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从古至今，导航一直是一门生活艺术。它基本上是关于两地之间旅行和找路的学问。也许最简单的导航发生在你不知道怎么去超市，别人告诉你，沿着这条路一直往前走，到尽头后左转就是了；或者在街边报亭买个地图，通过参照地图上的地理特征来确定自己的位置，通过地图导航路线到达超市，这也是路标导航，导航还有很多其它方式，如卫星导航、天文导航、定位推算导航等。其中惯性导航属于一种定位推算导航。推算过程为：从已知点的位置根据连续的测量运载体运动方向和速度来推算其当前的位置，由于惯性导航完全不依赖外部声、光、电、磁传播的信号，自主进行导航定位，因而不受地域限制，不受自然和人为的干扰，无论太空、空间、地面、地下、水面、水下都能全天候可靠地工作。惯性导航可实时高精度输出所需的全部导航信息，这是其它导航技术尚无法实现的，因而成为科技领域的重要组成部分。
惯性导航的原理
惯性导航与其它导航方案的根本不同之处在于其导航原理是建立在牛顿力学定律（惯性定律）基础上的，这也是惯性导航系统的由来，下面简称为“惯导系统”。牛顿惯性定律是指，物体保持静止或原来的运动状态不变，直到受到外力作用。该定律还告诉我们，外力将对物体产生一个成比例的加速度。加速度可用加速度计测定，加速度计的输出经过一次积分得到速度，二次积分得到位置。一个惯性系统一般含有3个加速度计，每个加速度计可以检测单一方向的加速度，其安装通常是让它们的敏感轴相互垂直。
牛顿力学定律是在惯性空间内成立的，故利用“推算法”计算出载体的速度和位置，需要知道惯性坐标系下的载体加速度。惯性坐标系是绝对静止或者匀速直线运动的坐标系。实际中直接测量在惯性坐标系下的加速度较为困难，故测量一个称为“导航坐标系”下的加速度。“导航坐标系”跟“惯性坐标系”具有一个旋转关系，可以很容易地将“导航坐标系”下的加速度分解到“惯性坐标系”下，进而求出速度和位置。测量“导航坐标系”下的加速度，最简单的方式是将3个加速度计分别与“导航坐标系”三个轴重合，而载体与“导航坐标系”的相对位置一直在发生变化，需要不断跟踪“导航坐标系”，使得加速度计一直与“导航坐标系”的轴重合。实际中通过一个“平台”来实现跟踪“导航坐标系”，即“平台”为加速度计提供一个准确的安装基准和测量基准，并将惯性敏感器件与载体的角运动隔离开来，以保证不管载体姿态发生多大变化，“平台”将始终与“导航坐标系”重合，三个加速度计的空间指向是不变的。例如，某些飞机上的惯导系统要求这个稳定“平台”在方位上要对正北向，在平面上要和当地水平面平行，使“平台”的三个轴正好指向东、北、天三个方向。能够实现这一要求的，主要靠陀螺仪。陀螺仪是惯导系统中的核心器件，是一种角速率敏感器件，能给出载体相对于惯性坐标系的转动角度，通过其给出的角度调整“平台”，使得“平台”跟随“导航坐标系”。而这种“平台”有物理式平台和数学式平台两种，对应的惯导系统称为平台惯导系统和捷联惯导系统。
平台惯导系统将惯性测量装置直接安装在惯性平台的台体上，为物理式平台。加速度计固定在平台上，其敏感轴与平台轴平行，平台的三根稳定轴模拟一种导航坐标系。根据陀螺仪测量出的角度，平台借助于稳定回路和修正回路来模拟导航坐标系，通过框架系统和载体的转动隔离。
捷联惯导系统无稳定平台，加速度计和陀螺仪与载体直接固连。载体转动时，加速度计和陀螺仪的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计敏感轴指向，再通过坐标变换将加速度计输出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。即在导航计算机内构建虚拟的数学拼图作为导航计算的参考坐标系，此虚拟平台与平台式惯导系统中的稳定平台作用类似。
惯导技术在军民领域都有巨大的应用市场。历史上，其发展可分为3个阶段，第一阶段从牛顿定律的提出到平台式惯导实现，第二阶段为平台式惯导到捷联式惯导的转变，第三阶段为捷联式惯导向惯性组合导航的发展。下面将分别介绍陀螺仪和组合导航技术。
