俄羅斯的干擾對軍用飛機構成真實威脅——但美國的新量子技術能克服它
衛星導航系統GPS已經徹底改變了人類的出行方式，無論是短途駕車還是跨洲航空旅行。然而，無論是軍方還是平民，都可能會干擾這一全球定位數據，從而影響準確導航。在俄羅斯全面入侵烏克蘭的過程中，雙方均能廣泛使用信號干擾器，使導引武器和無人機偏離航道。每日全球GPS干擾的快照顯示，即使在和平的空域中，客機也經常遭遇衛星導航的干擾。
信號干擾是指用噪音淹沒信號，從而使信號無法使用。另一種信號中斷方式是偽造，這是指有人插入虛假的導航數據，以使飛機偏離航道。在2020年代，這類事件的危險性不斷增加，迫切需要創新解決方案。一種可能的良方是從自然界中汲取靈感，提供一種不易受到干擾的GPS替代方案，特別是類似於鯨魚、鳥類和其他遷徙動物的內建導航系統。
基於人工智能的技術公司SandboxAQ，從谷歌的母公司Alphabet中分拆出來，聲稱已經找到了一種利用地球磁場微妙變化的導航解決方案。AQ Nav設備使用量子傳感器來測量原子的變化，以檢測微小的環境變化。然後，系統中的先進人工智能會解釋這些讀數。該設備能夠檢測地理上獨特的磁場，並將其與地圖上的特定點進行匹配，實時確定飛機的位置。根據SandboxAQ的說法，AQ Nav幾乎不會受到干擾，且能抵抗惡劣天氣。
美國空軍空中機動指揮部在2023年將AQ Nav部署在C-17A貨機上進行了兩次測試。這項測試成功驗證了這些飛機在沒有GPS的情況下，以實時磁場數據進行導航的能力。總體來說，該系統在四種不同類型的飛機上進行了超過200小時的飛行測試。
SandboxAQ的導航總經理盧卡·費拉拉表示，信號干擾和惡劣天氣不會影響傳感器的準確性。他指出：“當你達到地殼發出的信號的規模時，你需要一個等同於這些巨大地質結構強度的[干擾]信號來干擾它。”
“所以如果你在空中遇到如此強的磁場，那麼你談論的就是核電廠級別的干擾強度。”他還指出，儘管地球的磁場並不是固定的，團隊的模型考慮了太陽能引起的振動和失真。
根據八月份測試的結果，陸軍授予SandboxAQ增加資金以支持其原始資助。為了準備全面生產，系統架構需要適應多種可定制的載荷，通常是傳感器或通信系統。因此，開發將利用空軍研究實驗室的AgilePod，這是一系列可組合的30英寸方形舱位，可以以不同配置組裝以適應各種傳感器通信系統。
AQ Nav可以在大型飛機如B-52轟炸機上外部安裝，也可以安裝在相對較小的飛機如MQ-9戰鬥無人機上。它可以安裝在一個2英尺見方的舱內，或安裝在兩個機架插槽上。SandboxAQ還希望未來能在大型民用客機上部署AQ Nav，並正在與波音和空客在硅谷的子公司Acubed合作，以實現磁導航。
人類使用地球的磁場進行旅行的歷史僅有幾百年。作為導航工具，磁羅盤最早在1400年代初的中國探險家鄭和的船上出現，該船進行了七次重要的海洋航行。
與此同時，動物的磁性定向已經存在數百萬年——只要問問座頭鯨。科學家觀察到一隻被無線電標記的鯨魚在幾乎不偏離直線航道的情況下旅行了近1400英里。這種能力被稱為磁感知，出現在各種動物中，從鯊魚和遷徙鳥類到螞蟻和軟體動物。
目前尚無統一的共識來解釋動物如何感知磁場；一些人推測這是因為量子相互作用，磁場影響身體的化學反應，而另一些人則認為這些動物的身體中有對鐵重的磁鐵礦顆粒的羅盤般的敏感性。
無論自然界中的運作方式如何，AQNav的設計創造了相同的結果。它使用光學泵浦磁力計，利用激光光束使氣體中的原子極化。這導致其能量狀態隨著周圍磁場的變化而改變。這些變化被測量並轉換為數據，然後與地球上已知的特定位置進行匹配。
顯然，僅僅擁有高靈敏度的傳感器是不夠的。該系統還能過濾噪音並調整溫度變化和電流引起的異常。最終，人工智能使得系統能夠準確運行。
SandboxAQ的全球公共部門總裁、退役空軍上校珍·索瓦達解釋道：“我們已經對信號進行了特徵化，現在了解信號的應有形態，並能夠減去噪音，包括飛機本身或你口袋中的手機所造成的噪音。因此，即使我們在傳感器上放置一個磁鐵，它也會知道原本應該存在什麼。”
顯然，人類的導航系統似乎需要人工智能的輔助。然而，鯨魚如何在數千英里內幾乎完美地導航，仍然讓科學家感到困惑。如果磁場是它們唯一的指導，那麼磁場的波動應該會使鯨魚偏離航道，可能導致“真北”偏移多達12度。不知何故，鯨魚似乎能夠修正這一現象，或許是通過心智能夠補償錯誤，或通過使用它們的其他感官，比如觀察太陽的位置。
費拉拉解釋說，人工智能能夠提供人類無法實現的模式識別能力。AQ Nav的設計將物理學知識納入人工智能，幫助傳感器提供詳細的磁場映射數據，包括意外現象的數據。AQ Nav在每次飛行測試中收集新數據，以生成高詳細度的磁場地圖。
目前，AQ Nav主要針對大型高資本飛機，這些飛機可以是昂貴的軍事無人機，也可以是民用客機。該公司樂觀認為，隨著量子傳感器的成本在規模化應用中降低，AQ Nav未來也可能應用於更便宜、更小的飛機。
量子導航技術的潛力
這項量子導航技術的發展顯示出未來軍事和民用航空的潛在轉變。在當前全球安全形勢日益緊張的背景下，這種技術不僅能增強飛行器的導航能力，還能提高其安全性和可靠性。隨著科技的進步，量子技術有可能成為對抗電子戰和信號干擾的主要武器，這對於未來的航空和海軍作戰都是一個重要的里程碑。
此外，這項技術的應用範圍不僅限於空中，還可以擴展到潛艇導航等領域，這將有助於提高海軍作戰的隱蔽性和有效性。隨著量子技術的發展，我們或許能見證一個全新的導航時代的到來，這將改變我們對於空中和水下作戰的理解和應對方式。
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