科创中国

问题概述：

随着我国北斗系统及国际上多种GNSS系统的建立，导航和位置服务已成为大地测量近年来迅猛发展的领域，但当前广泛使用的依靠接收外部源信号的非自主式导航定位方式具有其局限性。其一，依赖于导航卫星，一旦卫星被摧毁系统将失效；其二，难以实现室内水下、地下和峡谷中定位。基于此，人们发展了自主式的惯性导航定位系统，但传统的技术由于惯性陀螺零漂太大，从而精度较低。因此研制一种不需要依靠GNSS，不受地理环境限制，长时定位的高精度惯性导航系统将十分必要。

本世纪以来，随着量子技术的快速发展，以此为基础的原子陀螺技术逐渐发展起来，理论上其零偏稳定性可达到10-8 - 10-10°/h，比现在最高精度的陀螺高4-6个数量级，是下一代超高精度陀螺的发展方向，未来有望应用于战略核潜艇中，用于组建不依赖卫星导航的长航时超高精度量子惯性导航系统。

超高精度原子陀螺仪分为原子干涉陀螺与原子自旋陀螺。

2003年，美国国防部先进计划研究署（DARPA）启动了名为“精确惯性导航系统”（PINS）的计划，把以冷原子干涉技术为核心的原子惯性传感器技术视为下一代的主导惯性技术。在PINS计划支持下，美国AOSense 公司与斯坦福大学Kasevich小组联合研制了集单轴加速度计、单轴陀螺仪和重力梯度仪于一体的可移动惯性传感系统，主体尺寸小于1 m3，零偏稳定性优于 ，实时补偿情况下演示系统漂移达到了5 m/h。此后，DARPA进一步将原子陀螺仪集成化、小型化。此外，AOSense 公司已经于2010 年生产了小型商用冷原子重力仪，测量噪声 1μg / Hz。2003年，欧洲空间局（ESA）开展的“空间高精度原子干涉测量计划”（HYPER）是第一个使用高精度原子惯性技术的卫星任务，计划于2020 年发射。四个原子干涉仪组成两个双环路原子陀螺仪测量两个正交方向的加速度和旋转角速度，通过激光控制原子的速度，使两个原子陀螺仪工作在不同模式，分别实现灵敏度为 和 的陀螺仪以及 和 的加速度计。在该计划支持下，德国汉诺威大学量子光学研究所研制的原子惯性传感器灵敏度达到 ，法国巴黎天文台研制的原子惯性传感器灵敏度达到 。

原子自旋陀螺的起步略晚于原子干涉陀螺仪，但发展速度很快。2002年美国普林斯顿大学发现了原子无自旋交换弛豫（SERF）态，SERF态下可提高原子自旋的相干性，进而大幅提高器件的信噪比。2005年，普林斯顿大学首次搭建SERF原子自旋陀螺研究平台，实现了陀螺零偏稳定性0.04°/h，2011年实现了漂移 。近年来一些美国公司也开始了SERF原子自旋陀螺仪样机的研制，其中Twinleaf公司联系获得美国国防部支持，2009-2010年完成了 高精度原理样机的研制，2010-2012年完成了 量级小型化双轴原子自旋陀螺仪原理样机的研制，体积小于 8cm×10cm。

我国在高精度原子陀螺领域的研究起步相对较晚。在原子干涉技术领域和原子自旋极化方面的研究工作，以往主要集中在基础研究领域，很少涉及惯性应用方面的研究。近年，随着国外研究的热潮，开始出现跟踪研究。整体情况与国外技术发展状况相比，要落后一个研究阶段，但差距正在快速缩小。

在原子干涉陀螺技术领域，国内主要研究单位有清华大学、中科院武汉物数所、北京航空航天大学、华中科技大学和浙江大学等。中科院武汉物数所主要从事脉冲喷泉型冷原子干涉陀螺和重力仪的研制，是国内最早启动原子干涉陀螺技术领域研究的单位，实现零偏稳定性优于0.2°/h。清华大学提出自主的冷原子束连续测量方案，并在国际上率先实现了基于连续冷原子束的干涉信号，实现零偏稳定性优于5°/h，目前已将此方案拓展到原子干涉重力仪和重力梯度仪的研究工作。北京航空航天大学研制了基于铯原子磁导引的冷原子干涉陀螺，实现的灵敏度优于 。

国内SERF原子自旋陀螺仪研究起步稍晚，主要以北京航空航天大学为代表。2008年，北航开始开展SERF原子自旋陀螺仪的探索研究，于2011年在国内首次实现了原子自旋陀螺仪效应，2015年完成了SERF原子自旋陀螺仪第二代原理样机的研制及测试，体积小于0.05m3，零偏稳定性优于0.05°/h。

在全球量子技术迅速发展的情况下，发展超高精度量子惯性导航技术的难点和挑战在于：完成从实验室样机到实用高精度惯性测量设备的突破，进一步提高原子惯性器件的集成度、测量精度和长期稳定性，实现量子惯性导航系统的小型化、集成化，从而满足各类用户的多样化需求。

重要意义：

针对国家发展超高精度战略级陀螺仪的重大需求，面对国外对高精度陀螺仪的技术封锁，国内有必要对基于原子干涉陀螺仪、原子自旋陀螺仪、原子加速度计、原子钟等超高精度量子惯性导航技术开展重点研究和关键技术攻关。

超高精度量子惯性导航技术的突破，可以克服现有惯导系统误差随时间累积的弊端，为我国战略潜器提供完全无源自主、远程/长航时、安全隐蔽、全天候、不受外部环境限制的超高精度导航定位系统，具有重大的战略意义。

集成化的量子惯性测量设备，还可用于精密武器、水下无人潜航器、舰船、飞行器、卫星等多种载体，在水下、地下、坑道、峡谷等各种受限制的地理环境下，不依赖GNSS，提供极其精密的长时导航定位信息。

原子干涉技术还可用于地面和空间的精密重力/重力梯度测量，将大大提高重力场测量精度，对大地测量、地球动力学研究、空间飞行器定轨、资源勘探、地球深部探测等均有重要意义。

此外，原子干涉技术还可用于引力常数的测量、精细结构常数的测量等，并为验证弱等效原理提供了新的途径。