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慣性航法システム（INS、慣性誘導システム、慣性計器とも呼ばれる）は、モーションセンサー（加速度計）、回転センサー（ジャイロスコープ）、およびコンピュータを使用して、外部参照を必要とせずに、推測航法によって移動物体の位置、向き、および速度（移動の方向と速度）を継続的に計算する航法装置です。 [ 1 ]慣性センサーは、多くの場合、気圧高度計によって補完され、場合によっては磁気センサー（磁力計）や速度測定装置によって補完されます。INSは、移動ロボット[ 2 ] [ 3 ]や、船舶、航空機、潜水艦、誘導ミサイル、宇宙船などの車両で使用されています。[ 4 ]古いINSシステムは、一般的に慣性プラットフォームを車両への取り付けポイントとして使用しており、これらの用語は同義語とみなされることがあります。
慣性航法は、加速度計とジャイロスコープによって得られる測定値を用いて、既知の出発点、姿勢、速度に対する物体の位置と姿勢を追跡する、自己完結型の航法技術です。慣性計測装置（IMU）は通常、3つの直交するレートジャイロスコープと3つの直交する加速度計を備えており、それぞれ角速度と線形加速度を測定します。これらの装置からの信号を処理することで、装置の位置と姿勢を追跡することが可能になります。
慣性航法システム（INS）は、少なくともコンピュータと、加速度計、ジャイロスコープ、またはその他のモーションセンシングデバイスを含むプラットフォームまたはモジュールを備える。INSは、初期姿勢とともに、別の情報源（人間のオペレーター、GPS衛星受信機など）から位置と速度を最初に与えられ、その後、モーションセンサーから受信した情報を統合することによって、更新された位置と速度を計算する。INSの利点は、初期化が完了すれば、位置、姿勢、または速度を決定するために外部参照を必要としないことである。
INS（慣性航法装置）は、地理的位置の変化（例えば、東や北への移動）、速度の変化（移動速度と方向）、および姿勢の変化（軸を中心とした回転）を検出できます。これは、システムに加わる線形加速度と角速度を測定することによって行われます。初期化後は外部基準を必要としないため、妨害や欺瞞の影響を受けません。
ジャイロスコープは、慣性基準座標系に対するセンサー座標系の角度変位を測定します。慣性基準座標系におけるシステムの元の向きを初期条件として角度変位を積分することで、システムの現在の向きを常に把握できます。これは、車の中で目隠しをした乗客が、車が坂を上り下りする際に左右に曲がったり、上下に傾いたりする感覚を得られることに例えることができます。この情報だけで、乗客は車がどちらの方向を向いているかは分かりますが、車の速度や横滑りの有無は分かりません。
加速度計は、センサーまたは車体フレーム内で移動する車両の直線加速度を測定しますが、測定できる方向は移動するシステムに対する相対的な方向のみです（加速度計はシステムに固定され、システムと共に回転しますが、自身の向きは認識できないためです）。これは、目隠しをした乗客が車の中で、車が前進すると座席に押し付けられる感覚や、減速すると前方に引っ張られる感覚、坂道を加速して上る際に座席に押し付けられる感覚、坂の頂上を越えて下り始める際に座席から浮き上がる感覚を経験するのと似ています。この情報だけで、乗客は車が自分自身に対してどのように加速しているか、つまり、車に対して前、後ろ、左、右、上（車の天井方向）、下（車の床方向）のいずれに加速しているかを知ることができますが、地球に対する方向はわかりません。なぜなら、乗客は加速を感じた時点で車が地球に対してどの方向を向いていたかを知らないからです。
しかし、システムの現在の角速度と、移動システムに対して測定されたシステムの現在の線形加速度の両方を追跡することで、慣性座標系におけるシステムの線形加速度を決定することが可能です。正しい運動方程式を用いて慣性加速度を積分し（初期条件として元の速度を使用） 、システムの慣性速度を求め、さらに積分し（初期条件として元の位置を使用）、慣性位置を求めます。この例では、目隠しをした乗客が目隠しをされる前に車の向きと速度を知っていて、その後車がどのように旋回し、どのように加速・減速したかを追跡できる場合、いつでも車の現在の向き、位置、速度を正確に知ることができます。
慣性航法は、航空機、戦術ミサイル、戦略ミサイル、宇宙船、潜水艦、船舶の航法など、幅広い用途で使用されています。また、携帯電話の位置特定や追跡のために、一部の携帯電話にも組み込まれています。[ 5 ] [ 6 ]マイクロ電気機械システム（MEMS）の構築における最近の進歩により、小型軽量の慣性航法システムを製造することが可能になりました。これらの進歩により、人間や動物の動きのキャプチャなどの分野を含む、可能なアプリケーションの範囲が拡大しました。
