0 引　言

自主式水下滑翔机（Autonomous Underwater Glider，AUG）是一种新型的海洋环境水下观测平台，在航行时通过浮力调节系统控制其不断进行浮力变化和重心调节来实现螺旋状前进，不需要额外的动力驱动装置，持续观测时间长达几个月，续航能力可达上千千米^[1]，且自身体积较小，难以被探测，因此AUG隐蔽性强，可用于水下目标预警与探测，有效提高海洋环境的空间和时间测量密度；而且，AUG搭载水声通信、无线通信和卫星通信等设备，可作为通信网络节点实施中继通信，多台AUG组网后形成编队能够同时获取海洋中不同位置的信息，可充分发挥优越的高时空分辨率观测能力、提高适应范围^[2]，在海洋环境立体观测网中发挥不可替代的作用，是当前海洋水体自主观测的新型装备，多用于军事海洋监测，在海洋科学研究和海洋调查以及海洋安全需求方面同样具有巨大的市场潜力^[3-5]。

由于自主式水下滑翔机的军事应用和各国之间的技术封锁，导致了目前公开的专利数量十分有限，尤其是AUG导航技术、水声通信和组网技术，这3个分支的技术发展直接制约了我国AUG技术的应用范围和使用效果。但依据其技术领域、功能效果和关键技术，可以将其研究范围扩展至通用的水下航行器中，通过对广义的水下航行器领域（以下称为扩展领域）公开的导航技术、水声通信和组网技术的专利技术研究来辅助解决AUG目前存在的技术难点，以便于克服目前的技术壁垒。

1 AUG导航技术、水声通信和组网技术分支全球专利申请现状

本文通过CNABS，VEN等专利摘要数据库以及CNTXT，USTXT和EPTXT等专利全文数据库，经过检索、去噪、去重、清理、验证、标引等数据处理过程，得到数据分析样本全球专利申请531项，包含中国专利申请413项，检索文献的公开日或公告日截止于2018年12月31日。通过对AUG技术的探讨，同时兼顾行业标准、习惯与专利检索数据，最终形成了技术分解图。如图1所示，AUG技术分支主要包括AUG总体、能源系统、水声通信、运动控制系统、导航系统、组网技术及其他。其中，运动控制、能源系统、AUG总体等技术分支占比较大，而关于导航技术、水声通信技术以及组网技术这些研究难点的专利申请占比较小，其总和也仅为71项。因此，本文主要针对这3个分支进行深入研究。

如图2所示，通过对这3个分支的专利申请趋势进行分析可以得知，AUG导航技术全球专利申请起步较晚，2011年才开始首项专利申请，相对于AUG整体的技术发展状态而言，导航技术发展相对滞后，但整体趋势处于增长状态，至2018年申请量突破了新高度；水声通信技术专利申请起步于2006年，从2015年开始通信系统的技术研究迅速增长，并在2018年申请量达到峰值；AUG组网技术于2013年才开始提出，数量较少仅为1～3项，但其在每年均有相关专利申请提出。由于专利数量有限，难以得出有效的趋势性结论，有必要对其进行扩展分析。

2 扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术的全球专利技术分析

基于AUG的自身特点，发现AUG导航系统中通过专利和非专利的文献技术关联，使用相同技术的领域还包括水下航行器，将AUG的导航技术扩展至水下航行器，通过相邻领域能够提供解决相应问题的启示；根据AUG水声通信所必须的低功耗和小型化的功能效果的特点，将研究范围可扩展到能够实现水下低功耗和小型化的通用水声通信技术中；目前AUG的组网编队主要通过领队跟随式实现，通过对领队跟随式编队技术进行扩展检索，寻找领队跟随式的具体算法，可有助于实现AUG的组网编队。本文针对深入研究的导航技术、水声通信、组网技术在广义的水下航行器领域进行上述“扩展”，检索得到全球专利1581项，包括中国专利967项，检索文献的公开日或公告日截止于2018年12月31日。

