INS全稱Inertial Navigation System，即慣性導航系統(tǒng)，指利用自身的慣性元件（陀螺儀和加速計）來建立和保持空間基準，測量載體的運動，經解算得到載體的航向、航速、位置和姿態(tài)等數據的導航系統(tǒng)。
慣性導航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性導航系統(tǒng)分為平臺式和捷聯(lián)式兩大類。平臺式又有幾何式、解析式、半解析式等編排形式。船用慣性導航系統(tǒng)多采用半解析式，少數采用捷聯(lián)式。按陀螺儀種類分類，可分為微機電陀螺儀、光纖陀螺儀、環(huán)形激光陀螺儀、半球諧振陀螺儀、振動結構陀螺儀（也稱作科氏振動陀螺儀）、動力調諧陀螺儀、壓電陀螺儀、靜電陀螺儀和量子陀螺儀等。慣性導航系統(tǒng)具有全天候、全時空的工作能力，短期導航參數精度高，適合于海、陸、空、水下、航天等多種環(huán)境下的運動載體的精密導航和控制，在軍事上具有重要意義。
1942年德國在V-2火箭上首先應用了慣性導航原理。1954年慣性導航系統(tǒng)在飛機上試飛成功。中國從1956年開始研制慣性導航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機上，都采用中國自制的慣性導航系統(tǒng)。
簡史
17世紀，Ⅰ.牛頓研究了高速旋轉剛體的力學問題。牛頓力學定律是慣性導航的理論基礎。1852年J.傅科稱這種剛體為陀螺，后來制成供姿態(tài)測量用的陀螺儀。1906年H.安休茲制成陀螺方向儀，其自轉軸能指向固定的方向。1907年他又在方向儀上增加擺性，制成陀螺羅盤。這些成果成為慣性導航系統(tǒng)的先導。1923年M.舒拉發(fā)表“舒拉擺”理論，解決了在運動載體上建立垂線的問題，使加速度計的誤差不致引起慣性導航系統(tǒng)誤差的發(fā)散，為工程上實現慣性導航提供了理論依據。1942年德國在V-2火箭上首先應用了慣性導航原理。1954年慣性導航系統(tǒng)在飛機上試飛成功。1958年，“舡魚”號潛艇依靠慣性導航穿過北極在水下航行21天。中國從1956年開始研制慣性導航系統(tǒng)，自1970年以來，在多次發(fā)射的人造衛(wèi)星和火箭上，以及各種飛機上，都采用中國自制的慣性導航系統(tǒng)。
20世紀80年代，以激光陀螺儀構成的捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)獲得了工程應用。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術成功應用于大規(guī)模集成電路制作后，微機電技術被應用到慣性技術領域，成果體現是硅微陀螺和硅微加速度計。陀螺精度已經達到漂移小于10（°/h）。同時代，美國霍尼韋爾于1982年推出了激光陀螺，精度能達到1012~10-3（°/h）。光纖陀螺是繼激光陀螺之后發(fā)展的另一類光學陀螺，體積更小，功耗更低，且價格低廉，更適合批量生產。慣性技術正處于第四代發(fā)展階段，其目標是實現高精度、高可靠性、低成本、小型化、數字化、應用領域更加廣泛的導航系統(tǒng)。一方面，陀螺的精度不斷提高，漂移量可到10-6（°/h）；另一方面，隨著環(huán)形激光陀螺、光纖陀螺、微機電陀螺等新型固態(tài)陀螺儀的逐漸成熟，以及高速大容量的數字計算機技術的進步，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)在低成本、短期中精度慣性導航中呈現出取代平臺式系統(tǒng)的趨勢。
功能原理
根據牛頓力學原理，若已知質點在導航參考系下的即時加速度、初始速度和初始位置就可以積分計算質點的實時速度和位置。按照具體導航參考系的建立方式，慣導可分為平臺慣導和捷聯(lián)慣導。其中平臺慣導根據陀螺信息控制物理平臺跟蹤導航坐標系，加速度計直接測量導航系下的加速度，簡單積分即可獲得速度、位置信息；通過讀取框架角計算載體姿態(tài)航向角。捷聯(lián)慣導通過陀螺輸出積分解算獲取姿態(tài)航向，將測量機體系加速度信息轉換至導航坐標系進行積分獲得速度、位置（圖1）。
