基于專利地圖的轉(zhuǎn)位機構(gòu)前沿熱點技術(shù)研究

王 蕓 吳永杰 信光成 黃 琛

（1.中國船舶集團有限公司第六三五四研究所，江西 九江 332000；2.中國機械工業(yè)集團有限公司，北京 100080）

0 引言

在軍用武器裝備如導彈核潛艇、軍用轟炸機中，具有極高導航精度的靜電陀螺常被使用。其系統(tǒng)是最早應(yīng)用旋轉(zhuǎn)技術(shù)的系統(tǒng)。從美國著手航天飛行器技術(shù)研發(fā)開始，捷聯(lián)慣導技術(shù)得到應(yīng)用。光纖陀螺、激光陀螺的出現(xiàn)使旋轉(zhuǎn)式導航系統(tǒng)得以發(fā)展。旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)就是在捷聯(lián)慣導系統(tǒng)外部加上轉(zhuǎn)動和控制機構(gòu)，系統(tǒng)中的慣性元器件減少誤差的方法之一是補償方式，即通過翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)平均掉慣性元件的漂移誤差，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)動機構(gòu)就是轉(zhuǎn)位機構(gòu)。

20 世紀 80 年代，國外研制了單、雙軸旋轉(zhuǎn)式導航系統(tǒng)，在90 年代旋轉(zhuǎn)式導航系統(tǒng)得以改良和發(fā)展。中國對轉(zhuǎn)位機構(gòu)的研制起步較晚，2007 年開始取得初步成果；2008 年、2009 年期間得以優(yōu)化和發(fā)展?？傮w來說，國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)慣導系統(tǒng)研究已取得一定成效，但與世界先進水平相比仍有差距。

1 數(shù)據(jù)來源、分析方法和內(nèi)容

1.1 分析方法

該文采用專利分析法，專利分析中最基本的挖掘目標是技術(shù)信息，通過挖掘、技術(shù)處理及統(tǒng)計學方法分析之后轉(zhuǎn)化為可以預測技術(shù)發(fā)展分布和態(tài)勢的多種數(shù)據(jù)形式，提供給研發(fā)人員作為找到未來產(chǎn)品發(fā)展或技術(shù)研發(fā)方向的參考。找出核心技術(shù)、分析研發(fā)熱點和重點技術(shù)是專利分析法的突出優(yōu)點。使用專利地圖是其中一種重要的分析方法。

1.2 專利數(shù)據(jù)的來源

該文選擇“智慧芽”專利數(shù)據(jù)庫作為專利數(shù)據(jù)來源。智慧芽數(shù)據(jù)庫的專利地圖能準確分析出專利技術(shù)研發(fā)重點以及前沿熱點。專利地圖是利用文本聚類功能，基于機器學習，依據(jù)詞類、詞頻等信息提煉出技術(shù)前沿熱點并繪制出來的。

1.3 分析內(nèi)容

該文利用數(shù)據(jù)平臺，通過關(guān)鍵詞檢索出轉(zhuǎn)位機構(gòu)相關(guān)國內(nèi)外專利1548 組來進行分析，并對其進行數(shù)據(jù)處理，保留有效專利數(shù)據(jù)870 組，作為分析研發(fā)熱點和重點技術(shù)方向的數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，對三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)，目前有公開資料的國家除中國以外，還有美國，這也是一個重點研發(fā)方向，因此，作為單獨一節(jié)，該文通過關(guān)鍵詞檢索出相關(guān)專利，去除失效專利后保留10 組數(shù)據(jù)用于分析。檢索數(shù)據(jù)截至日期是2022 年3 月。

該文通過專利數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)的專利申請趨勢、利用生命周期、技術(shù)領(lǐng)域分布以及技術(shù)和研發(fā)的熱點、重點等信息，總結(jié)出該領(lǐng)域前沿技術(shù)未來發(fā)展熱點的分布情況和重點研發(fā)方向。

2 全球轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)分析

2.1 專利申請趨勢

由圖1 可見全球轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研究從2003 年開始已經(jīng)成為研發(fā)熱點，2003 年專利申請數(shù)量為19 件，之后基本保持著持續(xù)上漲的趨勢，到2019 年達到頂峰，數(shù)量為178 件，隨后有所下降，但仍然保持穩(wěn)定的趨勢。因此，轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研究仍然處于研究與開發(fā)的技術(shù)發(fā)展期。

圖1 專利申請趨勢圖

2.2 申請專利國家

表1 為申請專利國家及地區(qū)各年專利數(shù)量，截至2021年全球轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)專利申請量最大的國家是中國，第二位是美國；法國、德國和日本緊隨其后。到目前，中國已經(jīng)成為轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研發(fā)的重點地區(qū)。

