В середине 50-х годов незадолго до запуска первого искусственного спутника Земли (1956 г.) трудно было представить, какое значение он сможет оказать на развитие навигации. Сегодня же навигация переросла в большое направление в науке и технике, разработки в этой сфере применяются почти во всех областях деятельности человека: геодезия, сельское хозяйство, синхронизация работы линий электропередач, поисково-спасательные операции, авиация и т.д.

В международной патентной классификации (МПК) существуют конкретные классы для навигации. Например, класс МПК G01C «Измерение расстояний, горизонтов или азимутов; топография; навигация; гироскопические приборы; фотограмметрия или видеограмметрия…». В настоящем исследовании будут рассмотрены патенты, относящиеся непосредственно к космической навигации: определение местоположения и прогнозирования движения космического аппарата. Для поиска были использованы как ключевые слова, так и классы МПК.

В настоящем дайджесте акцент сделан на системы космической навигации, т.е. рассмотрены опубликованные патенты и патентные заявки на изобретения, содержащие технические решения, связанные непосредственно со служебными навигационными системами спутников, необходимыми в том числе для определения орбиты и позиционирования. Для поиска были использованы классы МПК G01C 21/00, G01C 01/00, G01C 23/00, G01S 19/00 (за исключением некоторых подклассов)[ Расшифровка классов МПК указана в Приложении 1] и следующие ключевые слова: satellite movement path» (траектория движения спутника), «high-precision attitude control system» (высокоточная система управления положением), «predicting satellite events» (прогнозирование параметров орбиты спутника).

Для анализа активности по направлению СиСН был выбран период с 2010г. по настоящее время (см. рис. 1). В этой выборке аномально высокая активность по патентованию фиксируется в 2010 году. При этом в остальном периоде активность весьма стабильна и ее уровень в 5-6 раз ниже значений 2010 года. Чтобы более полно оценить динамику по направлению СиСН исследуемый период был увеличен в 2 раза до 2000 года (рис. 2). Активность в первом десятилетии была весьма равномерной, и начиная с 2011 в целом количество подаваемых заявок увеличилось в 3-4 раза. Резкий прирост в 2010 году (за один год изобретений больше чем за предыдущие 10 лет) в значительной степени «разогрел» уровень техники в выбранном направлении, чем можно объяснить кратное увеличение активности в следующие 10 лет. С целью углубленного анализа был более детально рассмотрен 2010 год по активности разных стран при патентовании изобретений в области СиСН. Наибольшую активность проявили заявители из США, КНР и Японии (рис.3)

Третье место по объему патентных публикаций у Японии может быть обусловлено активностью со стороны японских заявителей в патентовании новых технических решений, разработанных во время работы над спутниками для проекта региональной системы синхронизации времени и одной из систем дифференциальной коррекции для GPS (Global Positioning System), известного как Quasi-Zenith Satellite System. С большой долей вероятности высокие показатели уровня активности патентования у лидеров обусловлена острой конкуренцией со стороны японских производителей, которая вынудила представителей Китая и США принять меры по защите внутреннего рынка и обеспечения интересов национальной безопасности путем подачи патентных заявок на результаты, которые предположительно до этого момента охранялись в режиме ноу-хау. Также стоит отметить и текущее поддержание патентов этими странами (рис. 3). Отсутствие поддержания в КНР и большей степени в Японии может объяснятся экономической нецелесообразностью поддержания этих патентов в силе, ведь в результате вмешательства внешних игроков (при наличии собственных патентов) уже не может блокировать работы национальных компаний, а, ввиду повсеместного двойного назначения подобных технологий, их транснациональная коммерциализация весьма затруднена.

Дополнительно стоит уточнить, что изначально исключительно военное назначение российской системы ГЛОНАСС вероятнее всего способствовало низкому уровню запатентованных отечественных разработок по направлению СиСН, что и сегодня продолжает влиять на решения о патентовании современных технических решений в сфере космической навигации.

Возвращаясь к основному рассматриваемому периоду, стоит обратить внимание, что география стран-лидеров по количеству поданных заявок в сфере СиСН в космической технике изменилась (в сравнении с 2010 г.): к лидерам направления добавились такие страны как Южная Корея и Россия.