結構
慣性導航系統(tǒng)由陀螺儀、加速度計、計算機和顯示控制器組成。3個自由度的陀螺儀與3個方向上的加速度計分別用來測量運載體3個方向的轉動與3個方向的平移運動的加速度。經計算機計算后，由顯示控制器顯示出運載體的瞬時速度與當時位置等各種導航參數。慣性導航分平臺式和捷聯(lián)式兩種。平臺式慣導系統(tǒng)能隔離運載體的角振動，儀表工作環(huán)境條件較好，且直接建立導航坐標系，計算量小，易于補償和修正，但結構復雜，體積較大。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)不用平臺，故結構簡單，體積小，但因慣性單元直接裝在運動載體上，其加速度分量要作坐標變換，因此計算量較大。
主要分類
按導航坐標實現方式
按照導航坐標系實現方式，可分為平臺式慣性導航系統(tǒng)（慣性測量單元安裝在慣性平臺上）、捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)（慣性測量單元直接與飛行器固連）和混合式慣性導航系統(tǒng)。
平臺式慣性導航系統(tǒng)
平臺式慣性導航系統(tǒng)根據導航坐標系不同，又分為空間穩(wěn)定和本地水平兩種工作方式?？臻g穩(wěn)定平臺式慣性導航系統(tǒng)的臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標系，地球自轉、重力加速度等影響由計算機加以補償。這種系統(tǒng)多用于運載火箭的主動段和一些航天器上。本地水平平臺式慣性導航系統(tǒng)的特點是臺體上的兩個加速度計輸入軸所構成的基準平面能夠始終跟蹤飛行器所在點的水平面（利用加速度計與陀螺儀組成舒拉回路來保證），因此加速度計不受重力加速度的影響。這種系統(tǒng)多用于沿地球表面作等速運動的飛行器（如飛機、巡航導彈等）。在平臺式慣性導航系統(tǒng)中，框架能隔離飛行器的角振動，儀表工作條件較好。平臺能直接建立導航坐標系，計算量小，容易補償和修正儀表的輸出，但結構復雜，尺寸大。
捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)
捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的陀螺儀和加速度計直接與飛行器固連，通過陀螺儀測量飛行器的角速度信息、高速運算獲得飛行器的瞬時空間指向。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)省去了物理平臺，結構簡單、體積小、維護方便，但陀螺儀和加速度計直接裝在飛行器上，工作條件惡劣，會降低儀表的使用精度。這種系統(tǒng)的加速度計輸出的是機體坐標系的加速度分量，需要轉換成導航坐標系的加速度分量，計算量較大。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)組成如圖2所示。
混合式慣性導航系統(tǒng)
混合慣導系統(tǒng)融合平臺式、捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)的優(yōu)點，將隔離載體角運動的物理平臺、捷聯(lián)姿態(tài)算法與旋轉調制抑制誤差效應這三者集于一體。該系統(tǒng)主要著眼于高速和高動態(tài)運載器對高精度慣導提出的新需求，能大幅度提高導航定位精度，實現快速精確自對準。
按陀螺儀種類分類
按陀螺儀種類分類，可分為微機電陀螺儀、光纖陀螺儀、環(huán)形激光陀螺儀、半球諧振陀螺儀、振動結構陀螺儀（也稱作科氏振動陀螺儀）、動力調諧陀螺儀、壓電陀螺儀、靜電陀螺儀和量子陀螺儀等。
量子陀螺儀