慣性航法システムは、様々な移動物体に用いられている。しかし、そのコストと複雑さゆえに、実用化できる環境には制約が生じる。
慣性技術の最適な活用を支援するため、1965年には既にドイツで慣性センサーの技術ワーキンググループが設立され、慣性センサーのユーザー、メーカー、研究者が一堂に会しました。このワーキンググループは継続的に発展を遂げ、現在ではDGON ISA慣性センサーおよび応用シンポジウムとして知られ、60年以上にわたり慣性技術に関する主要な会議となっています。このDGON / IEEE ISAシンポジウムは、毎年10月にドイツで開催され、約200名の国際的な参加者が集まります。過去60年以上にわたるDGON ISA会議の出版物はすべて閲覧可能です。
すべての慣性航法システムは積分ドリフトの影響を受けます。加速度と角速度の測定における小さな誤差が、徐々に大きな速度誤差に積分され、それがさらに大きな位置誤差に発展します。[ 7 ] [ 8 ] 新しい位置は、以前に計算された位置と測定された加速度と角速度から計算されるため、これらの誤差は、初期位置が入力されてからの時間にほぼ比例して蓄積されます。標準誤差が 10 マイクログラムの最高の加速度計でも、17 分以内に 50 メートル (164 フィート) の誤差が蓄積されます。[ 9 ]したがって、位置は、他のタイプの航法システムからの入力によって定期的に修正する必要があります。
したがって、慣性航法は通常、他の航法システムを補完するために使用され、単一のシステムを使用した場合よりも高い精度を提供します。たとえば、地上での使用において、慣性追跡速度が停止によって断続的にゼロに更新されると、位置ははるかに長い時間正確なままになります。これは、いわゆるゼロ速度更新です。特に航空宇宙では、INSの不正確さを判断するために他の測定システムが使用されます。たとえば、Honeywell LaseRefV慣性航法システムは、GPSと航空データコンピュータの出力を使用して、必要な航法性能を維持します。航法誤差は、使用されるセンサーの感度が低いほど大きくなります。現在、姿勢および方位基準システムなど、さまざまなセンサーを組み合わせたデバイスが開発されています。航法誤差は主に角速度と加速度の数値積分によって影響を受けるため、圧力基準システムは、角速度測定値の1つの数値積分を使用するように開発されました。
推定理論全般、特にカルマンフィルタリング[ 10 ]は、さまざまなセンサーからの情報を組み合わせるための理論的枠組みを提供します。最も一般的な代替センサーの1つは、GPSなどの衛星ナビゲーション無線であり、空を直接視認できるあらゆる種類の車両に使用できます。屋内アプリケーションでは、歩数計、距離測定装置、またはその他の種類の位置センサーを使用できます。INSと他のシステム（ GPS ）からの情報を適切に組み合わせることで、位置と速度の誤差は安定します。さらに、車両がトンネルを通過するときなど、GPS信号が利用できない場合は、INSを短期的なフォールバックとして使用できます。
2011年、民間レベルでのGPS妨害が政府の懸念事項となった。[ 11 ]これらのシステムを妨害する能力が比較的容易であることから、軍はGPS技術へのナビゲーションの依存度を下げようとした。[ 12 ]慣性航法センサーはGPSとは異なり無線信号に依存しないため、妨害されることはない。[ 13 ] 2012年、米国陸軍研究所は、10組のMEMSジャイロスコープと加速度計（および時折のGPS）からの測定値を統合し、発射体の位置誤差を3分の2削減する方法を報告した。このアルゴリズムは、GPSと銃の発射加速度力に基づくヒューリスティックの両方を使用して、個々のセンサーの系統的バイアスを補正することができる。1つのセンサーが距離を一貫して過大評価または過小評価する場合、システムは最終計算に対するその破損したセンサーの寄与を調整することができる。[ 14 ]
慣性航法システムは、もともとロケット用に開発されたものです。アメリカのロケット工学のパイオニアであるロバート・ゴダードは、原始的なジャイロスコープシステムを用いた実験を行いました。ゴダードのシステムは、ヴェルナー・フォン・ブラウンをはじめとする当時のドイツのパイオニアたちから大きな関心を集めました。これらのシステムは、宇宙船、誘導ミサイル、そして民間航空機の登場とともに、より広く利用されるようになりました。
