)術(shù)公式化應(yīng)該是將來應(yīng)用的重點。新興發(fā)展中國家，如何最大限度地利用逆向優(yōu)勢，增加量子計量領(lǐng)域的科學研究投資，轉(zhuǎn)變?yōu)榻窈髧覒?zhàn)略水平的優(yōu)勢，是在下一階段應(yīng)該討論的重要課題。