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《数字海洋与水下攻防》刊载范围主要包括：智慧海洋、海洋环境、海洋信息、海洋大数据、水下攻防体系、水下警戒探测、水下信息网络与指挥控制、水下智能对抗、水中兵器及无人装备等。系《中国学术期刊综合评价数据库》统计来源期刊、《万方数据——数字化期刊群》收录期刊、《中国核心期刊（遴选）数据库》收录期刊，被《中国期刊全文数据库（CJFD）》、超星期刊域出版平台全文收录。  由于在未来冲突中敌方将寻求干扰和中断对电磁频谱的使用，传统GNSS PNT将继续面对严重的威胁。进行中的开发非GNSS技术的工作象征着人们对减少GNSS干扰的愿望。 钻石磁力计最可能用作为其它GNSS和非GNSS导航方法的补充手段，用于加强PNT，当其它系统不可用时，钻石磁力计可提供一种备用选项。  引 言 干扰全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的信号传输有可能成为未来战争的重要内容。武装力量正日益依赖于卫星导航星座，如美国的GPS、欧洲的伽利略、中国的北斗和俄罗斯的GLONASS，这些系统被广泛用于精确导航和授时（PNT）。 这种日益增长的依赖性已导致电子进攻系统的开发规模和扩散规模的相应扩大，这类电子对抗系统旨在降低GNSS的传输质量或欺骗GNSS。 这一趋势的代表性标志是俄罗斯军队的Protek R-330ZH Zhitel机动式电子进攻系统，它被认为是能够探测和干扰100 MHz~2 GHz频段内的电子信号，而GNSS信号的典型电磁频谱频段是1.164~1.6 Ghz。据信俄罗斯军队已将R-330ZH用于乌克兰和叙利亚战场，成功干扰了GNSS。 R-330ZH这类系统的扩散，使美军和盟军开始关注无需求助卫星传输而能提供PNT的技术。1 磁力计 钻石磁力计正是这类尚在研究中的技术中的一种。在1833年德国数学家和物理学家卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）发表了一篇文章后，磁力计技术已经存在了几乎200年。在他的文章中，高斯检查了地球磁场的测量值，磁场从地球的外地核向太空辐射。外地核是一个融化的铁-镍混合体，在地表下大约5 150 km。 核的温度在2 730~7 730 ℃之间。这些温度产生的热从外地核逃逸而引起对流。随着这些对流的运动，它们产生了电流，电流又生成了磁场，磁场从外地核向外延伸，通过地球北极地壳进入太空，然后又呈弓形向下延伸到南极，进入南极地壳。 每个这些磁场可被可视化为一端嵌在地球北极、另一端嵌在南极的磁棒。标准的指南针就是一种形式最简单的磁力计，它利用地球磁场指示南北极方向。 指南针依靠对准地球磁场而指示南北极，而钻石磁力计则是利用地壳中各种岩石成分产生的极弱磁场。这些磁场是唯一的，特定区域的岩石具有独特的磁场特征。测量一个特定区域的磁场就可能确定测量者的位置。 钻石是这一过程的核心。钻石是一种晶体，由晶胞构建而成，晶胞是钻石中的最小粒子群。晶胞反映了晶体的对称性和结构，它沿特定的轴不断重复而生长。但晶体内存在被称为“空位”的瑕疵，在规律性重复的晶胞模式中有时会丢失原子。 钻石由碳构成，在空位中，一个碳原子被一个氮原子所取代，钻石磁力计则是利用了这一空位。钻石中原子的排列方式使得它们十分坚硬，能耐高温，因此被用于制造工具和机械。即便如此，钻石在形成过程中也会被污染，硼和氮原子是仅有的能污染钻石的粒子，当绿色光照射这些氮原子时，它们会发光。发光的能级将随当地磁场而改变。因此，一种特定模式的荧光可与一个特定的当地磁场相匹配。 将发光模式与特定地点的磁场相关联，就能确定特定的位置。钻石中的氮缺陷是有用的，因为它们是静态的，这意味着磁力计无需每次使用时都进行标定。当然，要使钻石磁力计能够实用，就需对地球地壳各处特有的磁场进行详细绘图。
