惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

第一代惯性技术

指1930年以前的惯性技术。自1687年牛顿三大定律的建立，并成为惯性导航的理论基础；到l852年，傅科(Leon Foucault)提出陀螺的定义、原理及应用设想；再到1908年由安修茨(Hermann Anschütz—Kaempfe)研制出世界上第一台摆式陀螺罗经，以及1910年的舒勒(Max Schuler)调谐原理；

第一代惯性技术奠定了整个惯性导航发展的基础。

第二代惯性技术

开始于上世纪40年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。首先是惯性技术在德国V-II火箭上的第一次成功应用。到50年代中后期，0．5n mile/h的单自由度液浮陀螺平台惯导系统研制并应用成功。1968年，漂移约为0．005°/h的G6B4型动压陀螺研制成功。这一时期，还出现了另一种惯性传感器-加速度计。在技术理论研究方面，为减少陀螺仪表支承的摩擦与干扰，挠性、液浮、气浮、磁悬浮和静电等支承悬浮技术被逐步采用；1960年激光技术的出现为今后激光陀螺(RLG)的发展提供了理论支持；捷联惯性导航(SINS)理论研究趋于完善。

第三代惯性技术

70年代初期发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统(INS)，其研究目标是进一步提高INS的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。这一阶段的主要陀螺包括：静电陀螺(ESG)、动力调谐陀螺(DTG)、环形激光陀螺(RLG)、干涉式光纤陀螺IFOG等。ESG的漂移可达10-4°/h；DTG的体积小、结构简单，随机漂移可达0．01°/h量级； 基于Sagnac干涉效应的RLG和捷联式激光陀螺惯导系统(SINS)在民航方面得到应用，导航精度可达0．1n mile/h。除此之外，超导体陀螺、粒子陀螺、音叉振动陀螺、流体转子陀螺及固态陀螺等基于不同物体原理的陀螺仪表相继设计成功。80年代，伴随着半导体工艺的成熟和完善，采用微机械结构和控制电路工艺制造的微机电系统(MEMS)开始出现。第三、四阶段折线下方到虚线上方为应用新技术制造的新型惯性传感器。

第四代惯性技术

当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。一方面，陀螺的精度不断提高，漂移量可达10-6°/h ；另一方面，随着RLG、FOG、MEMS等新型固态陀螺仪的逐渐成熟，以及高速大容量的数字计算机技术的进步，SINS在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。在惯性技术发展的历史过 程中，Draper验室、Sperry、原Litton、Delco、Honeywell、Kearfott、Rockwell、GE(General Electric)以及其它一些公司和研究机构，对惯性技术的成熟和广泛应用做出了卓越贡献

惯性导航系统（ 英语：INS ）惯性导航系统是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。

惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；

加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。

惯性导航系统至少包括计算机及含有加速度计、陀螺仪或其他运动传感器的平台（或模块）。

惯性导航技术，包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。

开始时，有外界（操作人员、GPS 接收器等）给 INS 提供初始位置及速度，此后 INS 通过对运动传感器的信息进行整合计算，不断更新当前位置及速度。 INS 的优势在于给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定当前位置、方向及速度。

通过跟踪系统当前角速率及相对于运动系统测量到的当前线加速度，就可以确定参照系中系统当前线加速度。以起始速度作为初始条件，应用正确的运动学方程，对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速率，然后以起始位置座作初始条件再次积分就可得到惯性位置。

以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，根据陀螺的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

能测量飞机各种导航参数，如位置、地速、航迹角、偏航角、偏航距离、风向、风速等；也能测量姿态参数，如俯仰角、倾斜角和航向等；与飞机其他控制系统配合，能完成对飞机的人工或自动驾驶。惯性导航系统往往在现代飞机上与大气数据系统结合，称为大气数据参照系统。

陀螺在惯性参照系中用于测量系统的角速率。通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件，对角速率进行积分，就可以时刻得到系统的当前方向。这可以想象成被蒙上眼睛的乘客坐在汽车中，感觉汽车左转、右转、上坡、下坡，仅根据这些信息他知道了汽车朝哪里开，但不知道汽车是快，是慢或是否汽车滑向路边。

加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度，但只能测量相对于系统运动方向的加速度（由于加速度计与系统固定并随系统转动，不知道自身的方向）。这可以想象成一个被蒙上眼睛的乘客在汽车加速时向后挤压座位，汽车刹车时身体前倾，汽车加速上坡时下压座位，汽车越过山顶下坡时从座位上弹起，仅根据这些信息，乘客知道汽车相对自身怎样加速，即向前、向后、向上、向下、向左 或向右，但不知道相对地面的方向。

通过检测系统的加速度和角速度，惯性导航系统可以检测位置变化（如向东或向西的运动），速度变化（速度大小或方向）和姿态变化（绕各个轴的旋转）。它不需要外部参考的特点使它自然地不受外界的干扰或欺骗。

