慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS，Inertial Navigation System）是一種利用慣性敏感器件、基準(zhǔn)方向及最初的位置信息來確定運(yùn)載體在慣性空間中的位置、方向和速度的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，也簡(jiǎn)稱為慣導(dǎo)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展歷程

第一代慣性導(dǎo)航技術(shù)指 1930 年以前的慣性技術(shù)，奠定了整個(gè)慣性導(dǎo)航發(fā)展的基礎(chǔ)。牛頓三大定律成為慣性導(dǎo)航的理論。

第二代慣性技術(shù)開始于上世紀(jì) 40 年代火箭發(fā)展的初期，其研究?jī)?nèi)容從慣性儀表技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。

70 年代初期，第三代慣性技術(shù)發(fā)展階段出現(xiàn)了一些新型陀螺、加速度計(jì)和相應(yīng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是進(jìn)一步提高INS 的性能，并通過多種技術(shù)途徑來推廣和應(yīng)用慣性技術(shù)。

當(dāng)前，慣性技術(shù)正處于第四代發(fā)展階段，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)。

比如隨著量子傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，在慣性導(dǎo)航技術(shù)中，利用原子磁共振特性構(gòu)造的微小型核磁共振陀螺慣性測(cè)量裝置具有高精度、小體積、純固態(tài)、對(duì)加速度不敏感等優(yōu)勢(shì)，成為新一代陀螺儀的研究熱點(diǎn)方向之一。

慣性導(dǎo)航的組成

慣性導(dǎo)航包括慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，簡(jiǎn)稱IMU）和計(jì)算單元兩大部分。通過IMU感知物體方向、姿態(tài)等變化信息，再經(jīng)過各種轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償計(jì)算得到更準(zhǔn)確的信息。比如檢測(cè)物體的初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)以及接下來每一刻朝向、角度的改變，然后把這些信息加一起不停地推，推算出物體現(xiàn)在的朝向和位置。

IMU主要由加速度計(jì)和陀螺儀組成，可實(shí)時(shí)檢測(cè)物體的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果還加上電子羅盤和氣壓計(jì)等傳感器，那IMU的測(cè)量信息量與精度也相應(yīng)地能得到一定的提高。

而計(jì)算單元?jiǎng)t主要由姿態(tài)解算單元，積分單元和誤差補(bǔ)償單元這三部分組成。

慣性導(dǎo)航的工作原理

慣性導(dǎo)航的目的是實(shí)現(xiàn)自主式導(dǎo)航，即不依賴外界信息，包括衛(wèi)星信號(hào)、北極指引等。那么慣性是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

慣性導(dǎo)航工作的核心原理是：它從過去自身的運(yùn)動(dòng)軌跡推算出自己目前的方位。其工作技術(shù)原理不外乎就是以下三條基本公式：距離=速度×?xí)r間，速度=加速度×?xí)r間，角度=角速度×?xí)r間。

首先，檢測(cè)（或設(shè)定好）初始信息，包括初始位置、初始朝向、初始姿態(tài)等。

然后，用IMU時(shí)刻檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的變化信息。其中，加速度計(jì)測(cè)量加速度，利用原理 a=F/M，測(cè)量物體的線加速度，然后乘以時(shí)間得到速度，再乘以時(shí)間就得到位移，從而確定物體的位置；而陀螺儀則測(cè)量物體的角速率，以物體的初始方位作為初始條件，對(duì)角速率進(jìn)行積分，進(jìn)而時(shí)刻得到物體當(dāng)前方向；還有電子羅盤，能在水平位置確認(rèn)物體朝向。這3個(gè)傳感器可相互校正，得到較為準(zhǔn)確的姿態(tài)參數(shù)。

最后，通過計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解、加速度積分、位置計(jì)算以及誤差補(bǔ)償，最終得到準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

另外重點(diǎn)講講慣性導(dǎo)航是如何通過坐標(biāo)系模型實(shí)現(xiàn)定位的？

日常生活中，我們都通過坐標(biāo)來定位，二維定位是x軸和y軸，三維定位則加上z軸。通過x軸、y軸和z軸的坐標(biāo)系模型，傳感器能夠測(cè)量各軸方向的線性運(yùn)動(dòng)，以及圍繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。