QPS，永不失联的导航系统

小顾

在当前的陆海空交通中，全球定位系统（GPS）已成为必不可少的定向导航工具。万一GPS失灵，那该怎么办？英国国防科学与技术实验室（DSTL）正在研究一种以超冷原子为基础的加速计——量子定位系统（QPS），能前所未有地精确跟踪你的位置。

英国海军2016年将用这种量子系统把系泊舰和航行舰分开，记录舰船位置，精确度比以往提高1000倍。如果QPS海上测试成功，将进一步缩小用在飞机、火车、汽车甚至手机上，为城市交通、自动驾驶车辆提供一种后备导航工具。GPS会在水下失灵，所以潜艇下沉后会失去GPS信号，此时要用加速计来导航，记录每次扭身、转向，但目前的加速计并不精确。DSTL的内尔·斯坦菲尔德说：“目前如果没有GPS定位，潜艇在水面航行一天可能偏离航线1千米左右，而QPS会将偏离减小到1米。”激光能捕获真空中的原子云，并使其冷却到绝对零度以上不到1度，超低温下原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰而破坏，这时用另一束激光来跟踪监测干扰造成的任何变化，就能计算出外力大小。由于潜艇航行时会受到海水作用而左右摇晃，导致略微偏向，DSTL小组希望能把这套系统用在水下环境。该QPS样机就像个1米长的鞋盒，一开始只能沿一条轴线工作，加入另外两套激光器和捕获的原子之后，就能协调三维方向的运动了。每套激光器能给100万个铷原子制冷。“一旦我们掌握了第一代，就能把它们小型化用到其他地方。”斯坦菲尔德说。他们将于2015年9月先在陆地上进行实验。

目前该QPS尚未完成，它还不能把微小的万有引力效果和船只运动造成的加速区分开来。“如果潜艇通过一个水下山脉，山脉的万有引力把它向西吸引，感觉上就像它在向东加速。我们要有很好的万有引力地图才能把它引导到正确方向。”伦敦帝国学院冷物质中心的爱德华·海因德说。除了DSTL小组以外，中国和澳大利亚也在研究量子导航系统。英国法斯莱恩北约（NATO）潜艇救援服务机构负责人、前皇家海军潜艇驾驶员约翰·波伊斯说：“超精导航系统能让潜艇船长睡得更好。由于潜艇不必再担心与GPS失联，也会让巡航探测更轻松。”波伊斯认为，该技术可能产生的最大影响是微型化以后用在未来武器上。“虽然潜艇的位置不需要精确到几米几厘米，但导弹、炮弹需要。”它的应用还不止武器范围。研究小组负责人斯蒂芬·蒂尔说：“10到20年前我们需要一个巨大的低温制冷器，但激光制冷原子云改变了一切，下一代制冷技术可能拓展到方方面面，从汽车到智能手机。“我们相信它在尺寸和耗能方面都会下降到能装在仪表板上。”

延伸阅读

卫星导航系统是覆盖全球的、能自主地利空间定位的卫星系统，它允许小巧的电子接收器确定它的所在位置（经度、纬度和高度），并且经由卫星广播沿着视线方向传送的时间信号精确到10米的范围内。

截至目前，只有美国的全球定位系统（GPS，共由24颗卫星组成）及俄罗斯的格洛纳斯系统（GLONASS）是完全覆盖全球的定位系统。中国的北斗卫星导航系统（BDS）则于2012年12月开始服务于亚太区（共由16颗卫星组成），预计于约2020年覆盖全球。欧洲的伽利略定位系统则是还处于初期部署阶段的全球导航卫星系统，预定最早到2020年才能够充分的运作。此外，包括日本、印度等一些国家也都在发展区域导航系统。

每个覆盖全球的系统通常都是由20～30颗卫星组成的卫星群，分布在几个轨道平面上，轨道倾角都大于50°，轨道周期大约都是12小时。

GPS

GPS，又称全球卫星定位系统，是美国国防部研制和维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

GPS系统由美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

BDS

北斗卫星导航系统是由我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，缩写为BDS，于2011年12月27日起提供连续导航定位与授时服务。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及可以与其他卫星导航系统兼容的终端组成。

2000年，北斗导航试验系统建成，我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，2011年12月27日起开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月，北斗卫星导航系统正式提供区域服务。

北斗卫星导航系统可以提供高质量的定位，导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度20米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务等信息。