1）扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术专利申请占比分析

如图3所示，在全球专利申请量中导航技术、水声通信技术以及组网技术总量为1581项，其中通信系统专利申请数量占比最大，为849项，导航技术以及组网技术专利申请量分别为325和488项。就这三方面的专利申请量而言，扩展领域的专利申请量远远大于专用于AUG的专利申请量。

2）扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术专利申请趋势分析

导航技术专利申请发展态势呈前期探索、中期平稳、后期快速增长有回落。如图4所示，水下导航技术技术起步于1991年，至2002年后进入平稳发展阶段，于2008年进入快速发展期，并于2016年全球专利申请量达到巅峰，申请数量为44项；而随着水下导航技术的逐渐成熟，在2016年之后，专利申请量明显下降。扩展领域导航技术的申请量下降也导致了AUG技术自有导航技术的申请量较少，目前全球关于水下导航技术的专利申请总量达到325项，通过对比可知在AUG导航技术首次专利申请时（2011年），扩展领域的专利申请趋势已经进入快速发展期，对AUG的导航技术的研究具有相当大的参考性。

水声通信技术在全球范围的专利申请量自始至终趋于增长态势。如图5所示，水声通信技术早在1954年就已有首项专利申请，经历1954-1983年近30年的技术萌芽后，开始平稳增长，并于2003年后进入迅速发展阶段，水声通信技术的研究热度持续升温，技术水平也在不断提高。目前全球关于水声通信技术的专利申请总量达到849项，其发展时长也远超AUG自有的水声通信技术，对AUG水声通信技术的研究可提供强有力的技术支撑。

组网技术在全球范围的专利申请量自2008年后趋于快速增长态势。如图6所示，组网技术在2008年以前年均申请量不足10项，而2008—2018年的10年间年均申请量由个位数已快速增长至90余项，在此期间AUG自有的组网技术才刚刚起步。目前组网技术申请量涨幅最大、增长速度最快，是全球研发机构的新晋研究方向，其组网技术的全球专利申请总量达到488项，远超AUG组网技术的14项，同样引导着AUG组网技术的发展。

3）扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术来源地的协同创新申请量占比分析

主要申请国创新申请量占比最大的分支在水声通信技术，其次为组网使用，最后为导航技术。如表1所示，各分支申请量最多的中、美、日均在水声通信领域创新申请量占比最高，分别达43%，75.50%，58.43%，说明水声通信领域在各国的普遍关注度最高，研究更广泛。中国对组网技术的研究较美、日两国更为重视，占比达到37.93%，数量为382项，远超美、日两国。其中，值得关注的是，韩国专利申请总量虽不大，但其对新晋组网技术的关注度最高、创新申请量占比最大，为81.82%，韩国在组网技术的专利申请量虽与中国相差甚远，但也仅次于中国，相对于其他国家占有一定优势。此外，俄罗斯仅在导航技术分支具有12项专利成果，未对水声通信和组网技术进行专利申请，导航技术创新申请量占比为100%。

4）扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术的专利活跃度分析

水声通信为近些年的技术研究重点，组网技术关注度逐渐增加，导航技术相对成熟。由表2可知，在扩展领域导航技术、水声通信技术以及组网技术这3个分支中，水声通信占比最大，近5年中专利活跃度最高，为2.40，但在近3年的活跃度略低于组网技术；组网技术占比次于水声通信，活跃度由近5年的2.28上升至近3年的2.84，在3个分支中近3年的活跃度最高；导航技术占比最低，活跃度也最低，而且近5年与近3年的活跃度也相对稳定。由此可知，水声通信作为近些年的技术研究重点，专利申请量占比最大，研究热度逐渐上升；组网技术的申请量涨幅相对更大，近几年活跃度趋于增长，关注度逐渐增加；导航技术相对成熟，活跃度最低。

