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量子导航

2018-04-25

导读:最近二十年, 量子定位系统(QPS)作为新型导航技术因其特有的信息传输优势得到飞速发展。 本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, 主要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。

 

目录

1.      引言

2.      卫星导航定位什么原理?目前面临哪些问题?

3.      惯性导航什么原理?目前面临哪些问题?

4.      什么是量子导航?

5.      为什么要研究量子导航?

6.      量子导航还面临着哪些问题?

 

1.     引言

导航的概念自古有之, 石器时代的天文导航、 航海时代的地磁导航为古人的出行指明了方向。随着空间技术、电子信息技术、计算机科学、光学通信等科学技术的发展,这些古老的导航方法在最近几十年逐渐演变为以无线电导航、惯性导航为代表的各种导航系统,导航、定位、授时(PNT)功能更加完善、 成熟, 人们几乎可以随时随地知道自己想要的位置、时间等信息。 但对于更高要求的导航系统,传统定位技术的安全性、 脆弱性及最终能达到的精度等方面的问题越来越需要苛刻对待。

 

量子定位系统(QPS)是在量子力学理论和量子信息论的基础上近些年发展起来的新一代导航定位技术。 该系统中信息的产生、测量与传输均有量子的参与,因其具有量子纠缠、量子压缩等现象,在信息传输的保密性、安全性和测量精度等方面有着独特的优势,能够在很大程度上解决传统导航系统中存在的问题。自量子导航提出之后得到了欧美等国家的重视, 根据定位方式的不同,在卫星有源导航系统与惯性无源导航系统的基础上分别发展了量子有源与无源定位系统,目前研究人员在两个方向上均取得了一定的研究成果。随着量子理论与技术的进一步成熟,量子导航将在光量子通信与定位授时领域发挥越来越重要的作用。

 

2.     卫星导航定位什么原理?目前面临哪些问题?


以 GPS 为代表的卫星导航系统主要由在轨导航卫星、地面监控系统和用户接收机设备三部分组成; 用户通过接收卫星信号,可以实现全天候、高精度、小误差的授时与定位,在通信、交通、航海、 航天、 制导、救援等方面得到广泛应用。发展本国的导航系统对国家而言具有重要的战略价值,目前,国际上现存有美国的 GPS 导航系统、俄罗斯的 GLONASS导航系统、欧盟的 GALILEO 民用全球卫星导航定位系统, 以及逐渐趋于成熟的中国北斗导航系统等全球性导航系统,此外印度和日本等国也在开发建立开发区域性卫星定位系统。

卫星导航系统之所以能够准确定位, 源于三球定位原理。

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图 1 三球定位原理

 

地面控制段通过跟踪站对卫星进行监测、控制并注入导航电文,使卫星在相对稳定轨道上绕地运行的同时不停对外播报更新后的轨道参数信息,以此,卫星在各个时刻的空间位置都是确定的; 通过测量从卫星发射出的无线信号传播到用户接收机的时间,与无线电传播速度(光速)相乘,获得卫星与用户之间的距离; 由于卫星与接收机之间存在时钟差,所以观测值不是真实距离,而是伪距。

已知一颗卫星的位置及该卫星到用户的距离,则用户将位于以卫星为球心、以距离为半径的球面上的某个地方;如果已知两颗卫星位置和到同一个用户距离,则该用户将同时在两个球面上,即在两个球面相交的圆周上或在两个球面相切的切点上;进一步,如果已知第三颗卫星的位置及其与同一用户的距离,则第三个球面将和上述圆周相交于两个点, 再由对称性知这两个点分别位于南北半球,从而用户可以确定自身位置。

卫星导航系统在定位精度方面存在固有的弊端。如上文所说,在测量值与真实值之间存在时钟误差,这是由于卫星钟差与接收机钟差所导致的。 此外卫星导航定位中依然存在很多其他误差, 以 GPS 为例,按照误差性质可以分为系统误差和偶然误差,系统误差包括星历数据误差, 卫星钟差, 大气电离层和对流层对电磁波信号造成的折射误差等,其中星历数据误差作为起算误差是重要的误差来源,主要指卫星空间的位置计算与实际分布的差值, 决定于轨道模型、 观测方式等条件,目前 GPS 卫星轨道误差的等效误差在 5~40m。

偶然误差包括接收机地面环境引起的多路径效应误差等,多路径效应误差是指接收机除接收目标信号之外,还会接收天线周围经过一次或多次反射的信号, 引起测量值偏离真值,误差大小与接收机具体环境有关,从几厘米到十几厘米不等。上述这些偏差导致了卫星导航系统在定位精度方面存在固有的弊端。

 

3.     惯性导航什么原理?目前面临哪些问题?