由表1 可以分析出在排名前五位的國家中，美國是最早開始研發(fā)轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)的國家，2003 年度美國專利申請數(shù)量為11 件，其他國家都是0 件。中國的轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研發(fā)起步時間較晚，從2009 年開始有相關(guān)專利申請，數(shù)量為5件，同時申請數(shù)量按照年度計量單位穩(wěn)定增長。2013 年起，中國專利申請數(shù)量逐漸超過美國，數(shù)量為29 件，美國為26件。到2019 年度中國專利申請數(shù)量達到最高點，為142 件，說明轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研發(fā)重心已經(jīng)由美國轉(zhuǎn)移到中國，由此可得出結(jié)論，該領(lǐng)域內(nèi)中國部分技術(shù)水平已經(jīng)處于國際領(lǐng)先。

表1 申請專利國家及地區(qū)各年度專利數(shù)量

從表1 還可以分析出轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)專利的生命周期發(fā)展狀況，由于專利申請有18 個月的公開滯后期，因此在分析時略去近兩年專利申請數(shù)據(jù)，用2003—2020 年的專利申請數(shù)據(jù)進行分析，得出結(jié)論如下。2003 年到2008 年是該技術(shù)的萌芽期，2009—2012 年為技術(shù)發(fā)展期，2013—2015 年為技術(shù)成熟期，2016 年之后為技術(shù)再發(fā)展期，而且中國成為轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)的研發(fā)大國。此后的數(shù)據(jù)顯示除了中國以外，世界其他各國專利申請數(shù)量都在減少，這是因為轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于空間站的對接，以美國為首的其他國家出于技術(shù)保密的原因，申請專利數(shù)量減少或者為零。所以轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)研究的技術(shù)生命周期仍然處于發(fā)展階段。

2.3 被引用專利分析

通過對數(shù)據(jù)平臺中數(shù)據(jù)檢索和分析，從有效專利數(shù)據(jù)中列出在轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的被引用次數(shù)最多的專利，代表該技術(shù)領(lǐng)域核心創(chuàng)新技術(shù)，且更具影響力。

由表2 可見，雖然中國在轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域申請專利數(shù)量較多，部分專利已處于世界領(lǐng)先水平，但在被引次數(shù)最多的前十位專利中，美國仍然處于絕對領(lǐng)先地位，且重點領(lǐng)域主要集中在自校準、慣性系統(tǒng)測量等方面。由此得出結(jié)論，該領(lǐng)域核心和創(chuàng)新技術(shù)仍然被美國掌握。

表2 被引用專利排名

3 前沿熱點及研發(fā)重點技術(shù)分析與預測

3.1 重點研究領(lǐng)域

該文選取數(shù)據(jù)庫全球相關(guān)專利申請的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了前10位的重點研究領(lǐng)域，見表3?？梢娭饕夹g(shù)領(lǐng)域分布在儀器或裝置的制造和校準、陀螺儀、加速度計及測量，標定定位和尋北等方向上。

從表3 和圖2 可見，中國的研究熱點主要集中在儀器或裝置的制造和校準、速度或加速度測量以及陀螺儀這幾個方向上。美國在速度、加速度測量及校準以及標定定位、多軸導航組合儀表這些技術(shù)方向的研究優(yōu)勢略高于中國。

表3 專利IPC 分類號（小類）排名

圖2 重要技術(shù)領(lǐng)域分布圖

3.2 專利技術(shù)地圖

如圖3 所示，其中顏色面積大的部分表示專利數(shù)量多，突起即為該領(lǐng)域的研究熱點或重點。由圖3 可知，光纖陀螺儀、微測量單元、慣性儀器、導航設(shè)備、飛行器、角度定位以及標定、對準、低性能等技術(shù)領(lǐng)域的研究都是當前的研發(fā)熱點和重點。

圖3 轉(zhuǎn)位機構(gòu)及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠貓D

在當前的高精度光纖陀螺慣導系統(tǒng)中普遍采用旋轉(zhuǎn)自動補償技術(shù)，目的是為了提高精度。表4 選取了2003 年～2020 年的專利數(shù)據(jù)，可以看出，從2009 年開始，中國的光纖陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域已成為研發(fā)熱點，到2019 年度達到頂峰，之后有所下降。

表4 光纖陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埲烁髂甓葘＠麛?shù)量表

從專利申請量來看，中國在這一領(lǐng)域排第一，年度專利申請數(shù)量超過其他各國，也就是說目前除了中國，其他國家并未開展大規(guī)模的專利布局，因此該領(lǐng)域可以成為研發(fā)熱點和重點。

