使用量子傳感器技術(shù)的慣性導(dǎo)航是一個(gè)新的研發(fā)領(lǐng)域，可以徹底改變導(dǎo)航系統(tǒng)。與當(dāng)前基準(zhǔn)相比，這項(xiàng)新技術(shù)將慣性測量精度提高了幾個(gè)數(shù)量級。這可以實(shí)現(xiàn)絕對可靠的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），該系統(tǒng)可以完全獨(dú)立運(yùn)行，并在數(shù)年（而不是使用當(dāng)前技術(shù)的數(shù)月）的過程中保持精度。
目前，GNSS（衛(wèi)星導(dǎo)航）滿足確定位置和航向的地面要求，但技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)品和服務(wù)對 GNSS 的日益依賴也使其成為一個(gè)弱點(diǎn)。這意味著，如果它因干擾和欺騙而受到損害（這種情況比人們想象的要常見得多）、經(jīng)歷設(shè)備故障或受到太陽輻射等宇宙現(xiàn)象的影響，那么持續(xù)的影響、破壞和成本將是巨大的。
任何時(shí)候，當(dāng)車輛或系統(tǒng)依賴 GNSS 進(jìn)行導(dǎo)航且 GNSS 不可用時(shí)，通常都會(huì)使用 INS 來執(zhí)行航位推算。這將根據(jù)速度、航向和方向的估計(jì)來繪制車輛路線。 INS 將使用“經(jīng)典”（非基于量子的）傳感器來確定加速度。由于經(jīng)典傳感器固有的偏差和漂移誤差，使用經(jīng)典傳感器的 INS 可以被視為臨時(shí)導(dǎo)航手段 - 這些誤差會(huì)影響估計(jì)/計(jì)算位置的準(zhǔn)確性，并且通常會(huì)隨著時(shí)間的推移以及檢測到的每次加速度變化而建立?？紤]到這一點(diǎn)，根據(jù)車輛類型和應(yīng)用，最高等級的經(jīng)典 INS 可能能夠保持幾個(gè)月的精度；而低級 INS 可能只能依賴幾秒鐘。 INS 的位置誤差隨著時(shí)間和距離不斷累積，直到可以通過 GNSS 或其他來源提供絕對位置參考。在此刻，INS能夠根據(jù)更新的絕對位置數(shù)據(jù)清除累積誤差并重置位置。如果沒有這種重置/重新校準(zhǔn)，任何“經(jīng)典”INS 最終都會(huì)失去位置精度。
由于不可用，海底、地下和外層空間導(dǎo)航應(yīng)用已經(jīng)無法使用 GNSS 作為參考。在這種情況下，更高精度的航位推算將帶來立竿見影的好處。為了在沒有 GNSS 的情況下實(shí)現(xiàn)長時(shí)間且準(zhǔn)確的航位推算，量子傳感器可能是一種解決方案。
將量子傳感器技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的想法是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它提出了一些具體的挑戰(zhàn)。通常，現(xiàn)有的量子傳感研究基于固定重力測量。這可用于許多應(yīng)用，例如識(shí)別地下水及其運(yùn)動(dòng)、礦藏、監(jiān)測洋流和檢測火山活動(dòng)。
20 年代，法國物理學(xué)家路易斯·德布羅意假設(shè)粒子（質(zhì)子、電子、中子的組合）同時(shí)具有粒子特性和波形特性。這種波粒二象性是量子力學(xué)理論不可或缺的一部分。這種二元性也適用于原子，原子是構(gòu)成物理元素的粒子的特定組合。由于原子缺乏物理尺寸及其帶電性質(zhì)，它們對幾乎任何環(huán)境變化都很敏感。為了響應(yīng)環(huán)境的變化，原子波形將會(huì)改變。正是這種微小的波形，如果可以測量它的變化，就可以提供以前科幻小說中的內(nèi)容的準(zhǔn)確性。