第二次世界大戦 初期のドイツのV2誘導システムは、 2つのジャイロスコープと横方向加速度計を単純なアナログコンピュータと組み合わせて、飛行中のロケットの方位角を調整した。アナログコンピュータ信号は、飛行制御のためにロケット排気口内の4つのグラファイト舵を駆動するために使用された。V2のGN&C（誘導、航法、制御）システムは、閉ループ誘導を備えた統合プラットフォームとして多くの革新をもたらした。戦争の終わりに、フォン・ブラウンは、計画と試験機とともに、彼のトップロケット科学者500人をアメリカに降伏させた。彼らはペーパークリップ作戦の規定により1945年にテキサス州フォートブリスに到着し、その後1950年にアラバマ州ハンツビルに移送され[ 15 ]、そこでアメリカ陸軍のロケット研究プログラムに従事した。
1950年代初頭、米国政府は、完全国産のミサイル誘導プログラムの開発を含む軍事用途において、ドイツチームへの過度な依存から自国を守りたいと考えていた。MIT計装研究所（後にチャールズ・スターク・ドレイパー研究所となる）は、空軍西部開発部によって、新型アトラス大陸間弾道ミサイル用のサンディエゴのコンベア社への自己完結型誘導システムのバックアップを提供するよう選ばれた[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]（構築と試験はAmBosch ArmaのArma部門によって完了した）。MITの任務の技術監督者は、後にNASA長官を務めたエンジニアのジム・フレッチャーであった。アトラスの誘導システムは、機上自律システムと地上ベースの追跡およびコマンドシステムの組み合わせとなる予定だった。自己完結型システムは、明白な理由から、最終的に弾道ミサイル用途で優勢となった。宇宙探査では、この2つの組み合わせが残っている。
1952年の夏、リチャード・バッティン博士とJ・ハルコム・“ハル”・ラニング・ジュニア博士は、誘導に関する計算機ベースのソリューションを研究し、1954年にアトラス慣性誘導に関する最初の解析作業に着手した。コンベア社の他の主要人物としては、チーフエンジニアのチャーリー・ボッサートと、誘導グループの責任者であるウォルター・シュヴァイデツキーがいた。シュヴァイデツキーは第二次世界大戦中、ペーネミュンデでフォン・ブラウンと共に働いていた。
初期のデルタ誘導システムは、基準軌道からの位置の差を評価しました。速度増加量（VGO）の計算が行われ、VGOをゼロにすることを目的として現在の軌道が修正されます。このアプローチの数学的原理は基本的に正しかったのですが、正確な慣性誘導とアナログ計算能力の課題のために放棄されました。デルタの取り組みが直面した課題は、Qシステム（Q誘導を参照）の誘導によって克服されました。Qシステムの革新は、ミサイル誘導（および関連する運動方程式）の課題を行列Qにまとめたことです。Q行列は、位置ベクトルに関する速度の偏微分を表します。このアプローチの重要な特徴は、ベクトル外積（v、xdv、/dt）の成分を基本的なオートパイロットレート信号として使用できることであり、この技術は外積操舵として知られるようになりました。 Qシステムは、1956年6月21日と22日にロサンゼルスのラモ・ウールドリッジ社で開催された第1回弾道ミサイル技術シンポジウムで発表された。Qシステムは1960年代まで機密情報であった。この誘導システムの派生型は、今日のミサイルにも使用されている。
1961年2月、NASAはアポロ計画の誘導・航法システムの予備設計研究の契約をMITに授与した。MITとゼネラルモーターズ社のデルコ・エレクトロニクス部門は、司令船と月着陸船のアポロ誘導・航法システムの設計と製造の共同契約を獲得した。デルコはこれらのシステムのIMU（慣性計測装置）を製造し、コルズマン・インストゥルメント社は光学システムを製造し、アポロ誘導コンピュータはレイセオンが下請けで製造した。 [ 20 ] [ 21 ]
スペースシャトルでは、打ち上げから固体ロケットブースター（SRB）分離までシャトルを誘導するためにオープンループ誘導が使用されました。SRB分離後のスペースシャトルの主要な誘導はPEG（Powered Explicit Guidance）と呼ばれます。PEGは、Qシステムと、元の「デルタ」システムの予測子・修正子属性の両方を考慮に入れています（PEG誘導）。過去30年間でシャトルの航法システムに多くの更新が行われましたが（例：OI-22ビルドでのGPS）、シャトルGN&Cシステムの誘導コアはほとんど進化していません。有人システムでは、誘導システムに人間インターフェースが必要です。宇宙飛行士はシステムの顧客であるため、GN&Cは機体を「操縦」するための主要なインターフェースであるため、GN&Cに関わる多くの新しいチームが編成されました。
