美軍量子傳感技術在定位導航授時（PNT）領域的應用分析

在現代軍事作戰體系里，定位導航授時(PNT)系統占據著核心地位，是各類武器裝備得以精確打擊、部隊實現高效機動以及作戰行動達成協同配合的關鍵支撐。傳統 PNT 體系對全球定位系統(GPS)存在嚴重依賴，然而 GPS 信號易遭受干擾、欺騙，并且受地理環境限制，在復雜戰場環境下，其可靠性與穩定性大打折扣。在此種背景下，量子傳感技術憑借超高精度、強抗干擾性等突出優勢，成為美軍提升 PNT 能力、重塑戰場優勢的關鍵技術。美軍通過國防高級研究計劃局(DARPA)等多機構主導，投入大量資源，積極推動量子傳感技術在 PNT 領域的研究與應用，期望在未來戰爭中搶占先機。

技術發展現狀

原子陀螺儀

美國國防創新單位(DIU)與Vector Atomic公司合作，成功開發出首臺通過太空鑒定的原子陀螺儀。該陀螺儀利用原子與精確激光的相互作用測量旋轉運動，相較傳統依賴光子的陀螺儀，精度大幅提升，可有效降低載體在飛行、航行等過程中的位置誤差。在無人機、飛機、衛星等平臺上，原子陀螺儀能精確感知平臺姿態變化，為慣性導航系統提供高精度角速度數據，助力平臺在復雜環境下穩定飛行與精確導航。

原子陀螺儀的物理學部件

慣性導航系統

2024年5月波音公司與AOSense合作開展量子慣性導航飛行試驗，將六軸量子慣性測量單元(IMU)集成至全慣性導航系統，并安裝于比奇1900D飛機進行四小時測試。該IMU運用原子干涉法量子傳感技術，通過原子檢測旋轉和加速度。飛行全程中，系統依據檢測到的姿態變化與加速度信息，持續計算飛機位置與運動軌跡，即便遭遇復雜氣流、高度和速度變化，仍能精確跟蹤路徑，著陸階段定位精度確保飛機準確對準跑道平穩降落，驗證了量子慣性導航技術在航空定位中的高精度與可靠性。

波音-AOSense 飛行測試團隊進行量子導航飛行測試

量子加速度計

美國持續加碼量子加速度計研發，其中混合量子加速度計性能尤為突出。研究表明，該加速度計可在長時間內穩定測量低至6×10??g的加速度(相當于地球重力的0.0000006%)，測量穩定性相較經典加速度計提升50倍。這種超高精度的加速度測量計能顯著減少慣性導航系統(INS)漂移，使裝備無需外部通信即可實現長時間、高精度自主導航，尤其適用于特種作戰、隱蔽偵察等場景。

量子磁力計輔助導航

美國SandboxAQ公司研發的AQNav磁導航系統于2024年2月22日在C-17“環球霸主”運輸機上進行磁導航飛行測試。該系統利用量子傳感器測量原子變化，精準檢測環境細微波動，識別獨特地理磁場并匹配地圖特定位置。AQNav可安裝于B-52轟炸機等大型噴氣式飛機及MQ-9戰斗無人機等小型飛機，設備體積可壓縮至2平方英尺的盒子或兩個機架插槽，適配性強。

C-17“環球霸主”運輸機上的AQNav磁導航系統

原子鐘

美國亞利桑那州微芯片公司推出的低噪聲芯片級原子鐘 SA65-LN，采用 EMXO 技術，具備寬溫域工作能力(-40°C 至 + 80°C)，輪廓高度僅 ? 英寸，功耗低于 295 mW。該原子鐘初始精度達 ±0.5 ppb，融合了晶體振蕩器與傳統原子鐘的優點，適用于航空航天和國防關鍵任務。其配套 Clockstudio 軟件工具及開發工具包，支持便捷集成與調試，目前已實現批量供應，為高精度、低功耗計時需求提供了可靠解決方案。

美軍事應用分析及未來布局

美軍在量子PNT領域積極布局且成果顯著，多項量子技術正深度融入軍事應用。原子陀螺儀精度遠超傳統，為無人機、衛星等平臺提供高精度角速度數據，保障復雜環境下穩定飛行與精確導航。量子慣性導航系統在飛機測試中表現出色，能夠依據實時檢測的姿態變化與加速度數據精確跟蹤飛行路徑，在復雜氣流環境下保障飛機平穩降落，顯著提升了航空作戰的導航精度與任務可靠性。量子加速度計的超高精度測量減少了導航系統漂移，助力特種作戰與隱蔽偵察裝備長時間自主導航。量子磁力計輔助導航系統適配性強，可用于多種機型，精準識別地理磁場輔助定位。原子鐘具備高精度、低功耗等優勢，為航空航天和國防關鍵任務提供可靠計時方案。這些量子技術將全方位增強美軍軍事行動的精準性與自主性。

圖注：帶有慣性導航系統的潛艇會檢測自身速度和方向的變化，計算出自身位置

美軍未來在量子技術領域將從技術研發、軍事應用、產業生態三方面展開布局：持續推進“魯棒量子傳感器”等計劃，攻克環境干擾難題，探索新型量子傳感器的研發;推動量子傳感技術在陸、海、空多軍種作戰裝備與系統中的深度應用，強化在PNT領域的核心能力，提升單兵精準定位、裝備火控導航精度及多軍種作戰協同授時效率。通過強化高校、科研機構與企業間的產學研合作，加速技術轉化，并構建自主可控的產業供應鏈，保障軍事需求的穩定供應，以鞏固其在全球量子技術競爭格局中的優勢地位。

總結

美軍對量子PNT領域的大規模投入，本質是為在 “GPS 拒止” 戰場環境下構建不可替代的 PNT 優勢。量子傳感技術不僅強化了現有裝備在復雜環境下的作戰效能，更催生了 “無衛星依賴作戰” 的新范式 —— 從單兵到戰略平臺，從導航到偵察監視，量子傳感技術正推動美軍作戰體系向適應復雜戰場環境的方向持續優化升級。現階段，美軍在航空導航、太空平臺等關鍵領域已取得實質化突破。例如，波音公司研發的量子慣性導航系統順利完成無 GPS 環境下的飛行測試，展現出卓越的自主導航能力;全球首臺太空級原子陀螺儀也成功通過鑒定，為太空任務提供了更為精準的姿態與位置感知手段。后續，美軍將推動量子傳感向陸、海、空、天全域作戰滲透，從定位導航授時(PNT)到情報監視偵察(ISR)，全方位提升軍事行動的精準性與協同性，多維度增強戰場態勢感知與決策支持能力。(北京藍德信息科技有限公司)

參考資料

https://www.diu.mil/latest/quantum-sensing-enters-the-dod-landscape-in-first-of-a-kind-high-performance

https://www.usni.org/magazines/proceedings/sponsored/quantum-sensing-new-approach-maintaining-pnt-gps-denied

https://thequantuminsider.com/2024/08/09/boeings-quantum-based-navigation-system-takes-flight-in-historic-test/

Templier S, Cheiney P, d’Armagnac de Castanet Q, et al. Tracking the vector acceleration with a hybrid quantum accelerometer triad[J]. Science Advances, 2022, 8(45): eadd3854.

https://www.microchip.com/en-us/about/news-releases/products/microchip-launches-next-generation-of-low-noise-chip-scale-atomic-clock