量子理論得到了許多物理學(xué)家的進(jìn)一步發(fā)展，例如埃爾溫·薛定諤，發(fā)展有助于進(jìn)一步定義量子力學(xué)和有助于解釋其功能的數(shù)學(xué)的假設(shè)。量子系統(tǒng)的基礎(chǔ)是利用原子對其環(huán)境的極端敏感性。不僅如此，由于原子是元素的基本組成部分，因此它們不會(huì)受到疲勞、磨損或時(shí)間的影響，并且如果它們位于地球或太空中的某個(gè)地方，則具有相同的慣性特征。使用原子作為測量基礎(chǔ)的“純粹性”在于幾乎零漂移。一個(gè)例子是使用原子鐘來維持關(guān)鍵系統(tǒng)（例如 GNSS）中的精確同步。至關(guān)重要的是，原子的波形在施加外力之前保持穩(wěn)定。例如，加速度、旋轉(zhuǎn)、重力或電磁場的任何變化都會(huì)被原子“感覺到”，這微妙地影響了原子波形。可以通過以下方式檢測波形的變化并推斷出實(shí)際值干涉測量法。
干涉測量基本上是分離波形、將其發(fā)送到兩個(gè)不同路徑，然后重新組合它們并測量原始波形和組合波形之間的差異的過程。當(dāng)來自不同方向的海浪相互“干擾”時(shí)，可以觀察到波形干擾的一個(gè)簡單例子。如果波峰相結(jié)合，這可能會(huì)導(dǎo)致更大的波，或者如果一個(gè)波的波峰與另一個(gè)波的波谷相遇，可能會(huì)導(dǎo)致減小的波。
在示例圖像中，( A )中的波形（橙色和綠色）同相。組合后，產(chǎn)生的波形（藍(lán)色）更大——這是相長干涉。
( B ) 中的波形異相 180°（彼此相反）。組合后，產(chǎn)生的波形是平坦的（零幅度）——這是破壞性干擾。
在 ( C ) 中，波形有少量異相。組合后，所得波形的幅度比原始波形稍大 – 這是相長干涉
作為使用光作為波形的干涉測量的示例，將光引導(dǎo)至半涂有反射材料的鏡子。這種半反射鏡允許一半的光通過，一半的光被反射，從而將光分開。副鏡將改變光線方向，使其重新組合。
如果其中一個(gè)鏡子的位置或角度由于某種外力（例如重力）而發(fā)生微小變化，則偏轉(zhuǎn)光的波形將相對于參考光波形發(fā)生偏移（相移）。當(dāng)光波形重新組合時(shí)，波形條紋（邊緣）將出現(xiàn)可測量的差異，其中黑暗的部分現(xiàn)在變得明亮，反之亦然。由于光的波長非常短，這是一種極其精確的測量方法。
在基本激光干涉儀中，激光 ( A ) 射向半反射鏡 ( B ) – 光線分裂至反射鏡 ( C ) 和 ( D ) 以及光檢測器 ( E )。
從鏡子( C )和( D )反射的光被( B )反射到( E )。然后可以疊加波形條紋 ( F ) 以計(jì)算波形之間任何差異的程度
根據(jù)物質(zhì)的不同，原子的波長大約比可見光小3 x 10 4倍。使用原子波形干涉測量的概念代表了令人難以置信的精確度。
與使用鏡子分裂光的波形類似，原子的波形在某種意義上也可以在量子水平上“分裂”。這是因?yàn)榱孔游锢矶稍试S原子同時(shí)存在于所有可能的狀態(tài)。原子同時(shí)處于多種狀態(tài)的能力（聽起來很奇怪）會(huì)產(chǎn)生可用于干涉測量的波形差異。
干涉儀實(shí)驗(yàn)通常需要數(shù)百萬個(gè)原子（稱為“原子云”）。原子數(shù)量越多，測量的潛在精度就越高。在原子云分裂之前，使用激光對其進(jìn)行冷卻。激光冷卻可能聽起來很矛盾，但它確實(shí)有效，因?yàn)閬碜约す獾墓庾颖辉游詹⒅匦掳l(fā)射，這導(dǎo)致它們在每次發(fā)射時(shí)損失少量動(dòng)能。經(jīng)過數(shù)千次光子吸收和發(fā)射后，原子冷卻至略高于“絕對零”（0°開爾文或-273.15°C）。這種超冷的溫度導(dǎo)致原子幾乎沒有能量，幾乎是靜止的，而不是以每秒數(shù)百米的速度移動(dòng)。在這種狀態(tài)下，可以觀察原子并進(jìn)行測量。
