miniaturadaimagem|Unidade de medida inercial do Míssil S3, Museu do Ar e do Espaço Paris, Le Bourget, França. O sistema de navegação inercial (do inglês: Inertial Navigation System, INS), também conhecido como plataforma inercial, é capaz de localizar o norte geográfico pela rotação da Terra a partir de giroscópios e acelerômetros. Permite-se então obter um plano de referência estabilizado, já que determina os movimentos nos 3 eixos de uma plataforma lançadora de um projétil.
Através desse sistema é facilitado o cálculo das coordenadas de lançamento, desde estes são levados a cabo de acordo com uma plataforma estacionária e seu resultado é corrigido em função do movimento da plataforma nos 3 eixos.
Em um navio, tanque, míssil ou avião, os movimentos produzidos pelas oscilações em resposta às irregularidades do terreno ou às mudanças de inclinação, como é o caso, complicam o cálculo de predição da posição futura do objetivo e do próprio navio. Isto é simplificado notavelmente ao trabalhar em uma plataforma estabilizada.
O sistema utiliza-se de giroscópios, acelerômetros, plataforma de inércia e computador para medir acelerações espaciais conhecidas e determinar a posição em relação ao ponto de partida em latitude e longitude. É utilizado também nas estimativas das direções na perfuração de um poço de petróleo.
Esta tecnologia cede lugar a sistemas mais precisos e compactos como o sistema de navegação por satélite (GPS).
História Os sistemas de navegação inercial foram originalmente desenvolvidos para foguetes. O pioneiro da astronáutica norte-americana Robert Goddard realizou experimentos com sistemas giroscópicos rudimentares. Os trabalhos de Goddard despertaram grande interesse entre os pesquisadores alemães da época, incluindo Wernher von Braun. O emprego desses sistemas difundiu-se posteriormente com o advento das espaçonaves, dos mísseis guiados e da aviação comercial.
Durante a Segunda Guerra Mundial, os primitivos sistemas de orientação do foguete V-2 combinavam dois giroscópios e um acelerômetro lateral a um computador analógico simples para ajustar o azimute do míssil em voo. Sinais elétricos emitidos pelo computador analógico acionavam quatro lemes de grafite posicionados na corrente de exaustão do motor para o controle de atitude. O sistema de orientação, navegação e controle (GNC) do V-2 introduziu inovações cruciais como uma plataforma integrada operando com guiamento em malha fechada. Com o fim do conflito, von Braun articulou a rendição de quinhentos de seus principais cientistas aos Aliados, além de projetos técnicos e veículos de teste. A equipe foi transferida para Fort Bliss, no Texas, em 1945, no âmbito da Operação Paperclip, sendo posteriormente deslocada para Huntsville, no Alabama, em 1950, onde passou a atuar nos programas de pesquisa de foguetes do Exército dos Estados Unidos.
No início da década de 1950, o governo norte-americano buscou mitigar a dependência excessiva em relação aos técnicos alemães para aplicações militares estratégicas, impulsionando um programa doméstico de orientação inercial. O Laboratório de Instrumentação do MIT (posteriormente denominado Laboratório Charles Stark Draper) foi designado pela Divisão de Desenvolvimento Ocidental da Força Aérea para conceber um sistema autônomo de orientação de reserva para a fabricante Convair em San Diego, destinado ao míssil balístico intercontinental Atlas (a manufatura e a testagem foram executadas pela divisão Arma da American Bosch Arma). O supervisor técnico do projeto no MIT foi o engenheiro James C. Fletcher, que mais tarde atuaria como administrador da NASA. O guiamento do Atlas combinava um sistema inercial autônomo a bordo com rastreamento e comandos enviados a partir do solo. Para mísseis balísticos estratégicos, a navegação puramente autônoma acabou por se consolidar; já na exploração espacial, a integração mista entre dados de bordo e solo manteve-se indispensável.