惯导陀螺仪
陀螺仪为惯性系统的核心部件，是一种即使无外界参考信号，也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器，其功能是敏感（灵敏感应探测）运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、微机电等技术被引入了陀螺仪的研制，现在习惯上把能完成陀螺功能的装置统称为陀螺。
自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有100多年的发展史，发展过程大致分为4个阶段。第一阶段是滚珠轴承支承陀螺。第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺。第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的挠性支承（即允许支承位置有一定变形）的转子陀螺。目前陀螺的发展进入第四阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。
陀螺按原理可分为以经典力学为基础的机电式陀螺，和以近代物理学效应为基础的光电类陀螺。机电式陀螺主要包括滚珠轴承支承陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、静电陀螺等转子式陀螺，以及如音叉陀螺、半球谐振陀螺和微机电陀螺（MEMS）等新型振动陀螺。光电类陀螺主要包括激光陀螺、光纤陀螺、原子干涉陀螺、集成光学陀螺等。
滚珠轴承支承陀螺滚珠轴承陀螺首先应用于V-2导弹，为第一代转子陀螺仪。转子陀螺仪是把高速旋转的刚体转子支承起来，使之获得转动自由度的一种装置。转子轴能在惯性空间保持定轴性，用来测量角位移或角速度。转子陀螺仪的关键技术在于转子的高速旋转和支承方式。而滚珠轴承陀螺利用轴承和滚珠支承转子，由于滚珠轴承存在摩擦力矩大的问题，漂移误差一般在每小时一度到每小时十五度范围内，远远不能满足惯性系统的要求，现已淘汰。
液浮、气浮陀螺液浮、气浮陀螺为第二代转子陀螺仪，其相对于第一代转子陀螺——滚珠轴承陀螺的主要改进之处为，利用大密度的液体和气体作为支承而非采用机械支承，使内部的陀螺转子摩擦降低。所谓液浮支承是指转子和内环组成的浮筒组件（二自由度陀螺）泡在浮液里，浮液的密度足够大，使得浮力刚好跟浮筒组件的重力相平衡，这样在内环轴上的负荷几乎为零，因而摩擦力矩很小。气浮支承分为静压气浮和动压气浮两种。静压气浮支承是用2到3个大气压的气体送入浮筒和壳体的间隔中，使陀螺浮起。动压气浮支承则是利用转子的高速旋转所产生的气膜使得转子浮起来。液浮陀螺最早是麻省理工学院德雷伯实验室研制的，1973年研制出第三代液浮陀螺，漂移误差为0.000015度/小时，相当于24小时内总漂移为1角秒。利顿公司的G300G型液浮陀螺漂移误差为0.001度/小时，应用于飞机惯导中。气浮、液浮陀螺的优点是精度高、尺寸小，缺点为需要精加工，加IT艺高，成本高。
挠性陀螺挠性陀螺为第三代转子陀螺，将挠性加速度计代替液浮摆式加速度计，利用挠性支承悬挂陀螺转子，将陀螺转子与驱动电机隔开，是二自由度的陀螺。挠性陀螺于上世纪60年代受飞机的导航需求推动发展迅速，分为平台式和捷联式两大类型。平台式精度达到0.001度/小时，捷联式精度达到0.01度/小时。挠性陀螺结构简单、成本低、体积小、启动快，缺点为挠性支承加工难度大，成品率低，且存在疲劳及稳定性问题，力学误差较大，动态范围小。
