美國量子導航突破！導彈不再依賴GPS？稱中國在第三層次

美國正在開發一種新型量子慣性導航技術，導彈可不再依賴GPS？或已建立不對稱優勢。

俄烏戰爭，雙方都高度依賴GPS等衛星定位系統，不僅坦克、裝甲車、飛機、導彈，甚至炮彈也要GPS，美國援助烏克蘭的海馬斯可以發射GPS制導炮彈，前期給俄羅斯造成了巨大損失，此後俄羅斯加強了GPS干擾，才讓海馬斯漸漸失去了威力。

目前俄烏雙方都在大肆干擾GPS衛星信號，不僅兩國民衆苦不堪言，周邊國家也受到了影響，今年這類消息更是層出不窮，比如波蘭一半領土上的GPS信號，就被俄羅斯壓制時斷時續，歐洲數千架飛機遭到GPS干擾，俄羅斯GPS干擾給黑海地區帶來新的危險，波羅的海GPS干擾激增等等。

GPS包括其他各國的衛星定位系統，可以說已成爲人類最重要的基礎設施，對我們的工作生活有着舉足輕重的作用，但GPS也是出了名的脆弱，信號很容易就被幹擾，因爲衛星在20000多公里的軌道上，信號傳到地球表面已極爲微弱，甚至室內都無法接收，更別說用電子戰手法干擾了，一個功率不大的干擾器，都可能導致大片地區的GPS信號受到影響。

尤其是現在的導彈，如果完全依靠GPS導航，很容易被幹擾失去準確打擊的能力，那要怎麼辦呢？美國海軍研究實驗室 (NRL)最近就開發出了一種新型的量子導航工具，叫做連續3D冷卻原子束干涉儀（Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer），可以顯著提高慣性導航的精度，或許已建立了針對其他國家的不對稱優勢。

所謂慣性導航，就是利用加速計、陀螺儀測量物體的加速度和角速度，通過電腦來估算運動物體的位置、姿態、速度，從而進行定位導航。事實上慣性導航並不是什麼新東西，早在二戰時期，德國的馮·布勞恩就將加速計、陀螺儀與模擬計算機結合起來，製成了V2導彈導航系統，向盟軍發射了3000多枚，導致近萬名平民和軍人死亡。

戰後馮·布勞恩及500名火箭專家被美國俘獲，開始爲美國研發火箭，1950年代麻省理工也開發出了獨立的慣性導航系統，此後的阿波羅登月、波音公司早期的747、美國空軍的運輸機等也使用了慣性導航技術。

慣性導航的原理很簡單，就是通過運動軌跡實時推算自己的方位。系統主要由測量單元IMU和計算單元構成，IMU主要包括加速計、陀螺儀，有的還有電子羅盤和氣壓計等傳感器，可以獲得更精確的測量信息。計算單元則主要由姿態解算單元、積分單元和誤差補償單元組成。

其中加速計負責測量物體在各個方向上的加速度，通過積分來求得速度和位置。陀螺儀則通過測量物體圍繞軸旋轉的角速度，來確定物體的方向變化。這些信息彙集到計算單元后，通過積分計算及誤差補償，最終得到準確的導航信息。

這個可能有點難以理解，你可以想象你被蒙上眼睛帶上汽車，汽車加速你向後倒，汽車剎車你身體前傾，汽車上坡你下壓座位，汽車下坡你短暫失重，汽車轉彎你左傾右傾。這是因爲我們的耳蝸裡就有加速計和陀螺儀，叫做耳石和半規管，它們測得的信息匯入大腦後，通過計算就可以幫助我們確定身體運動的速度和方向了。

慣性導航的優點很明顯，那就是它不依賴外部信號，可以獨立操作，你只需要在運動開始的時候，給它提供初始位置和速度，它就能通過加速計、陀螺儀不斷地測量加速度、角速度，實時計算出當前的位置和速度。想象一下，導彈用它導航將不會受到任何干擾，可以勇往直前直搗黃龍，令敵人無法防範。

但慣性導航的優點遠不止於此，水下、地下、太空無法接收GPS信號，利用慣性導航可以不受客觀條件的限制，全天候、全天時、全地理地工作。更關鍵的是，慣性導航和外界信號沒有關係，不會受到干擾和欺騙，還能提供GPS沒有的姿態和航向信息。另外把它和衛星導航結合起來，就可以提供更精確的導航服務，並且不怕衛星信號被短時遮擋，在立交橋下或者隧道內實現連續的定位。比如中國的北斗/INS組合系統，就可以顯著提高導航精度和可靠性，特別適合在衛星信號受限的區域提供高精度的導航。

