光纤陀螺捷联惯导系统专利分析研究

李明泽 杨永斌 褚鹏蛟

（1.中国航天系统科学与工程研究院；2.北京航天时代光电科技有限公司）

光纤陀螺（Fiber Optical Gyro，FOG）自20世纪70年代被提出以来，便以其优异的性能引起人们的广泛关注。与传统机的电陀螺相比，光纤陀螺作为全固态仪表，不具备运动部件和磨损部件，具有成本低、寿命长、体积小、动态范围大、结构设计灵活、生产工艺简单、应用范围广等特点；与激光陀螺相比，光纤陀螺具有不需要克服“自锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工要求，无超密封气体要求，具有装配工艺简单、功耗低、可靠性高等优点。因此，基于光纤陀螺的捷联惯导系统从中低精度应用领域向中高精度应用领域发展，不仅在国防和军事领域有强大的应用需求，在高铁等民用领域也有很好的市场前景。本文通过对光纤陀螺捷联惯导系统的全球相关专利进行全面检索，系统分析了国内外专利的整体申请态势，总结了专利技术发展路线和技术功效，旨在为我国光纤陀螺捷联惯导系统相关科研攻关和技术发展决策提供信息支撑。

一、专利宏观分析

本文采用德温特世界专利索引数据库（Derwent World Patents Index）对光纤陀螺捷联惯导系统的相关专利技术进行检索，检索截止时间为2018年3月15日，经人工筛选、去噪共获得682项INPADOC同族专利。

（一）技术构成分析

光纤陀螺仪和惯组的系统设计技术是光纤陀螺捷联惯导系统中专利申请的主要方向，占到总申请量的62%；其次为光纤陀螺仪和惯组测试技术，以及关键光学组件的设计与研制技术，各占总申请量的17%；其他技术申请量占比为4%。在光纤陀螺仪和惯组的系统设计技术中，光纤陀螺仪方面的专利占总申请量的65%，总体设计方面的专利占总申请量的23%，解算计算机方面的专利占总申请量的12%等。在关键光学组件的设计与研制技术中，光纤环是主要的技术分支，占该分支总申请量的74%，其次是Y波导和光源，分别占该分支申请量的13%和12%。在光纤陀螺仪和惯组测试技术中，主要包括误差补偿/抑制技术和标定技术，分别占该分支申请量的58%和42%。其他技术分支包括光纤陀螺捷联惯导系统的温控装置、参数测量、信号分析等申请内容。图1为光纤陀螺捷联惯导系统专利的技术构成。

图1 光纤陀螺捷联惯导系统专利的技术构成

（二）申请趋势分析

有关光纤陀螺捷联惯导的专利申请从20世纪70年代中期开始出现，最早的专利申请是美国犹他大学于1974年提交的发明专利US4013365。在此之后，1986年出现了光纤陀螺仪和惯组测试技术的专利，如美国德雷珀实验室（Draper Laboratory）的发明专利US4840489。1993年出现了关键光学组件的设计与研制技术的专利申请，如美国利顿公司的发明专利US5818590和美国Andrew公司的发明专利US5481358。此后一直到20世纪90年代后期，法国、德国和日本在此领域的专利申请开始出现并且数量逐渐增加，全球的专利申请进入振荡式发展期。

进入21世纪后，国外的专利申请数量经历小幅回落后又重新上升，并在2013年出现一个局部申请高峰，年申请量达到13项。相比而言，我国的专利申请出现较晚，1994—1995年才开始出现零星的几项专利。但是进入21世纪后，我国的专利申请量呈现指数型快速增长趋势，在2013年达到专利申请高峰，且近几年的申请量均保持在较高的增长水平。图2为国内外在光纤陀螺捷联惯导方面的专利申请趋势图。

图2 国内外在光纤陀螺捷联惯导方面的专利申请趋势

（三）申请区域分析

光纤陀螺捷联惯导系统的专利申请主要国家包括中国、美国、日本、法国、德国、俄罗斯等。其中，我国的专利申请数量最多，共申请了497项专利，占总申请量的73%；美国排名第二，共申请了109项专利，占总申请量的16 %；日本、俄罗斯、法国和德国的申请量相对较少，分别有26项、18项、15项和12项专利。此外，印度、欧洲、乌克兰、韩国等国家和地区也有少量的专利申请。图3为主要国家技术分布图。