静电陀螺静电陀螺为第四代转子陀螺，于上世纪70年代研制成功。它利用静电引力使金属球型转子浮起来，这是较为彻底的支承革新，精度高，属于真正的自由度转子陀螺。其基本结构是一只金属球形转子加上两只碗形电极壳体，壳体外为陶瓷，内壁上固定6只金属电极，将球形转子放在对称密封壳体内而形成陀螺组件。给电极充电后，沿空间相互垂直三个方向的静电引力的合力，与转子本身的重力和惯性力相抵消，这样金属球形转子就能浮起来。静电悬浮必须在超真空环境下才有可能实现，否则会击穿放电，破坏静电支承力。静电陀螺仪工作时，球形转子依靠静电力悬浮在真空电极球腔内高速旋转，旋转主轴相对壳体的转角由非接触式光电传感器等测量。因此，在理想条件下，静电陀螺仪转子不受任何外力矩作用，完全工作在自由状态，其动量矩主轴将保持在惯性空间永远不动。这等于在仪器舱内建造了一颗人工恒星，可作为精密导航与定位的参照物，这正是机电式陀螺仪追求的最高境界。静电陀螺在1952年提出，1980年进入实现阶段，1995年达到精度0.00001度/小时，目前斯坦福大学有报告的精度为0.00000000001度/小时。1960年后，美国的霍尼韦尔公司和Autonetics公司开始研制静电陀螺。1960年到1980年，法国、英国、苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制。静电陀螺具有精度高、结构简单、可靠性高、能全姿态测角等优点，缺点为加工工艺要求高、角度读取复杂、价格昂贵。
MEMS陀螺MEMS即机械电子系统，是采用纳米技术加工出的新一代微型机电装置，是一种振动式角速率传感器，其基本原理为将一种振动模式激励到另一种振动模式上，其幅度与输入的角度成正比。
MEMS陀螺的发展已有十佘年历史，目前常见的结构类型有框架式、音叉式和振动轮式几种。国外主要研制公司有美国Sperry、Draper实验室、通用电器、Watson和德州仪器等。MEMS优点为成本低，体积小，具有广泛的市场，缺点为加工工艺高，且随着MEMS传感器尺寸缩小，传统的检测效应已接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS的发展。
激光陀螺传统的陀螺，无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、静电陀螺，都离不开高速旋转的机械转子。高速转子容易产生质量不平衡，容易受到加速度的影响，且需要一定的预热时间，即启动时间较长，这在一些紧急情况下使用很不方便。1960年激光技术出现后，利用光学中的Sagnac效应测量运载体旋转运动的激光陀螺仪得到迅速发展。
Sagnac效应简单讲，就是在环形光路中，沿顺、逆时针方向传播的两条光束路程有别。当环形光路相对惯性空间不转动时，顺、逆时针的光程长度相同。当环形光路相对惯性空间有一转动角速度ω时，顺、逆光程就有差异，其光程差△L正比于转动角速度ω值。测出△L值即可测出角速度ω，即完成角速率敏感功能。
激光陀螺仪具有较大的动态范围和高速率特性，精度高，启动时间短，可靠性高，寿命长。缺点为存在闭锁现象（低于一定低角速率时，不敏感角速度，即无法测量），价格昂贵，体积大。
近十几年来，激光陀螺已经发展十分成熟，新型激光陀螺研究（包括一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进）的主要进展是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面。
光纤陀螺光纤陀螺（FOG）使用与激光陀螺相同的原理，即Sagnac效应测量角度。但与激光陀螺不同的是，光纤陀螺利用一段光纤环代替了原来的光路。光纤可以绕制，其光路比激光陀螺光路大大增加，使得检测灵敏度和分辨率提高了几个数量等级，克服了激光陀螺的闭锁现象。其优点为无运动部件，价格低廉，启动时间短，动态范围宽，为捷联惯导系统传感器，拥有极强竞争力和广泛的市场，缺点为受温度影响较大。
从上世纪90年代起，0.1度/小时的中精度干涉型光纤陀螺在美国投入批量生产。德、日等国也研制成功偏置稳定性优于0.01度/小时的光纤陀螺。俄罗斯、英国、中国、韩国、新加坡、意大利、瑞士等国也有相关报道。2006年，美国霍尼韦尔公司的高精度光纤陀螺的零偏稳定性达到0.0003度/小时，采用长达4千米的光纤，测量范围12度/秒。同年，Ixspace公司报道了其用于卫星姿态控制的光纤陀螺，短期稳定性达到0.02～0.001度/小时，寿命达到了5～15年。