量子陀螺儀是用一冷的銣（Rb）或銫（Cs）原子束以兩個不同的拓撲路徑傳播，構成類似光學馬赫曾德爾（Mach-Zehnder）型干涉儀，測量由于兩原子束通過不同路徑引起的相位差的陀螺儀。通過原子光學元件（例如類似光學中的分光計和反射鏡，它們已經實現光學雙光子的傳播）的分光和反射，來測出由于慣性力的作用使原子波函數的相位發(fā)生變化，然后測出這個相位的變化量（如圖所示）。原子干涉儀和光學干涉儀有許多相同之處，但是在原子干涉儀中，光和物質進行相互交換。該技術已被用在原子鐘上，然而原子鐘的“光學”躍遷是通過微波來實現的。干涉儀對頻率的改變最為敏感。利用原子干涉儀對在光和原子相互作用中的光場相位改變的敏感性測量慣性力，在外在勢場如重力場影響下，原子通過不同的干涉儀路徑受到不同勢的作用，從而有效地改變時間和（或）空間上原子和光相互作用的時間和地點。量子陀螺儀有著超高精度和超高分辨率的優(yōu)異特性，可用于許多特殊要求的測量，如重力加速度和加速度的測量，高靈敏導航系統(tǒng)等。還可應用在航空航天、航海、地球物理學和物理學等諸多領域。
靜電陀螺儀
靜電陀螺儀是一種二自由度框架式陀螺儀，經過研究改為球形轉子自由陀螺儀。它對轉子是不施矩的，除了漂移外,轉子主軸和殼體對應的軸將在慣性空間保持相同的姿態(tài)。在美國發(fā)展戰(zhàn)略核潛艇的時代，由美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校諾爾西克教授于1954年提出。1954年的方案是設計一種赤道上帶土星環(huán)的空心球轉子框架式靜電陀螺儀。球形轉子安裝在支承電極的球腔之中。下圖只畫出一路,實際上同樣的系統(tǒng)共有三路。整個電極球腔分割為12塊等面積的電極。當轉子偏離電極中心時，在相應的兩塊電極上同時接通正或負等幅度的控制電壓，使轉子回到電極中心位置，同時轉子始終處在低電勢，從而解除了三路支承之間的耦合關系。
光纖陀螺儀
光纖陀螺儀是應用激光及光導纖維技術測量物體相對于慣性空間的角速度或轉動角度的無自轉質量的光學陀螺儀。1976年，猶他大學的V.瓦利（V.Vali）和R.W.肖蒂爾（R.W.Shorthil）首次提出了光纖陀螺儀的概念。它標志著第二代光學陀螺儀——光纖陀螺儀的誕生(第一代光學陀螺儀為激光陀螺儀)。光纖陀螺儀采用的是薩奈克干涉原理（見圖），它是由法國M.薩奈克（M.Sagnac）在1913年首次發(fā)現并得到實驗證實的。薩奈克干涉原理揭示了同一光路中兩個對向傳播的光的光程差與其旋轉速度的解析關系。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉動角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產生光程差，其光程差與旋轉的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應的相位差的信息，即可得到旋轉角速度。光纖陀螺儀按原理可以分為干涉式、諧振式和受激路易·布里淵式光纖陀螺儀。干涉式光纖陀螺儀(I-FOG)，即第一代光纖陀螺儀，也是研究最成熟、應用最廣泛的光纖陀螺儀。諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)是第二代光纖陀螺儀，采用環(huán)形諧振腔增強薩奈克效應，利用循環(huán)傳播提高精度，因此它可以采用較短光纖。受激布里淵式光纖陀螺儀(B-FOG)是第三代光纖陀螺儀，相比前兩代又有改進。對諧振式光纖陀螺儀和受激布里淵式光纖陀螺儀的研究尚不成熟，還分別處于實驗室驗證和基礎理論研究階段。光纖陀螺儀具有可靠性高、壽命長、抗沖擊和振動能力強、動態(tài)范圍大和功耗低等特點。它已被廣泛運用于諸多領域，如艦艇、導彈、飛機、戰(zhàn)車以及機器人控制、石油鉆井等領域。
微機電陀螺儀
微機電陀螺儀為20世紀80年代發(fā)展起來的利用微機電加工技術制造而成的陀螺儀。以微電子技術和微機械加工為技術基礎的微機電陀螺儀，其主體是一個作高頻微幅振動的元件，利用高速振動的質量在被基座帶動旋轉時所產生的科里奧利效應來敏感角運動。同剛體轉子陀螺儀相比，由于它沒有高速旋轉的轉子和相應的支承系統(tǒng)，因而體積大為縮小，質量大為減輕，功耗大幅度降低；由于加工簡單，無須復雜的裝調工藝，可大批量生產，故價格低；另外還具有易于數字化和智能化、測量范圍大等特點。微機電陀螺儀已經逐步從低精度商業(yè)和消費類儀表的應用領域進入到中等、高精度慣性儀表的應用領域，并且依靠其不同于傳統(tǒng)機械式儀表的固有特性被廣泛應用到各種現代新式武器和商業(yè)領域中。