从图3中可以看出，中国、美国、日本、法国、德国和俄罗斯的专利申请主要集中在光纤陀螺仪和惯组的系统设计技术方面；其中，中国和美国在各个技术分支上均有专利分布，技术覆盖比较全面；其他国家的专利申请量较少，而且未能覆盖全部技术领域。而从技术分支来看，光纤陀螺仪和惯组的系统设计技术方面的专利申请主要来自于中国、美国、日本、法国、德国和俄罗斯；光纤陀螺仪和惯组测试技术方面的专利申请主要来自于中国、美国、日本和德国；光纤陀螺仪关键光学组件的设计与研制技术方面的专利申请主要来自于中国和美国。

（四）专利申请人分析

在光纤陀螺捷联惯导系统领域，全球排名前15位的专利申请人包括中国申请人10位，美国申请人4位，法国申请人1位，如图4所示。

在全球排名前15位的申请人中，北京航空航天大学、哈尔滨工程大学和中国航天科技集团有限公司的专利申请量排名前三。其中，北京航空航天大学对于光纤陀螺仪、光纤环、光纤陀螺仪和惯组的误差补偿/抑制等方面专利申请较多；哈尔滨工程大学在解算计算机领域布局最多，其次是光纤陀螺仪和惯组的测试技术；中国航天科技集团有限公司则在光纤陀螺仪和惯组的总体设计领域专利技术积累较多。

美国的申请人主要包括霍尼韦尔国际公司和诺斯洛普·格鲁门公司，其中，霍尼韦尔国际公司一直致力于研究用于空间定位和潜艇导航的精确级光纤陀螺，从1988年开始申请相关专利，此后持续产出了大量的技术成果和专利，尤其在高精度光纤陀螺仪的误差抑制补偿和系统集成方面布局了较多专利。诺斯洛普·格鲁门公司的光纤陀螺技术在低中精度应用领域最为成熟，该公司早在1985年就申请了相关专利，除了光纤陀螺仪之外，其在光纤环领域技术优势明显并布局了较多的专利，技术优势体现在光纤陀螺仪及其关键组件的结构设计优化及改进方面。

此外，法国的iXBlue公司长期以来也一直致力于高性能光纤陀螺的开发和研究，该公司在1989—2015年共申请了13项相关专利，全部分布于光纤陀螺仪和惯组的系统设计技术领域，涉及光纤陀螺仪和总体设计技术。该公司的大多数专利均在美国进行了布局，可见其主要的目标市场是美国。

图4 全球前15位专利申请人分布

二、技术发展路线分析

光纤陀螺仪作为惯导系统中最重要的敏感元件之一，直接影响着捷联惯导系统的导航精度。本部分结合重点专利信息对光纤陀螺仪的技术发展路线进行详细分析。

1974年，美国犹他大学的Vali和Shorthill等人首次提出了光纤环形干涉仪的概念。20世纪70年代中期，研究人员针对开环式干涉陀螺开展研究，主要是分析光纤陀螺输出误差的影响因素，以及提高其检测灵敏度。从20世纪70年代末开始，研究人员开始研究标度因子性能，并出现了闭环形式的光纤陀螺。这一时期各国开始围绕光纤陀螺的基本结构和类型开展广泛的研究，先后提出了布里渊光纤陀螺、相位调零光纤陀螺仪和谐振式光纤陀螺等技术方案。20世纪80年代以后，集成光学耦合器、偏振器、相位调制器等集成光学器件的研究取得较大进展，光纤陀螺的精度有了较大提高；与此同时，围绕干涉式光纤陀螺仪的紧凑结构和小型化工作也开始推进。20世纪80年代中后期，随着光纤陀螺技术在理论上的积累和重大突破，光纤陀螺的研究工作开始从实验室走向工程实践，第一批低精度的光纤陀螺产品于1985年问世，并得到了相关的应用。

