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方兴未艾的量子导航定位技术 精选

已有 3019 次阅读 2019-8-10 08:45 |个人分类:思维秀场|系统分类:观点评述

   

从中国知网发布的22篇中文文献和18篇外文文献可知,量子导航定位技术研究方兴未艾。

      中文文献[1] 这样介绍量子定位导航系统(Quantum Positioning SystemQPS):它是在GPS的基础上,利用具有量子纠缠特性的纠缠光取代电磁波,通过测量相互关联的两束纠缠光的到达时间差结算处卫星与用户的距离以及用户的空间坐标。(纠缠光的纠缠度、带宽、光谱、功率和脉冲中光子数都会影响QPS的精度,光子数越多,QPS的定位精度越高。)QPS可以分为地基的、星基的两种。文献[4]描述了它们的差异。如果在卫星上配置了捕获、跟踪、瞄准系统,还有角锥反射器;地面用户端配置纠缠光资源和分束器,也携带捕获、跟踪、瞄准系统、可调光延迟器、干涉器(包括分光镜、单光子探测器和测量单元等),者就是地基的QPS。星基的QPS是将原来安置在卫星上的角锥反射器安置在地面用户端,原来安置在地面的设备部署到卫星上。

       我个人理解,这里的所谓角锥反射器,就是从事卫星激光测距的技术员们经常提到的后向反射器(阵列)。其功能就是使入射激光被反射后,与入射光平行地回到光源。QPS中纠缠光子的发射、探测也和卫星激光测距中的光子探测有共通之处。差别在于,激光测距中使用的光子脉冲,仅仅是用以测量时间差,而QPS中星地两端都发射信标光,而且还利用了纠缠光子源(星基或者地基)。

     中文文献[7] 表明最近二十年,作为一种新型导航技术,量子定位系统(QPS)因其特有的信息传输优势得到了飞速发展。此文简要介绍了卫星导航与惯性导航系统的原理及各自面临的问题,阐述了量子定位导航系统的概念与基本原理、量子导航的优势、量子导航的分类及国内外发展状况,并就目前量子导航所面临的问题及其发展前景提出了相应的观点。

    外文文献[5]的摘要大意为:随着导航定位服务需求的不断改进(升级),传统导航系统的精度与安全性在未来应用中受限。量子技术的发展成为新一代导航系统的希望。论文概述、分析了主动、被动量子定位系统的研究现状及其核心技术,以及相应技术的未来发展趋势。最后,在分析量子导航系统存在问题的基础上,论文提出了一种可应用于未来的解决方案,对量子导航系统的发展前景进行了展望。

       从中文文献数量上不难看出发文较多的研究者(括号里为文献量)。丛爽(6)尚伟伟(6)宋媛媛(4)隋岩(3)王大欣(2)陈鼎(2)匡森(2)杨绚(2)汪海伦(2)王志刚(2)王海涛(2)邓逸凡(2)朱凌晓(1)李云飞(1)袁泉(1)谢康(1)代飞(1)李云飞(1)杨勇(1)张旭(1)张淑媛(1)苑博睿(1)段士奇(1)贾爱爱(1)杨春燕(1)李广飞(1)邹宏新(1)王晓东(1)邹紫盛(1)宁瑾(1)马静(1)颜树华(1)马哲(1)宋培帅(1)李期学(1)徐有(1)聂聪(1)吴文燊(1)邱振宇(1)曹涌(1),等。

       从发文途径上看,丛爽(6)尚伟伟(6)宋媛媛(4)的论文除会议论文之外,主要发表在导航类学报《导航卫星学报》《导航定位学报》上。从共同署名上看,上述三个作者是有密切合作的。换句话说,中国科学技术大学信息科学技术学院(https://sist.ustc.edu.cn/2016/0421/c5169a83684/page.htm的丛爽(http://staff.ustc.edu.cn/~scong/)、吴文燊、段士奇、宋媛媛、尚伟伟 2017-2019年发表中文论文较多的作者。 这些研究者,值得重点关注。

   中文文献[18] 可以从http://www.mod.gov.cn/wqzb/2014-08/21/content_4530877.htm  获取全文。此文指出:据称,它告别了太空卫星,也不用依赖无线电发射塔,通过感知无处不在的地磁场,便可实现精确定位导航。专家认为,如此神奇的罗盘,使得潜艇不仅能够摆脱战争中卫星被击落、数据遭篡改等威胁困扰,而且将大大提高导弹发射精度和联合作战能力,因此前景广阔。

   中文文献[20]    http://www.cas.cn/xw/kjsm/gjdt/201405/t20140519_4122381.shtml   报道: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。” 

   可以期待:一旦实现万有引力效果和船只运动造成的加速的区分,量子导航系统(QPS)的性能会提高,应用也会更广泛。

    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。

   点明了量子导航的核心所在——激光器。http://scitech.people.com.cn/n/2014/1129/c1057-26115981.html

则是《科技日报》的另一篇报道《超冷原子云可为热振动制冷》,有助于理解QPS的关键词:激光制冷原子云。

    虽然都是采用了量子(纠缠)技术,地基、星基和水下的QPS技术,仍然有差异。


  ********************************************两篇参考文献的原文**********************************************

量子导航,潜海作战“定盘星”

