从专利角度分析无缝室内外定位技术的发展态势

姜珍; 陈伟航; 张馥楠; 余京宪; 闫舒; 张茹

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202205003

科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (5) :35-44 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202205003

研究论文

从专利角度分析无缝室内外定位技术的发展态势

姜珍 ¹ ,
陈伟航 ¹^,^* ,
张馥楠 ² ,
余京宪 ² ,
闫舒 ³ ,
张茹 ³

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Development Situation of Seamless Indoor and Outdoor Positioning from Patent Perspective

Jiang Zhen ¹ ,
Chen Weihang ¹^,^* ,
Zhang Funan ² ,
Yu Jingxian ² ,
Yan Shu ³ ,
Zhang Ru ³

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摘要

[目的/意义] 随着全球卫星导航和无线通信技术的发展,定位服务已成为当代生活的重要组成部分,人们对精准定位的要求也越来越高,因而无缝室内外定位技术应运而生,并成为当前的研究热点。该文将从专利视角对无缝室内外定位技术研究现状进行分析,为我国在该技术领域的创新研发及专利布局提供参考。[方法/过程] 该文以智慧芽数据库获得的全球专利数据为依据对无缝室内外定位技术专利的申请趋势、区域布局、技术构成及重要申请人进行分析。[结果/结论] 全球无缝室内外定位领域专利申请量整体呈现增长趋势,其中我国是推动全球专利量增长的主力军,且目前已成为全球最大的技术来源国。近年来,我国高校和无线通信厂商科研成果累累,通过卫星导航系统和5G技术的组合应用,助推我国乃至全球开启了无缝室内外综合时空服务的创新革命。

Abstract

[Objective/Significance] With the development of global satellite navigation and wireless communication technology, positioning service has become an important part of contemporary life, and people's requirements for precise positioning are getting higher and higher, so seamless indoor and outdoor positioning technology came into being., and has become a current research hotspot. This paper will analyze the research status of seamless indoor and outdoor positioning technology from the perspective of patents, and provide a reference for my country's innovative research and development and patent layout in this technology field. [Method/Process] Based on the global patent data obtained from the Wisdom Bud database, this paper analyzes the application trend, regional layout, technical composition and important applicants of seamless indoor and outdoor positioning technology patents. [Results/Conclusions] The overall number of patent applications in the field of global seamless indoor and outdoor positioning shows an increasing trend, among which my country is the main force driving the growth of global patent volume, and has now become the world's largest technology source country. In recent years, my country's universities and wireless communication manufacturers have achieved a lot of scientific research achievements. Through the combined application of satellite navigation systems and 5G technology, my country and the world have launched an innovative revolution of seamless indoor and outdoor integrated space-time positioning services.

Graphical abstract

关键词

无缝室内外定位 / 室内定位 / 室外定位 / 卫星导航系统 / 专利分析 / 无线通信 / 位置信息服务

Key words

seamless indoor and outdoor / indoor positioning / outdoor positioning / satellite navigation system / patent analysis / wireless communication / location information service

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姜珍, 陈伟航, 张馥楠, 余京宪, 闫舒, 张茹. 从专利角度分析无缝室内外定位技术的发展态势[J]. 科学观察, 2022, 17(5): 35-44 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202205003

Jiang Zhen, Chen Weihang, Zhang Funan, Yu Jingxian, Yan Shu, Zhang Ru. Development Situation of Seamless Indoor and Outdoor Positioning from Patent Perspective[J]. Science Focus, 2022, 17(5): 35-44 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202205003

