量子导航技术发展现状分析

随着量子信息科学技术的不断发展,量子导航技术以更高的测量精度、更小的设备体积、更广的使用范围得到了国内外的广泛关注,逐渐成为能够升级下一代导航定位核心能力、并有望在2030年前投入使用的新兴技术,是导航定位方向后续发展中具有技术引领作用的核心研发领域.本文梳理了量子导航领域的主要技术、重点发展方向及研究现状,并给出了后续发展建议,以期对量子导航技术发展起到推进作用.

量子导航定位系统中的捕获和粗跟踪技术

量子导航定位系统需要借助于空间量子卫星信息通信系统来进行信号的捕获、跟踪和对准(acquisition,tracking and pointing,ATP).ATP系统是空间量子卫星信息通信的重要组成部分,涉及到量子通信链路的建立以及中断通信链路的恢复;粗跟踪和精跟踪的相互配合,可以确保通信双方处于通信状态,达到期望的信号跟踪性能.本文详细阐述用于量子导航定位系统的空间量子卫星通信的捕获阶段和粗跟踪的相关技术,重点分析捕获阶段中的初始指向技术、扫描技术、捕获阶段的精度及其性能,以及粗跟踪阶段的精度及其性能指标等关键技术.

量子导航定位系统中光学信号传输系统设计

基于量子导航定位系统的工作原理和过程,设计了其光学信号传输系统,分析了系统中的部件特性及选型.在给定的相关参数及期望性能指标下,结合各关键部件的特性设计了光学信号传输系统的具体实现方案,包括捕获跟踪瞄准系统中的光学天线、二维转台、粗跟踪探测器、快速反射镜、精跟踪探测器及HOM干涉仪中的单光子探测器,为量子导航定位系统中光学信号传输系统仿真实验平台的建立和硬件系统的实现,以及定位精度的进一步提高打下了基础.

计量量子化变革中的量子导航技术

在国际单位制(SI)的量子化变革中,建立在实物基准上的传统计量体系被基于恒定自然常数的量子基准所替代,与此同时,以原子陀螺仪为代表的量子导航技术正有力推动计量领域的量子化进程。首先,在分析计量实物定义的不足后,阐述七个基本单位的量子化定义并引出各国应对SI量子化影响的布局规划。其次,分析量子化变革对量子计量体系和仪器仪表产业带来的影响,介绍量子测量技术的重点应用领域以及量子测量产业的现状和发展潜力。最后,重点介绍量子计量体系所支撑的量子导航技术和惯性计量器件原子陀螺仪的技术发展现状,并对未来产业布局与发展做出展望。

量子传感的导航应用研究现状与展望

量子传感技术以光子、原子等量子系统为介质,利用量子效应可实现突破标准量子极限制约的超高精度和灵敏度的物理量测量,为基于时空参量测量的传统导航定位授时技术体制的突破带来新的机遇。量子传感改变了导航系统中导航传感器的感知机理,能够实现高精度的时空参量观测,并利用量子系统的非经典特性,实现导航信息的安全可靠传输和探测,提升导航对抗能力。作为量子传感技术的主试验场,量子导航技术方兴未艾,新的导航参量量子传感技术和功能器件不断涌现,量测性能日新月异。在分析了不同量子传感技术和器件物理原理的基础上,探讨了量子导航技术的研究进展与发展方向,并展望了其未来发展趋势和组合导航方式。随着量子传感技术的进步,未来高精度、抗干扰的实用高性能量子导航系统将具有广阔应用前景。

三颗量子卫星组成的导航定位系统探讨

为了进一步提高卫星导航定位的精度,提出一种由3颗量子卫星组成的量子导航定位系统:给出总体框架结构;并分别对其组成部件、作用及其工作的全过程进行详细研究,包括量子纠缠光源子系统,捕获、跟踪和瞄准子系统中的信标光模块、粗跟踪模块、精跟踪模块和超前瞄准模块,以及光子干涉测量子系统和信号处理子系统。研究结果表明,相对于现有的6颗量子卫星的导航定位系统设计方案,所提出的设计方案能够极大地减少所需要的卫星数量,因而更加节省实现的成本。