商用航空機で広く使われていた慣性航法装置（INS）の一例として、デルコ・カルーセルが挙げられる。これは、完全な飛行管理システムが普及する以前の時代に、航法の部分的な自動化を実現した。カルーセルでは、パイロットは一度に9つのウェイポイントを入力でき、INSを使って航空機の位置と速度を判定することで、ウェイポイント間を航空機を誘導することができた。ボーイング社は、ゼネラルモーターズのデルコ・エレクトロニクス部門に、747型機の初期モデル（-100、-200、-300）向けに最初の量産型カルーセル・システムの設計と製造を委託した。747型機は、信頼性を高めるために3つのカルーセル・システムを連携させて使用していた。カルーセル・システムとその派生型は、その後、他の多くの商用機や軍用機にも採用された。 USAFのC-141は、デュアルシステム構成でカルーセルを使用した最初の軍用機であり、続いて747と同様のトリプルINS構成を使用したC-5Aが登場した。KC-135A機体には、スタンドアロンINSとして動作することも、AN/APN-81またはAN/APN-218ドップラーレーダーで補助することもできるシングルカルーセルIV-Eシステムが搭載されていた。C-135の特殊任務用派生型には、デュアルカルーセルIV-E INSが搭載されていた。ARINC特性704は、商用航空輸送で使用されるINSを定義している。
INS（慣性航法システム）には、角度加速度計と線形加速度計（位置の変化を計測するため）を備えた慣性計測装置（IMU）が含まれています。一部のIMUには、絶対的な角度基準を維持するため、ジャイロスコープ要素が含まれています。
角度加速度計は、機体が空間内でどのように回転しているかを測定します。一般的に、ピッチ（機首の上下）、ヨー（機首の左右）、ロール（操縦席から見て時計回りまたは反時計回り）の3軸それぞれに少なくとも1つのセンサーが搭載されています。
線形加速度計は、車両の非重力加速度[ 22 ]を測定します。車両は3軸（上下、左右、前後）に動くことができるため、各軸に線形加速度計があります。
コンピュータは車両の現在位置を継続的に計算します。まず、6つの自由度（x、y、z、およびθx 、 θy 、 θz ）それぞれについて、感知した加速度と重力の推定値を時間積分して現在の速度を計算します。次に、その速度を積分して現在の位置を計算します。
慣性誘導はコンピュータなしでは困難である。ミニットマンミサイルやアポロ計画で慣性誘導を利用したいという要望が、コンピュータの小型化に向けた初期の試みを促した。
慣性誘導システムは現在、デジタルフィルタリングシステムを介して衛星航法システムと組み合わされるのが一般的である。慣性システムは短期的なデータを提供し、衛星システムは慣性システムの累積誤差を補正する。
地球表面付近で動作する慣性誘導システムは、車両が場所から場所へと移動する際に、プラットフォームが地球の中心を指し続けるように、シューラーチューニングを組み込む必要がある。
システムによっては、リニア加速度計をジンバル式ジャイロ安定化プラットフォームに搭載するものもあります。ジンバルは3つのリングからなり、各リングには当初直角に配置された一対のベアリングが備わっています。これにより、プラットフォームは任意の回転軸を中心に回転できます（正確には、車両がプラットフォームの周りを回転しても、プラットフォームの向きは変わりません）。プラットフォームには（通常） 2つのジャイロスコープが搭載されています。
ジャイロスコープの歳差運動、すなわち入力トルクに対して直角方向にねじれる傾向を打ち消すために、2つのジャイロスコープが使用されます。同じ回転慣性モーメントを持ち、同じ速度で逆方向に回転する一対のジャイロスコープを直角に配置することで、歳差運動が打ち消され、プラットフォームのねじれが抑制されます。
このシステムでは、車両のロール角、ピッチ角、ヨー角をジンバルのベアリングで直接測定できます。線形加速度計の方向は変化しないため、比較的シンプルな電子回路で線形加速度を合計できます。
この方式の大きな欠点は、高価な精密機械部品を多数使用することです。また、摩耗したり詰まったりする可能性のある可動部品があり、ジンバルロックが発生しやすいという問題もあります。アポロ宇宙船の主誘導システムは、 3軸ジャイロ安定化プラットフォームを使用し、アポロ誘導コンピュータにデータを送信していました。ジンバルロックを回避するために、操縦は慎重に計画する必要がありました。
ジンバルロックは操縦性を制限するため、ジンバルのスリップリングとベアリングをなくすことが有益です。そのため、一部のシステムでは、流体ベアリングまたは浮力チャンバーを使用してジャイロ安定化プラットフォームを取り付けています。これらのシステムは非常に高い精度を実現できます（例：Advanced Inertial Reference Sphere）。すべてのジャイロ安定化プラットフォームと同様に、このシステムも比較的低速で低電力のコンピュータで良好に動作します。
