航天器的“护航者”—地球重力测量国内外专利分析

航天器的“护航者”—地球重力测量国内外专利分析

陈晓晨

国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心湖北省武汉市430000

引言

伴随着载人航天、月球探测、北斗卫星导航系统等重大科技工程的发展，中国在航天航空事业上不断地进步和发展。对于航天器发射和运行等方面也提出了更高的要求，航天器在发射和运行过程中时刻受到地球重力场的作用，地球外部空间扰动引力会对航天器的发射和运行轨迹和姿态等方面产生影响，因此，研究地球重力场信息对于航天器的轨迹和姿态控制有着非常重要的作用。重力是指地面附近的物体由于地球的吸引而受到的力。地球重力的测量，不仅对于地球动力学和地球内部物理研究尤其是海平面变化、地壳运动等方面有着重大意义，而且是影响航天飞行器例如各类卫星和飞船等运动轨迹的主要因素，因此地球重力测量的应用非常广泛且对于其技术发展的需求和研究也日益增强。基于发明专利数据，本文从专利申请量、专利主要产出国、主要申请人、重点技术发展等方面分别分析和对比了国内外在地球重力测量领域的异同，以及基于上述分析给出对于国内地球重力测量技术发展和专利布局方面的启示。

1概述

地球重力测量的获取可以通过多种方式获取，一是可以通过重力测量仪器，例如重力仪、重力梯度仪等仪器进行实地的勘探；二是可以通过卫星跟踪卫星的模式进行全球范围内的重力场模型的解算，获取全球重力值。根据重力测量仪器在不同的平台进行测量，地球重力测量又可以分为地面重力测量，船载重力测量和航空重力测量。地球重力测量值又可分为绝对重力测量值和相对重力测量值。

另一方面，全面的大面积的地球重力测量数据的获取是通过卫星来实现的。利用卫星跟踪卫星来测量重力加速度，主要的原理是基于卫星之间的距离和距离变化率来研究的。

2专利整体情况分析

下文从专利申请量、专利产出国以及主要专利申请人三个方面对地球重力测量专利整体情况进行阐述和分析。

2.1专利申请量和专利产出国分析

基于重力测量专利数据的统计，国外地球重力测量技术起步比国内早；在2000年以前，国内申请量基本为零，而国外申请量已经达到近500件，国内重力测量技术在一定程度上远落后于国外。然而在2000年以后，国内专利申请量取得了突破性的飞速增长，且国外专利量也正稳步增长，无论国内国外在该阶段重力测量领域均处于发展的黄金时期。专利申请产出国是一项技术的原创技术国，对其进行分析得到专利申请产出国分析，排名依次为美国、俄罗斯、中国、日本、德国，美国和俄罗斯是重力测量领先的国家，起步较早，其在陆地重力测量和卫星重力测量方面均有较深的研究；中国起步较晚但后续发展迅速，其主要集中于对于重力测量算法和仪器性能方面的改进研究；日本对于重力测量的需求主要在于其在地震预测方面的应用，其着力于陆地重力异常监测；德国在卫星重力测量方面有着显著的成绩，针对各类卫星重力卫星例如GRACE卫星、CHAMP卫星等。

2.2专利申请人分布

在重力测量领域，重点申请人重要集中在美国和中国，并且中国申请人为科研院所和高校居多，而美国申请人为公司居多。具体分析，中国对于重力测量领域，对于卫星重力测量目前基本依赖于国外卫星测量数据进而研究的数据处理算法的改进即申请居多为重力测量数据处理模型和算法研究，且对于重力测量仪器专利申请量较少，多涉及重力测量仪器性能改进，对于该领域研究主要为科研院所和高校；而对于美国而言，专利申请保护多为重力测量仪器，起步较早，公司重于对仪器各阶段发展的保护，对于各算法研究申请量较少。

2.3地球重力测量技术发展脉络

地球重力测量主要有三个阶段：第一个阶段是重力测量技术的萌芽阶段，在该阶段，以苏联和美国的文献居多，多是关于重力测量仪器的基本结构，例如在专利US3815418A中，其主要对重力仪基本机构进行了描述，利用粒子的下落时间来进行重力测量，属于基础的陆地重力测量仪器；然后，由于科学在各领域的进步以及对于重力测量发展的迫切需求，地球重力测量发展到第二个阶段：对于重力测量精度的重要改进以及对重力测量仪器结构的简化，在该阶段专利申请是仍是以美国为主导的，例如在专利US3960344A中，其在重力仪中加入了高精度时钟进而提高重力测量精度；然后，对于传统重力测量方法的改进已经达到瓶颈不能够满足对于全球范围的重力测量无法满足国防的需要，因此地球重力测量技术发展到了第三个阶段，地球重力测量技术取得突破的进步，主要是原子干涉重力测量以及卫星跟踪重力测量技术的发展，在该阶段不仅美国，而且包括中国、德国等各国均在重力测量领域取得突破进展，在专利US2014/0190254A1中主要是对于垂直分布的原子干涉仪器的具体结构方面的研究，在专利CN102854540A中涉及基于国外专利测量卫星测量数据的数据模型误差和模型提高的研究，而国外对于该方面专利申请量较少，即国内外重力测量专利申请保护的侧重点有所不同。

3总结

本文从专利分析的角度对于重力测量技术的国内外的发展进行了分析和研究，对于传统重力测量技术，例如重力仪、重力梯度仪，尤其美国专利申请量较多且发展较早，而国内发展较晚申请量很少，其中美国的专利多数是关于其基本结构的申请，结构方面的调整与简化，以及采用传统重力测量方式时，对于重力测量精度的提高的手段；对于新兴的重力梯度测量方式：冷原子干涉仪重力测量，最早出自美国，而国内着力于对于仪器的性能和结构的优化，尤其针对国内申请人中科院武汉物理与数学研究所以及国外研究院所斯坦福大学和耶鲁大学研究小组均致力于该方面的研究；对于新兴的全球重力测量方式：卫星跟踪重力测量，国外尤其是美国和德国发展较为先进，而其对于专利申请较少，而国内针对于该卫星重力测量方面数据处理模型和算法类的申请较多，多为研究所和高校；对于重力测量领域，国内专利申请主体主要是科研院所和高校，而不同于美国申请主体是公司，因而国内各公司也应当加强对于重力测量仪器的研究和专利申请。基于对于重力测量技术的国内外专利分析，我国和美国在技术上仍存在一定的差距，应当重于自主研发重力测量仪器以及进一步改进和发展我国的重力测量卫星，进一步提高重力测量模型的精度，为航天器的发射和轨迹控制提供更好的保障。