INS全称Inertial Navigation System，即惯性导航系统，指利用自身的惯性元件（陀螺仪和加速计）来建立和保持空间基准，测量载体的运动，经解算得到载体的航向、航速、位置和姿态等数据的导航系统。
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性导航系统分为平台式和捷联式两大类。平台式又有几何式、解析式、半解析式等编排形式。船用惯性导航系统多采用半解析式，少数采用捷联式。按陀螺仪种类分类，可分为微机电陀螺仪、光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪、半球谐振陀螺仪、振动结构陀螺仪（也称作科氏振动陀螺仪）、动力调谐陀螺仪、压电陀螺仪、静电陀螺仪和量子陀螺仪等。惯性导航系统具有全天候、全时空的工作能力，短期导航参数精度高，适合于海、陆、空、水下、航天等多种环境下的运动载体的精密导航和控制，在军事上具有重要意义。
1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。中国从1956年开始研制惯性导航系统，自1970年以来，在多次发射的人造卫星和火箭上，以及各种飞机上，都采用中国自制的惯性导航系统。
简史
17世纪，Ⅰ.牛顿研究了高速旋转刚体的力学问题。牛顿力学定律是惯性导航的理论基础。1852年J.傅科称这种刚体为陀螺，后来制成供姿态测量用的陀螺仪。1906年H.安休兹制成陀螺方向仪，其自转轴能指向固定的方向。1907年他又在方向仪上增加摆性，制成陀螺罗盘。这些成果成为惯性导航系统的先导。1923年M.舒拉发表“舒拉摆”理论，解决了在运动载体上建立垂线的问题，使加速度计的误差不致引起惯性导航系统误差的发散，为工程上实现惯性导航提供了理论依据。1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。1958年，“舡鱼”号潜艇依靠惯性导航穿过北极在水下航行21天。中国从1956年开始研制惯性导航系统，自1970年以来，在多次发射的人造卫星和火箭上，以及各种飞机上，都采用中国自制的惯性导航系统。
20世纪80年代，以激光陀螺仪构成的捷联式惯导系统获得了工程应用。20世纪90年代以来，继微米/纳米技术成功应用于大规模集成电路制作后，微机电技术被应用到惯性技术领域，成果体现是硅微陀螺和硅微加速度计。陀螺精度已经达到漂移小于10（°/h）。同时代，美国霍尼韦尔于1982年推出了激光陀螺，精度能达到1012~10-3（°/h）。光纤陀螺是继激光陀螺之后发展的另一类光学陀螺，体积更小，功耗更低，且价格低廉，更适合批量生产。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，漂移量可到10-6（°/h）；另一方面，随着环形激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺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，捷联式惯性导航系统在低成本、短期中精度惯性导航中呈现出取代平台式系统的趋势。
功能原理
根据牛顿力学原理，若已知质点在导航参考系下的即时加速度、初始速度和初始位置就可以积分计算质点的实时速度和位置。按照具体导航参考系的建立方式，惯导可分为平台惯导和捷联惯导。其中平台惯导根据陀螺信息控制物理平台跟踪导航坐标系，加速度计直接测量导航系下的加速度，简单积分即可获得速度、位置信息；通过读取框架角计算载体姿态航向角。捷联惯导通过陀螺输出积分解算获取姿态航向，将测量机体系加速度信息转换至导航坐标系进行积分获得速度、位置（图1）。
结构
惯性导航系统由陀螺仪、加速度计、计算机和显示控制器组成。3个自由度的陀螺仪与3个方向上的加速度计分别用来测量运载体3个方向的转动与3个方向的平移运动的加速度。经计算机计算后，由显示控制器显示出运载体的瞬时速度与当时位置等各种导航参数。惯性导航分平台式和捷联式两种。平台式惯导系统能隔离运载体的角振动，仪表工作环境条件较好，且直接建立导航坐标系，计算量小，易于补偿和修正，但结构复杂，体积较大。捷联式惯导系统不用平台，故结构简单，体积小，但因惯性单元直接装在运动载体上，其加速度分量要作坐标变换，因此计算量较大。
主要分类
按导航坐标实现方式