惯性导航系统是指利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。 由于其不依靠接收卫星信号,属于无源定位系统,具有不向外辐射能量、隐蔽性好、不易受干扰、安全性高等优点,尤其是在军事领域得到广泛应用。

惯性敏感器主要是指角速度传感器和加速度传感器,即陀螺仪和加速度计。 陀螺仪是感测物体姿态的一种装置, 其种类众多, 除了机械陀螺之外,还有压电陀螺, 激光陀螺,光纤陀螺等,以 MEMS 惯性导航系统中的 MEMS 陀螺仪为例,其基本原理是基于科氏(Coriolis)定理检测科氏加速度,并根据科氏加速度与旋转速率的关系实现角速度的测量, 如图 2 所示。 系统以陀螺稳定平台模拟当地水平面,建立一个分别指向东、北及天顶方向的空间直角坐标系, 用于测量载体相对于惯性空间的角位移或角速率。

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图 2 MEMS 陀螺仪工作原理

 

加速度计置于各个矢量轴上, 用于测定载体相对惯性空间的运动加速度; 加速度计可简化为由质量块 m、弹簧 k 和阻尼 c 组成的二阶惯性系统。其工作原理如图 3 所示, 由于惯性作用,使得质量块与基座发生相对位移, 其值与加速度成比例, 可通过该位移或惯性力来测量加速度。

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图 3 加速度计工作原理

 

惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。以捷联式惯性导航系统为例,其最大特点是没有机械式陀螺仪稳定平台, 而直接将三组陀螺仪与加速度计固定在载体上, 各组件敏感轴相互垂直放置, 组成三维坐标系, 系统的工作原理如图 4 所示。

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图 4 惯性导航原理

 

在给定初始运动状态条件下, 依据经典物理学运动定律, 通过一次积分可得到当前载体速度的方向和大小,再次积分,可得载体的位置或距离。 结合陀螺仪测量的载体角运动,经转换处理, 进而得到载体姿态和航向。

惯性系统也面临着诸多固有的问题。作为惯性系统中最重要的元件,陀螺仪的漂移误差是导航系统中主要误差来源, 误差的起因一方面是由于陀螺仪本身结构、工艺导致不尽完善以及载体的线运动和角运动造成了系统中存在各种干扰力矩;另一方面,陀螺仪时刻存在着随机不定性漂移。 除陀螺仪漂移误差外,系统中还存在平台初始误差、元件安装误差、 冲击和振动引起的运动误差等,这些误差使得对载体的姿态和航向测量精度上存在瑕疵。

另外, 传统的惯性导航系统因惯性平台的存在大都体积庞大, 应用范围受限; 基于MEMS 陀螺仪与加速度计组成的惯性导航系统称为 MEMS 惯导系统,是众多陀螺仪系统中的一种,其余陀螺仪系统工作原理与陀螺仪种类有关,如光纤陀螺,是基于光相干原理,通过光程差及与之相应的相位差的信息,即可得到旋转角速度。 MEMS 惯导系统具有体积小、重量轻、耗能低等优势, 不过 MEMS 陀螺在工作中存在角速率随机游走、角度随机游走、指数相关噪声、偏置不稳定性等随机误差, 其中角速率游走误差、指数相关噪声均与指数相关时间函数有关,因此该系统存在不可避免的对时间积分的运算误差, 且该值随时间而进行累积, 需要建立模型对误差进行纠错, 运用 Allan 方差法可以得到整个积分时间上完整的标准差曲线, 由曲线上各段斜率的变化便可以分离出各项误差系数。该方法利方差与功率谱密度之间存在定量的关系, 在时域上直接从 MEMS 陀螺仪的输出数据得到MEMS 陀螺仪中各误差源的类型和幅度。 不过误差分析模型均较为复杂, 限制了 MEMS惯性导航作为独立导航系统的发展。

 

4.     什么是量子导航?