                     来源:解放军报  作者:秦立新 张 燚 朱永昕  时间:2014-08-21 08:17:38

  在新近举行的“环太平洋-2014”军演中,一场由多国水面舰艇、战机与潜艇展开的攻防作战精彩上演。尽管海面上舰队驰骋往来,空中战机呼啸而过,但信守“韬光养晦”的各种潜艇却犹如深海幽灵,在大洋深处神出鬼没穿行。尤其作为航母隐形杀手,它们之所以能够具有强大威力,正是因为有身手不凡的“定盘星”为其保驾护航。

  横空出世,深海罗盘技高一筹

  虽然美国的GPS、欧洲的伽利略等卫星导航系统群雄逐鹿,在全球导航领域独占鳌头。但令此类“天基导航”鞭长莫及的是,因其信号无法穿透水面,所以如何为深潜大洋潜艇导航一直成为焦点难题。

  就在前不久,英国科学家另辟蹊径,成功研发的“量子罗盘”让世人眼前一亮。据称,它告别了太空卫星,也不用依赖无线电发射塔,通过感知无处不在的地磁场,便可实现精确定位导航。专家认为,如此神奇的“罗盘”,使得潜艇不仅能够摆脱战争中卫星被击落、数据遭篡改等威胁困扰,而且将大大提高导弹发射精度和联合作战能力,因此前景广阔。

  追根溯源,地球磁场指引方向

  看似非同寻常的“量子罗盘”,其实一如我们所熟知的指南针,蕴含着人类探索地球磁场的科学智慧,可以说,指南针为人类提供了最为简单便捷的导航方法。

  如果说指南针发明与应用是人类探索地球磁场的古老发现,那么“量子罗盘”无疑是数字地球时代新的领航者。据悉,科研人员在实验中利用超冷原子敏锐感知地球磁场变化的特性,通过比对地球磁场分布图从而获得精确位置信息。所以“量子罗盘”导航技术一旦可用于实战,那么潜艇深海作战将会产生质的飞跃。

  睥睨群雄,徜徉龙宫风光无限

  外电评析认为,具有颠覆性作用的“量子罗盘”,未来将以独到的技术优势尽展风采。以陀螺仪为代表的惯性导航系统中,虽然出航前可以预制海况详图,确保潜艇能按部就班地行进,但其航行误差不容忽视。为了避免严重“跑偏”,潜艇不得不常浮出水面,校准方位、修正航线,因而给隐蔽作战造成了致命危害,往往一次盲目“露头”,即有可能随时招来灭顶之灾。

  “量子罗盘”无疑给潜艇隐蔽作战带来了新的生机。据称,它1天累计导航误差仅为3英尺,因而可以做到长时间“埋头”潜伏于深海之中,关键时刻发起致命一击。

  钢铁巨鲸,驰骋大洋,深海点兵,孰攻孰防。未来,在“量子罗盘”导航作用下,潜艇独闯“龙宫”将使体系作战呈现何等景观……来去无踪,能攻善守,其战略地位必将进一步提升。


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英国研制量子导航定位系统QPS
精确度比GPS更高 可在水下使用且偏差不超过1米


                                                  文章来源:科技日报 常丽君发布时间:2014-05-19


  在当前的陆海空交通中,全球定位系统(GPS)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(DSTL)正在研究一种以超冷原子为基础的加速计——量子定位系统(QPS),能前所未有地精确跟踪你的位置。

  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。

  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。”

  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。

  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。

  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。

  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(NATO)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。”

  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。”

  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。”


 

  