在美国，霍尼韦尔公司是航空和军事领域光学陀螺产品的主要研发机构，从1991年开始批量生产光纤陀螺系统。诺斯罗普·格鲁曼公司在2001年兼并了利顿工业公司，2002年又从Audax集团接收了光纤传感技术公司，是美国最有影响的光纤陀螺及其系统产品的生产企业。美国KVH工业公司的DSP光纤陀螺系列是将KVH公司独家拥有的保偏光纤和光纤元件与集成数字信号处理结合起来，克服了模拟信号处理的限制。还有其它一些研究机构，如斯坦福大学和麻省理工大学等，在光学陀螺研发方面居世界前列。日本的JEA、三菱精密仪器、日立电线、住友、松下等公司已批量生产多种级别的光纤陀螺，在干涉型光纤陀螺的实用化，特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在世界前列，主要用于汽车工业。欧洲国家也相当重视光纤陀螺在军事上的应用。法国汤姆逊公司及IXSEA公司、俄罗斯光联公司、英国航空航天公司、德国利铁夫公司等都已开发光纤陀螺产品，并应用于战术导航系统和舰船导航领域。国内的中低精度的光纤陀螺也已经工程化和产品化，广泛应用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。
各类导航的对比及组合
由于基于推算法的惯导系统存在误差（尤其是位置误差）随时间积累的特性，在实际中需要每隔一段时间对其进行修正以保证其精度。而其它导航方式如无线电导航系统的定位精度，虽不受时间的影响，却受外界干扰影响较大，工作范围受地面台站覆盖区域的限制。多普勒导航与惯导一样，同属航位推算类，误差也是积累的，且多普勒导航系统必须采用外部航向信息。GPS虽然定位和测速精度高，不受时间与地区限制，但受制于美国，战时很难使用。因此一般以惯导为主再结合其它的无线电导航、天文导航、卫星导航、地形辅助等导航。
由于缺乏必要的导航数据组合处理算法，早期的组合导航多采用简单的功能组合，各导航传感器完全独立，组合的潜力没发挥出来。60年代出现卡尔曼滤波技术，即在两个以上导航系统输出的基础上，用卡尔曼滤波去估计系统的各种误差，再用估值去校正系统，使组合导航的精度优于任何一类导航的精度。目前主要的组合导航有：惯导/卫星导航组合，惯导/天文导航组合，惯导，多普勒导航组合，惯导/测向测距导航组合。
惯导/卫星导航组合 卫星导航精度高，但不能连续提供运载体位置信号。同时，当运载体作剧烈动作或当导航星全球定位系统信噪比较低时，导航精度将大为降低。故卫星定位常与惯导组合，组合后不仅能大大改善惯导的位置和速度信息的精度，还能估计出陀螺漂移和惯性平台姿态误差等各种误差量，从而改善惯导性能。同时，利用惯导提供的速度等信息，还能改善卫星导航跟踪回路截获和锁定信号的能力。目前，研究最多的组合导航中一般均有惯导和卫星导航。其中最具代表性的是惯导/GPS组合导航系统，美国AGM-154导弹即采用此种组合。
惯导/多普勒导航组合 多普勒雷达输出的测速信号精度较高，但瞬态噪声较大。惯导系统能提供精确的航向信息，且速度信息的瞬态性能好，但精度不高。两者结合可降低速度误差，提高惯性平台姿态精度，从而抑制位置误差的增大。应用卡尔曼滤波技术还可估计出陀螺漂移等干扰量，使惯导的性能得到改善。这种组合系统属于自主式系统，常用于军用飞机。
惯导/测向测距导航组合 测向系统的方位角误差较大，故方位对准精度也差。与惯导组合则可改善方位对准精度。组合可间断也可连续，这种组合系统常用于民航飞机。在地面应答台覆盖区域内飞行时，它可用于区域导航。这种系统还能对惯性平台进行空中再对准，使运载体在地面台覆盖区域以外飞行时，用对准后的纯惯导方式导航。