原子冷卻后，冷卻激光器被停用，原子開始自由落體。在自由落體過程中，原子通過三個(gè)激光脈沖。來自第一個(gè)脈沖的光子將動(dòng)量轉(zhuǎn)移到云中，并將原子置于兩個(gè)同時(shí)的、空間上分離的動(dòng)量狀態(tài)的量子“疊加”中。也就是說，原子具有被光子激發(fā)的狀態(tài)和未被激發(fā)的狀態(tài)，其中激發(fā)態(tài)具有與非激發(fā)態(tài)不同的動(dòng)量。這有效地將每個(gè)原子波形一分為二，將一個(gè)波形相對于另一個(gè)波形移動(dòng)，以提供干涉測量所需的單獨(dú)路徑。一段時(shí)間后，第二個(gè)激光脈沖指向原子云，以反轉(zhuǎn)它們之間的動(dòng)量差，并使原子波形狀態(tài)開始收斂，有效地重組和干擾波形。一段時(shí)間后，使用第三個(gè)脈沖來結(jié)束干涉測量序列。原子受到最終光脈沖的影響，探測其內(nèi)部狀態(tài)并提供測量結(jié)果。任何通過慣性、重力、電磁、輻射等改變原子勢能、內(nèi)能或動(dòng)能的效應(yīng)都會(huì)在波形中以相位差的形式可見，因?yàn)樗鼈兂蔀樵恿孔恿W(xué)狀態(tài)所固有的。干擾信號表現(xiàn)為最終動(dòng)量狀態(tài)之間的總體差異?；蛟油ㄟ^慣性、重力、電磁、輻射等產(chǎn)生的動(dòng)能在波形中以相位差的形式變得可見，因?yàn)樗鼈兂蔀樵恿孔恿W(xué)狀態(tài)所固有的。干擾信號表現(xiàn)為最終動(dòng)量狀態(tài)之間的總體差異?；蛟油ㄟ^慣性、重力、電磁、輻射等產(chǎn)生的動(dòng)能在波形中以相位差的形式變得可見，因?yàn)樗鼈兂蔀樵恿孔恿W(xué)狀態(tài)所固有的。干擾信號表現(xiàn)為最終動(dòng)量狀態(tài)之間的總體差異。
在示例圖像中，X 軸表示空間距離，Y 軸表示時(shí)間。紅色波代表激光脈沖。
第一個(gè)（下部）脈沖將光子能量傳遞給原子并引起動(dòng)量變化。原子的動(dòng)量對偶性由綠色和橙色線表示。
第二個(gè)（中間）脈沖反轉(zhuǎn)動(dòng)量，導(dǎo)致原子合并。
第三個(gè)（上方）脈沖結(jié)束序列，然后進(jìn)行波形比較和測量
作為原子干涉儀的類比，可以將原子視為棒球，將激光視為棒球棒。冷卻的原子被落入干涉儀中，蝙蝠向上撞擊它們，從而將光子能量傳遞給原子。由于量子疊加，原子同時(shí)被蝙蝠擊中和錯(cuò)過，因此既會(huì)下落（錯(cuò)過）又會(huì)上升/靜止（擊中）。命中和錯(cuò)過的原子狀態(tài)提供了干涉儀的兩個(gè)“臂”或“路徑”。下一個(gè)激光以相反的方向擊打原子，第三個(gè)激光則穩(wěn)定了原子。
量子傳感器技術(shù)的一個(gè)根本挑戰(zhàn)是利用量子系統(tǒng)可以檢測到的加速度的范圍和帶寬。這是因?yàn)樗鼈兙哂芯薮蟮拿舾行浴?/p>
讓我們首先定義范圍、帶寬和精度。
? 帶寬，也可以稱為采樣率，是傳感器可以提供符合規(guī)格的測量的頻率。
? 范圍是傳感器可以測量的指定最小值和最大值。
? 精度是傳感器可以檢測到的最小加速度變化?？梢哉f，經(jīng)典傳感器和量子傳感器位于靈敏度帶寬/范圍譜的兩端。
為了比較經(jīng)典傳感器和量子傳感器，以下數(shù)據(jù)顯示了屬性之間的差異：
| 對比項(xiàng) | 經(jīng)典 | 量子 |
| 帶寬 | 300 to 500 Hz | 0.5 to 2 Hz |
| 范圍 | ±15 g | ±1.2 g |
| 準(zhǔn)確性 | 500 μg (micro-g | 10-8) | 10 pg (pico-g | 10-12) |
可以看出，經(jīng)典傳感器提供數(shù)據(jù)的頻率是量子傳感器的數(shù)百倍，這取決于運(yùn)動(dòng)變化發(fā)生的速度，使它們能夠捕獲整個(gè)運(yùn)動(dòng)。因此，由于低帶寬和“丟失”加速度變化而導(dǎo)致測量之間發(fā)生的錯(cuò)誤的可能性較小。