量子定位系统(Quantum Positioning System, QPS) 概念最早是于 2001 年由美国麻省理工学院(MIT) 电子学研究实验室从事博士后研究的 Giovannetti Vittorio 博士、 Mac-cone Lorenzo 博士与从事量子计算和量子通信研究的机械工程学教授 Lloyd Seth 在他们发表的一篇名为《Quantum- Enhanced Positioning and Clock Synchronization》 文章中提出的。

在上一节对传统定位系统的定位原理和存在问题的分析中已经指出,卫星导航通过向在轨卫星发射电磁波脉冲并检测信号到达接收机的时间延迟来实现定位的方式导致了伪距误差。与卫星导航采用的电磁波信号不同, QPS 的测距信号是具有量子特性的脉冲信号, 这种信号是由没有电荷和质量的光子组成。 通过量子理论与量子力学,我们知道光量子具有奇特的量子纠缠和量子压缩特性。

 

目前主要发展的两种量子导航定位系统有星基量子导航系统和量子惯性导航系统。

 

MIT 的 Giovannetti V 博士最早提出的脉冲式量子定位思想可以通过下面的理性化实验结构示意图进行说明。

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图5 理想化实验结构示意图

 

图中 Alice 作为待测点,Detectors 是由已知不同位置的 M 个检测器组成的信号接收点,在实验过程中, Alice 向每一个检测器发送相同频谱(脉冲的带宽)以及功率(每个脉冲所包含的光子数 N)的脉冲,因此各组脉冲具有频率纠缠性及强相关性,通过测量信号到达各检测器的平均时间可以获取待测点 Alice 的具体位置。 在相同的理想通信通道中, M 个检测器记录下的到达时间具有相互纠缠特性,这为平均时间的计算提高了√M倍精度,提升因子√M是与相同带宽条件下的非频率纠缠脉冲相比得到的;每组脉冲均包含了 N个纠缠态光量子,在测量时可以获得√N的精度提高,提升因子√N是与量子数目同样为 N 的经典相干态下的脉冲相比得到的;由此可知,在 Alice 端发射 M 组频率相互纠缠且结合了光子压缩的脉冲信号进行关联测量,综合后最终可获得√MN 倍的精度提高。

自 MIT 提出脉冲式量子定位以来,作为导航系统中重要的定位、 授时功能的体现, 基于量子纠缠及量子压缩特性的光子脉冲测距和测时等相关研究就不断被报道。

2002 年, Giovannetti V 博士在提出 QPS 概念的同时,设计并验证了基于量子时钟同步消色散的“Conveyor belt clock synchronization”方案, 证明在光量子可能传播的一般条件下,时钟的同步性不受分散介质存在的干扰,提高了量子定位精度。

2004 年美国马里兰大学 Valencia A 等人报告了一项关于远距离二阶关联时钟同步的验证实验,通过半波片改变 BBO 晶体制备出的纠缠态光源中的信号光和闲置光的方向,经过不同光纤路径,得到不同传输路径的精确时间差,最终得到皮秒级高精度时域。

2008 年, Villoresi P 等人建立了从低轨道(LEO) 卫星到地球上接收机的量子通信信道,用以研究发射脉冲的光学损耗和定时问题, 通过链路预算方程,得到单向链路损耗预计低于 20dB, 从而实现单光子信道的状态,在实验基础上明确地证明了基于卫星的量子通道的可行性。

2011 年, Ben-Av R 等人在发表的文章中指出量子时钟只有在 N 粒子限制在 W 态的情况下才能实现真正同步,并引入 W 的泛化状态——Z 态,设计出一个最优化的多方位量子时钟同步方案,但方案中 W 态的制备太过困难,目前未能实现。

2012 年, Lopez-Mago D 等人利用迈克尔干涉仪对共线下转换光子对的干扰进行了完整描述,在试验中,通过改调整干涉仪中反射镜的位置与角度来改变纠缠光子对的传输路径,经过偏振分束器与带通滤波器的分析计算,得到相干长度达到 3.3µm。

