王 蕓 吳永杰 信光成 黃 琛

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第六三五四研究所，江西 九江 332000；2.中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100080）

0 引言

在軍用武器裝備如導(dǎo)彈核潛艇、軍用轟炸機(jī)中，具有極高導(dǎo)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(guó)著手航天飛行器技術(shù)研發(fā)開始，捷聯(lián)慣導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)得以發(fā)展。旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)就是在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外部加上轉(zhuǎn)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中的慣性元器件減少誤差的方法之一是補(bǔ)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(dòng)機(jī)構(gòu)就是轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。

20 世紀(jì) 80 年代，國(guó)外研制了單、雙軸旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)航系統(tǒng)，在90 年代旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)航系統(tǒng)得以改良和發(fā)展。中國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)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(guó)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)研究已取得一定成效，但與世界先進(jìn)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(biāo)是技術(shù)信息，通過挖掘、技術(shù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析之后轉(zhuǎn)化為可以預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展分布和態(tài)勢(shì)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(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)是專利分析法的突出優(yōu)點(diǎn)。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(zhǔn)確分析出專利技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)以及前沿?zé)狳c(diǎn)。專利地圖是利用文本聚類功能，基于機(jī)器學(xué)習(xí)，依據(jù)詞類、詞頻等信息提煉出技術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)并繪制出來的。

1.3 分析內(nèi)容

該文利用數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過關(guān)鍵詞檢索出轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)相關(guān)國(guó)內(nèi)外專利1548 組來進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)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(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)方向的數(shù)據(jù)依據(jù)。另外，對(duì)三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)，目前有公開資料的國(guó)家除中國(guó)以外，還有美國(guó)，這也是一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向，因此，作為單獨(dú)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(jī)構(gòu)技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、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(diǎn)、重點(diǎn)等信息，總結(jié)出該領(lǐng)域前沿技術(shù)未來發(fā)展熱點(diǎn)的分布情況和重點(diǎn)研發(fā)方向。

2 全球轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)分析

2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

由圖1 可見全球轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)研究從2003 年開始已經(jīng)成為研發(fā)熱點(diǎn)，2003 年專利申請(qǐng)數(shù)量為19 件，之后基本保持著持續(xù)上漲的趨勢(shì)，到2019 年達(dá)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(shì)。因此，轉(zhuǎn)位機(jī)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(qǐng)趨勢(shì)圖

2.2 申請(qǐng)專利國(guó)家

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

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

表1 申請(qǐng)專利國(guó)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(jī)構(gòu)技術(shù)專利的生命周期發(fā)展?fàn)顩r，由于專利申請(qǐng)有18 個(gè)月的公開滯后期，因此在分析時(shí)略去近兩年專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)，用2003—2020 年的專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guó)成為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)大國(guó)。此后的數(shù)據(jù)顯示除了中國(guó)以外，世界其他各國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量都在減少，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于空間站的對(duì)接，以美國(guó)為首的其他國(guó)家出于技術(shù)保密的原因，申請(qǐng)專利數(shù)量減少或者為零。所以轉(zhuǎn)位機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)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(jī)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(guó)在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)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(guó)仍然處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，且重點(diǎn)領(lǐng)域主要集中在自校準(zhǔn)、慣性系統(tǒng)測(cè)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(guó)掌握。

表2 被引用專利排名

3 前沿?zé)狳c(diǎn)及研發(fā)重點(diǎn)技術(shù)分析與預(yù)測(cè)

3.1 重點(diǎn)研究領(lǐng)域

該文選取數(shù)據(jù)庫全球相關(guān)專利申請(qǐng)的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了前10位的重點(diǎn)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(zhǔn)、陀螺儀、加速度計(jì)及測(cè)量，標(biāo)定定位和尋北等方向上。

從表3 和圖2 可見，中國(guó)的研究熱點(diǎn)主要集中在儀器或裝置的制造和校準(zhǔn)、速度或加速度測(cè)量以及陀螺儀這幾個(gè)方向上。美國(guó)在速度、加速度測(cè)量及校準(zhǔn)以及標(biāo)定定位、多軸導(dǎo)航組合儀表這些技術(shù)方向的研究?jī)?yōu)勢(shì)略高于中國(guó)。