流体軸受は、加圧された不活性ガス（ヘリウムなど）またはオイルがプラットフォームの球殻に押し付けられる穴の開いたパッドです。流体軸受は非常に滑りやすく、球状のプラットフォームは自由に回転できます。通常、プラットフォームを支えるために、4つの軸受パッドが四面体状に配置されています。
高性能システムでは、角度センサーは通常、フレキシブルプリント基板上に帯状に成形された特殊なトランスコイルです。複数のコイルストリップが、ジャイロ安定化プラットフォームの球殻の周囲に大円状に配置されています。プラットフォーム外部の電子機器は、同様の帯状トランスを使用して、球状プラットフォームの周囲に巻き付けられたトランスによって生成される変動磁場を読み取ります。磁場の形状が変化したり移動したりすると、外部トランスストリップ上のコイルのワイヤが切断されます。この切断によって外部の帯状コイルに電流が発生し、電子機器はその電流を測定することで角度を算出します。
安価なシステムでは、バーコードを使って向きを検知し、太陽電池や単一の変圧器でプラットフォームに電力を供給することがある。小型ミサイルの中には、窓からの光や光ファイバーを通してモーターに電力を供給するものもある。排気ガスの圧力でプラットフォームを浮遊させるという研究テーマもある。データは変圧器、あるいは外部フォトダイオードと通信するLEDを介して外部に送信される。
軽量デジタルコンピュータにより、ジンバルを不要にすることができ、ストラップダウンシステムと呼ばれる方式が実現します。これは、センサーを車両にストラップで固定するだけのシンプルな方式です。これにより、コスト削減、ジンバルロックの解消、一部のキャリブレーションの不要化、可動部品の削減による信頼性の向上が図られます。レートジャイロと呼ばれる角速度センサーは、車両の角速度を測定します。
ストラップダウンシステムは、ジンバルシステムに比べて数百倍もの動的計測範囲を必要とします。つまり、ピッチ、ロール、ヨーといった車両の姿勢変化だけでなく、全体的な動きも統合する必要があるのです。ジンバルシステムは通常、50～ 60Hzの更新レートで十分ですが、ストラップダウンシステムは通常約2000Hzの更新レートを 必要とします。この高いレートは、ナビゲーションシステムが角速度を姿勢に正確に統合するために必要です。
関係するデータ更新アルゴリズム（方向余弦または四元数）は複雑すぎて、デジタル電子機器以外では正確に実行できない。しかし、デジタルコンピュータは現在では非常に安価で高速であるため、レートジャイロシステムを実用的に使用し、大量生産することが可能になっている。アポロ月着陸船は、バックアップの緊急脱出誘導システム（AGS）にストラップダウンシステムを採用していた。
ストラップダウンシステムは現在、商用および軍事用途（航空機、船舶、ROV、ミサイルなど）で広く使用されています。最先端のストラップダウンシステムは、リングレーザージャイロスコープ、光ファイバージャイロスコープ、または半球共振器ジャイロスコープをベースとしています。これらのシステムは、デジタル電子回路とカルマンフィルターなどの高度なデジタルフィルタリング技術を使用しています。
ジャイロスコープシステムの向きは、位置情報の履歴（例えばGPS）から簡単に推測できる場合もある。これは特に航空機や自動車の場合に当てはまり、速度ベクトルは通常、車両本体の向きを示している。
例えば、ハネウェルのAlign in Motion [ 23 ]は、航空機が空中または地上で移動中に初期化を行う初期化プロセスです。これはGPSと慣性妥当性テストを使用して行われ、商用データ整合性要件を満たすことができます。このプロセスは、最大18時間の民間飛行時間において、静止アライメント手順と同等の純粋なINS性能を回復できることがFAAによって認証されています。これにより、航空機にジャイロスコープのバッテリーを搭載する必要がなくなります。
自動車向けに設計された低価格のナビゲーションシステムでは、振動構造ジャイロスコープを用いて方位の変化を検出し、オドメーターピックアップを用いて車両の走行距離を測定する場合があります。このタイプのシステムは、ハイエンドの慣性航法システム（INS）に比べて精度ははるかに劣りますが、GPSが主要なナビゲーションシステムであり、建物や地形が衛星信号を遮った場合にGPSの受信範囲の空白を埋めるために推測航法が必要となる、一般的な自動車用途には十分です。