按照导航坐标系实现方式，可分为平台式惯性导航系统（惯性测量单元安装在惯性平台上）、捷联式惯性导航系统（惯性测量单元直接与飞行器固连）和混合式惯性导航系统。
平台式惯性导航系统
平台式惯性导航系统根据导航坐标系不同，又分为空间稳定和本地水平两种工作方式。空间稳定平台式惯性导航系统的台体相对惯性空间稳定，用以建立惯性坐标系，地球自转、重力加速度等影响由计算机加以补偿。这种系统多用于运载火箭的主动段和一些航天器上。本地水平平台式惯性导航系统的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪飞行器所在点的水平面（利用加速度计与陀螺仪组成舒拉回路来保证），因此加速度计不受重力加速度的影响。这种系统多用于沿地球表面作等速运动的飞行器（如飞机、巡航导弹等）。在平台式惯性导航系统中，框架能隔离飞行器的角振动，仪表工作条件较好。平台能直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和修正仪表的输出，但结构复杂，尺寸大。
捷联式惯性导航系统
捷联式惯性导航系统的陀螺仪和加速度计直接与飞行器固连，通过陀螺仪测量飞行器的角速度信息、高速运算获得飞行器的瞬时空间指向。捷联式惯性导航系统省去了物理平台，结构简单、体积小、维护方便，但陀螺仪和加速度计直接装在飞行器上，工作条件恶劣，会降低仪表的使用精度。这种系统的加速度计输出的是机体坐标系的加速度分量，需要转换成导航坐标系的加速度分量，计算量较大。捷联式惯性导航系统组成如图2所示。
混合式惯性导航系统
混合惯导系统融合平台式、捷联式惯导系统的优点，将隔离载体角运动的物理平台、捷联姿态算法与旋转调制抑制误差效应这三者集于一体。该系统主要着眼于高速和高动态运载器对高精度惯导提出的新需求，能大幅度提高导航定位精度，实现快速精确自对准。
按陀螺仪种类分类
按陀螺仪种类分类，可分为微机电陀螺仪、光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪、半球谐振陀螺仪、振动结构陀螺仪（也称作科氏振动陀螺仪）、动力调谐陀螺仪、压电陀螺仪、静电陀螺仪和量子陀螺仪等。
量子陀螺仪
量子陀螺仪是用一冷的铷（Rb）或铯（Cs）原子束以两个不同的拓扑路径传播，构成类似光学马赫曾德尔（Mach-Zehnder）型干涉仪，测量由于两原子束通过不同路径引起的相位差的陀螺仪。通过原子光学元件（例如类似光学中的分光计和反射镜，它们已经实现光学双光子的传播）的分光和反射，来测出由于惯性力的作用使原子波函数的相位发生变化，然后测出这个相位的变化量（如图所示）。原子干涉仪和光学干涉仪有许多相同之处，但是在原子干涉仪中，光和物质进行相互交换。该技术已被用在原子钟上，然而原子钟的“光学”跃迁是通过微波来实现的。干涉仪对频率的改变最为敏感。利用原子干涉仪对在光和原子相互作用中的光场相位改变的敏感性测量惯性力，在外在势场如重力场影响下，原子通过不同的干涉仪路径受到不同势的作用，从而有效地改变时间和（或）空间上原子和光相互作用的时间和地点。量子陀螺仪有着超高精度和超高分辨率的优异特性，可用于许多特殊要求的测量，如重力加速度和加速度的测量，高灵敏导航系统等。还可应用在航空航天、航海、地球物理学和物理学等诸多领域。
静电陀螺仪
静电陀螺仪是一种二自由度框架式陀螺仪，经过研究改为球形转子自由陀螺仪。它对转子是不施矩的，除了漂移外,转子主轴和壳体对应的轴将在惯性空间保持相同的姿态。在美国发展战略核潜艇的时代，由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校诺尔西克教授于1954年提出。1954年的方案是设计一种赤道上带土星环的空心球转子框架式静电陀螺仪。球形转子安装在支承电极的球腔之中。下图只画出一路,实际上同样的系统共有三路。整个电极球腔分割为12块等面积的电极。当转子偏离电极中心时，在相应的两块电极上同时接通正或负等幅度的控制电压，使转子回到电极中心位置，同时转子始终处在低电势，从而解除了三路支承之间的耦合关系。