No verão de 1952, os pesquisadores Richard Battin e J. Halcombe "Hal" Laning Jr. estudaram formulações numéricas para o controle de trajetória e iniciaram a análise teórica da orientação inercial do Atlas em 1954. Outras figuras de relevo na Convair foram Charlie Bossart, engenheiro-chefe, e Walter Schweidetzky, chefe da divisão de orientação, que havia colaborado diretamente com von Braun em Peenemünde durante a guerra.
O método preliminar denominado "orientação Delta" mensurava os desvios de posição em relação a uma trajetória nominal pré-calculada. O sistema computava a "velocidade a ser ganha" (VGO, do inglês velocity to be gained) para corrigir a trajetória, buscando zerar o vetor VGO. Embora a modelagem matemática fosse válida, a técnica foi preterida devido às limitações mecânicas da época e à baixa capacidade de cálculo dos computadores analógicos. Os gargalos do método Delta foram solucionados pelo sistema de Orientação Q. A inovação do sistema Q consistiu em articular as equações de movimento do foguete por meio da matriz Q, que expressa as derivadas parciais da velocidade em relação ao vetor posição. Esse formalismo permitiu que as componentes do produto vetorial da velocidade ($\mathbf{v} \times \frac{d\mathbf{v}}{dt}$) fossem convertidas em comandos de taxa angular para o piloto automático, técnica conhecida como pilotagem por produto vetorial (cross-product steering). O sistema Q foi apresentado no primeiro Simpósio Técnico sobre Mísseis Balísticos, realizado nas dependências da Ramo-Wooldridge Corporation em Los Angeles em 21 e 22 de junho de 1956, permanecendo classificado sob sigilo de segurança nacional ao longo de toda a década de 1960. Variantes derivadas desse modelo de orientação continuam em uso na balística contemporânea.
Orientação em voos espaciais tripulados thumb|Unidade de Medição Inercial (IMU) utilizada no Programa Apollo. Em fevereiro de 1961, a NASA concedeu ao MIT o contrato para o projeto preliminar do sistema de navegação e orientação do Programa Apollo. O consórcio formado pelo MIT e pela divisão Delco Electronics da General Motors assumiu a responsabilidade pelo desenvolvimento e produção dos sistemas do Módulo de Comando e do Módulo Lunar. A Delco fabricou as Unidades de Medição Inercial (IMUs), a Kollsman Instrument Corporation produziu os sistemas ópticos de alinhamento e o Computador de Orientação da Apollo foi manufaturado pela Raytheon sob subcontrato.Dave Hoag, "Apollo on-board guidance, navigation and control system", International Space Hall of Fame Dedication Conference, Alamogordo, N.M., outubro de 1976.
No Ônibus Espacial, um algoritmo de controle em malha aberta regia a trajetória desde a ignição na plataforma até a separação dos propulsores de combustível sólido (SRBs). A partir dessa etapa, a orientação passava a ser conduzida pelo algoritmo PEG (Powered Explicit Guidance). O sistema PEG combinava princípios da formulação da matriz Q com preditores-corretores herdados do conceito Delta. Não obstante as frequentes modernizações de aviônica ao longo de três décadas de operação (como a integração de receptores GPS), o núcleo de cálculo inercial da espaçonave sofreu poucas alterações. Tratando-se de um veículo tripulado, a interface homem-máquina demandou protocolos dedicados para permitir que a tripulação interagisse diretamente com os sistemas de voo.
Uso pioneiro na orientação inercial de aeronaves Um marco na aplicação de sistemas inerciais civis foi o Delco Carousel, que viabilizou a automação parcial da rota aérea antes da ampla disseminação dos modernos sistemas de gerenciamento de voo (FMS). O Carousel permitia que os pilotos inserissem até nove coordenadas de balizamento (waypoints) sucessivas, guiando a aeronave entre cada ponto por integração inercial de velocidade e posição. A Boeing contratou a Delco Electronics para produzir as unidades que equiparam os primeiros modelos (-100, -200 e -300) do Boeing 747. O 747 operava com três sistemas Carousel independentes em votação cruzada para garantir redundância e tolerância a falhas.