近地航天器量子导航定位卡尔曼滤波算法研究

针对近地航天器量子导航定位系统,为了进一步提高其定位精度,利用滤波技术将QPS测量值结合航天器的运动模型进行状态量的滤波估计。给出了基于基线干涉原理的量子定位系统观测方程和以二体运动为主的航天器轨道运动模型,在此基础上详细推导了扩展卡尔曼滤波处理过程,并针对该模型进行了仿真。仿真结果表明,基于EKF的量子导航定位精度有明显提高。

基于纠缠光子的量子测距技术研究进展

为了在测绘导航科学研究中获得更高的测距精度,给出量子测距技术的研究进展:总结基于不同光路结构的量子测距方法,并阐述其测量原理与研究现状;概述当前量子测距技术的主要应用领域以及研究进展;最后对量子测距技术的未来发展趋势及在测绘导航领域可能的应用进行分析与展望。

星基量子定位导航系统的测距、定位与导航

基于量子定位导航系统原理,设计并分析了基于3颗卫星的星基量子定位导航系统的测距与定位过程,包括星地光链路的建立、量子纠缠光的发射与接收、到达时间差的获取、量子定位导航系统的测距,以及用户坐标的计算与导航,并对量子定位导航系统中的每个过程的实现进行了详细的阐述。

基于原子体系的量子惯性传感器研究现状

惯性传感器的性能直接决定了惯性导航系统的精度。基于原子体系的量子惯性传感器有望在更小体积和更低成本下达到传统惯性传感器的性能,且理论上可以获得比现有技术更高的测量灵敏度和长期稳定性。近些年随着量子精密测量领域的快速发展,量子惯性传感器的实用化和工程化方面研究进展显著,未来通过替代传统加速度计和陀螺仪,有可能形成高度集成、低功耗和低漂移的量子惯性导航系统。文章简要介绍了基于原子体系的量子惯性传感器的基本原理,总结了以原子干涉陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子干涉加速度计、原子干涉重力仪和重力梯度仪为主的量子惯性传感器研究现状,并对有待解决的关键技术问题进行了梳理和分析,可为量子惯性传感器的发展提供参考。

量子计量技术在预警机中的应用探讨

量子计量学是由量子力学和计量科学交叉而产生的一门新兴学科,涉及到感知、成像、测距、测速、计时以及定位等多个应用领域。近年来,随着量子技术的快速发展及其自身的巨大应用潜力,量子计量技术被投入越来越广泛的关注。研究结合量子计量技术的特点,从量子导航、量子雷达、量子成像三个领域对量子计量技术的发展现状进行了介绍。结合预警机系统的特点,对未来三个领域可能的应用,以及由此而引发的预警机作战能力提升和作战模式改变进行了探讨。

金刚石氮-空位色心惯性测量技术发展与展望

金刚石内嵌负电荷氮-空位(NV-)色心,因其结构性质稳定、常压室温下自旋弛豫时间长、易于操控和检测等特点,已广泛应用于磁场、电场、温度等物理量的测量。基于金刚石NV-色心的惯性测量技术是基于量子效应的原子自旋惯性测量领域的新兴方向之一。首先介绍了金刚石NV-色心的结构与性质,其次阐述了量子体系几何相的基本原理以及NV-色心几何相的惯性测量方案和系统,然后总结了自提出以来金刚石NV-色心惯性测量的国内外发展现状,最后对金刚石NV-色心惯性测量技术的未来发展趋势进行了展望。

2019年国外导航技术发展综述

近年来,国外导航技术的发展呈现出多系统融合的发展态势,结合2019年国外导航技术的发展动态,对美国、欧盟、俄罗斯、印度等国家和地区的卫星导航、惯性导航、天文导航、视觉导航、数据库匹配导航、仿生导航、量子导航和全源导航等技术发展现状进行了总结分析,并对相关技术发展进行了展望。

2020年国外不依赖卫星的导航技术发展综述

随着卫星导航信号受到干扰、欺骗的事件时有发生,保障飞机、船舶等军民用设施在不依赖卫星导航的情况下正常工作成为研究热点。重点阐述了惯性导航2020年的发展动态和发展方向。分别介绍了视觉导航、天文导航、数据库匹配导航、仿生导航、量子导航和协同导航方面的进展情况。分析了对不依赖卫星的导航技术的发展趋势。