QPS，永不失聯的導航系統

小顧

在當前的陸海空交通中，全球定位系統（GPS）已成為必不可少的定向導航工具。萬一GPS失靈，那該怎么辦？英國國防科學與技術實驗室（DSTL）正在研究一種以超冷原子為基礎的加速計——量子定位系統（QPS），能前所未有地精確跟蹤你的位置。

英國海軍2016年將用這種量子系統把系泊艦和航行艦分開，記錄艦船位置，精確度比以往提高1000倍。如果QPS海上測試成功，將進一步縮小用在飛機、火車、汽車甚至手機上，為城市交通、自動駕駛車輛提供一種后備導航工具。GPS會在水下失靈，所以潛艇下沉后會失去GPS信號，此時要用加速計來導航，記錄每次扭身、轉向，但目前的加速計并不精確。DSTL的內爾·斯坦菲爾德說：“目前如果沒有GPS定位，潛艇在水面航行一天可能偏離航線1千米左右，而QPS會將偏離減小到1米。”激光能捕獲真空中的原子云，并使其冷卻到絕對零度以上不到1度，超低溫下原子會變成一種量子態，這種量子態很容易受外力干擾而破壞，這時用另一束激光來跟蹤監測干擾造成的任何變化，就能計算出外力大小。由于潛艇航行時會受到海水作用而左右搖晃，導致略微偏向，DSTL小組希望能把這套系統用在水下環境。該QPS樣機就像個1米長的鞋盒，一開始只能沿一條軸線工作，加入另外兩套激光器和捕獲的原子之后，就能協調三維方向的運動了。每套激光器能給100萬個銣原子制冷。“一旦我們掌握了第一代，就能把它們小型化用到其他地方。”斯坦菲爾德說。他們將于2015年9月先在陸地上進行實驗。

目前該QPS尚未完成，它還不能把微小的萬有引力效果和船只運動造成的加速區分開來。“如果潛艇通過一個水下山脈，山脈的萬有引力把它向西吸引，感覺上就像它在向東加速。我們要有很好的萬有引力地圖才能把它引導到正確方向。”倫敦帝國學院冷物質中心的愛德華·海因德說。除了DSTL小組以外，中國和澳大利亞也在研究量子導航系統。英國法斯萊恩北約（NATO）潛艇救援服務機構負責人、前皇家海軍潛艇駕駛員約翰·波伊斯說：“超精導航系統能讓潛艇船長睡得更好。由于潛艇不必再擔心與GPS失聯，也會讓巡航探測更輕松。”波伊斯認為，該技術可能產生的最大影響是微型化以后用在未來武器上。“雖然潛艇的位置不需要精確到幾米幾厘米，但導彈、炮彈需要。”它的應用還不止武器范圍。研究小組負責人斯蒂芬·蒂爾說：“10到20年前我們需要一個巨大的低溫制冷器，但激光制冷原子云改變了一切，下一代制冷技術可能拓展到方方面面，從汽車到智能手機。“我們相信它在尺寸和耗能方面都會下降到能裝在儀表板上。”

延伸閱讀

衛星導航系統是覆蓋全球的、能自主地利空間定位的衛星系統，它允許小巧的電子接收器確定它的所在位置（經度、緯度和高度），并且經由衛星廣播沿著視線方向傳送的時間信號精確到10米的范圍內。

截至目前，只有美國的全球定位系統（GPS，共由24顆衛星組成）及俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）是完全覆蓋全球的定位系統。中國的北斗衛星導航系統（BDS）則于2012年12月開始服務于亞太區（共由16顆衛星組成），預計于約2020年覆蓋全球。歐洲的伽利略定位系統則是還處于初期部署階段的全球導航衛星系統，預定最早到2020年才能夠充分的運作。此外，包括日本、印度等一些國家也都在發展區域導航系統。

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

GPS

GPS，又稱全球衛星定位系統，是美國國防部研制和維護的中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。全球定位系統可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

GPS系統由美國政府于1970年代開始進行研制并于1994年全面建成。GPS信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）和軍規的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）兩類。由于SPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊，故在民用訊號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；軍規的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對民用信號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

BDS

北斗衛星導航系統是由我國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，縮寫為BDS，于2011年12月27日起提供連續導航定位與授時服務。北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地面端包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及可以與其他衛星導航系統兼容的終端組成。

2000年，北斗導航試驗系統建成，我國成為繼美、俄之后的世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家，2011年12月27日起開始向中國及周邊地區提供連續的導航定位和授時服務。2012年12月，北斗衛星導航系統正式提供區域服務。

北斗衛星導航系統可以提供高質量的定位，導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度20米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務等信息。