QPS，永不失聯(lián)的導(dǎo)航系統(tǒng)

小顧

在當(dāng)前的陸海空交通中，全球定位系統(tǒng)（GPS）已成為必不可少的定向?qū)Ш焦ぞ摺Ｈf(wàn)一GPS失靈，那該怎么辦？英國(guó)國(guó)防科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（DSTL）正在研究一種以超冷原子為基礎(chǔ)的加速計(jì)——量子定位系統(tǒng)（QPS），能前所未有地精確跟蹤你的位置。

英國(guó)海軍2016年將用這種量子系統(tǒng)把系泊艦和航行艦分開(kāi)，記錄艦船位置，精確度比以往提高1000倍。如果QPS海上測(cè)試成功，將進(jìn)一步縮小用在飛機(jī)、火車(chē)、汽車(chē)甚至手機(jī)上，為城市交通、自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供一種后備導(dǎo)航工具。GPS會(huì)在水下失靈，所以潛艇下沉后會(huì)失去GPS信號(hào)，此時(shí)要用加速計(jì)來(lái)導(dǎo)航，記錄每次扭身、轉(zhuǎn)向，但目前的加速計(jì)并不精確。DSTL的內(nèi)爾·斯坦菲爾德說(shuō)：“目前如果沒(méi)有GPS定位，潛艇在水面航行一天可能偏離航線(xiàn)1千米左右，而QPS會(huì)將偏離減小到1米?！奔す饽懿东@真空中的原子云，并使其冷卻到絕對(duì)零度以上不到1度，超低溫下原子會(huì)變成一種量子態(tài)，這種量子態(tài)很容易受外力干擾而破壞，這時(shí)用另一束激光來(lái)跟蹤監(jiān)測(cè)干擾造成的任何變化，就能計(jì)算出外力大小。由于潛艇航行時(shí)會(huì)受到海水作用而左右搖晃，導(dǎo)致略微偏向，DSTL小組希望能把這套系統(tǒng)用在水下環(huán)境。該QPS樣機(jī)就像個(gè)1米長(zhǎng)的鞋盒，一開(kāi)始只能沿一條軸線(xiàn)工作，加入另外兩套激光器和捕獲的原子之后，就能協(xié)調(diào)三維方向的運(yùn)動(dòng)了。每套激光器能給100萬(wàn)個(gè)銣原子制冷?！耙坏┪覀冋莆樟说谝淮?，就能把它們小型化用到其他地方?！彼固狗茽柕抡f(shuō)。他們將于2015年9月先在陸地上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

目前該QPS尚未完成，它還不能把微小的萬(wàn)有引力效果和船只運(yùn)動(dòng)造成的加速區(qū)分開(kāi)來(lái)。“如果潛艇通過(guò)一個(gè)水下山脈，山脈的萬(wàn)有引力把它向西吸引，感覺(jué)上就像它在向東加速。我們要有很好的萬(wàn)有引力地圖才能把它引導(dǎo)到正確方向?！眰惗氐蹏?guó)學(xué)院冷物質(zhì)中心的愛(ài)德華·海因德說(shuō)。除了DSTL小組以外，中國(guó)和澳大利亞也在研究量子導(dǎo)航系統(tǒng)。英國(guó)法斯萊恩北約（NATO）潛艇救援服務(wù)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人、前皇家海軍潛艇駕駛員約翰·波伊斯說(shuō)：“超精導(dǎo)航系統(tǒng)能讓潛艇船長(zhǎng)睡得更好。由于潛艇不必再擔(dān)心與GPS失聯(lián)，也會(huì)讓巡航探測(cè)更輕松。”波伊斯認(rèn)為，該技術(shù)可能產(chǎn)生的最大影響是微型化以后用在未來(lái)武器上。“雖然潛艇的位置不需要精確到幾米幾厘米，但導(dǎo)彈、炮彈需要。”它的應(yīng)用還不止武器范圍。研究小組負(fù)責(zé)人斯蒂芬·蒂爾說(shuō)：“10到20年前我們需要一個(gè)巨大的低溫制冷器，但激光制冷原子云改變了一切，下一代制冷技術(shù)可能拓展到方方面面，從汽車(chē)到智能手機(jī)?！拔覀兿嘈潘诔叽绾秃哪芊矫娑紩?huì)下降到能裝在儀表板上。”

延伸閱讀

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋全球的、能自主地利空間定位的衛(wèi)星系統(tǒng)，它允許小巧的電子接收器確定它的所在位置（經(jīng)度、緯度和高度），并且經(jīng)由衛(wèi)星廣播沿著視線(xiàn)方向傳送的時(shí)間信號(hào)精確到10米的范圍內(nèi)。

截至目前，只有美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GPS，共由24顆衛(wèi)星組成）及俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）是完全覆蓋全球的定位系統(tǒng)。中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）則于2012年12月開(kāi)始服務(wù)于亞太區(qū)（共由16顆衛(wèi)星組成），預(yù)計(jì)于約2020年覆蓋全球。歐洲的伽利略定位系統(tǒng)則是還處于初期部署階段的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，預(yù)定最早到2020年才能夠充分的運(yùn)作。此外，包括日本、印度等一些國(guó)家也都在發(fā)展區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。

每個(gè)覆蓋全球的系統(tǒng)通常都是由20～30顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，分布在幾個(gè)軌道平面上，軌道傾角都大于50°，軌道周期大約都是12小時(shí)。

GPS

GPS，又稱(chēng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是美國(guó)國(guó)防部研制和維護(hù)的中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。全球定位系統(tǒng)可滿(mǎn)足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶(hù)連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面上1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶(hù)端的GPS接收機(jī)。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶(hù)端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。

GPS系統(tǒng)由美國(guó)政府于1970年代開(kāi)始進(jìn)行研制并于1994年全面建成。GPS信號(hào)分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS，Standard Positioning Service）和軍規(guī)的精確定位服務(wù)（PPS，Precise Positioning Service）兩類(lèi)。由于SPS無(wú)須任何授權(quán)即可任意使用，原本美國(guó)因?yàn)閾?dān)心敵對(duì)國(guó)家或組織會(huì)利用SPS對(duì)美國(guó)發(fā)動(dòng)攻擊，故在民用訊號(hào)中人為地加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規(guī)的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對(duì)民用信號(hào)的干擾。因此，現(xiàn)在民用GPS也可以達(dá)到十米左右的定位精度。

BDS

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，縮寫(xiě)為BDS，于2011年12月27日起提供連續(xù)導(dǎo)航定位與授時(shí)服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶(hù)端三部分組成?？臻g端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站。用戶(hù)端由北斗用戶(hù)終端以及可以與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。

2000年，北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建成，我國(guó)成為繼美、俄之后的世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，2011年12月27日起開(kāi)始向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。2012年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供高質(zhì)量的定位，導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，包括開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開(kāi)放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度20米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶(hù)，提供定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)等信息。