По графикам на рис. 4 и рис. 5 можно сделать вывод, что лидирует в данном направлении США. На сегодняшний день рынок навигационных космических технологий контролируется малым количеством поставщиков, что может объяснить отсутствие ярко выраженной конкуренции, а следовательно, и высокой активности в патентовании, для закрепления позиций на внутренних или внешних рынках.

Среди лидеров по объему запатентованных разработок по направлению СиСН представлены организации из разных стран, причем разница в количестве заявок между заявителями минимальная. Рассмотрим наиболее цитируемые изобретения.

Начать можно с патента US7746272B2 от Trimble navigation Ltd., кторый содержит описание предложенного метода оценки неоднозначности сигналов ГНСС для трех или более несущих фаз. Метод предполагает применение двух банков ионосферных фильтров к набору данных сигналов глобальной навигационной спутниковой системы для получения массива оценок неоднозначности для комбинации ионосферной фазы несущей из банка ионосферных фильтров и статистической информации. Кодовые фильтры применяются к набору данных для получения массива оценок неоднозначности для комбинаций код-несущая комбинаций кодовых фильтров и информации. Комбинированный массив оценок неоднозначности получен для всех комбинаций фаз несущей и информации путем объединения приложений фильтров ионосферы и кода.

Метод позволяет достичь разрешения неоднозначности несущей фазы для трех или больших частотных диапазонов, и сокращает усилия, необходимые для статистического поиска и проверки достоверности. Этот метод требует менее производительных компонентов обработки, что позволяет создавать приемники с меньшими затратами и/или потребляющие меньше энергии. Способ позволяет центральному процессору экономить электроэнергию за счет уменьшения тактовой частоты процессора и/или перевода процессора в спящий режим, когда никакие вычисления не ожидаются, даже если вычислительная мощность предоставлена.

Патент US7725259B2, права на который принадлежат американской компании Raytheon, раскрывает систему оценки траектории для орбитального спутника. Способ расчета траектории спутника после маневра включает определение первой расчетной траектории спутника с использованием первого последовательного режима работы, выполнение запуска двигателя в качестве корректирующего маневра для спутника и обеспечение оценки корректирующего маневра в реальном времени с использованием второго последовательного режима работы. Второй последовательный режим работы включает в себя прием данных от объекта восходящей/нисходящей линии связи, определение второй расчетной траектории и расчетных характеристик двигателя спутника на основе полученных данных и определение ошибки траектории спутника на основе полученной точки данных. Способ дополнительно включает повторение второго последовательного режима работы, если ошибка траектории превышает заданный пороговый уровень, и повторение первого последовательного режима работы, если ошибка траектории ниже заданного порогового уровня.

Предполагается, что система точно вычисляет расчетную траекторию спутника после маневра и предоставляет точную обновленную информацию о проложенном курсе в режиме реального времени, тем самым быстро определяя эффективность маневра спутника. Подобное изобретение помогает избежать рисков потери связи со спутником, из-за смещения фактической точки, в которую должен был выйти спутник, от запланированной специалистами.

Патент BOEING CO (US7668629B2) раскрывает техническое решение в части определения траектории, предлагая приемник с высоконадежным соединением для глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). В патенте описана архитектура ГНСС приемника со сверхнадежным соединением (СНС), применимая к орбитальным космическим платформам. Приемник в соответствии с этой архитектурой сохраняет датчики вращательного движения, обычно используемые в инерциальном измерительном блоке (ИИБ) обычного приемника СНС, но заменяет датчики акселерометра ИИБ точными моделями орбитальной динамики для прогнозирования поступательного движения центра тяжести платформы (ЦТП). Сопротивление и радиационное давление также могут быть смоделированы. Различные модели могут быть реализованы в программном обеспечении. Датчики вращения ИИБ сохранены для компенсации эффекта рычага антенны ГНСС из-за поворота платформы.

