使用量子傳(chuan) 感器技術的慣性導航是一個(ge) 新的研發領域，可以徹底改變導航係統。與(yu) 當前基準相比，這項新技術將慣性測量精度提高了幾個(ge) 數量級。這可以實現絕對可靠的慣性導航係統（INS），該係統可以完全獨立運行，並在數年（而不是使用當前技術的數月）的過程中保持精度。
目前，GNSS（衛星導航）滿足確定位置和航向的地麵要求，但技術、基礎設施、產(chan) 品和服務對 GNSS 的日益依賴也使其成為(wei) 一個(ge) 弱點。這意味著，如果它因幹擾和欺騙而受到損害（這種情況比人們(men) 想象的要常見得多）、經曆設備故障或受到太陽輻射等宇宙現象的影響，那麽(me) 持續的影響、破壞和成本將是巨大的。
任何時候，當車輛或係統依賴 GNSS 進行導航且 GNSS 不可用時，通常都會(hui) 使用 INS 來執行航位推算。這將根據速度、航向和方向的估計來繪製車輛路線。 INS 將使用“經典”（非基於(yu) 量子的）傳(chuan) 感器來確定加速度。由於(yu) 經典傳(chuan) 感器固有的偏差和漂移誤差，使用經典傳(chuan) 感器的 INS 可以被視為(wei) 臨(lin) 時導航手段 - 這些誤差會(hui) 影響估計/計算位置的準確性，並且通常會(hui) 隨著時間的推移以及檢測到的每次加速度變化而建立。考慮到這一點，根據車輛類型和應用，最高等級的經典 INS 可能能夠保持幾個(ge) 月的精度；而低級 INS 可能隻能依賴幾秒鍾。 INS 的位置誤差隨著時間和距離不斷累積，直到可以通過 GNSS 或其他來源提供絕對位置參考。在此刻，INS能夠根據更新的絕對位置數據清除累積誤差並重置位置。如果沒有這種重置/重新校準，任何“經典”INS 最終都會(hui) 失去位置精度。
由於(yu) 不可用，海底、地下和外層空間導航應用已經無法使用 GNSS 作為(wei) 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(wei) 了在沒有 GNSS 的情況下實現長時間且準確的航位推算，量子傳(chuan) 感器可能是一種解決(jue) 方案。
將量子傳(chuan) 感器技術應用於(yu) 動態環境以實現導航的想法是一個(ge) 新的研究領域，它提出了一些具體(ti) 的挑戰。通常，現有的量子傳(chuan) 感研究基於(yu) 固定重力測量。這可用於(yu) 許多應用，例如識別地下水及其運動、礦藏、監測洋流和檢測火山活動。
20 年代，法國物理學家路易斯·德布羅意假設粒子（質子、電子、中子的組合）同時具有粒子特性和波形特性。這種波粒二象性是量子力學理論不可或缺的一部分。這種二元性也適用於(yu) 原子，原子是構成物理元素的粒子的特定組合。由於(yu) 原子缺乏物理尺寸及其帶電性質，它們(men) 對幾乎任何環境變化都很敏感。為(wei) 了響應環境的變化，原子波形將會(hui) 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(nei) 容的準確性。
量子理論得到了許多物理學家的進一步發展，例如埃爾溫·薛定諤，發展有助於(yu) 進一步定義(yi) 量子力學和有助於(yu) 解釋其功能的數學的假設。量子係統的基礎是利用原子對其環境的極端敏感性。不僅(jin) 如此，由於(yu) 原子是元素的基本組成部分，因此它們(men) 不會(hui) 受到疲勞、磨損或時間的影響，並且如果它們(men) 位於(yu) 地球或太空中的某個(ge) 地方，則具有相同的慣性特征。使用原子作為(wei) 測量基礎的“純粹性”在於(yu) 幾乎零漂移。一個(ge) 例子是使用原子鍾來維持關(guan) 鍵係統（例如 GNSS）中的精確同步。至關(guan) 重要的是，原子的波形在施加外力之前保持穩定。例如，加速度、旋轉、重力或電磁場的任何變化都會(hui) 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並推斷出實際值幹涉測量法。
幹涉測量基本上是分離波形、將其發送到兩(liang) 個(ge) 不同路徑，然後重新組合它們(men) 並測量原始波形和組合波形之間的差異的過程。當來自不同方向的海浪相互“幹擾”時，可以觀察到波形幹擾的一個(ge) 簡單例子。如果波峰相結合，這可能會(hui) 導致更大的波，或者如果一個(ge) 波的波峰與(yu) 另一個(ge) 波的波穀相遇，可能會(hui) 導致減小的波。