                                                              中文文献 

[1]丛爽,吴文燊,段士奇,宋媛媛,尚伟伟.星基量子定位导航系统的测距、定位与导航[J].导航定位与授时,2019,6(04):50-56.
[2]李云飞,李广飞,杨勇,谢康,代飞,曹涌.基于量子遗传算法的RBF神经网络智能滤波组合导航算法[J].云南大学学报(自然科学版),2019,41(S1):21-26.
[3]张旭. 冷原子干涉型量子传感器在导航应用中的研究现状[A]. 中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心、北京市经济和信息化局、北京市顺义区人民政府.第十届中国卫星导航年会论文集——S10 PNT体系与多源融合导航[C].中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心、北京市经济和信息化局、北京市顺义区人民政府:中科北斗汇(北京)科技有限公司,2019:5.
[4]丛爽,宋媛媛,尚伟伟,陈鼎.三颗量子卫星组成的导航定位系统探讨[J].导航定位学报,2019,7(01):1-9.
[5]轩中.量子罗盘问世未来导航不靠GPS?[J].互联网周刊,2018(23):16-17.
[6]汪海伦,丛爽,尚伟伟,陈鼎.量子导航定位系统中光学信号传输系统设计[J].量子电子学报,2018,35(06):714-722.
[7]宋培帅,马静,马哲,张淑媛,司朝伟,韩国威,宁瑾,杨富华,王晓东.量子定位导航技术研究与发展现状[J].激光与光电子学进展,2018,55(09):29-43.
[8]胡文斌,聂聪,邱振宇,杜博,袁泉.一种城市交通路网实时动态多路口路径导航量子搜索方法[J].电子学报,2018,46(01):104-109.
[9]王群. 量子导航系统:军用导航系统的新锐[N]. 中国国防报,2017-09-29(014).
[10]宋媛媛. 量子导航定位系统国内外研究现状及其展望(上)[A]. 中国自动化学会控制理论专业委员会.第36届中国控制会议论文集(D)[C].中国自动化学会控制理论专业委员会:中国自动化学会控制理论专业委员会,2017:6.
[11]宋媛媛. 量子导航定位系统国内外研究现状及其展望(下)[A]. 中国自动化学会控制理论专业委员会.第36届中国控制会议论文集(D)[C].中国自动化学会控制理论专业委员会:中国自动化学会控制理论专业委员会,2017:6.
[12]朱如意. 量子测量:未来导航领域的颠覆性技术[N]. 中国航天报,2017-07-12(003).
[13]丛爽,汪海伦,邹紫盛,尚伟伟,隋岩.量子导航定位系统中的捕获和粗跟踪技术[J].空间控制技术与应用,2017,43(01):1-10.
[14]王志刚,邓逸凡,杨绚.近地航天器量子导航定位卡尔曼滤波算法研究[J].飞行力学,2016,34(05):69-72.
[15]王志刚,杨绚,邓逸凡.近地空间航天器量子导航定位算法[J].飞行力学,2015,33(06):551-554.
[16]杨春燕,苑博睿,徐有,王昕.干涉式量子定位辅助卫星导航周跳探测与修复方法[J].空军工程大学学报(自然科学版),2014,15(06):22-27.
[17]邹宏新.新一代惯性导航技术——量子导航[J].国防科技,2014,35(06):19-24.
[18]秦立新. 量子导航,潜海作战“定盘星”[N]. 解放军报,2014-08-21(007).
[19].英国研制量子导航定位系统QPS精确度比GPS更高[J].黑龙江科技信息,2014(15):11-12.
[20]常丽君. 英国研制量子导航定位系统QPS[N]. 科技日报,2014-05-19(002).
[21]肖俊俊. 量子导航定位中的测量技术实验研究[D].上海交通大学,2014.
[22]赵国材,赵力,宋春雷,刘志德.量子PSO粒子滤波在DR/GPS组合导航系统中的应用[J].传感器与微系统,2012,31(04):149-152.

                                                                       外文文献

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[2]Benjamin Russell,Susan Stepney. Zermelo navigation in the quantum brachistochrone[J]. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical,2015,48(11).
[3]Diego S Acosta Coden,Rodolfo H Romero,Esa Räsänen. Controlled high-fidelity navigation in the charge stability diagram of a double quantum dot[J]. Journal of Physics: Condensed Matter,2015,27(11).
[4]Dorje C Brody,Gary W Gibbons,David M Meier. Time-optimal navigation through quantum wind[J]. New Journal of Physics,2015,17(3).
[5]Donghui Feng. Review of Quantum navigation[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2019,237(3).
[6]Steven A. Toms. Development of quantum dots for use in surgical navigation[P]. SPIE Optics East,2005.
[7]Marco Lanzagorta. Quantum imaging for underwater arctic navigation[P]. Defense + Security,2017.
[8]Murgida G E,Arranz F J,Borondo F. Quantum control of isomerization by robust navigation in the energy spectrum.[J]. The Journal of chemical physics,2015,143(21).
[9]G. P. Pashev. Detection and Measurement of Frequency Jumps of a Quantum Clock Signal Using Radio Space Navigation Systems[J]. Measurement Techniques,2015,58(4).
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[11]R. A. Holland. True navigation in birds: from quantum physics to global migration[J]. Journal of Zoology,2014,293(1).
[12]Brady, Jenna. Quantum sensing using laser-cooled atoms shows promise for Army navigation, detection[J]. U.S. Department of Defense Information / FIND,2013.
[13]Chunlin Chen, Daoyi Dong. Quantum parallelization of hierarchical Q-learning for global navigation of mobile robots[P]. Networking, Sensing and Control (ICNSC), 2012 9th IEEE International Conference on,2012.
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[15]P. Hore,M. Rooman. Discussions on Session 5B:Quantum effects in biology: enzyme activity, bird navigation[J]. Procedia Chemistry,2011,3(1).
[16]Mark Buchanan. Do birds use a quantum trick to navigate?[J]. New Scientist,2008,198(2654).
[17]P. Hore,M. Rooman. Discussions on Session 5A:Quantum effects in biology: enzyme activity, bird navigation[J]. Procedia Chemistry,2011,3(1).
[18]Murgida G E,Wisniacki D A,Tamborenea P I. Coherent control of interacting electrons in quantum dots via navigation in the energy spectrum.[J]. Physical Review Letters,2007,99(3).




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