По мнению авторов изобретения, система может обеспечить надежную работу и точное определение местоположения, скорости и времени в пространстве, обладая при этом высокой чувствительностью к слабым сигналам. Система также обладает хорошей защитой от ошибок, низкой стоимостью и высокой точностью. Она может повысить производительность за счет возможности точного прогнозирования траектории платформы без необходимости измерений глобальной навигационной спутниковой системы.

Российский патент RU2397927C1, права на который принадлежат "АО «Российские космические системы», раскрывает систему оценивания точности прогнозирования параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ). Целью заявленного технического решения является повышение точности и надежности оценивания прогнозных значений параметров движения широкого класса ИСЗ, что обеспечивается за счет увеличения задаваемых параметров, необходимых для оценки и увеличения количества реализации при моделировании траекторных измерений. Заявленный технический результат достигается тем, что система оценивания точности прогнозирования параметров движения ИСЗ содержит блок исходных данных, вход которого является входом системы, блок прогнозирования параметров движения ИСЗ, блок расчета значений измеряемого параметра, блок определения параметров движения ИСЗ, блок оценки точности прогнозирования параметров движения ИСЗ, блок моделирования траекторных измерений, при этом первый выход блока исходных данных соединен со вторым входом блока моделирования траекторных измерений, выход которого соединен с первым входом блока определения параметров движения ИСЗ, второй выход блока исходных данных соединен с входом блока прогнозирования параметров движения ИСЗ и с выходом блока определения параметров движения ИСЗ, третий выход блока исходных данных соединен с входом блока расчета значений измеряемого параметра, с третьим входом блока определения параметров движения ИСЗ и с первым входом блока оценки точности прогнозирования параметров движения ИСЗ, выход блока расчета значений измеряемого параметра соединен с первым входом блока моделирования траекторных измерений и с вторым входом блока определения параметров движения ИСЗ, второй выход блока прогнозирования параметров движения ИСЗ соединен с вторым входом блока оценки точности прогнозирования параметров движения ИСЗ, выход которого является выходом системы оценивания.

Запатентованное изобретение может быть использовано в наземных и бортовых комплексах управления для контроля точности прогнозирования параметров движения ИСЗ, а также для оценки точности прогнозирования параметров движения ИСЗ на этапе эскизного проектирования.

Полученные результаты показывают, что мировая активность патентования в направлении СиСН довольно-таки умеренная. Такая тенденция может быть связана с высоким насыщением данного технологического направления, так как существует оно почти с начала зарождения прикладной космонавтики, а также с постепенным появлением новых навигационных систем. Несмотря на общую мировую статистику, лидером в рассматриваемом направлении является США. Американские компании не только имеют наибольшее количество запатентованных разработок, но и продолжают поддерживать многие из них. Большое количество действующих еще с начала 2010 года патентов говорит о продуманности стратегии правовой охраны и тщательном отборе тех разработок, которые принесут наибольший экономический, политический или социальный эффект в долговременной перспективе.

Таким образом, преимущественно наибольшим показателем цитирования обладают патенты, раскрывающие теоретические методы по улучшению оценки траектории и орбитальных параметров спутника, а также новые решения технических задач, упрощающие процесс работы и повышающие экономическую эффективность приемников сигналов навигационных спутников.

Анализ деятельности российских компаний в области патентования изобретений по направлению СиСН проводился по публикационной (научные статьи и т.п.) и патентной активности за последние 10 лет. По полученным данным можно судить о темпе патентования результатов научно-исследовательской деятельности отечественными производителями и научными центрами на фоне иностранных конкурентов.

Из рис. 8 видно, что уровень научных публикаций по теме СиСН в космической технике в России за 10 лет невысокий, что может свидетельствовать о низкой степени заинтересованности научных кругов в космической навигации. Наибольшее количество публикаций принадлежит авторам из Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева. Кроме того, большое количество статей в выборке существуют под авторством сотрудников АО "Информационные спутниковые системы" им. акад. М.Ф. Решетнева, АО «ЦНИИмаш», АО «Российские космические системы» и представителей Московского авиационного института (национальный исследовательский университет). Незначительный уровень научных публикаций может быть обусловлен высокой развитостью направления, что способствует возможному застою в разработке передовых решений. С другой стороны, это может объяснятся и изменениями в политике Заказчика по отношению к конфиденциальности информации и выбору формы правовой охраны разработок, создаваемых по государственному заказу.

