2024年3月，一架载有英国国防部长的飞机在从英国飞往波兰的途中，因靠近俄罗斯飞地加里宁格勒而遭到GPS信号干扰。英国政府后来表示，飞机当时并未处于危险之中，但该地区的干扰事件并不少见。事实上，有多个组织指出，自俄乌战争爆发以来，GPS干扰已变得普遍。
几十年来，应对此类导航故障的标准备用方案是惯性导航，这是一种使用加速度计和陀螺仪追踪运动的方法。但这些系统存在一个固有的弱点：微小的误差会随着时间的累积而增加，导致位置估计出现漂移，长途旅行中可能偏离数公里。这使得它们在许多关键应用中不可接受。
导航员迫切需要一种不依赖可能被干扰的卫星信号来确定自身位置的新方法。理想情况下，该系统应完全被动，不会暴露自身位置，不像雷达那样。
现在，位于澳大利亚悉尼的量子技术公司Q-CTRL的Murat Muradoğlu及其同事展示了这样一种技术。他们的方法是检测地球磁场中的异常，并将其与已知的磁场地图进行比较，从而确定位置。由于他们在此过程中使用了量子传感器，他们能够以前所未有的灵敏度检测磁异常，其精度远高于高端惯性导航系统。
Q-CTRL系统有潜力成为一种被动的、不可干扰且普遍可用的导航辅助工具，可以彻底改变车辆在无法使用全球导航卫星系统的环境中导航的方式。
里程碑式的进展
MagNav背后的概念并非新颖。地球的磁场并非完全均匀；叠加在由行星核心产生的最大65,000纳特斯拉的主磁场之上的，是被称为磁异常的微小局部变化。这些异常通常在几公里范围内大小在10到100纳特斯拉之间。它们源于地壳的地质特征，具有地理独特性且随时间稳定。
就像地标可以进行视觉导航一样，这些磁特征可以作为路标。如果车辆配备了灵敏的磁力计并可以访问异常地图，它就可以通过将其实时磁场测量值与地图进行匹配来确定其位置。已经存在由数十年地球物理勘测compiled的全球磁异常地图。
然而，将这一优雅的概念转化为一个实际的系统一直充满挑战。首先，用于导航的磁异常相对于地球的主磁场非常微小，并且可能会被车辆电子设备和发动机产生的磁干扰所淹没。其次，传统的磁力计缺乏部署在移动车辆上所需的灵敏度、稳定性和小型化。
整个过程还需要复杂的算法来过滤噪声，然后将通常自身也充满噪声的传感器数据与地图进行匹配。过去，这需要飞机进行复杂的“三叶草”机动来校准传感器。
Muradoğlu和他的团队通过各种硬件和软件创新解决了这些挑战。他们系统的核心是一款专有量子磁力计，它能够测量外部磁场如何影响铷原子的自旋，装在一个约魔方大小的紧凑、轻便的封装中。
该硬件与一套去噪和地图匹配算法配对。与将噪声消除和地图匹配视为独立步骤的传统方法不同，Q-CTRL的软件将它们集成在一起。它使用一个由物理学驱动的模型来实时学习车辆的磁特征，例如随着有效载荷的变化而变化，然后将其以及平台噪声从目标信号中减去。
为了验证他们的系统，Q-ంటు团队进行了广泛的现场试验。空中测试涉及一架塞斯纳208B Grand Caravan飞机在澳大利亚格里菲斯附近飞行了6700公里，高度从近地表到19,000英尺不等。他们测试了各种配置，包括内部安装的传感器（高噪声环境）和外部安装的传感器，并将MagNav的性能与战略级惯性导航系统以及GPS的地面真实数据进行了比较。
他们还在新南威尔士州橙色附近混合地形的标准租赁货车中进行了地面试验。这产生了更严苛的噪声和振动环境。“据我们所知，我们成功的地面试验本身就代表了世界首创的演示，”团队表示。
结果令人信服。在多次空中试验中，量子增强型MagNav系统始终优于惯性导航系统。“我们的MagNav解决方案实现了卓越的性能，与辅助惯性导航系统相比，定位误差降低了高达约46倍；我们在一次飞行试验中实现的最佳最终定位精度为22米，或飞行距离的0.006%”研究人员表示。
在地面试验中，尽管货车内部的磁噪声达到了异常信号的50倍，MagNav系统在18公里的路线上实现了180米的最终精度。
这是一项令人兴奋的工作，具有重大意义。鉴于GPS系统的脆弱性日益增加，人们已经为替代导航形式付出了许多努力，但都存在局限性。基于相机的地形导航和星敏感器在天气恶劣时可能会失效；雷达和激光雷达是可靠的选择，但会暴露自身位置；而基于手机塔的信标导航系统在海洋或偏远地区效果不佳。
Q-CTRL的量子增强型MagNav有可能超越这些技术。“量子增强型MagNav解决方案在各种条件下都能优于惯性导航系统，”Muradoğlu等人表示。
磁场测绘
但它尚未取得绝对的成功。一项挑战将是提高公共领域磁场地图的分辨率和覆盖范围，这些地图的分辨率通常只有几公里。这对于许多应用来说还不够。这些地图特别需要改进在海洋上的覆盖，因为海洋上的磁异常往往比陆地上小。一个重要的问题是地图的精度能达到什么程度。
然后是太阳活动引起的地磁暴问题。这些风暴可能产生比该系统依赖的异常信号强得多的场。因此，可能需要集成地磁活动预测模型来进行路径规划。
另一个因素将是秘密开发的军事能力。“我们承认可能存在我们不知道的秘密演示，”团队表示。危险在于，军事系统可能会优于Q-CTRL的系统，使其过时。其他“不可干扰”的量子技术也可能构成竞争，例如量子惯性导航，目前正由英国技术公司Infleqtion进行测试。
所有这些工作都表明，量子赋能导航的新时代即将来临，应该可以保护未来的英国国防部长和其他人免受干扰攻击。当然，新的黑客、干扰和其他恶意活动时代也可能随之而来。
参考文献：Quantum-assured magnetic navigation achieves positioning accuracy better than a strategic-grade INS in airborne and ground-based field trials : arxiv.org/abs/2504.08167