 

以上所列举的基于量子力学理论建立的量子导航定位系统与传统卫星导航类似,需要发射信号来实现用户的四维坐标的定位,所不同的是 QPS 采用的是相干关联的量子信号, 仍旧属于有源定位系统。此外,上文提到的另一种基于量子惯性器件实现导航的量子定位系统,与传统惯性导航系统类似,靠自身惯性器件实现姿态调整与定位,不需要从在轨卫星实时接收信号进行测距和授时,属于无源定位系统。

该无源量子导航系统与传统的惯性导航系统在结构上基本一致, 如图 6 所示, 主要由三维原子陀螺仪、三维原子加速度计、原子钟和信号采集及处理单元四部分构成。

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图 6 量子惯性导航系统

 

而作为惯性导航中的最重要的组成部分,原子陀螺仪与原子加速度计的研究目前是最受关注的,陀螺仪性能的优劣可以通过其零度漂移与角速度灵敏度大小作为衡量标准。与传统陀螺仪测量方式不同,量子干涉陀螺仪基于原子的 Sagnac 效应, 冷原子团以相反方向沿着相同的抛物线轨迹形成冷原子束,在拉曼激光刺激下,形成干涉环路,由于双环路原子干涉相移差的一半即为旋转速率引起的相移,进而可以提取旋转速率,其中零偏漂移理论值远低于传统陀螺仪几个数量级。原子加速度计的精确测量同样是利用原子的 Sagnac 效应实现的,因此其发展轨迹与原子陀螺仪几乎一致。 除干涉陀螺仪之外,利用碱金属原子自旋的拉莫尔进动可以实现角速度的传感,这类陀螺仪称之为原子自旋陀螺仪。

在原子自旋陀螺仪研制方面,美国在此领域独树一帜,在 2007 年美国 Northrop Grumman 公司研制出了第一台核磁共振陀螺仪样机,经过 2010 年和 2012 年两次对样机进行改进,其零偏漂移优于 0.05° /h。 下图简单表示了核磁共振陀螺(NMRG)的工作原理,通过腔室中碱金属与惰性气体自旋交换光泵浦获得净磁矩, 拉莫尔频率为ωXe , 当装置转动时其进动频率为ωL,其值为ωXe+ ωL,之后通过观测可得角速率ωR 。

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图 7 核磁共振陀螺的原理

 

目前, 我国在原子自旋陀螺仪的研制方面进展比较快, 北航楚忠毅等人利用原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿动力学方程和仿真实验,开发了稳定性好、实时性强的原子自旋陀螺仪核自旋磁场自补偿系统,可实时有效地跟踪核自旋磁场自补偿点;周斌权等人制备了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。经验证,系统的等效磁场噪声优于 17 f T/Hz1 /2,气室内部的温度稳定度优于 ± 0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障; 2017 年, 为了进一步提高核磁共振陀螺仪(NMRG) 的灵敏度水平,对线性光旋转角度检测进行误差分析和实验研究。通过理论分析和实验说明,发现消光比σ2 和直流偏置是差分检测方法中产生检测噪声的因素。 中国航天科工三院 33 所秦杰等人在 2016 年取得了巨大突破, 项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术, 研制成功我国首个基于量子技术的核磁共振陀螺原理样机, 样机零偏漂移优于 2°/h, 使得我国成为世界上继美国之后第二个掌握该技术的国家, 进一步缩小了与美国的技术差距。 在 2017 年针对线圈的磁场均匀性下降这一问题,提出了磁场等效增益系数,模拟磁屏蔽边界对线圈磁场的影响,据此建立了磁屏蔽边界条件下高均匀磁场线圈模型,优化了线圈参数。 此外, 国防科技大学易鑫等人, 西安飞行控制所李攀等人分别从原子气室温度控制和陀螺仪多层磁屏蔽罩结构等方面为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。

 

5.     为什么要研究量子导航?