A família Carousel e seus derivados foram subsequentemente adotados por diversos operadores militares e comerciais. O cargueiro C-141 da Força Aérea dos Estados Unidos foi o primeiro modelo militar a adotar uma configuração dupla do Carousel, seguido pelo C-5A, que adotou a configuração tripla análoga à do 747. A frota de reabastecedores KC-135A foi equipada com o sistema Carousel IV-E, capaz de operar de forma autônoma ou acoplado a radares Doppler AN/APN-81 ou AN/APN-218. A especificação técnica ARINC 704 estabeleceu os padrões industriais para a operação de unidades inerciais na aviação comercial regular. Esquemas básicos
Plataformas giroestabilizadas com suspensão cardan thumb|Plataforma giroestabilizada com suspensão cardan da Unidade de Medição Inercial (IMU) do Programa Apollo. Alguns sistemas instalam os acelerômetros lineares sobre uma plataforma giroestabilizada articulada por cardans (gimbals). Os cardans consistem em um conjunto de três anéis concêntricos, cada um dotado de um par de mancais inicialmente posicionados em ângulos retos. Esse arranjo permite que a plataforma gire em relação a qualquer eixo de rotação (ou, mais precisamente, permite que a plataforma conserve sua orientação no espaço inercial enquanto o veículo gira ao seu redor). Geralmente, são instalados dois giroscópios sobre a referida plataforma.
O emprego de dois giroscópios visa anular a precessão giroscópica, que é a tendência física de um giroscópio de se inclinar em ângulo reto em relação ao torque de entrada aplicado. Ao montar um par de giroscópios (com o mesmo momento de inércia rotacional e girando à mesma velocidade angular em direções opostas) em ângulos retos, as precessões se cancelam mutuamente e a plataforma resiste a torções espúrias.
Essa arquitetura viabiliza que os ângulos de rolamento (roll), arfagem (pitch) e guinada (yaw) do veículo sejam mensurados diretamente nos mancais dos cardans. Circuitos eletrônicos relativamente simples podem ser utilizados para integrar as acelerações lineares, visto que os eixos de referência dos acelerômetros lineares não mudam de direção no espaço.
A principal desvantagem deste esquema reside na dependência de numerosas peças mecânicas móveis de altíssima precisão e custo elevado. Além de possuir componentes sujeitos a desgaste ou emperramento, o sistema é vulnerável ao fenômeno de bloqueio de cardan (gimbal lock). O sistema primário de orientação e navegação (PGNCS) da espaçonave Apollo utilizava uma plataforma giroestabilizada de três eixos, enviando dados telemétricos ao Computador de Orientação da Apollo. As manobras orbitais tinham de ser planejadas com extrema cautela para evitar a ocorrência de bloqueio de cardan.
Plataformas giroestabilizadas suspensas por fluido O bloqueio de cardan impõe restrições severas às manobras, tornando altamente vantajosa a eliminação de anéis coletores e mancais mecânicos. Por conseguinte, alguns sistemas utilizam mancais hidrostáticos/pneumáticos ou uma câmara de flotação líquida para sustentar a plataforma giroestabilizada. Esses conjuntos atingem precisão extrema (a exemplo da Esfera de Referência Inercial Avançada — AIRS). Assim como outras plataformas giroestabilizadas, o sistema opera adequadamente com computadores de processamento lento e baixo consumo energético.
Os mancais de fluido consistem em sapatas perfuradas através das quais gás inerte pressurizado (como o hélio) ou óleo é injetado contra a carcaça esférica da plataforma. Os mancais proporcionam atrito quase nulo, permitindo que a esfera flutue e gire livremente. Tipicamente, utilizam-se quatro sapatas de apoio montadas em arranjo tetraédrico para suportar o conjunto.