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪是应用激光及光导纤维技术测量物体相对于惯性空间的角速度或转动角度的无自转质量的光学陀螺仪。1976年，犹他大学的V.瓦利（V.Vali）和R.W.肖蒂尔（R.W.Shorthil）首次提出了光纤陀螺仪的概念。它标志着第二代光学陀螺仪——光纤陀螺仪的诞生(第一代光学陀螺仪为激光陀螺仪)。光纤陀螺仪采用的是萨奈克干涉原理（见图），它是由法国M.萨奈克（M.Sagnac）在1913年首次发现并得到实验证实的。萨奈克干涉原理揭示了同一光路中两个对向传播的光的光程差与其旋转速度的解析关系。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。光纤陀螺仪按原理可以分为干涉式、谐振式和受激路易·布里渊式光纤陀螺仪。干涉式光纤陀螺仪(I-FOG)，即第一代光纤陀螺仪，也是研究最成熟、应用最广泛的光纤陀螺仪。谐振式光纤陀螺仪(R-FOG)是第二代光纤陀螺仪，采用环形谐振腔增强萨奈克效应，利用循环传播提高精度，因此它可以采用较短光纤。受激布里渊式光纤陀螺仪(B-FOG)是第三代光纤陀螺仪，相比前两代又有改进。对谐振式光纤陀螺仪和受激布里渊式光纤陀螺仪的研究尚不成熟，还分别处于实验室验证和基础理论研究阶段。光纤陀螺仪具有可靠性高、寿命长、抗冲击和振动能力强、动态范围大和功耗低等特点。它已被广泛运用于诸多领域，如舰艇、导弹、飞机、战车以及机器人控制、石油钻井等领域。
微机电陀螺仪
微机电陀螺仪为20世纪80年代发展起来的利用微机电加工技术制造而成的陀螺仪。以微电子技术和微机械加工为技术基础的微机电陀螺仪，其主体是一个作高频微幅振动的元件，利用高速振动的质量在被基座带动旋转时所产生的科里奥利效应来敏感角运动。同刚体转子陀螺仪相比，由于它没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而体积大为缩小，质量大为减轻，功耗大幅度降低；由于加工简单，无须复杂的装调工艺，可大批量生产，故价格低；另外还具有易于数字化和智能化、测量范围大等特点。微机电陀螺仪已经逐步从低精度商业和消费类仪表的应用领域进入到中等、高精度惯性仪表的应用领域，并且依靠其不同于传统机械式仪表的固有特性被广泛应用到各种现代新式武器和商业领域中。
初始对准
惯导系统是基于传感器输出的信息进行积分获取相关的导航定位信息，需要建立解算的初始基准，也即进行初始对准。对准可分为自对准和外部辅助对准两种方式。自对准时，惯导系统静止状况下，只要外部输入对准点的位置，仅利用陀螺、加速度计测量的地球重力加速度、自转角速率信息即可实现自对准，也是典型的惯导系统对准方案。在载体运动时，需要通过外部辅助运动信息实现惯导系统的对准。
误差修正
为了得到飞行器的位置数据，须对惯性导航系统每个测量通道的输出积分。陀螺仪的漂移将使测角误差随时间成正比地增大，而加速度计的常值误差又将引起与时间平方成正比的位置误差，这是一种随时间不断增大发散的误差。典型的地理坐标系惯性导航误差呈舒拉周期、地球周期和傅科周期无阻尼振荡特性。
纯惯性高度由于计算重力加速度与高度误差的正反馈效应，高度误差快速发散，一般高度通道不独立工作，需用大气、无线高度、卫星高度等进行阻尼计算。纯惯性误差随时间累积，但输出连续、信息全、完全自主；卫星等其他系统输出有更新率，但误差不随时间发散。通过组合导航可获得二者的优点，是常用的导航系统配置方式。机载常用的组合导航系统有惯性/卫星组合、惯性/多普勒组合、惯性/天文组合等。惯性导航系统的导航精度与地球参数的精度密切相关。高精度的惯性导航系统须用参考椭球来提供地球形状和重力的参数。由于地壳密度不均匀、地形变化等因素，地球各点的参数实际值与参考椭球求得的计算值之间往往有差异，并且这种差异还带有随机性，这种现象称为重力异常。利用重力梯度仪对重力场进行实时测量，提供地球参数，可以解决重力异常问题。
主要特点
优点
惯性导航系统的优点有：①不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；②可全天候全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；③能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；④数据更新率高、短期精度和稳定性好。
缺点
惯性导航系统的缺点有：①由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；②每次使用之前需要较长的初始对准时间；③设备的价格较昂贵；④不能给出时间信息。
影响因素