1、隐蔽性好

2、全天候

3、提供位置、速度、航向、姿态角信息

4、导航信息更新速率高

5、完全自主式的导航系统；

6、系统校准后短时定位精确度高。

惯性导航系统传感器的小误差会随时间累积成大误差，其误差大体上与时间成正比，因此需要不断进行修正。现代惯性导航系统使用各种信号（如 GPS, 磁罗盘等）对其进行修正，采取控制论原理对不同信号进行权级过滤，保证的 INS 的精度及可靠性。

1、导航误差随时间发散

2、初始对准时间长

3、价格昂贵

4、不能给出时间信息

5、存在积累误差，

6、随时间定位精度低

军用

惯性导航技术在国防科技中占有非常重要的地位，广泛的运用于航天、航空、航海等军事领域；

惯性技术在国防装备技术中占有非常重要的地位。对于惯性制导的中远程导弹，一般说来命中精度70%取决于制导系统的精度。对于导弹核潜艇，由于潜航时间长，其位置和速度是变化的，而这些数据是发射导弹的初始参数，直接影响导弹的命中精度，因而需要提供高精度位置、速度和垂直对准信号。目前适用于潜艇的唯一导航设备就是惯性导航系统。 惯性导航完全是依靠运载体自身设备独立自主地进行导航，不依赖外部信息，具有隐蔽性好、工作不受气象条件和人为干扰影响的优点，而且精度高。对于远程巡航导弹， 惯性制导系统加上地图匹配技术或其它制导技术，可保证它飞越几千公里之后仍能以很高的精度击中目标。

发展捷联惯导系统

航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统，尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态 变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。组合导航系统不仅在民用上而且在军事上均具有重要意义。

民用

惯性技术己经逐步推广到航天、航空、航海、石油开发、大地测量、海洋调查、地质钻控、机器人技术和铁路等领域，随着新型惯性敏感器件的出现，惯性技术在汽车工业、 医疗电子设备中都得到了应用。因此惯性技术不仅在国防现代化中占有十分重要的地位，在国民经济各个领域中也日益显示出它的巨大作用。

现代惯性技术在各国政府雄厚资金的支持下，己经从最初的军事应用渗透到民用领域。随着惯性技术和计算机技术的不断发展以及成本降低，近几年来，许多国家将其应用领域扩大到民用领域，并发展开辟了更广阔的前景，例如广泛应用于地震、地籍、河流、油田的测量以及摄影、绘图和重力测量等方面。

新应用领域

惯性导航技术不断拓展到新的应用领域，其范周已经由原来的陆地车辆、船舶、舰艇、航空飞行器等扩展到了大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、隧道、航天飞机、星际探测、制导武器等各个方面，尤其实在军事战争方面，海湾战争和伊拉克战争中，以军和美军就采用了GPS/INS[5]作为中段制导，红外成像、地形辅助、图像匹配作为末段制导的复合式制导方式的精确制导武器如，SLAM和“战斧”巡航导弹，联合直接攻击弹药(JDAM)等在战争中发挥强大的摧毁性作用。在我们日常生活中的必备用品中，如：摄影机、儿童玩具中惯性导航技术也被广泛应用。

从广义上讲从起始点将航行载体引导到目的地的过程统称为导航。从狭义上讲导航是指给航行载体提供实时的姿态、速度和位置信息的技术和方法。早期人们依靠地磁场、星光、太阳高度等天文、地理方法获取定位、定向信息，随着科学技术的发展，无线电 导航、惯性导航和卫星导航等技术相继问世，在军事、民用等领域广泛应用。其中，惯性导航是使用装载在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体姿态、速度、位置等信息的技术方法。实现惯性导航的软、硬件设备称为惯性导航系统，简称惯导。

角速率陀螺参数指标

(1)．测量范围（°/ S） 也称量程。指陀螺仪能测量正、反方向角速率的额定值范围。在此额定值范围内，陀螺仪刻度因数非线性满足规定要求。

(2)．刻度因数（mV /°/ S） 也称灵敏度。指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。该比值是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，通过最小二乘法拟合求出的直线的斜率。

(3)．刻度因数非线性度（%） 指在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差值与最大输出量之比。

(4)．零偏与零偏稳定性（V, °/ h 或°/ S） 零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出。以规定时间内测得的输出量平均值来表示。 零偏稳定性是衡量陀螺仪在零输入状态下输出量围绕其均值（零偏）起伏和波动的离散程度，习惯上用均方根，并以相应的 等效输入角速率表示。

(5)．分辨力（°/ S） 表示陀螺仪在规定的输入角速率下能敏感的最小输入角速率增量。由该角速率增量所产生的输出增量至少应等于按刻度因数所期望的输出增量值的50%。