初始對準
慣導系統(tǒng)是基于傳感器輸出的信息進行積分獲取相關的導航定位信息，需要建立解算的初始基準，也即進行初始對準。對準可分為自對準和外部輔助對準兩種方式。自對準時，慣導系統(tǒng)靜止狀況下，只要外部輸入對準點的位置，僅利用陀螺、加速度計測量的地球重力加速度、自轉角速率信息即可實現自對準，也是典型的慣導系統(tǒng)對準方案。在載體運動時，需要通過外部輔助運動信息實現慣導系統(tǒng)的對準。
誤差修正
為了得到飛行器的位置數據，須對慣性導航系統(tǒng)每個測量通道的輸出積分。陀螺儀的漂移將使測角誤差隨時間成正比地增大，而加速度計的常值誤差又將引起與時間平方成正比的位置誤差，這是一種隨時間不斷增大發(fā)散的誤差。典型的地理坐標系慣性導航誤差呈舒拉周期、地球周期和傅科周期無阻尼振蕩特性。
純慣性高度由于計算重力加速度與高度誤差的正反饋效應，高度誤差快速發(fā)散，一般高度通道不獨立工作，需用大氣、無線高度、衛(wèi)星高度等進行阻尼計算。純慣性誤差隨時間累積，但輸出連續(xù)、信息全、完全自主；衛(wèi)星等其他系統(tǒng)輸出有更新率，但誤差不隨時間發(fā)散。通過組合導航可獲得二者的優(yōu)點，是常用的導航系統(tǒng)配置方式。機載常用的組合導航系統(tǒng)有慣性/衛(wèi)星組合、慣性/多普勒組合、慣性/天文組合等。慣性導航系統(tǒng)的導航精度與地球參數的精度密切相關。高精度的慣性導航系統(tǒng)須用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點的參數實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機性，這種現象稱為重力異常。利用重力梯度儀對重力場進行實時測量，提供地球參數，可以解決重力異常問題。
主要特點
優(yōu)點
慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)點有：①不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量，隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響；②可全天候全球、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下；③能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數據，所產生的導航信息連續(xù)性好而且噪聲低；④數據更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。
缺點
慣性導航系統(tǒng)的缺點有：①由于導航信息經過積分而產生，定位誤差隨時間而增大，長期精度差；②每次使用之前需要較長的初始對準時間；③設備的價格較昂貴；④不能給出時間信息。
影響因素
慣性導航系統(tǒng)的精度主要受到以下幾方面的影響：①器件誤差，包括陀螺儀漂移、加速度計零偏、刻度系數誤差等；②安裝誤差，即加速度計和陀螺儀未能準確安裝；③初始條件誤差；④積分方法與步長集團；⑤沖擊與振動對系統(tǒng)的干擾；⑥地球參數，包括地球長/短半軸、偏心率、曲率半徑、重力加速度等。高精度的慣性導航系統(tǒng)用參考橢球來提供地球形狀和重力的參數。由于地殼密度不均勻、地形變化等因素，地球各點的參數實際值與參考橢球求得的計算值之間往往有差異，并且這種差異還帶有隨機性，這種現象稱為重力異常（如圖3所示）。正在研制的重力梯度儀能夠對重力場進行實時測量，提供地球參數，解決重力異常問題。
應用領域