 

无论是有源量子定位系统还是无源量子定位系统,与传统有源卫星导航和惯性导航系统相比均具有更加精确的测量精度。

对于基于量子纠缠和量子压缩的星基空天量子定位系统来说,频率相干关联的多脉冲信号及信号中大量压缩的光子为用户时空坐标带来了√MN的提高,突破了受限于海森堡测不准原理的传统测量极限。在量子理论不断发展的今天,其测量技术也不断改进与完善,可以预测今后的量子测量精度会取得进一步突破。

就无源量子定位系统而言,由于其由量子陀螺仪、量子加速度计、原子时钟等部分组成,基于原子物质波的干涉效应与原子自旋的传感测量具有高灵敏度和极低零偏漂移的优异特点,与传统惯导系统相比,测量精度误差更小,对载体姿态改变的检测灵敏度更高。 随着相关量子理论及误差分析模型的完善,该 QPS 技术将享有其作为新一代惯性导航系统的广阔应用空间。

另外,由于量子具有测不准原理与不可克隆原理,即未知的量子态无法进行测量,且量子态不可被精确复制。 此外, 将量子定位系统与量子密钥协议结合,在实现信息保密处理的同时, 提高了量子定位系统的安全性。

基于以上几点, 在 QPS 光子脉冲的传输过程中,即使丢失或被窃取了部分纠缠态光子,窃听者所得的测量结果是随机的,无效的, 无法根据这些光子来获取定位点的位置坐标。 此外, 一旦窃听者对传输信号进行截获,则破坏了原有的量子态, 由于量子纠缠的非局域性和关联特性, 系统会得到违反初始量子信息对应的计算结果, 可以用来检测通道是否被监听;同时, 系统可以通过更换通信频率或通道而继续正常工作。

而基于量子惯性器件的新一代惯导技术因其本身就是无源定位系统,不依赖外界信息,隐蔽性好,其保密性与安全性具有无可比拟的优势,并且随着降噪与抗干扰技术的提高,该系统的自主导航能力将得到进一步增强。

 

6.     量子导航还面临着哪些问题?


尽管量子导航的概念自提出后一直备受关注, 并且近些年来成为导航领域研究热点,但是从实验结果来看,进展并不迅速,主要是面临以下几点的问题:

1) 理想光量子纠缠源的制备比较困难。纠缠态的制备过程经历了离子阱、腔量子电动力学、自发参量下转换等制备方式的改进,虽然目前的制备方案不断被改善,产生光子对的效率及纯度逐渐提高,但是距离获得较为理想的高亮度纠缠源还有一段路程,而纠缠源的制备直接影响了光子脉冲信号的质量优劣,这对量子精确测量技术的实现至关重要,因此理想纠缠源制备困难成为了制约量子导航系统发展的关键因素。

2)相应的配套量子器件没有研制成熟。经过纠缠源制备的量子信号通常比较脆弱,且纠缠特性易受外界环境的干扰,需要在信号的处理、传输、储存过程中谨慎对待,尤其是在处理阶段,由于信号相对微弱,需要高灵敏度信号接收器进行信号的捕获与处理,该类型的高性能量子器件目前还没有研制成功。

此外, QPS 的研究多处于实验阶段,没有建立完善的系统级标准框架,在关键部件(角反射器、 HOM 干涉仪、光子计数器等)和纠缠源制备、消噪处理、导航系统基线布置等关键技术方面选择不一,在一定程度上阻碍了实验的重复性和向前发展;对于量子无源定位系统,高灵敏度和低零偏漂移的原子陀螺仪和加速度计则一直处于实验摸索阶段,只有少数几个国家在此领域取得突破,进展相对缓慢。

值得一提的是, 中科大潘建伟教授团队在量子通信方面多年保持着世界顶尖地位,该课题组在 2005 年在实验中实现了自由空间纠缠光子对 13 公里的分布距离和密钥分发, 首次远远大于大气层的有效厚度,验证了全球量子卫星通信的可行性, 之后开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。 在 2017 年,开发和发射一颗低地球轨道卫星,用于实现诱饵态量子密钥分发, 报道了首次超过 1200 公里距离尺度的卫星 - 地面量子通信实验, 为量子态传输建立了可靠和有效的空对地链路。 2016 年 8 月,我国成功发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”, 将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信, 进而构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

 

本文节选自文献: 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): 090003.

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