在示例圖像中，( A )中的波形（橙色和綠色）同相。組合後，產(chan) 生的波形（藍色）更大——這是相長幹涉。
( B ) 中的波形異相 180°（彼此相反）。組合後，產(chan) 生的波形是平坦的（零幅度）——這是破壞性幹擾。
在 ( C ) 中，波形有少量異相。組合後，所得波形的幅度比原始波形稍大 – 這是相長幹涉
作為(wei) 使用光作為(wei) 波形的幹涉測量的示例，將光引導至半塗有反射材料的鏡子。這種半反射鏡允許一半的光通過，一半的光被反射，從(cong) 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(ge) 鏡子的位置或角度由於(yu) 某種外力（例如重力）而發生微小變化，則偏轉光的波形將相對於(yu) 參考光波形發生偏移（相移）。當光波形重新組合時，波形條紋（邊緣）將出現可測量的差異，其中黑暗的部分現在變得明亮，反之亦然。由於(yu) 光的波長非常短，這是一種極其精確的測量方法。
在基本激光幹涉儀(yi) 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(cong) 鏡子( C )和( D )反射的光被( B )反射到( E )。然後可以疊加波形條紋 ( F ) 以計算波形之間任何差異的程度
根據物質的不同，原子的波長大約比可見光小3 x 10 4倍。使用原子波形幹涉測量的概念代表了令人難以置信的精確度。
與(yu) 使用鏡子分裂光的波形類似，原子的波形在某種意義(yi) 上也可以在量子水平上“分裂”。這是因為(wei) 量子物理定律允許原子同時存在於(yu) 所有可能的狀態。原子同時處於(yu) 多種狀態的能力（聽起來很奇怪）會(hui) 產(chan) 生可用於(yu) 幹涉測量的波形差異。
幹涉儀(yi) 實驗通常需要數百萬(wan) 個(ge) 原子（稱為(wei) “原子雲(yun) ”）。原子數量越多，測量的潛在精度就越高。在原子雲(yun) 分裂之前，使用激光對其進行冷卻。激光冷卻可能聽起來很矛盾，但它確實有效，因為(wei) 來自激光的光子被原子吸收並重新發射，這導致它們(men) 在每次發射時損失少量動能。經過數千次光子吸收和發射後，原子冷卻至略高於(yu) “絕對零”（0°開爾文或-273.15°C）。這種超冷的溫度導致原子幾乎沒有能量，幾乎是靜止的，而不是以每秒數百米的速度移動。在這種狀態下，可以觀察原子並進行測量。
原子冷卻後，冷卻激光器被停用，原子開始自由落體(ti) 。在自由落體(ti) 過程中，原子通過三個(ge) 激光脈衝(chong) 。來自第一個(ge) 脈衝(chong) 的光子將動量轉移到雲(yun) 中，並將原子置於(yu) 兩(liang) 個(ge) 同時的、空間上分離的動量狀態的量子“疊加”中。也就是說，原子具有被光子激發的狀態和未被激發的狀態，其中激發態具有與(yu) 非激發態不同的動量。這有效地將每個(ge) 原子波形一分為(wei) 二，將一個(ge) 波形相對於(yu) 另一個(ge) 波形移動，以提供幹涉測量所需的單獨路徑。一段時間後，第二個(ge) 激光脈衝(chong) 指向原子雲(yun) ，以反轉它們(men) 之間的動量差，並使原子波形狀態開始收斂，有效地重組和幹擾波形。一段時間後，使用第三個(ge) 脈衝(chong) 來結束幹涉測量序列。原子受到最終光脈衝(chong) 的影響，探測其內(nei) 部狀態並提供測量結果。任何通過慣性、重力、電磁、輻射等改變原子勢能、內(nei) 能或動能的效應都會(hui) 在波形中以相位差的形式可見，因為(wei) 它們(men) 成為(wei) 原子量子力學狀態所固有的。幹擾信號表現為(wei) 最終動量狀態之間的總體(ti) 差異。或原子通過慣性、重力、電磁、輻射等產(chan) 生的動能在波形中以相位差的形式變得可見，因為(wei) 它們(men) 成為(wei) 原子量子力學狀態所固有的。幹擾信號表現為(wei) 最終動量狀態之間的總體(ti) 差異。或原子通過慣性、重力、電磁、輻射等產(chan) 生的動能在波形中以相位差的形式變得可見，因為(wei) 它們(men) 成為(wei) 原子量子力學狀態所固有的。幹擾信號表現為(wei) 最終動量狀態之間的總體(ti) 差異。
在示例圖像中，X 軸表示空間距離，Y 軸表示時間。紅色波代表激光脈衝(chong) 。