半球状の共振構造に定在波を誘起し、その共振構造を回転させると、コリオリ力によって球面調和定在波は水晶共振器構造とは異なる角度だけ回転します。定在波パターンに対する外側ケースの動きは全回転角に比例し、適切な電子回路で検出できます。システムの共振器は、優れた機械的特性を持つ溶融水晶から機械加工されています。定在波を駆動および検出する電極は、共振器を囲む個別の水晶構造に直接堆積されます。これらのジャイロは、全角度モード（ほぼ無制限の速度制御が可能）または、定在波をジャイロハウジングに対して固定された向きに保持する力再平衡モード（精度が大幅に向上）のいずれかで動作できます。
このシステムは可動部品がほとんどなく、非常に高精度です。しかし、精密に研磨された中空石英半球のコストがかかるため、依然として比較的高価です。ノースロップ・グラマンは現在、HRGを使用する宇宙船用のIMU（慣性計測装置）を製造しています。これらのIMUは、1996年の最初の使用以来、非常に高い信頼性を実証しています。[ 24 ]サフランは、幅広い用途に特化したHRGベースの慣性航法システムを多数製造しています。 [ 25 ]
これらの製品には「音叉型ジャイロ」が含まれます。ここでいうジャイロは、電子駆動式の音叉として設計されており、多くの場合、単一の水晶またはシリコンから製造されます。このようなジャイロは、並進運動する物体に角度変化が加わるとコリオリ力が発生するという動力学理論に基づいて動作します。
このシステムは通常、シリコンチップ上に集積されています。質量バランスの取れた2つの水晶音叉が、力が相殺されるように「柄と柄を向かい合わせ」に配置されています。音叉と下地のチップ上に蒸着されたアルミニウム電極が、音叉の動きを駆動し、同時に感知します。このシステムは製造が容易で、しかも安価です。水晶は寸法安定性に優れているため、高い精度を実現できます。
フォークがハンドルの軸を中心に回転すると、フォークの歯の振動は同じ運動平面内で継続する傾向があります。この動きは、歯の下にある電極からの静電気力によって抑制される必要があります。フォークの2つの歯の間の静電容量の差を測定することで、システムは角運動の速度を決定できます。
最新の非軍事技術（2005年時点）)は、人間の体の動きを測定できる小型の固体センサーを製造できます。これらのデバイスには可動部品がなく、重さは約50グラム（2オンス）です。
同じ物理原理を用いた固体素子は、小型カメラやビデオカメラの画像安定化に使用されています。これらは非常に小さく、約5ミリメートル（0.20インチ）程度で、マイクロ電気機械システム（MEMS）技術で製造されています。[ 26 ]
磁気流体力学の原理に基づいたセンサーは、角速度を測定するために使用できる。
MEMSジャイロスコープは通常、コリオリ効果を利用して角速度を測定します。シリコンに取り付けられた共振する慣性質量で構成されています。ジャイロスコープは、加速度計とは異なり、アクティブセンサーです。慣性質量は駆動コームによって前後に押されます。ジャイロスコープの回転により、質量に作用するコリオリ力が発生し、異なる方向への動きが生じます。この方向への動きは電極によって測定され、回転速度を表します。[ 27 ]
リングレーザージャイロ（RLG）は、温度安定性の高いセルビットガラス製の三角形ブロックの周囲にある閉じた円形の光路内の狭いトンネルを通して、レーザー光線を反対方向に2つのビームに分割します。各角には反射鏡が配置されています。ジャイロが一定の角速度で回転すると、各ビームが進む距離が異なり、短い方の経路は回転方向とは逆になります。2つのビーム間の位相差は干渉計で測定でき、回転速度に比例します（サニャック効果）。
実際には、低回転速度では、後方散乱によってビームが同期し、ロックされるため、出力周波数がゼロになることがあります。これはロックイン、またはレーザーロックと呼ばれます。その結果、干渉パターンに変化がなく、したがって測定値にも変化がありません。
逆回転する光ビームを分離するために、レーザージャイロは2つの方向に対して独立した光路を備えているか（通常は光ファイバージャイロの場合）、またはレーザージャイロが圧電ディザモーターに取り付けられており、ロックイン領域でレーザーリングを入力軸を中心に高速で往復振動させて光波を分離します。
シェーカー式ジャイロスコープは、両方の光線が全く同じ経路を通るため、最も精度が高い。したがって、レーザー式ジャイロスコープは可動部品を備えているものの、シェーカー式ほど大きくは動かない。
光ジャイロスコープのより新しいバリエーションである光ファイバージャイロスコープ（FOG）は、外部レーザーと、数キロメートルにも及ぶ長い光ファイバーフィラメントのスプール内を互いに逆方向に伝搬する（対向伝搬する）2つのビームを使用し、ファイバースプールを通過した後の2つのビームの位相差を比較します。