20世纪90年代初，研究人员围绕光纤陀螺的误差因素和光学元件进行了深入研究，使其性能得到了很大提升。与此同时，为了降低光纤陀螺的成本，宽带非偏振光源等技术方案被提出；随着全球光纤通信技术的发展，光纤陀螺的工作波长组件从850nm变为1550nm，使得其可以与更先进的高新能光源、光电集成和数字信号处理等技术相结合，从而进一步提升光纤陀螺的性能，并降低成本，这一时期在光纤陀螺的核心工艺——绕纤技术方面也出现了相关的专利申请。20世纪90年代后期，随着保偏光纤、集成光学调制器和光学器件等的实用化，干涉式光纤陀螺开始走向市场，理论研究方面则开始向精密级和三轴一体集成等方向发展。

进入21世纪以后，光纤陀螺仪商品化发展的需求增加，研究人员一方面继续深入研究光纤陀螺的工程化应用，运用微光电机械、信号处理技术、专用集成电路等手段提高光纤陀螺的集成化和综合性能，另一方面，提出了光子晶体光纤陀螺的概念。与此同时，美国霍尼韦尔公司在谐振式光纤陀螺领域取得了一定突破，并申请了多项专利。图5为光纤陀螺仪的专利技术发展路线。

总的来看，干涉式光纤陀螺仪正向高精度、低成本、小型化和集成光学等方向发展。谐振式光纤陀螺在小型化上具有明显优势，霍尼韦尔等公司正在加大对该技术的研究和布局力度。相比而言，光子晶体光纤陀螺和布里渊散射光纤陀螺还处于理论研究阶段，尚未进入工程化应用。

三、技术功效分析

图6为光纤陀螺仪和惯组系统设计技术的功效矩阵图，图中横坐标代表技术手段，纵坐标代表技术效果，圆圈的大小及其中心的数字反映了采用对应技术手段并达到对应技术效果的相关专利项数。

结合图6和各个技术手段/技术效果的专利申请趋势可知，利用光路性能测试来提升陀螺性能，通过导航算法改进增强系统应用性能，以及通过全光纤化、一体化、集成化和模块化等手段来减小体积是光纤陀螺和惯组系统设计领域的三大研发热点和技术创新方向，专利壁垒较大，在进行布局时需要重点加以规避。相较而言，结构优化、降成本、提高可靠性、陀螺应用、陀螺测试、噪声分析与抑制等方面的专利申请较稀疏，属于技术空白区，反映出这些领域的技术研发和创新相对较少。

图6 光纤陀螺仪和惯组系统设计技术的功效矩阵

四、结论和建议

光纤陀螺捷联惯导系统自20世纪70年代发展至今，关键技术不断取得突破，应用领域不断拓展。通过专利分析研究可知，当前光纤陀螺捷联惯导技术正在向高精度、低成本、小型化和集成光学等方向发展。其中，美国是最主要的技术产出国，技术发展和应用最为成熟，并在世界多国进行了广泛的专利布局，其在干涉式光纤陀螺技术方面基本成熟，谐振式光纤陀螺逐渐走向工程应用，正在抓紧进行新一代光纤陀螺及其惯导系统的理论和应用研究。

我国虽然起步较晚，但技术水平和专利申请数量近年来保持快速增长的态势，在高精度光纤陀螺捷联惯导系统的整体稳定性和工程化应用方面还有一些技术难题有待突破，可以从以下方面进行优化：

一是我国在不断推进光纤陀螺捷联惯导系统领域技术发展的同时，也需要加强对相关知识产权成果的保护和布局。二是加强高校和科研院所的技术合作，集中国内优势力量发展高精度光纤陀螺仪及其捷联惯导系统，重视低成本、小型化和集成光学等方向的工程化研究。三是对于军事目的明确的核心技术，适当加强保密审查，避免国外跟踪分析我国技术情况。四是对于具有出口前景的军民两用技术，可将专利布局与知识产权转化和市场效益相结合，根据国际合作或产品出口情况加强海外专利布局。