5）主要国家专利增长率分析

组网技术较其他2个分支而言研究前景更为广阔，导航技术和水声通信的专利增长率趋于下降。如表3所示，总体来看，各国在水声通信技术的专利申请量大部分趋于降低，中、美、韩近几年更加注重组网技术的研究，中、美、欧、英对导航技术的研究热度有所下降。具体而言，中国在这3个分支不同年份间的专利申请量增长率全部为正值，即可知其各分支的专利申请数量全部趋于增长，其中组网技术增长率最大且增长速度最快，导航技术在2016−2018年增长率有所下降；美国在这3个分支的专利申请量增长率全部由2013−2015年的正值（分别为6%，64%，10%）降低为2016−2018年的负值（−79%，−83%，−9%），导航技术和水声通信的专利申请量急剧下降，组网技术分支专利申请量变化幅度最小，相对而言，美国的研究重点向组网技术有所转移。

6）中国专利申请来源分析

中国在扩展领域的这3个分支中，专利申请绝大部分来自国内申请人，国外来华的申请总量占比极少，与欧美等国家或地区对中国进行技术封锁的实际情况相符。由表4所示，中国申请人的专利申请量达1035项，占绝大多数。只有美国、日本、韩国、芬兰、意大利等少量国家在中国进行布局，申请量最大的美国也仅为18项。其中，国外来华的专利申请主要分布于水声通信和组网技术，导航技术的国外来华申请数量最少。美国在水声通信、导航技术和组网技术的专利申请量并不小（分别为265，61，25项），而在我国进行专利申请的数量却仅为11，5，2项，也进一步说明了美国在与军事应用方面密切相关的领域对我国施加了技术封锁。

7）中国主要申请人专利分布分析

哈尔滨工程大学在各分支中申请量均最多，中国科学院声学研究所、天津大学和东南大学分别在导航技术、水声通信和组网技术这3个技术分支的扩展领域具有较高的研究水平。如表5所示，在国内申请人中，哈尔滨工程大学、东南大学、西北工业大学、中国科学院声学研究所等科研院校在导航技术、水声通信、组网技术3个扩展领域均有布局，天津大学、厦门大学、华南理工大学等院校仅在水声通信、组网技术的扩展领域有相关专利申请。其中，哈尔滨工程大学在各分支的扩展领域的申请量均处于领先地位，显示出其深厚的研发实力，天津大学在组网技术方面的申请量仅次于哈尔滨工程大学，其在组网使用方面具有一定的优势；中国科学院声学研究所在水声通信领域最有建树，东南大学更注重导航技术的研究。

3 结　语

对比分析AUG自有与扩展领域技术的专利申请趋势，3个分支的自有专利申请均在扩展领域的快速发展期才开始起步，且专利数量差距甚远，AUG技术在这3个分支的研发状态还具有广阔的发展空间。

通过在AUG扩展领域的导航技术、水声通信技术、组网技术专利分析可以看出，专利申请量占比最大的分支在水声通信技术，其次为组网使用，最后为导航技术。随着水下导航技术的逐渐成熟，其专利申请处于下降趋势，而各国对水声通信技术和组网技术的研究热度持续升温，尤其是组网技术，在近3年的活跃度最高，较其他2个分支而言研究前景更为广阔。

中国、美国、日本、韩国等依旧是导航技术、水声通信技术、组网技术在扩展领域的主要申请国。中国在扩展领域3个分支的专利申请几乎全部来自国内申请人，国外来华的申请总量占比极少。哈尔滨工程大学在各分支中申请量最多，均处于领先地位。

针对目前存在的技术难题，可以主要对美、日、韩的公开技术进行分析研究，尤其是哈尔滨工程大学、天津大学等研发主体更有望早日突破技术瓶颈。关于我国专利布局而言，在国外布局的专利数量十分稀少，建议对可公开的技术加大国外布局力度，尽早占领市场，更有利于今后的AUG技术发展和市场应用。