Информация о наиболее актуальных разработках в сфере систем и средств навигации в космической технике отражена в патентах, опубликованных в 2010-2020 гг. Проведенное исследование в части заявок от российских организаций, в том числе поиск по базе Федерального института промышленной собственности (ФИПС), по классам МПК и ключевым словам: G01C 21/00, G01C 01/00, G01C 23/00, G01S 19/00 (за исключением некоторых подклассов)[ Расшифровка классов МПК указана в Приложении 1], «satellite movement path» (траектория движения спутника), «high-precision attitude control system» (высокоточная система управления ориентацией), «predicting satellite events» (прогнозирование параметров орбиты спутника) выявил сравнительно невысокий уровень количества патентных публикаций по рассматриваемому направлению.

В России патенты, содержащие разработки по рассматриваемому направлению, преимущественно представлены следующими организациями:

Вместе с тем в полученной выборке встречаются патенты, права на которые принадлежат Российской Федерации, от имени которой выступает государственный заказчик – Госкорпорация «Роскосмос» или Министерство обороны Российский Федерации.

Среди иностранных заявителей по рассматриваемому направлению лидируют следующие организации:

Российские предприятия и научные центры являются обладателями уникальных, передовых изобретений и остаются на лидирующих позициях среди организаций на мировом космическом рынке. достойным примером может служить патент №2702098 «Способ определения параметров орбиты искусственного спутника земли с использованием приемных опорных реперных станций», опубликованный 04.10.2019, и права на который принадлежат Федеральному государственному казенному военному образовательному учреждению высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации. Предложенное изобретение относится к технике выполнения траекторных измерений и определения параметров орбиты искусственного спутника Земли (ИСЗ), и может быть использовано на наземных и бортовых комплексах управления полетом ИСЗ для точного определения текущих параметров движения ИСЗ. Технический результат изобретения - повышение точности определения параметров орбиты ИСЗ, обеспечение более широкой области применения за счет использования наземной радиотехнической станции, размещенной на позиции с известными координатами, работающей в режиме приема и М≥3 приемных опорных реперных станции на позициях с известными координатами. Целью изобретения является обеспечение повышения точности определения параметров орбиты ИСЗ.

Ниже приведены еще несколько опубликованных российских патентов, которые могут представлять интерес для научных центров, специализирующихся на СиСН:

- Патент №2397927 «Cистема оценивания точности прогнозирования параметров движения искусственного спутника земли (ИСЗ)» от АО «Российские космические системы», опубликован 27.08.2010;

- Патент №2575302 «Бортовая система навигации искусственного спутника земли» от Ключникова Валерия Николаевича, опубликовано 20.02.2016;

- Патент №2696399 «Cпособ автономного определения параметров орбиты космического аппарата» от ФГБОУО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, опубликован 01.08.2019.

Среди перечисленных изобретений есть такие, которые существенно влияют на мировой уровень техники в целом, тем не менее отмечается сравнительно невысокий уровень патентной активности среди отечественных разработчиков.

Патентные заявки от иностранных организаций составляют около 17% от общего числа всех заявок за период с 2010 по 2020 г. (рис. 7), поданных в российское патентное ведомство. Такой уровень активности говорит о невысоком уровне стремления выйти на российский рынок СиСН со стороны зарубежных компаний. Это может быть преимущественно обусловлено экономическими причинами.

Приложение 1

1. G01C 21/00 - Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к группам 1/00 — 19/00 (измерение расстояния, пройденного наземным транспортным средством, 22/00; управление местоположением, курсом или высотой транспортных средств G 05D 1/00; системы управления движением транспорта G 08G 1/0968)

2. G01C 01/00 - Измерение углов

3. G01C 23/00 - Комбинированные приборы, определяющие более чем одну навигационную величину, например для авиации; комбинированные устройства для измерения двух и более параметров движения, например расстояния, скорости, ускорения

4. G01S 19/00 - Спутниковые радионавигационные системы позиционирования; определение местоположения, скорости или углового пространственного положения с использованием сигналов, переданных такими системами [2010.01]