惯性导航系统的精度主要受到以下几方面的影响：①器件误差，包括陀螺仪漂移、加速度计零偏、刻度系数误差等；②安装误差，即加速度计和陀螺仪未能准确安装；③初始条件误差；④积分方法与步长集团；⑤冲击与振动对系统的干扰；⑥地球参数，包括地球长/短半轴、偏心率、曲率半径、重力加速度等。高精度的惯性导航系统用参考椭球来提供地球形状和重力的参数。由于地壳密度不均匀、地形变化等因素，地球各点的参数实际值与参考椭球求得的计算值之间往往有差异，并且这种差异还带有随机性，这种现象称为重力异常（如图3所示）。正在研制的重力梯度仪能够对重力场进行实时测量，提供地球参数，解决重力异常问题。
应用领域
惯性导航最初仅为满足军用需求，主要为武器装备提供导航以及控制信息，是国防科技领域的关键及核心技术。在航空航天领域，惯性导航由于其自主性、隐蔽性和抗干扰性，是飞机、导弹、火箭和飞船等载体的主要导航方法，为载体实现作战目标提供位置与姿态信息。在陆军领域，惯性导航可为坦克、装甲车、自行火炮等地面作战装备在快速机动过程中保持炮身稳定和快速瞄准的能力。在海军领域，出于安全性和隐蔽性的考虑，惯性导航是潜艇在水下航行时最为依赖的导航方法。随着惯性器件成本的降低，惯性导航也越来越多地应用到了民用领域。例如，惯性导航可用于车载导航设备进入隧道后因卫星信号丢失而无法定位的情况。在驾驶员考试系统中，利用惯性导航记录车辆的位置与姿态，判定考生当前的驾驶行为是否合格，考试过程更加合理，也减少了人工监考的工作量。在高速铁路领域，利用惯性导航可检测铁轨变形、路基沉降等情况，及时进行养护，保障通行安全。在资源勘探领域，惯性导航可测量钻头的实际位置，确保钻井的斜度和方位满足预定要求。
中国的惯导技术已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、载人飞船等。如漂移率0.01～0.02（°/小时）的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05（°/h）以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都较大地改善了中国军队装备的性能。
发展趋势
随着量子技术的飞速发展，量子惯性导航正成为惯性导航领域的新生力量。量子惯性导航的结构与传统惯性导航系统基本一致，主要由原子陀螺仪、原子加速度计、原子钟和信号采集处理单元等部分构成。量子惯性导航的核心在于利用量子效应进行高精度测量。例如，某些量子传感器能够利用超冷原子的量子干涉现象来精确测量微小的角运动和加速度变化。这种测量方式不仅精度高，而且不易受外界干扰，这使得量子惯性导航系统在复杂环境中依然能够保持卓越的性能。采用量子技术能显著提高导航精度，有望实现厘米级甚至更高精度的定位，其精度之高令传统机电式陀螺仪和光学陀螺仪难以企及。量子惯性导航可为无人艇、无人潜航器，尤其是执行水下侦察、布雷、反潜作战、远洋巡逻等任务的深潜器，提供长时间自主航行的可能。各类型产品中，核磁共振陀螺仪惯性导航系统是短期内最有望推广应用的产品，其内部的冷原子干涉加速度计和陀螺仪展现出极高的精度，可能在未来成为高精度惯性导航领域的主流技术。目前，核磁共振陀螺仪已经进入芯片化产品研发阶段。全球外多家科研机构和企业正积极投入量子惯性导航的研发工作，以期打破传统惯性导航技术的性能瓶颈。
标准规范
2020年12月14日，国家标准《基于惯性导航的应急定位系统规范》（GB/T 39578-2020）发布，2021年7月1日实施。该标准由TC485（全国通信标准化技术委员会）归口，主管部门为工业和信息化部（通信）。主要起草单位为航天科工集团集团第二研究院二〇六所。
参考资料
惯性导航系统.中国大百科全书.2025-04-10
惯性导航系统.北斗卫星导航系统网站.2025-04-10
陀螺仪.中国大百科全书.2025-04-17
惯性导航.中国大百科全书.2025-04-10
惯性导航系统.中国大百科全书.2025-04-10
量子陀螺仪.中国大百科全书.2025-04-17
静电陀螺仪.中国大百科全书.2025-04-17
光纤陀螺仪.中国大百科全书.2025-04-17
微机电陀螺仪.中国大百科全书.2025-04-17
惯性导航：永不停转的“指南针”.中国军网.2025-04-17
基于惯性导航的应急定位系统规范.全国标准信息公共服务平台.2025-04-10