基本的なメカニズム、すなわち単色レーザー光が反対方向に伝搬することとサニャック効果は、FOGとRLGで同じですが、FOGのエンジニアリングの詳細は、従来のレーザージャイロとは大きく異なります。
光ファイバーコイルの精密な巻き付けは、光が反対方向に伝わる経路が可能な限り類似するようにするために必要です。FOGはレーザーリングジャイロよりも複雑なキャリブレーションを必要とするため、FOGの開発と製造はRLGよりも技術的に困難です。しかし、FOGは低速時にレーザーロックの影響を受けず、可動部品も必要としないため、同等のRLGと比較して、FOGの最大精度と寿命が向上します。
基本的な開ループ型加速度計は、ばねに取り付けられた質量体で構成されています。質量体はばねに沿ってのみ動くように拘束されています。加速度によって質量体がたわみ、その変位距離が測定されます。加速度は、たわみ距離、質量、およびばね定数の値から算出されます。振動を避けるために、システムは減衰させる必要もあります。閉ループ型加速度計は、フィードバックループを使用してたわみを相殺し、質量体をほぼ静止状態に保つことで、より高い性能を実現します。質量体がたわむたびに、フィードバックループによって電気コイルが質量体に同じ大きさの負の力を加え、動きを相殺します。加速度は、加えられた負の力の量から算出されます。質量体がほとんど動かないため、ばねと減衰システムの非線形性の影響が大幅に軽減されます。さらに、この加速度計は、センシング素子の固有振動数を超える帯域幅を提供します。
どちらのタイプの加速度計も、シリコンチップ上に集積されたマイクロマシンとして製造されている。
DARPAのマイクロシステム技術局（MTO）部門は、GPS支援ナビゲーションなしで単一チップ上で絶対位置追跡を行うタイミング＆慣性計測ユニット（TIMU）チップを設計するためのマイクロPNT（位置、ナビゲーション、タイミングのためのマイクロテクノロジー）プログラムに取り組んでいます。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
Micro-PNT adds a highly accurate master timing clock[31] integrated into an IMU (Inertial Measurement Unit) chip, making it a Timing & Inertial Measurement Unit chip. A TIMU chip integrates 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer and 3-axis magnetometer together with a highly accurate master timing clock, so that it can simultaneously measure the motion tracked and combine that with timing from the synchronized clock.[28][29]
In one form, the navigational system of equations acquires linear and angular measurements from the inertial and body frame, respectively and calculates the final attitude and position in the NED frame of reference.
Where f is specific force, is angular rate, a is acceleration, R is position, and V are velocity, is the angular velocity of the earth, g is the acceleration due to gravity, and h are the NED location parameters. Also, super/subscripts of E, I and B are representing variables in the Earth centered, inertial or body reference frame, respectively and C is a transformation of reference frames.
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