惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）它是一种独立的导航系统，利用惯性敏感器件、参考方向和原始位置信息来确定惯性空间中载体的位置、方向和速度，也称为惯性导航。

惯性导航技术的发展过程

第一代惯性导航技术是指 1930 多年前的惯性技术为整个惯性导航的发展奠定了基础。牛顿三大定律已成为惯性导航的理论。

第二代惯性技术始于上世纪 40 在火箭发展初期，其研究内容从惯性仪表技术扩展到惯性导航系统的应用。

70 在20世纪初，一些新的陀螺仪、加速度计和相应的惯性导航系统出现在第三代惯性技术的发展阶段，其研究目标是进一步改进INS 惯性技术通过多种技术渠道得到推广和应用。

目前，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、更广泛的导航系统。

例如，随着量子传感技术的快速发展，利用原子磁共振特性构造的小型核磁共振陀螺惯性测量装置具有精度高、体积小、纯固态、对加速度不敏感等优点，已成为新一代陀螺仪的研究热点之一。

惯性导航的组成

惯性导航包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和计算单元两部分。通过IMU通过各种转换和补偿计算，感知物体方向、姿态等变化信息，获得更准确的信息。例如，检测物体的初始位置、初始方向、初始姿势和下一刻方向和角度的变化，然后将这些信息添加在一起，计算物体的当前方向和位置。

IMU它主要由加速度计和陀螺仪组成，可以实时检测物体的重心方向、俯仰角、偏航角等信息。IMU测量信息的量和精度也可以相应提高。

计算单元主要由三部分组成：姿态解算单元、积分单元和误差补偿单元。

惯性导航的工作原理

惯性导航的目的是实现自主导航，即不依赖卫星信号、北极指南等外部信息。那么惯性是如何实现的呢？

惯性导航的核心原理是从过去自己的运动轨迹中计算出自己目前的方向。其工作技术原理无非是以下三个基本公式:距离=速度×时间，速度=加速度×时间，角度=角速度×时间。

首先，检测(或设置)初始信息，包括初始位置、初始方向、初始姿势等。

然后，用IMU始终检测物体运动的变化信息。其中，加速度计用原理测量加速度 a=F/M，测量物体的线加速度，然后乘以时间得到速度，然后乘以时间得到位移，以确定物体的位置；陀螺仪测量物体的角速率，以物体的初始方向为初始条件，对角速率得分，然后始终得到物体的当前方向；电子罗盘可以在水平位置确认物体的方向。这三个传感器可以相互校正，获得更准确的姿态参数。

最后，通过计算单元实现姿态解、加速度积分、位置计算和误差补偿，最终获得准确的导航信息。

惯性导航系统的主要优点

1、完全依靠运动载体独立完成导航任务，不依赖任何外部输入信息或向外输出信息的独立系统，具有很高的抗干扰性和隐蔽性；

2.不受气象条件限制，可全天候、全天候、全地理工作。惯导系统可以随时随地运行，无需特定的时间或地理因素；

3.提供的参数很多，比如GPS卫星导航只能提供位置、方向和速度信息，但惯导也可以提供姿势和方向信息；

4.导航信息更新率高，短期精度和稳定性好。目前常见GPS更新率为每秒一次，但惯导率可以达到每秒几百次甚至更高。

惯性导航系统的主要缺点

1.随着时间的推移，导航误差会随着时间的推移而增加。

2.每次使用前初始对准时间长。惯性导航需要初始对准，对准复杂，对准时间长；

三、不能给出时间信息；

4.精确的惯导系统价格昂贵，通常在几十万到几百万之间。

惯性导航的分类

惯导可分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两类。

平台惯性导航系统有物理平台，陀螺仪和加速度由陀螺仪设置在平台上，跟踪导航坐标系，实现速度和位置解决，姿态数据直接来自平台的环框。

由于平台惯导系统框架可以隔离运动载体的角振动，仪器工作条件好，原始测量值采集准确，平台可以直接建立导航坐标系，计算量小，容易补偿和纠正仪器输出，但结构复杂，体积大，成本高，可靠性差。

捷联惯性导航系统没有物理平台。陀螺仪和加速度计直接固定并安装在运动载体上。本质上，通过陀螺仪计算虚拟惯性平台，然后将加速度计测量结果旋转到虚拟平台，然后解决导航参数。

捷联惯性导航系统结构简单，体积小，维护方便，但陀螺仪和加速度计工作条件差，原始测量值精度低。同时，捷联惯导的加速度计输出载体坐标系的加速度重量，需要通过计算机转换为导航坐标系的加速度重量计算量大，容易产生导航解决方案校正、启动和排列转换的额外误差。一般来说，捷联惯导精度低于平台惯导精度，但可靠性好，实现方便，成本低，是目前民用惯导的主流技术。

惯性导航的主要应用

惯性导航行业最早起步于航天、航空、制导武器、船舶、战斗机等军事领域。随着电子技术的发展和商业价值的挖掘，惯性导航技术的应用扩展到车辆导航、轨道交通、隧道、消防定位、室内定位等民用领域，甚至广泛应用于无人机、自动驾驶、便携式定位终端(如智能手机、儿童/老年定位跟踪器等。

惯导系统为运动载体提供位置、速度、姿势(航向角、俯仰角、横滚角)等信息。不同的应用领域对惯性元件的性能和惯导精度有不同的要求。

在精度方面，航空航天和轨道交通领域对即时定位精度要求高，连续工作时间长；从系统寿命来看，卫星、空间站等航天器要求最高，因为发射升空后不能更换或维护；涉及军事应用等领域，对可靠性要求较高；对于车辆导航、室内定位、无人机、自动驾驶等民用领域，惯导系统的性价比要求较高。

一般来说，由于惯导系统的误差积累和初始校准的前提要求，只能作为其他主定位导航技术(如GNSS定位、UWB定位、WLAN辅助定位、地磁定位等。)，如车辆在GPS在导航过程中，损失GPS在信号的情况下，可以使用自己的加速度和陀螺仪进行惯性导航。

因此，有必要根据具体行业的应用需求，选择惯导元件和导航算法。

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