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1 引言

定位技术不仅对国家安全、军事发展有着战略性的意义,而且通过与现有的商业应用服务相结合,为广大民众提供了一种基于位置信息的新型现代服务模式。随着科技的日新月异,全球卫星导航系统（GNSS）正全面迈向综合时空体系发展新阶段,精准时空服务正逐步取代目前的位置服务,应用全球卫星导航系统和无线通信技术实现无缝室内外定位成为了精准时空服务的一个主流技术方向。依据《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》发布的内容,在2020年技术研发和应用投入方面,随着移动位置服务、智慧城市建设的快速发展,高精度室内外无缝位置服务需求日益迫切,业内相关研发和产业化工作明显提速。与此同时,中国大力发展北斗卫星导航系统,推动5G新基站的建设,无线通信技术日趋成熟,“两大新基建”为无缝室内外组合定位领域的发展提供了基础,带动形成数万亿规模的时空信息服务市场,形成新的产业生态圈^[1]。

目前全球主流的室外定位技术有卫星定位技术和基站定位技术,其中美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）这四大卫星导航系统已基本实现高精度、全覆盖的室外定位功能。WiFi定位技术、射频标签（RFID）定位技术、蓝牙（BLUETOOTH）定位技术、红外线（INFRARED）定位技术、超宽带(UWB)定位技术等无线室内定位技术也逐渐发展起来。然而,室内定位与室外定位相对独立,在室内外交界区域的复杂环境下,单一的定位技术很难同时覆盖室内外空间,无法满足整体精度要求,于是无缝室内外定位技术应运而生^[2]。无缝定位是由于北斗、GPS等定位技术因受建筑物、障碍物等的阻挡导致室内无法获取定位信息而催生出的全新解决方案。无缝室内外定位技术能够保证多种场景下定位技术、算法、精度和覆盖范围的平滑切换,实现载体在室内外环境下的精确导航与定位目标,在日常导航、精准定位等方面具有重要的应用价值,同时也将推动基于卫星导航系统的综合时空信息服务的发展,进而提高人们日常生活的
质量。

当前,无缝室内外定位技术发展速度较快,专利申请量持续提升,其中融合GPS系统、北斗系统等卫星导航系统的无缝室内外定位技术也成为了全球的研究热点。本文将从专利角度出发,对无缝室内外定位技术的专利现状进行分析,厘清该技术的发展方向,为我国在该技术领域的发展提供参考建议。

2 数据检索与分析方法

2.1 数据来源

本文以无缝室内外定位技术为研究内容。研究对象是全球范围内的发明和实用新型专利数据。本文的专利文献数据主要来自智慧芽全球专利检索数据库,该数据库包含全球126个国家/地区的1.7亿专利数据和1.5亿文献数据。

2.2 数据检索

初步检索阶段：初步检索过程中,研究小组选择分类号和关键词,形成针对无缝室内外定位技术的检索式,进行专利数据检索,对检索到的专利文献关键词和分类号进行统计分析,并抽样对相关专利文献进行人工阅读、提炼关键词,最终选定精确关键词、扩展关键词、精确分类号和扩展分类号作为主要检索要素。依据上述检索策略制定如表1所示检索要素。

全面检索阶段：研究小组根据数据库的特点及检索结果迭代调整检索式中检索要素的运算逻辑,充分利用截词符和算符,同时结合语义和相关度等方式进行检索式的完善编辑,最终获得可靠的检索结果集。检索截止日期为2021年12月31日,共检索到无缝室内外定位领域相关专利申请总量为10 079件（合并公开文本）。

2.3 数据分析方法

对检索得出的数据进行分组,包括按照主要国家、申请人、年份、分类号等字段进行分组,然后将数据导出,并进行作图。以下是相关事项说明。

项：在进行专利申请数量统计时,对于数据库中以一族（这里的“族”指的是同族专利中的“族”）数据的形式出现的一系列专利文献,计算为“1项”。

件：在进行专利申请数量统计时,例如为了分析申请人在不同国家、地区或组织所提出的专利申请的分布情况,将同族专利申请分开进行统计,且每件申请显示一个公开文本,所得到的结果对应于申请的件数。

