原子幹涉儀為美國海軍的慣性導航路徑提供便利，以減少漂移

2023 年 11 月 2 日，美國海軍研究實驗室 （NRL） 量子光學部門的研究實體學家 Jonathan Kwolek 博士将光纖電纜連接配接到緊湊型雷射傳輸系統，該系統在 NRL 原子幹涉測量實驗室的定制真空單元周圍仔細對齊。該裝置将産生一個冷的、連續的原子束，該原子束将被輸送到更大的真空室中，以解決海軍船隻慣性導航的挑戰。（美國海軍攝影：Jonathan Steffen）。圖檔來源：（美國海軍/喬納森·史蒂芬）

美國海軍研究實驗室 （NRL） 的研究人員開發了一種正在申請專利的連續 3D 冷卻原子束幹涉儀，該幹涉儀源自獲得專利的冷連續原子束，以探索基于原子幹涉測量的慣性測量系統，作為減少海軍導航系統漂移的途徑。

慣性導航是一種獨立的導航技術，其中加速度計和陀螺儀提供的測量值用于跟蹤物體相對于已知起點、方向和速度的位置和方向。量子慣性導航是一個新的研發領域，可以将慣性測量精度提高幾個數量級。

“我們的幹涉儀的工作方式與大多數其他現代原子幹涉儀的實作不同，”來自光學科學部NRL量子光學部門的研究實體學家Jonathan Kwolek博士說。“通過使用冷的連續原子，我們打開了許多優勢和新穎的測量技術的大門。最終，我們希望利用這項技術來改進慣性導航系統，進而減少我們對GPS的依賴。

由于原子源的獨特特性，連續3D冷卻原子束幹涉儀具有很有前途的測量特性，如高測量對比度、低噪聲和改進的傳感器環境變化處理。這項技術有可能為海軍提供在拒絕GPS的環境中操作的能力，并克服GPS精度的限制。

根據測量平台的不同，位置估計中的誤差會累積并導緻準确位置資訊的丢失。例如，目前商用的慣性導航系統可以在360小時内以大約1海裡的誤差累積進行導航。NRL打算開發新技術來延長該時間，以便導航漂移不會限制任務持續時間。

“慣性導航領域旨在提供GPS不可用的導航資訊，”NRL系統研究副主任Gerald Borsuk博士說。“原子幹涉測量的出現為慣性傳感提供了一種新方法，它有可能解決目前最先進技術中的一些缺陷。

GPS已成為我們民用和軍用世界功能的支柱，在世界任何地方提供高精度的分布式位置和授時資訊。然而，在某些戰場環境中，GPS無法正常工作，例如水下或太空，以及幹擾、欺騙或反衛星戰等對GPS可用性的威脅越來越大。

“在一個理想的世界裡，我們通過制造最好的慣性導航儀來對沖傳統導航的損失，”Kwolek說。“這是為了確定GPS的丢失不會讓我們的船隻迷失在敵方領土的中間。

為什麼要使用原子幹涉儀？

幹涉儀是使用相幹波從幹涉中提取資訊的裝置。這類裝置廣泛用于位移、折射率變化和表面拓撲結構的精确測量。慣性導航應用廣泛，包括飛機、戰術和戰略飛彈、航天器、潛艇和船舶的導航。

原子實體學為極高精度的測量提供了一個獨特的工具包。原子幹涉測量是原子實體學中的一種方法，其中原子物質波的量子幹涉用于測量環境條件（例如場或慣性力）的極其精确的變化。

“與經典測量相比，進行原子慣性測量會産生不同的誤差依賴性，”Kwolek說。“我們預測，如果仔細操作，原子幹涉儀将表現出比目前領先技術更好的長期噪聲行為和精度。轉化為慣性導航的世界，這意味着保持你的位置固定更長時間，提供更大的操作靈活性。

原子幹涉儀也可用于限制另一個傳感器，就像時鐘對GPS的限制一樣。幹涉儀與共傳感器的這種組合可以使幹涉儀在實際測量場景中實作優勢。

“這絕不是一個完整的解決方案，”Kwolek說。“操作原子幹涉儀需要權衡取舍，例如，增強的靈敏度與較差的動态範圍相關。我們正在探索解決這個問題的多種途徑，包括協傳感器的實作或替代的冷原子技術。

這項量子光學研究由NRL基地計劃和海軍研究辦公室贊助。

《2024财年國防授權法案》指出，量子技術正在接近一個臨界點，這将決定它能以多快的速度産生影響。如果美國能夠跟上步伐，國防部（DOD）的許多重要成果都可以實作，包括強大的位置、導航和時機，使國防部能夠自由行動，即使在頻譜、太空或網絡作戰方面也是如此。

減少對GPS的依賴

NRL 自成立以來一直為船隊提供導航解決方案，但在 1960 年代随着 GPS 的發明而取得了突破。

NRL 于 1967 年 5 月 31 日推出了 TIMATION I，并于 1969 年 8 月 30 日推出了 TIMATION II。TIMATION I 證明，使用時間同步衛星的距離測量，水面艦艇可以定位在十分之二海裡以内，飛機可以定位在十分之三海裡以内。

雖然GPS最初是為軍方設計的，但已經适應了民用導航需求，從商業航空到便攜式手持和手表類裝置。今天，GPS是一個由32顆地球軌道衛星組成的星座，為全球的軍事和民用最終使用者提供精确的導航和授時資料。盡管GPS已經發展了幾十年，但優化的慣性導航系統使海軍能夠降低完全依賴GPS的風險。

“在現代，NRL是應對海軍慣性導航挑戰的幾個研究機構之一，”NRL量子光學部門負責人Adam Black博士說。“該實驗室正在利用先進的原子和光學技術來發明新的慣性測量架構，進而保證對動态海軍平台進行精确導航。