表3 專利IPC 分類號(hào)（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(diǎn)或重點(diǎn)。由圖3 可知，光纖陀螺儀、微測(cè)量單元、慣性儀器、導(dǎo)航設(shè)備、飛行器、角度定位以及標(biāo)定、對(duì)準(zhǔn)、低性能等技術(shù)領(lǐng)域的研究都是當(dāng)前的研發(fā)熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

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

在當(dāng)前的高精度光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)中普遍采用旋轉(zhuǎn)自動(dòng)補(bǔ)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(guó)的光纖陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域已成為研發(fā)熱點(diǎn)，到2019 年度達(dá)到頂峰，之后有所下降。

表4 光纖陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人各年度專利數(shù)量表

從專利申請(qǐng)量來看，中國(guó)在這一領(lǐng)域排第一，年度專利申請(qǐng)數(shù)量超過其他各國(guó)，也就是說目前除了中國(guó)，其他國(guó)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(diǎn)和重點(diǎn)。

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

表5 微慣性測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人各年度專利數(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(diǎn)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(jī)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(diǎn)和重點(diǎn)。

圖4 定位技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠貓D

對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)精度誤差產(chǎn)生影響的加速度計(jì)是旋轉(zhuǎn)調(diào)制式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的重要元件，也是慣導(dǎo)解算的數(shù)據(jù)來源。因此，加速度計(jì)及測(cè)量方法的研發(fā)也是一個(gè)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(guó)，中國(guó)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(jìn)行研究的國(guó)家比較少，目前只有中國(guó)和美國(guó)，因此這一領(lǐng)域是研發(fā)空白點(diǎn)。

表6 加速度計(jì)及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人各年度專利數(shù)量表

4 三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)

4.1 申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)

由圖5 可以看出，截至目前全球?qū)＠暾?qǐng)量最大的國(guó)家是中國(guó)，申請(qǐng)專利數(shù)量基本保持一個(gè)穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，也就是說三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的核心和創(chuàng)新性技術(shù)已經(jīng)逐步被中國(guó)掌握，在這一領(lǐng)域中國(guó)部分核心技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平

圖5 三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)人申請(qǐng)趨勢(shì)圖

4.2 高價(jià)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(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域排名前5 位的高價(jià)值專利。

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

表7 三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)高價(jià)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(jī)構(gòu)技術(shù)在各個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行研究。三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向包括三軸旋轉(zhuǎn)和三維姿態(tài)、加速度計(jì)及相關(guān)技術(shù)、系統(tǒng)誤差、標(biāo)定或試驗(yàn)方法、校準(zhǔn)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(jī)構(gòu)技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向。首先分析了全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)、各國(guó)年度專利申請(qǐng)數(shù)量，其次統(tǒng)計(jì)出全球技術(shù)分布國(guó)家和地區(qū)及創(chuàng)新機(jī)構(gòu)排名分析，再次進(jìn)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?zé)狳c(diǎn)及研發(fā)重點(diǎn)技術(shù)，最后通過IPC 分類號(hào)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(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)申請(qǐng)專利數(shù)量較多，但專利價(jià)值略低于美國(guó)。2） 在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，核心和創(chuàng)新技術(shù)仍然被美國(guó)掌握，且重點(diǎn)研究領(lǐng)域主要集中在自校準(zhǔn)、慣性系統(tǒng)測(cè)量等方面。3） 光纖陀螺儀、微慣性測(cè)量系統(tǒng)、定位技術(shù)、加速度計(jì)及測(cè)量等技術(shù)領(lǐng)域的研究都是當(dāng)前的研發(fā)熱點(diǎn)和重點(diǎn)。4） 三軸轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)也是一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向，三軸旋轉(zhuǎn)和三維姿態(tài)、加速度計(jì)及相關(guān)技術(shù)、系統(tǒng)誤差、標(biāo)定或試驗(yàn)方法、校準(zhǔn)方法等都可以作為研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，面對(duì)研發(fā)速度快速遞增的當(dāng)今時(shí)代，中國(guó)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)能力還需要進(jìn)一步提高，應(yīng)以自主研發(fā)為手段，在吸取國(guó)外相關(guān)技術(shù)研發(fā)優(yōu)點(diǎn)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(guó)在世界競(jìng)爭(zhēng)中的地位。

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