慣性導航最初僅為滿足軍用需求，主要為武器裝備提供導航以及控制信息，是國防科技領域的關鍵及核心技術。在航空航天領域，慣性導航由于其自主性、隱蔽性和抗干擾性，是飛機、導彈、火箭和飛船等載體的主要導航方法，為載體實現作戰(zhàn)目標提供位置與姿態(tài)信息。在陸軍領域，慣性導航可為坦克、裝甲車、自行火炮等地面作戰(zhàn)裝備在快速機動過程中保持炮身穩(wěn)定和快速瞄準的能力。在海軍領域，出于安全性和隱蔽性的考慮，慣性導航是潛艇在水下航行時最為依賴的導航方法。隨著慣性器件成本的降低，慣性導航也越來越多地應用到了民用領域。例如，慣性導航可用于車載導航設備進入隧道后因衛(wèi)星信號丟失而無法定位的情況。在駕駛員考試系統(tǒng)中，利用慣性導航記錄車輛的位置與姿態(tài)，判定考生當前的駕駛行為是否合格，考試過程更加合理，也減少了人工監(jiān)考的工作量。在高速鐵路領域，利用慣性導航可檢測鐵軌變形、路基沉降等情況，及時進行養(yǎng)護，保障通行安全。在資源勘探領域，慣性導航可測量鉆頭的實際位置，確保鉆井的斜度和方位滿足預定要求。
中國的慣導技術已經取得了長足進步，液浮陀螺平臺慣性導航系統(tǒng)、動力調諧陀螺四軸平臺系統(tǒng)已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹配GPS修正的慣導裝置等也已經大量應用于戰(zhàn)術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、載人飛船等。如漂移率0.01～0.02（°/小時）的新型激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在新型戰(zhàn)機上試飛，漂移率0.05（°/h）以下的光纖陀螺、捷聯(lián)慣導在艦艇、潛艇上的應用，以及小型化撓性捷聯(lián)慣導在各類導彈制導武器上的應用，都較大地改善了中國軍隊裝備的性能。
發(fā)展趨勢
隨著量子技術的飛速發(fā)展，量子慣性導航正成為慣性導航領域的新生力量。量子慣性導航的結構與傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)基本一致，主要由原子陀螺儀、原子加速度計、原子鐘和信號采集處理單元等部分構成。量子慣性導航的核心在于利用量子效應進行高精度測量。例如，某些量子傳感器能夠利用超冷原子的量子干涉現象來精確測量微小的角運動和加速度變化。這種測量方式不僅精度高，而且不易受外界干擾，這使得量子慣性導航系統(tǒng)在復雜環(huán)境中依然能夠保持卓越的性能。采用量子技術能顯著提高導航精度，有望實現厘米級甚至更高精度的定位，其精度之高令傳統(tǒng)機電式陀螺儀和光學陀螺儀難以企及。量子慣性導航可為無人艇、無人潛航器，尤其是執(zhí)行水下偵察、布雷、反潛作戰(zhàn)、遠洋巡邏等任務的深潛器，提供長時間自主航行的可能。各類型產品中，核磁共振陀螺儀慣性導航系統(tǒng)是短期內最有望推廣應用的產品，其內部的冷原子干涉加速度計和陀螺儀展現出極高的精度，可能在未來成為高精度慣性導航領域的主流技術。目前，核磁共振陀螺儀已經進入芯片化產品研發(fā)階段。全球外多家科研機構和企業(yè)正積極投入量子慣性導航的研發(fā)工作，以期打破傳統(tǒng)慣性導航技術的性能瓶頸。
標準規(guī)范
2020年12月14日，國家標準《基于慣性導航的應急定位系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T 39578-2020）發(fā)布，2021年7月1日實施。該標準由TC485（全國通信標準化技術委員會）歸口，主管部門為工業(yè)和信息化部（通信）。主要起草單位為航天科工集團集團第二研究院二〇六所。
參考資料 >
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慣性導航系統(tǒng).北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)網站.2025-04-10
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微機電陀螺儀.中國大百科全書.2025-04-17
慣性導航：永不停轉的“指南針”.中國軍網.2025-04-17
基于慣性導航的應急定位系統(tǒng)規(guī)范.全國標準信息公共服務平臺.2025-04-10