可靠性高、體積小、質(zhì)量輕以及低成本都是微慣性測量系統(tǒng)的優(yōu)點。由表5 可知，當前只有中國、美國和意大利有相關(guān)專利，在這一領(lǐng)域中國和美國的專利申請數(shù)量都不太多，但是比較平均，每隔一段時間就會申請相關(guān)專利。

表5 微慣性測量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埲烁髂甓葘＠麛?shù)量表

因此可以得出結(jié)論，這一領(lǐng)域也是研發(fā)方向，研發(fā)熱點主要有制造工藝、軸系結(jié)構(gòu)、微型化等。

由圖4 可看出轉(zhuǎn)位機構(gòu)定位系統(tǒng)研究、定位方法研究以及角度定位裝置研發(fā)都是該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點和重點。

圖4 定位技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠貓D

對轉(zhuǎn)位機構(gòu)精度誤差產(chǎn)生影響的加速度計是旋轉(zhuǎn)調(diào)制式捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中的重要元件，也是慣導解算的數(shù)據(jù)來源。因此，加速度計及測量方法的研發(fā)也是一個方向。

分析表6 可知，在這一領(lǐng)域最早開始研發(fā)的是美國，中國研發(fā)起步較晚，直到2016 年才開始有相關(guān)技術(shù)專利，全球范圍內(nèi)在這一領(lǐng)域進行研究的國家比較少，目前只有中國和美國，因此這一領(lǐng)域是研發(fā)空白點。

表6 加速度計及測量技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埲烁髂甓葘＠麛?shù)量表

4 三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)

4.1 申請國家/地區(qū)

由圖5 可以看出，截至目前全球?qū)＠暾埩孔畲蟮膰沂侵袊暾垖＠麛?shù)量基本保持一個穩(wěn)定的態(tài)勢，也就是說三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)的核心和創(chuàng)新性技術(shù)已經(jīng)逐步被中國掌握，在這一領(lǐng)域中國部分核心技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平

圖5 三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)及相關(guān)技術(shù)專利申請人申請趨勢圖

4.2 高價值專利

通過數(shù)據(jù)檢索和分析，從有效專利數(shù)據(jù)中列出在三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域排名前5 位的高價值專利。

由表7 可知，在這一領(lǐng)域擁有高價值專利數(shù)量最多的是哈爾濱工業(yè)大學，共計3 件。擁有專利價值最高的北京控制工程研究所在表中排名第1 位，且重點領(lǐng)域主要集中在校準和標定等方面。

表7 三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)高價值專利排名

4.3 專利技術(shù)地圖

由圖6 可知，三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)在各個研發(fā)熱點的專利數(shù)量比較平均，圖6 中凸起的部分都可以作為研發(fā)熱點進行研究。三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)的研發(fā)熱點和重點方向包括三軸旋轉(zhuǎn)和三維姿態(tài)、加速度計及相關(guān)技術(shù)、系統(tǒng)誤差、標定或試驗方法、校準方法等。

5 結(jié)論

該文通過專利分析，并基于專利地圖揭示了轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)的研發(fā)熱點和重點方向。首先分析了全球?qū)＠暾堏厔?、各國年度專利申請?shù)量，其次統(tǒng)計出全球技術(shù)分布國家和地區(qū)及創(chuàng)新機構(gòu)排名分析，再次進行被引用專利分析，并通過以上專利分析總結(jié)出該領(lǐng)域的前沿熱點及研發(fā)重點技術(shù)，最后通過IPC 分類號排名、專利技術(shù)地圖等具體分析得出以下結(jié)論。1） 在轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域中國申請專利數(shù)量較多，但專利價值略低于美國。2） 在轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，核心和創(chuàng)新技術(shù)仍然被美國掌握，且重點研究領(lǐng)域主要集中在自校準、慣性系統(tǒng)測量等方面。3） 光纖陀螺儀、微慣性測量系統(tǒng)、定位技術(shù)、加速度計及測量等技術(shù)領(lǐng)域的研究都是當前的研發(fā)熱點和重點。4） 三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)也是一個重點研發(fā)方向，三軸旋轉(zhuǎn)和三維姿態(tài)、加速度計及相關(guān)技術(shù)、系統(tǒng)誤差、標定或試驗方法、校準方法等都可以作為研究熱點和重點。在轉(zhuǎn)位機構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，面對研發(fā)速度快速遞增的當今時代，中國對相關(guān)技術(shù)的研發(fā)能力還需要進一步提高，應(yīng)以自主研發(fā)為手段，在吸取國外相關(guān)技術(shù)研發(fā)優(yōu)點的基礎(chǔ)上提高技術(shù)含量，加速掌握核心技術(shù)，最終提高中國在世界競爭中的地位。

圖6 三軸轉(zhuǎn)位機構(gòu)及相關(guān)技術(shù)專利地圖