當(dāng)然，由于量子帶寬如此之低，很容易錯(cuò)過加速度的快速變化。因此，超出量子傳感器范圍的加速度可能會(huì)不明確，并且此類數(shù)據(jù)必須被認(rèn)為是錯(cuò)誤的。
解決量子傳感器范圍和帶寬限制的一種方法是將其輸出與經(jīng)典慣性傳感器（MEMS 、FOG 或RLG ）融合。經(jīng)典慣性傳感器可以提供帶寬和范圍，而量子傳感器則提供極高的精度，沒有誤差或噪聲。對于量子傳感器，傳感發(fā)生的帶寬通常為 1 Hz（每秒一次）。請注意，冷原子干涉測量的靈敏度隨著原子在干涉儀內(nèi)的持續(xù)時(shí)間越長而增加（持續(xù)時(shí)間越長，帶寬越低）。對于快速移動(dòng)的車輛，低帶寬意味著加速度跟蹤中存在許多差距，并且可能因超出量子范圍而產(chǎn)生無法使用的數(shù)據(jù)。
冷原子干涉儀的輸出提供了一個(gè)波形，其中曲線上的每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)于唯一的加速度。這樣做的一個(gè)問題是波形是恒定的，并且波形的峰值可能會(huì)變化而無法確定實(shí)際測量結(jié)果。例如，一個(gè)峰可以代表1m/s 2 ，而另一相同的峰可以代表2m/s 2。
這是使用經(jīng)典傳感器的地方，因?yàn)樗哂懈吒侣?和高動(dòng)態(tài)范圍。高級導(dǎo)航已開發(fā)出以下技術(shù)：
? 使用經(jīng)典傳感器數(shù)據(jù)確定量子傳感器輸出波形上的實(shí)際點(diǎn)，以有效創(chuàng)建量子基線值。
? 使用量子基線作為兩種傳感器類型數(shù)據(jù)融合的一部分。
準(zhǔn)確可靠地融合量子和經(jīng)典傳感器數(shù)據(jù)需要高度復(fù)雜的基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。這應(yīng)用算法來匯聚來自兩個(gè)傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以消除噪聲和錯(cuò)誤，并以有意義的方式組合數(shù)據(jù)。
擁有高帶寬傳感器可以比量子傳感器的帶寬更頻繁地檢測變化。而且，即使經(jīng)典傳感器存在誤差，通過以算法方式融合兩者，我們可以獲得量子傳感器的極低誤差。此外，具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)將使用以前的數(shù)據(jù)來不斷完善當(dāng)前的測量結(jié)果，并使系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移提高準(zhǔn)確度和精確度，而不是降低。
將 FOG 經(jīng)典傳感器的帶寬和范圍與量子傳感器硬件的精度相融合，
通過有效消除經(jīng)典傳感器的漂移并增加量子傳感器的范圍，極大地?cái)U(kuò)展了兩種傳感器的功能
將原子與環(huán)境隔離以用于傳感目的并將其部署到動(dòng)態(tài)車輛中一直是量子傳感的主要挑戰(zhàn)。如果在干涉測量過程中沒有超級受控的環(huán)境來捕獲、發(fā)射和控制原子，就不可能在測量方面獲得任何有意義或連貫的東西。此外，使用定制的、極其專業(yè)且昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來為量子干涉測量提供必要的隔離環(huán)境，這并不是在現(xiàn)實(shí)場景中使用的可行解決方案。為了應(yīng)對量子解決方案的硬件挑戰(zhàn)，Advanced Navigation 開發(fā)了自己的適合量子傳感器技術(shù)的硬件。該硬件的外形尺寸在現(xiàn)實(shí)世界中很實(shí)用，可以消除磁場干擾，并隔離振動(dòng)，使用被動(dòng)（機(jī)械）和主動(dòng)（計(jì)算機(jī)控制）系統(tǒng)進(jìn)行沖擊和旋轉(zhuǎn)。