(6)．随机游走系数RWC（°∕h1∕2） 指由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数。

(7)．带宽（Hz） 指陀螺仪频率特性测试中，规定在测得的幅频特性的幅值降低3dB所对应的频率范围称为带宽。在该范围内陀螺仪能够精确线性地测量输入的角速率。

(8)．输出噪声（mv） 当陀螺仪处于零输入状态时，陀螺仪直流零偏值信号中的交流分量（mv， rms）。

(9)．自检测ST（V） 指陀螺仪在正常通电状态下，没有角速率输入时，自动检测陀螺仪结构和电路正常与否的手段。在陀螺仪规定的电气接口（ST）供规定的电压后，在正常的输出端输出的电压值符合规定的ST响应电压值范围时，则判该陀螺仪正常。

(10)．温度传感器输出UT（V） 指在陀螺仪内部独立地设置有高精密温度传感器，并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值（V）和灵敏度（mV/℃）。

(11)．平均无故障间隔时间MTBF（hr） 指陀螺仪两次故障之间时间的平均值（hr）。它是衡量陀螺仪使用可靠程度的可靠性指标。

(12)．零偏置 零偏值是指陀螺仪在零输入状态下的输出电压不是零伏，而为偏离零伏的某一电压值，一般MEMS陀螺仪把零位调偏置为2.5V。

加速度计参数指标

（1）测量范围（g） 也称量程。是指加速度计能测量正反方向线加速度的额定值范围。在此额定值范围内，加速度计刻度因数非线性度满足规定要求。

（2）刻度因数（mV/g） 也称灵敏度。指加速度计输出量与输入线加速度的比值。

（3）刻度因数非线性度（%） 指在输入线加速度范围内，加速度计输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

（4）分辨力（mg） 表示加速度计能敏感的最小输入线加速度值。

（5）带宽（Hz） 指加速度计频率特性测试中，规定在测得的幅频特性的幅值降低3dB所对应的频率范围称为带宽。在该范围内加速度计能够精确线性地测量输入线加速度。

（6）输出噪声（mv） 当加速度计处于零输入状态时，加速度计的直流零偏置信号中的交流分量（rms）称之为输出噪声。

（7）自检测ST（V） 指加速度计在正常通电状态下，没有输入线加速度时，自动检测加速度计结构和电路正常与否的手段。在加速度计规定的电气接口（ST）供规定的电压后，在正常的输出端输出的电压值符合规定的ST响应电压值范围时，则判该加速度计正常。

（8）温度传感器输出UT（V） 指在加速度计内部独立地设置有高精密温度传感器，并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值（V）和灵敏度（mv/℃）

（9）平均无故障间隔时间MTBF（hr） 指加速度计两次故障之间时间的平均值（hr）。它是衡量加速度计使用可靠程度的可靠性指标。

其他

IMU(Inertial Measurement Unit)惯性测量单元（陀螺和加速度）输出角速度和加速度值。

VG(vertical Gyroscope)垂直陀螺输出的是在IMU基础上进行实践积分后得到的姿态（俯仰和横滚）角度值（角速度单位是°/S，角度单位是°）。

AHRS(Automatic Heading Reference System)姿态方位参考系统中一般加了磁场计（相当于指南针、罗盘），输出航向、姿态角度等值。

总之，在惯性器件研究方面，体积小且价格低廉的MEMS惯性传感器，和高精度、高性能FOG在未来一段时间仍将是受关注的焦点。受现代计算机技术快速发展的影响，平台式导航系统将被捷联式惯性导航系统所替代。 惯性导航是唯一的完全自主的导航方式，不依赖于任何外界信息的纯惯性导航系统仍将占据一席之地，并会成为一个独立而有意义的研究方向。随着对高性能自主导航系统的应用需求不断增强和多模GNSS技术(GPS，GLONASS，Galileo，BD-2等)的广泛应用，组合导航系统将逐步替代纯粹的INS成为未来的主要导航手段。

激光陀螺将代替惯性导航仪

激光陀螺具有极高的神度和坚固耐用,预计在今后10年内,将广泛的应用于飞机、舰船、战车、导弹及野战炮系统,逐步取代大多数惯性导航仪。现在,这种转变过程已经开始,因而美国防部在80、81两财年中,均把 “微光学激光陀螺”列为重点研制项目,积极进行研究。激光陀螺的原理及优点 激光陀螺是一种完全新型的陀螺。它不需要转子,而是利用环形激光器在惯性空间转动时,反向传播的两束激光随转动而产生的频率差,来检测角度变化速率。它由两个全反射镜、一个华透明半反射镜组成环形睦。环形激光器同时辐射两束反向运行的光束(一束为顺时针方向,另一束为逆时针方向)。依据相对论原理,沿飞机的盘旋或旋转运动方向传输的光束将有一个较长的光路。与此相反,三楼镜沿相反方向传输的光束将有一个较短的光路,其差值与旋转度直接成正比,全反射三梭镜和半透半反射镜是使反向运行的两束光会聚于一台单数字读出检测器上。这台称之为千涉仪的检测器,有效地计算差频输出,并记录交会位置的漂移方向。只要陀螺保持固定不变,两束激光的频率就始终一样。