第一個(ge) （下部）脈衝(chong) 將光子能量傳(chuan) 遞給原子並引起動量變化。原子的動量對偶性由綠色和橙色線表示。
第二個(ge) （中間）脈衝(chong) 反轉動量，導致原子合並。
第三個(ge) （上方）脈衝(chong) 結束序列，然後進行波形比較和測量
作為(wei) 原子幹涉儀(yi) 的類比，可以將原子視為(wei) 棒球，將激光視為(wei) 棒球棒。冷卻的原子被落入幹涉儀(yi) 中，蝙蝠向上撞擊它們(men) ，從(cong) 而將光子能量傳(chuan) 遞給原子。由於(yu) 量子疊加，原子同時被蝙蝠擊中和錯過，因此既會(hui) 下落（錯過）又會(hui) 上升/靜止（擊中）。命中和錯過的原子狀態提供了幹涉儀(yi) 的兩(liang) 個(ge) “臂”或“路徑”。下一個(ge) 激光以相反的方向擊打原子，第三個(ge) 激光則穩定了原子。
量子傳(chuan) 感器技術的一個(ge) 根本挑戰是利用量子係統可以檢測到的加速度的範圍和帶寬。這是因為(wei) 它們(men) 具有巨大的敏感性。
讓我們(men) 首先定義(yi) 範圍、帶寬和精度。
• 帶寬，也可以稱為(wei) 采樣率，是傳(chuan) 感器可以提供符合規格的測量的頻率。
• 範圍是傳(chuan) 感器可以測量的指定最小值和最大值。
• 精度是傳(chuan) 感器可以檢測到的最小加速度變化。可以說，經典傳(chuan) 感器和量子傳(chuan) 感器位於(yu) 靈敏度帶寬/範圍譜的兩(liang) 端。
為(wei) 了比較經典傳(chuan) 感器和量子傳(chuan) 感器，以下數據顯示了屬性之間的差異：
| 對比項 | 經典 | 量子 |
| 帶寬 | 300 to 500 Hz | 0.5 to 2 Hz |
| 範圍 | ±15 g | ±1.2 g |
| 準確性 | 500 µg (micro-g | 10-8) | 10 pg (pico-g | 10-12) |
可以看出，經典傳(chuan) 感器提供數據的頻率是量子傳(chuan) 感器的數百倍，這取決(jue) 於(yu) 運動變化發生的速度，使它們(men) 能夠捕獲整個(ge) 運動。因此，由於(yu) 低帶寬和“丟(diu) 失”加速度變化而導致測量之間發生的錯誤的可能性較小。
當然，由於(yu) 量子帶寬如此之低，很容易錯過加速度的快速變化。因此，超出量子傳(chuan) 感器範圍的加速度可能會(hui) 不明確，並且此類數據必須被認為(wei) 是錯誤的。
解決(jue) 量子傳(chuan) 感器範圍和帶寬限製的一種方法是將其輸出與(yu) 經典慣性傳(chuan) 感器（MEMS 、FOG 或RLG ）融合。經典慣性傳(chuan) 感器可以提供帶寬和範圍，而量子傳(chuan) 感器則提供極高的精度，沒有誤差或噪聲。對於(yu) 量子傳(chuan) 感器，傳(chuan) 感發生的帶寬通常為(wei) 1 Hz（每秒一次）。請注意，冷原子幹涉測量的靈敏度隨著原子在幹涉儀(yi) 內(nei) 的持續時間越長而增加（持續時間越長，帶寬越低）。對於(yu) 快速移動的車輛，低帶寬意味著加速度跟蹤中存在許多差距，並且可能因超出量子範圍而產(chan) 生無法使用的數據。
冷原子幹涉儀(yi) 的輸出提供了一個(ge) 波形，其中曲線上的每個(ge) 點對應於(yu) 唯一的加速度。這樣做的一個(ge) 問題是波形是恒定的，並且波形的峰值可能會(hui) 變化而無法確定實際測量結果。例如，一個(ge) 峰可以代表1m/s 2 ，而另一相同的峰可以代表2m/s 2。
這是使用經典傳(chuan) 感器的地方，因為(wei) 它具有高更新率 和高動態範圍。高級導航已開發出以下技術：
• 使用經典傳(chuan) 感器數據確定量子傳(chuan) 感器輸出波形上的實際點，以有效創建量子基線值。
• 使用量子基線作為(wei) 兩(liang) 種傳(chuan) 感器類型數據融合的一部分。
準確可靠地融合量子和經典傳(chuan) 感器數據需要高度複雜的基於(yu) 人工智能神經網絡的係統。這應用算法來匯聚來自兩(liang) 個(ge) 傳(chuan) 感器係統的數據，以消除噪聲和錯誤，並以有意義(yi) 的方式組合數據。
擁有高帶寬傳(chuan) 感器可以比量子傳(chuan) 感器的帶寬更頻繁地檢測變化。而且，即使經典傳(chuan) 感器存在誤差，通過以算法方式融合兩(liang) 者，我們(men) 可以獲得量子傳(chuan) 感器的極低誤差。此外，具有學習(xi) 能力的係統將使用以前的數據來不斷完善當前的測量結果，並使係統隨著時間的推移提高準確度和精確度，而不是降低。