目前，性能最高的經(jīng)典慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可能能夠在漂移和誤差累積變得不可接受之前提供幾周可接受水平的航位推算。應(yīng)用量子傳感器卓越的穩(wěn)定性作為提供超出經(jīng)典傳感器正常限制的精確測量的手段意味著漂移可以忽略不計(jì)，并且很少需要重新校準(zhǔn)。因此，在錯(cuò)誤累積到成為問題的程度之前，航位推算可能會(huì)延長數(shù)年。這對于長距離和長時(shí)間的自主太空任務(wù)尤其有價(jià)值。
澤維爾·奧爾“高級導(dǎo)航經(jīng)典量子解決方案消除了傳感器范圍和帶寬的限制，并大幅提高了準(zhǔn)確性。作為未來慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)技術(shù)，經(jīng)典量子傳感為我們提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)來融合量子世界和物理世界并提供革命性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。”
量子傳感器技術(shù)可能仍處于起步階段，但先進(jìn)導(dǎo)航公司進(jìn)行的研究和開發(fā)表明它可以投入實(shí)際應(yīng)用。將Advanced Navigation Boreas 數(shù)字光纖陀螺儀 ( DFOG ) 作為經(jīng)典傳感器與量子傳感器硬件相結(jié)合，首個(gè)此類慣性導(dǎo)航系統(tǒng)正準(zhǔn)備用于NASA 月球到火星任務(wù)任務(wù)。隨著技術(shù)的完善和更廣泛的應(yīng)用，SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）將相應(yīng)縮小。前面提到的符合太空要求的系統(tǒng)大約是標(biāo)準(zhǔn)冰箱的大小，這比許多實(shí)驗(yàn)室原型要小得多，并且隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)將縮小到當(dāng)前尺寸的四分之一以下。
對于移動(dòng)車輛的慣性傳感，來自適當(dāng)傳感器的正確且仔細(xì)融合的量子經(jīng)典輸出可能成為地球上和地球外高級導(dǎo)航的未來。使用經(jīng)典量子系統(tǒng)將提供極其精確的慣性測量，幾乎沒有漂移、高動(dòng)態(tài)范圍和高帶寬。這項(xiàng)技術(shù)的潛力將能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的精確導(dǎo)航，而無需使用衛(wèi)星、磁場、基站或恒星等外部參考進(jìn)行重新校準(zhǔn)或校正。這代表了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的巨大變革，對于對 GNSS 欺騙/干擾敏感的應(yīng)用以及依賴長期慣性導(dǎo)航或完全脫離基于 GNSS 的導(dǎo)航的應(yīng)用來說，這將是革命性的。
? 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導(dǎo)航系統(tǒng)
? 3DM-GX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
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