量子计量技术在预警机导航中的应用

吴 勇 刘则洋

(陕西省计量科学研究院 陕西西安 710100)

量子计量学是各个国家重视的量子学发展最主要方向。最近这些年，是各种量子探测科学领域中，发展较快，研究最重要的方向之一。量子计量学的基本物理原理和现象分析来测量常规学的实验现象等一系列功能，如检测、距离测量、定时、定位和成像。为了使用量子纠缠、量子不确定性和其他量子物理原理和现象，量子计量可以打破现有测量系统（如散粒噪声极限、Rayligh极限等）的精确极限及其测量精度。测量距离和灵敏度大大提高了以往的测量系统。近年来，随着研究的深化，量子计量的研究趋势有了飞跃性的进展，量子信息学的研究成果被导入到量子计量领域。检测能力是早期警戒飞机的核心战斗能力之一。作为一个复杂的大规模信息采集系统，量子计量技术将带来现有早期预警飞机检测系统的重要变化，其应用大大提高了预警飞机的核心能力[1]。

一、量子计量技术主要应用

（一）量子导航技术

以网络为中心的战争（NCW）系统需要利用确切时间数据和空间节点在战斗平台中进行信息合作。作为空中的重要核心节点，预警飞机（AWACS）在检测、命令来确定检测需要的正确定位和其他导航信息。目前，卫星导航（gps）和惯性导航是最常用的两种导航方式。然而，战斗的持续进行，很多缺陷也暴露在大家眼前。首先，中国构筑了Beidou卫星系统，但Beidou系统不完善，所以GPS导航信息可能会被其余国家探测到，但GPS是美国研究并控制在手的，显然不能用于战争。第二，在电子信息战争的不断发展中，GPS、等一系列伪装技术逐渐成熟，很多信息传输也逐渐不安全，第三很多导航系统都会对环境产生巨大影响。第四，在复杂地理环境中，卫星导航信息不可用。目前，光学陀螺仪广泛用于飞机安装惯性导航装置×10-4系统的精度比传统的机械式回转仪高（精度为10-1，这是非常改善的）。近年来，欧美各国认识到现有导航系统存在的问题，开始发展新的惯性导航系统。量子导航技术是最有希望的新导航技术之一。国防高等研究计划厅（DARPA）、USAF科学咨询委员会（USAF）和英国Defense Technology研究所设定了所有相关项目，对量子导航技术进行了彻底的研究。目前，量子导航的主要技术方法是冷原子干涉和超流动[2]。

（二）冷原子干涉陀螺

如今，冷原子陀螺精度不断提高，冷原子干涉仪的操作原理与光干涉仪的操作原理非常相似，只有光学干涉仪的激光器被冷原子取代。在谐振行波激发之后，超精细低能量状态的原子态转变为超精细高能态。用途π/2→π→π/2在分裂并移位之后，原子波再次收敛到传感器，成为干扰和测量结果（如图1所示）。与光学干涉仪相比，冷原子干涉仪的通量和包络区域较低。然而，由于de brogle波，冷原子干涉仪的相位分辨率和频率分辨率比传统光学干涉仪的相位分辨率高得多。与基于超流动原理的量子陀螺相比，基于冷原子干扰理论的量子陀螺在工程中更容易实现。目前，DARPA已经开始了基于低温原子干扰原理的三个导航工程。水蛇（高动态范围原子传感器）、C-扫描（芯片组合原子导航）、量子辅助感测及读出（量子辅助感及读出）USAF科学咨询委员会为了基于光脉冲AI和链条（导航用小型高性能原子干涉仪）的惯性导航，作为紧凑的陀螺/accel也执行了这样的项目。2015年的三个新研究项目例如冷原子干扰导航技术。同时，在各种研究领域也进行了大量计算和资金投入，尤其是美国极其重视这些方向的投入和发展，改善冷原子干扰陀螺技术。目前，在实验室中进行的低温原子干扰导航技术已经有了很大的进展并取得不小成效。未来还想在激光冷却、原子捕获和甚至其余技术中获得重大突破。然而，为了实现冷原子导航装置的实际应用，有必要进一步降低系统的体积，重量和耗电，并进一步提高系统集成。

图1 冷原子干涉原理图

图2 超流体原理图

二、量子导航技术对预警机作战模式的改变

与传统的陀螺技术相比较来看，高精度的量子陀螺旋转技术、更新层次的接入网络、抵抗外部环境干扰。各种量子信息技术已经相对成熟，陀螺仪旋转功能也快速发展，并且对提高现有的早期警报器的能力是实际重要的。量子陀螺的应用大大提高了预警飞机今后的战斗能力，并使预警飞机的变更模式的使用形态如下。Beidou和其他卫星导航系统将被完全替换。早期预警飞机对战斗环境的适应性进一步增强，复杂环境（复杂地形，复杂气候，复杂的电磁环境等）下的战斗能力大大提高。早期警戒系统快速发展，例如beidou和其他卫星伪装技术有了很大的突破，相关领域的电子战模式发生了很大变化。早期预警飞机的时间、姿势、速度、位置、导航信息的精度大幅提高（量子陀螺的精度可达到10-9°/H～10-7°/H），由于导航信息是AWCS的每个子系统的基准，因此AWACS的检测精度、命令精度和网络通信性能大大提高。除了获得各种信息数据，还可以进行地形探测。因此，相应的设备可以安装在其他民间任务中，以发挥早期预警飞机的作用[3]。

三、结束语

作为一个大规模的复杂信息系统，量子计量的发展必然对现有的性能和系统有很大的影响。量子计量技术对于现有的测量系统的巨大优点还破坏性地提高了预警飞机的战斗能力，改变了网络中心战争的现有概念。在量子计量技术的冲击下，改变现有的战斗模式和系统，在新的战斗系统下发挥智能站和命令控制中心的作用，将对应的战术和战术公式化应该是将来应用的重点。新兴发展中国家，如何最大限度地利用逆向优势，增加量子计量领域的科学研究投资，转变为今后国家战略水平的优势，是在下一阶段应该讨论的重要课题。