但慣性導航也有致命的缺點，那就是它精度不高，並且隨着時間的增加，誤差累積會越來越大。數十年來科學家們通過不斷改進加速計、陀螺儀和算法，開發出了各種慣性導航系統。尤其是慣性導航精度嚴重依賴於陀螺儀，目前已有激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMS陀螺儀、原子陀螺儀等問世，慣性導航的精度也越來越高，目前商用慣性導航系統在360小時，也就是15天內的導航誤差累積約爲1海里左右。

但總歸來說，慣性導航精度越高，系統越複雜，成本越高，動輒數十數百萬元，嚴重限制了它的應用範圍，目前還是主要應用於軍事航天領域，並且由於需要初始校準和累計誤差，主要是作爲輔助定位系統，和其他定位技術組合使用，比如F-22、F-35等隱形戰鬥機就安裝有慣性導航系統，可以悄無聲息地遂行作戰任務。

美國海軍這次推出的連續3D冷卻原子束干涉儀，是一種基於量子技術的高級慣性測量設備，使用了冷原子技術和原子干涉儀原理。所謂冷原子技術，就是通過激光冷卻和磁光阱技術，把原子冷卻到接近絕對零度，使其熱運動極其微弱，從而可以非常精確地控制和測量它們的運動狀態。在極低的溫度下，原子的德布羅意波長增加，量子效應也更加顯著，從而可以提高測量的精度和靈敏度。

而原子束干涉儀，則是利用量子力學的波函數干涉效應來測量原子的運動狀態。在干涉儀中，一束冷卻的原子會被分成兩個分支，這兩個分支沿着不同的路徑移動，經歷不同的相位變化，當它們重合時，相位差就會形成干涉圖樣。通過測量這種干涉圖樣，可以非常精確地推斷出原子在兩條路徑上所受到的影響，如加速度和旋轉。

傳統的原子干涉儀通常使用脈衝原子束，即原子在特定時刻以脈衝的形式釋放。而連續三維冷卻原子束干涉儀則維持一個持續的原子流，有助於實現更連續和穩定的測量，特別是在需要長時間監測的應用中。冷原子束干涉儀的高靈敏度和精確度，讓它能夠檢測極其微小的加速度和角速度變化，顯著提高測量精度和系統的抗干擾能力。

根據美國海軍研究所的說法，連續3D冷卻原子束干涉儀能夠實現高測量對比度、低噪聲並改進對傳感器環境變化的處理，有可能幫助海軍在無法使用GPS的環境中作戰，並克服GPS精度的限制。這是什麼意思呢？是不是意味着這種導航的精度極高，可以實現不依賴GPS的精確導航了呢？由於沒有更多的信息透露，我們暫時還不得而知，但如果真的是這樣，那就可能已建立了某種不對稱的優勢。可以想象，這種技術的發展可能會對軍事、航天和其他高精度測量領域，產生多麼深遠的影響。

而隨着無人駕駛、人形機器人、無人機、無人船、無人潛航器等無人系統的發展，慣性導航由於自主連續、全方位、全時空、不受外界干擾等優點，必然會越來越多地進入民用領域，甚至可能會起主導作用，道理很簡單，一個人形機器人，你不可能讓它完全憑藉GPS來定位，一朵雲飄來都可能讓它呆若木雞，這還怎麼工作啊？

所以讓這些無人系統像我們人類一樣，擁有自己的“耳蝸”系統，可以自主地，不受外界干擾地確定自己的速度、位置和姿態等信息，是技術發展的必然。雖然這些現在都還處於開發初期，可能暫時還涉及不到，但未來慣性導航將成爲這些系統必不可少的要件。

不過中國在慣性導航方面前期似乎並未引起重視，目前的發展離世界先進水平可能還有較大差距，我看到一份2020年的報告，美國防部根據慣性導航技術的發展水平，把全球國家分爲4個層次：

第一層次包括美國、英國和法國，具備完全自主研發慣性技術的能力；

第二層次包括俄羅斯、德國、以色列和日本，具備大部分自主研發能力；

第三層次包括中國、澳大利亞、加拿大、瑞典、烏克蘭，具備部分研發能力；

第四層次包括韓國、印度、巴西、朝鮮、瑞士、意大利等，具備較爲有限的慣性技術研發能力。

具體來說，美國的霍尼韋爾、諾格和法國的賽峰是全球慣性技術領域最頂尖的公司，其他還有英國BAE系統公司，德國博世公司，俄羅斯物理光學，日本航空電子工業、三菱精密等。

同年的另一份調研報告表明，中國國防科大已實現激光陀螺儀技術突破，達到世界領先水平，光纖陀螺儀產能過深，但高精度產品還有差距，其他更先進、更高精度的MEMS陀螺儀、半球諧振陀螺儀則差距較大。