將 FOG 經典傳(chuan) 感器的帶寬和範圍與(yu) 量子傳(chuan) 感器硬件的精度相融合，
通過有效消除經典傳(chuan) 感器的漂移並增加量子傳(chuan) 感器的範圍，極大地擴展了兩(liang) 種傳(chuan) 感器的功能
將原子與(yu) 環境隔離以用於(yu) 傳(chuan) 感目的並將其部署到動態車輛中一直是量子傳(chuan) 感的主要挑戰。如果在幹涉測量過程中沒有超級受控的環境來捕獲、發射和控製原子，就不可能在測量方麵獲得任何有意義(yi) 或連貫的東(dong) 西。此外，使用定製的、極其專(zhuan) 業(ye) 且昂貴的實驗室設備來為(wei) 量子幹涉測量提供必要的隔離環境，這並不是在現實場景中使用的可行解決(jue) 方案。為(wei) 了應對量子解決(jue) 方案的硬件挑戰，Advanced Navigation 開發了自己的適合量子傳(chuan) 感器技術的硬件。該硬件的外形尺寸在現實世界中很實用，可以消除磁場幹擾，並隔離振動，使用被動（機械）和主動（計算機控製）係統進行衝(chong) 擊和旋轉。
目前，性能最高的經典慣性導航係統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。應用量子傳(chuan) 感器卓越的穩定性作為(wei) 提供超出經典傳(chuan) 感器正常限製的精確測量的手段意味著漂移可以忽略不計，並且很少需要重新校準。因此，在錯誤累積到成為(wei) 問題的程度之前，航位推算可能會(hui) 延長數年。這對於(yu) 長距離和長時間的自主太空任務尤其有價(jia) 值。
澤維爾·奧爾“高級導航經典量子解決(jue) 方案消除了傳(chuan) 感器範圍和帶寬的限製，並大幅提高了準確性。作為(wei) 未來慣性導航的基礎技術，經典量子傳(chuan) 感為(wei) 我們(men) 提供了一個(ge) 絕佳的機會(hui) 來融合量子世界和物理世界並提供革命性的慣性導航係統。”
量子傳(chuan) 感器技術可能仍處於(yu) 起步階段，但先進導航公司進行的研究和開發表明它可以投入實際應用。將Advanced Navigation Boreas 數字光纖陀螺儀(yi) ( DFOG ) 作為(wei) 經典傳(chuan) 感器與(yu) 量子傳(chuan) 感器硬件相結合，首個(ge) 此類慣性導航係統正準備用於(yu) NASA 月球到火星任務任務。隨著技術的完善和更廣泛的應用，SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）將相應縮小。前麵提到的符合太空要求的係統大約是標準冰箱的大小，這比許多實驗室原型要小得多，並且隨著時間的推移，預計將縮小到當前尺寸的四分之一以下。
對於(yu) 移動車輛的慣性傳(chuan) 感，來自適當傳(chuan) 感器的正確且仔細融合的量子經典輸出可能成為(wei) 地球上和地球外高級導航的未來。使用經典量子係統將提供極其精確的慣性測量，幾乎沒有漂移、高動態範圍和高帶寬。這項技術的潛力將能夠實現持續的精確導航，而無需使用衛星、磁場、基站或恒星等外部參考進行重新校準或校正。這代表了慣性導航係統的巨大變革，對於(yu) 對 GNSS 欺騙/幹擾敏感的應用以及依賴長期慣性導航或完全脫離基於(yu) GNSS 的導航的應用來說，這將是革命性的。
• 3DM-CX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
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• 3DM-GQ7-GNSS/INS 雙天線多頻段RTK導航係統
• 3DM-GX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導航傳(chuan) 感器
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• Advanced Navigation Certus MEMS GNSS/INS 傳(chuan) 感器
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