惯导/天文导航组合 天文导航能测量天体在惯性平台坐标系内的角位置，故组合后不仅能估计出陀螺漂移等干扰量，还能估计出真实的平台姿态误差，从而分辨出加速度计的零偏。美军“三叉戟”Ⅱ洲际导弹采用惯导/天文导航组合，落点误差为120米，这与MX导弹采用的浮球平台技术达到的精度处于同一水平，而研制费用仅为MX导弹的1/5。惯性/天文导航的组合效果好，但在中、低空使用时会受气候和云层的影响，因此在这种系统中常增加多普勒雷达，组合成更完善的自主式导航系统。
各类平台对惯导的要求
惯导系统具有自主性，精度高。各类陀螺仪由于精度、尺寸大小、适应的工作环境等不同，适用于不同的载体。
舰船导航的概念源于航海事业。由于舰船行驶时间长，而惯导误差随时间累积，故在舰船中的惯导系统要求漂移小，精度高。战略核潜艇的导航性能直接影响隐蔽性及潜射导弹的精度，而舰船导航直接关系武器精度和舰船的快速反应能力，因此航海导航是各类导航中对惯导系统要求最高的。早期惯导的定位精度约为1海里/小时，不能满足长时间工作的要求。目前美国最先进的舰船惯导系统已达到0.2海里/72小时，航向精度≤0.3角分/24小时，姿态精度≤5角秒，系统可靠性≥5000小时，系统维修时间≤O.5小时，重调时间≥360小时。
战斗舰艇要求惯导提供大容量、高精度的多种导航参数，具有高可靠性和可维修性，并能消除因舰艇甲板形变而带来的姿态角测量误差。大型舰船中使用最多的为液浮陀螺，也有精度最高的静电陀螺，光学陀螺也正在舰船导航中扮演重要角色。小型舰艇和民用船使用的多是精度低的光纤陀螺、MEMS等。
对于潜艇，由于其具有隐蔽性和攻击时的突然性，潜航时无法接受外界信息，也不能向外辐射能量，此时惯导是核潜艇唯一的、其它任何导航手段都无法替代的导航手段，故潜艇对陀螺的要求最高，使用的为静电陀螺和液浮陀螺等。
导弹 由于导弹飞行时间较短，其对惯导的精度要求中等，属于短期导航。惯导在导弹发射全过程中担当“指路人”角色，能提高命中精度。发射前，要精确知道发射地点和目标的地理位置，计算出导弹的弹道方程、目标的距离方位、弹道上各级火箭发动机的点火点及关机点、导弹全程各点的速度、飞行方向和姿态，精确测定北向基准，进行瞄准和导弹内部惯导的对准，装订弹道控制指令。起飞上升阶段，惯性基准精确测量出导弹的位置、速度以及飞行方向和导弹的姿态进行轨道纠正，根据预定的速度、开关机点控制多级火箭发动机的工作。在飞行全过程，实时精确提供位置、位移量、速度、航向及姿态。
对于惯导，导弹要求其具有快速启动能力。一般在短程导弹中使用的是较为便宜的挠性陀螺或MEMS陀螺。而对于远程导弹等，早期使用的是精度高的液浮和气浮等机械陀螺，现逐渐被价格便宜的激光和光纤陀螺取代。对于战略导弹则使用的是液浮陀螺、静电陀螺等。
飞机 作战飞机在执行远程轰炸任务时，需在惯性系统的引导下，从不同地点起飞，按严格规定的时间到达集结地点编队，在飞行过程中必须保持严格的速度和相互间距。空中加油时，必须与加油机准确配合，准确接近，保持与加油机的距离，控制好飞机的相对速度和正确航向与姿态，经过几千里的长途飞行，要准确飞临目标上空投掷或发射弹药，最后返航。惯导不仅能保证安全飞行，还为武器的投放、对准、稳定瞄准等提供位置、速度、航向和姿态等参数，惯导与武器交联，大大提高了作战能力。
飞机中用的多为中等精度的陀螺，如液浮陀螺、激光陀螺和光纤陀螺等。
空间技术 要使各类空间飞行器成功入轨，定点，完成各类研究、观测及空间对接、返回等任务，都必须根据惯导、惯性测量系统检测到的飞行器的位置、速度、航向、姿态等信息，通过控制指令使其准确地沿预定轨道飞行。在卫星发射入轨，定点运行的全过程中，惯性系统的任何微小故障或差错，都可能造成发射失败。空间技术中一般采用静电陀螺、激光陀螺、液浮陀螺等高精度陀螺。
总的讲，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、高性能的光纤和激光陀螺在未来一段时间仍将是关注焦点。受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导系统所替代，组合导航综合了各类导航器件的优点，将会是惯导的一个主要发展方向。