Inertial navigation system

An onboard navigation system that determines the direction, speed, and distance of a moving ship or aircraft from its acceleration, without relying on radio waves or geomagnetism from ground-based navigation aids, and determines its position. It is also called INS (short for inertial navigation system), IRS (short for inertial reference system), SINS (for ships), inertial guidance, or inertial navigation system. It is a navigation system that uses acceleration (inertia) based on the principle that integrating the acceleration of a moving object detected by an accelerometer once will give the speed, and integrating it twice will give the distance traveled.

The device consists of four elements.

(1) The gyro constantly establishes a horizontal plane (platform) perpendicular to the direction of gravity within the vehicle, as well as true north, which serves as the basis for orientation.

(2) A highly sensitive accelerometer installed on the platform detects the acceleration caused by movement.

(3) The detected acceleration is integrated by a digital computer to calculate the distance traveled and the speed, and then the information is combined with other information to convert it into the required information.

(4) Calculated data such as speed, position, and direction of travel are displayed digitally.

To measure only the acceleration of a moving object, the platform must be completely horizontal so that gravity does not mix in with the acceleration. To achieve this horizontality, we use Schuler tuning, developed by Schuler of the University of Göttingen in Germany in the 19th century. In other words, the principle is that a simple pendulum attached to a moving object will swing at a certain angle from the vertical due to acceleration, but if the pendulum string is extended until it reaches the center of the Earth, the swing due to acceleration will stop. Let L be the radius of the Earth, T be the period of a pendulum with length L , and g be the acceleration due to gravity,

If an accelerometer is placed on a platform with a natural vibration period of , and the platform is initially adjusted to be horizontal, it will always remain horizontal.

The first inertial navigation system was a patent obtained by Austrian Boikow in 1938. This principle was used in the German V2 rocket during World War II, and was later put to practical use as the inertial guidance system for the American XN-1 rocket. Later, American Charles Stark Draper (1901-1987) improved gyro drift (fluctuation in directional indication) by floating the gyro's rotating case on oil, completing a high-performance rate integrating gyro. This was adopted by the nuclear submarine Nautilus, which reached the North Pole using inertial navigation in 1958. Inertial navigation systems currently in use can be divided into four types:

(1) Geometric method This method has been used since the beginning of development. An accelerometer is placed on a platform supported by a gyro. It does not require much connection with a computer, and the structure is simple but large. It is mainly used for ships.

(2) Semi-analytical: A gyro and an accelerometer are mounted on a horizontal platform. It is smaller than the geometrical type and is used on aircraft as an INS.

(3) Analytical formula: The gyro and accelerometer are placed on a platform fixed to the moving object. Since the platform is not horizontal, the gravity component must be subtracted from the output acceleration by a computer. Because it is small, it is used in rockets and artificial satellites.

(4) Strapdown type: There is no platform, and the gyro and accelerometer are attached directly to the moving body, and all navigation data is calculated by computer. With the development of computers, this type is becoming mainstream, and is equipped as an inertial reference system (IRS) on the latest aircraft. Most civilian transport aircraft today are operated by inertial navigation systems and are equipped with an INS or IRS.

[Kyoki Aoki, Yukito Iijima, Shinichiro Nakamura]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

地上の航法援助施設からの電波や地磁気等に頼らずに、移動する船舶や航空機の加速度から、移動方向、速度、距離を求め、位置を決定するための搭載用航法装置。INS（inertial navigation systemの略称）、IRS（inertial reference systemの略称）、SINS（船舶の場合）、イナーシャルガイダンス（inertial guidance）、慣性航法システムともいう。加速度計で検出した移動体の加速度を一度積分すれば速度が、二度積分すれば移動した距離が出るという原理に基づく、加速度（慣性）を利用した航法装置である。

　装置は四つの要素から構成されている。

(1)ジャイロにより、移動体内につねに重力の方向に直角な水平面（プラットホーム）と、方位の基準である真北を設定する。

(2)プラットホームに設けられた高感度の加速度計により、移動によって生ずる加速度を検出する。

(3)検出された加速度をデジタルコンピュータで積分計算して移動距離や速度を算出し、その他の情報と組み合わせて必要な情報に換算する。

(4)算出された速度、位置、進行方向などのデータをデジタル表示する。

　移動体の加速度だけを計るには、重力が加速度に混入しないように、プラットホームが完全に水平であることを要する。この水平を得るために、19世紀にドイツのゲッティンゲン大学のシューラーが開発したシューラー同調を利用する。つまり、移動体に取り付けた単振子は加速度によって垂直線からある角度振れるが、振子の糸を地球の中心に達するまで延ばせば、加速度による振れはなくなるという原理である。地球の半径をL、Lの長さの振子の周期をT、重力による加速度をgとし、

の固有振動周期をもつプラットホーム上に加速度計を置き、最初にプラットホームを水平に調整すれば、つねに水平が保たれる。

　1938年にオーストリアのボイコウが得た特許が慣性航法の初めである。この原理は第二次世界大戦のドイツのV2ロケットに使われ、のちにアメリカのXN‐1ロケットの慣性誘導装置として実用化された。その後、アメリカのドレーパーCharles Stark Draper（1901―87）は、ジャイロの回転ケースを油に浮かべることによってジャイロのドリフト（方向指示のふらつき）を改善し、高性能のレート積分ジャイロを完成した。これが原子力潜水艦ノーチラス号に採用され、1958年に慣性航法によって北極点に達した。現在用いられている慣性航法装置は、次の4種類に分類される。

(1)幾何学的方式　開発の当初から用いられている方式。ジャイロによって支えられたプラットホームに加速度計が置かれている。コンピュータとの連動をあまり必要とせず、構造は簡単だが大型である。主として船舶用。

(2)半解析式　水平台の上にジャイロと加速度計が取り付けられる。幾何学的方式より小型なので航空機に用いられ、INSとして航空機に装備されている。

(3)解析式　ジャイロと加速度計を移動体に固定されたプラットホーム上に置く。プラットホームが水平でないので、出力加速度から重力成分を計算機によって差し引く必要がある。小型なのでロケットや人工衛星に使用される。

(4)ストラップダウン式　プラットホームがなく、ジャイロと加速度計を直接移動体に取り付け、航法データはすべてコンピュータが算出する。コンピュータの発達により、この形式が主流になりつつあり、慣性基準装置（IRS）として最新の航空機に装備されている。現在の民間輸送機はほとんど慣性航法装置により運航されており、INSまたはIRSが装備されている。

［青木享起・飯島幸人・仲村宸一郎］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例