图1 地球表面的磁场强度。准确绘制这些变量的分布图可为钻石磁力计的广泛采用提供极大帮助（US Air Force. 1764158） 2 国防应用 为将钻石磁力计应用于国防，美国空军（USAF）研究实验室（AFRL）正在与麻省理工学院的林肯实验室进行合作。对飞机和其它空间受限平台而言，钻石磁力计的吸引力之一是其尺度，作为利用原子和亚原子量子物理学的设备，装置必须小型化。 根据USAF所透露的钻石磁力计方面的工作，AFRL并非正在开发实验室原型，相反，他们正在资助林肯实验室，希望在2021年底演示验证一台可实际工作的钻石磁力计。 另一个与技术有关的属性是，与GNSS不同，钻石磁力计可用于地下或水下导航，潜在的应用领域包括潜艇和水中兵器。此外，与主动声呐不同，钻石磁力计不辐射声波和其它可被识别的信号。这类不依赖于接收卫星信号的导航系统的另一优点是，它可在城区使用，城市内的建筑物或室内会阻挡卫星信号接收。3 障碍 已有几项技术能够用于测量地球磁场，包括超导结（即SQUIDS）和磁通门，但这些方法都有局限性。 SQUIDS虽然对磁场敏感，但由于需要低温冷却，装置庞大笨重。磁通门更稳健，可直接使用，但存在影响导航精度的漂移问题。 利用钻石中原子空位的好处是：可以用一些方法将这些空位设计成金刚石晶格，如：新颖的金刚石生长过程中处理的方法；或使用生长后处理的方法，如氮离子轰击和退火。这些空位的特性在室温下就能控制，因而无需使用SQUIDS所依赖的冷却系统。 除了第6分部和AFRL等部门的努力外，洛克希德·马丁等公司也正在研究钻石磁力计的军事应用潜力。洛马公司正在开展“黑冰”（Dark Ice）钻石磁力计项目，开发一种自容式导航系统，公司将其视为是对传统GNSS设备的增强或当GNSS不能用时的替代手段。 项目总研究工程师Joseph South称，“黑冰”是一种完全自容式单元，无需使用外部信号导航，基本是一种无干扰、不可探测的导航系统。当天气、敌人威胁等外部环境不允许使用传统导航信号时，“海冰”可作为GNSS的补充，减轻环境的影响。 洛马公司已经对一个原型系统进行了大量试验，系统分别安装在围绕新泽西行驶的越野车上和切萨皮克湾（Chesapeake Bay）中的船上进行试验。 尽管洛马公司取得了一些进展，但科学家和工程师们在钻石磁力计的未来国防应用方面仍面临一些挑战。这种技术依赖于量子物理学，当深入到量子层面，科学定律是不同的，这本身就带来了独特的挑战。 装置必须尽可能小，使之能够装备到平台或系统中，以避免出现尺度、重量和能源消耗（size, weight, and power，SWaP）过度的现象，在发展过程中，这些装置应越来越紧凑，而同时又能提供相同的精度，这是必定要面对的挑战。 South和他的团队强调，除了必须将磁力计的SWaP最小化外，还要确保钻石磁力计至少满足、最好超过GNSSs的精度。 另一项挑战是如何获取原材料。本质上，这是特定的、定制等级的钻石原型是否可获得的问题，尽管第6分部已经取得了一些进展，提供了公司所宣称的世界上首批能被用于磁力计研发的商业应用钻石。 为钻石磁力计进入日常应用设置一个时间线是困难的。South称，洛马公司从2013年开始就一直在攻克这项技术，虽然不能预估进入市场的时间，但“黑冰”能帮助用户在不使用任何可跟踪信号条件下进行导航，这是对于全球用户都有吸引力的特性。 第6分部首席技术专家Daniel Twitchen博士认为，要实现钻石磁力计的全部潜力，仍然需要进行材料研究和工程优化，但最近5年的进展已经加快，这明显得益于量子物理学在全球的研究和进展，继续开展在这一领域的研究意味着未来5年的进步只会加快。
图2 洛克希德·马丁公司为全球定位系统设计的钻石磁力计。该系统只有鞋盒大小，还可缩小到冰球大小 |
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