3 无缝室内外定位领域的专利现状

3.1 专利申请趋势分析

如图1所示,自1985年以来,全球无缝室内外定位领域专利申请量整体呈现增长趋势,主要经历了三个发展阶段。

第一个阶段（1985-1994年）：1985年,全球无缝室内外定位领域出现第一件专利,于日本申请,自此至1994年,该领域的专利申请处于萌芽期,全球每年的专利申请量不超过10件,且主要来自国外申请人。

第二个阶段（1995-2011年）：全球无缝室内外定位领域专利申请步入了一个稳步增长阶段。17年间,随着无线电波技术的发展,专利申请量从1995年的14件平稳上升至2011年的260件,发展势头良好。

第三个阶段（2012年至今）：2012年,全球申请量较2011年增加近百件,环比增长37%,标志着全球在无缝室内外定位领域的专利申请进入爆发式增长期。此后5年,全球申请量一直处于井喷状态,并于2016年突破千件大关。2017-2020年,全球年申请量在1 200件上下浮动,呈现高水平稳定状态。图1中2021年的专利申请量较少,推测是因为部分专利尚未公开。

截至2021年12月31日,全球累计共有10 079件专利申请,发明专利占九成以上,实用新型专利较少,说明全球无缝室内外定位领域技术具有较高科技含量,且专利稳定性较高。

图2反映了2001-2021年无缝室内外定位领域专利的在华申请趋势。我国在该领域相较国外起步较晚,且从国内外的在华专利申请量上看,2006年以前,我国与国外平分秋色,直到2007年,我国的优势才得以突显。2012年,科技部印发《导航与位置服务科技发展“十二五”专项规划》,明确指出要推动室内定位技术发展,做到室内外协同实时精密定位,与此同时,伴随着无线通信技术的飞速发展,无缝室内外定位领域进入了发展“黄金期”：从2012年起,我国在华申请量开始大幅上升,2015年至今,我国在华申请量持续占据全球在华申请总量的90%以上。同时,近10年我国的总申请量在全球总申请量中的占比一直保持在七成以上,可见我国的技术创新对全球无缝室内外定位领域的发展起着极强的推动作用,逐渐成为该领域创新发展的主力军。截至2021年12月31日,我国在无缝室内外组合定位领域的在华申请量达到6 145件,其中发明专利申请占八成以上,说明我国在该技术领域具备较强的创新能力^[3]。

3.2 专利区域布局分析

依照全球无缝室内外定位领域专利的申请人国别/地区,统计该领域专利申请量在各技术来源国/地区的占比情况。如图3所示,中国、美国、日本、韩国和欧洲是无缝室内外定位领域的主要技术来源国/地区,专利申请量之和达到全球申请总量的98%,可见主要技术来源国/地区大部分为卫星导航系统及无线通信技术发展成熟的国家或地区。其中,我国虽在该领域起步较晚,但凭借着卫星定位技术和无线通信技术的快速发展,专利申请量实现赶超,特别是自2012年出台关于推动室内定位技术发展的政策后,我国加速拉开与其他各国/地区的差距,每年的专利申请量均大幅领先,占比达到全球总申请量的73%,远超美国、日本和韩国,成为当之无愧的世界第一。

依照全球无缝室内外定位领域专利申请的受理国/地区,统计该领域专利申请量在各目标市场国/地区的占比情况。如图4所示,中国、美国、日本和韩国为全球的主要目标申请国,申请量之和占全球总申请量的八成以上。基于我国对精准定位服务的需求日益增多,国内外创新主体纷纷在我国布局无缝室内外定位领域专利,目前我国受理的专利量高达全球总量的65%,远超其他国家/地区,可见我国已成为全球最为重视的市场。

3.3 专利技术分析

当前,无缝室内外定位领域主要技术难点有两个,第一是对移动用户的室内精准定位,第二在于通过室内和室外定位技术的平滑切换或无缝连接手段实现一体化精准定位。

基于无线通信网络和卫星导航系统的定位技术是行业当前的主流方向。对全球无缝室内外定位领域的专利按IPC分类号进行分类统计及排名分析可知,主要技术领域集中于H04W04/00（专门适用于无线通信网络的业务）、H04W64/00（网络管理;例如移动性管理,定位用户或终端）、G01C21/00（导航;导航仪器）、G01S5/00（通过确定两个或更多个方向或位置线的配合来定位;通过确定两个或更多个距离的配合进行定位）、G01S19/00（卫星无线电信标定位系统;利用这种系统传输的信号确定位置、速度或姿态）五个大组。图5展示了无缝室内外定位领域全球专利随时间推移的IPC分布情况,从图中可看出五个技术领域的专利申请量均呈现整体上升趋势。2012年起基于无线通信网络以及卫星导航定位技术的研发投入明显增多,申请速度开始加快,其中与无线通信网络定位相关的技术在2017年实现质和量的突破,拉开了与其余四个技术领域的差距,并于2018年达到顶点,全球各国在行业趋势和技术标准上达成一致,竞相加快核心技术部署。与全球无缝室内外定位领域专利申请趋势一致,其余四个IPC分类号的专利申请量均在2018年出现了下降,直至2021年仍未回升,考虑是全球行业发展环境不稳定以及近两年部分专利未公开两个原因导致的^[4]。

从专利申请排名前5国家/地区的各IPC分类号分布情况可知（图6）,中国、美国、韩国的重点专利技术集中于H04W4/00大组下,占比28%以上,三个国家均将日益成熟的无线通信网络技术大范围应用于定位领域。其中,中国专利各IPC分类分布相对较均匀,第二个大组是H04W64/00,占比24%,可见中国在位置管理、定位用户或终端方面也具备一定的技术优势。而日本主要聚焦于导航定位以及导航仪器相关技术,以德国为代表的欧洲国家则在位置算法和定位系统的研发上投入更多^[5]。

另外,我们基于此组专利数据对近两年无缝室内外定位领域的重点新兴技术进行研究,挑选中国申请人具备代表性的部分专利技术汇总如表2。

对表2的重点专利进行分析,得出以下三点结论。

（1）随着无线通信网络和卫星导航技术的日益成熟,两者组合应用成为了无缝室内外定位领域的研发热点,实现了更高精度的定位。

（2）随着我国北斗系统运行基础和功能服务的日趋完善,近年来国内外基于或兼容北斗系统的无缝室内外组合定位技术的应用场景逐渐增多,大大推动了中国在这一领域的研发力度及专利布局。

（3）基于5G的无缝室内外定位技术研发热潮已开启,未来有望提供一种更精确,更完美的解决方案^[6]。

3.4 专利申请人分析

依据专利申请量对无缝室内外定位领域全球和全国的专利申请人分别进行排名（图7）,全球专利申请量排名前20的申请人85%集中在中国,其中以南京邮电大学为首的高等院校有13家,以中国移动为首的企业有4家。美国高通公司在专利申请总量上占有绝对优势,多年来高通公司将其在无线科技领域的基础优势应用于无缝室内外定位技术研发上,对定位产业的发展产生了积极的作用。榜单上还有2家韩国企业,分别是三星和韩国电子通信,近年来,韩国企业在发展电信通讯网络的同时也带动了定位领域的技术进步,但从入榜情况来看,相较中国仍有较大的差距。

无论是从全球前20排行榜还是中国前20排行榜均可看出国内高校申请人占据了七成以上的比重,主要原因是无缝室内外组合定位领域的技术研发具有复杂性高、周期长、投入经费多等特点,在政策的支持下高校承担着较多重大项目的研究,具备了聚集高端人才突破核心技术点的条件^[7]。中国移动、华为和OPPO是全球领先的无线通信及应用终端厂商,均实力上榜,三家企业多年来专注突破通信定位领域技术难题,持续在高精度定位上发力,在全球占据了较大的行业话语权。更值得一提的是,华为5G技术的研发落地将极大助力中国的位置服务产业发展。

对无缝室内外定位领域专利申请数量前10的企业申请人在全球主要区域的专利布局进行分析（图8）,高通、三星、华为、英特尔和LG的专利地域布局较为均衡,在中美日韩欧均有申请专利。对比之下,其余企业,比如中国移动、OPPO在该领域的海外专利布局几乎为零。随着全球市场竞争日趋激烈,中国企业亟需加快海外技术布局,抓住市场机遇同时提高知识产权管理能力和保护意识^[8]。

从无缝室内外定位领域专利申请数量排名前10高校的合作申请情况来看（表3）,北京邮电大学、东南大学与企业的合作申请占比均为11%,其余高校的专利合作申请量则较少。高校是中国在无缝室内外定位领域技术研发的主力军,因而加强产学研合作,实现高校研发成果的转移转化,提升国内申请人知识产权的管理能力,是持续提升中国在该领域核心优势的战略思路。

4 结论

当前,无缝室内外定位技术发展带来的精准时空服务已极大改变人们的生活方式。各国在该领域均有自身的技术优势,领军企业着眼全球市场,抢占核心技术制高点,同时积极开展专利布局。本文通过多维度的专利分析,对无缝室内外定位领域的发展态势总结如下。

（1）中国是全球无缝室内外定位领域主要的技术来源国和目标市场国。

全球无缝室内外定位领域专利申请量整体呈现增长趋势,中、美、日、韩、欧为该领域发展的主导力量。与全球发展趋势相似,中国无缝室内外定位领域技术在2012-2017年间实现了快速增长,2017年专利申请量达到峰值。得益于卫星导航定位与无线通信技术的快速发展,我国已成为主要的技术来源国和目标市场国,近几年在全球的专利申请量占比一直保持在六成以上,技术创新能力保持较高水平,当前已擎起全球无缝室内外定位领域的领军旗帜。

（2）室外卫星导航定位与室内无线通信网络定位技术的组合应用是实现室内外高精度定位的重要解决
方案。

无缝室内外定位领域的专利技术主要应用于室内的高精度定位,五个重点技术领域的专利申请量均呈上升趋势。全球主要地区——中美日韩欧——在该领域的研发投入各有侧重,其中,中国、美国、韩国的技术重心是无线通信网络定位和管理,2018年实现了质和量的突破,各国在行业趋势和技术标准上达成一致,带动了全球无线通信网络定位领域的发展。随着室外和室内定位技术的日趋成熟,市场对于精准定位提出更高要求,目前基于室外卫星导航系统定位与室内无线通信定位的融合应用已成为实现室内外精准定位的前沿技术,同时我国兼容或以北斗系统为主导的定位技术专利量将逐渐
增多。

（3）加强海外布局和产学研合作是推动中国无缝室内外定位领域发展的当务之急。

全球排名前20的申请人八成以上集中在中国,其中中国高校占据13席,以南京邮电大学为首的高校拥有该领域较大比例的专利技术,但高校与企业间的专利合作较少,产学研合作及成果转移转化有待加强。中国移动、华为、OPPO多年来专注突破无线通信网络定位核心技术,成功位列全球该领域专利申请量前20。然而,中国申请人的国际化布局远不及高通、三星等行业领军企业,或许加强海外布局将是中国打破技术壁垒,占据行业话语权的重要突破口。

（4）卫星导航系统+5G已悄然开启无缝室内外综合时空服务的创新革命。

卫星导航系统+5G是实现室内外一体的时空融合位置服务的前沿技术。结合技术的发展应用和市场需求分析,北斗+5G是符合我国战略的产业发展方向,北斗卫星导航系统与5G、物联网、大数据、人工智能等新兴领域的融合发展所带来的巨大想象空间,不仅能创造大量机遇,或许还能产生颠覆性的技术。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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