随着军用技术及工业技术的不断发展,人们对于导航精度的要求越来越高,对于姿态测量的精确性要求越来越高,因此高精度姿态测量技术的发展越来越受到重视。本文针对姿态测量系统的高精度需求,基于姿态测量的基础理论,提出了低成本的具有较高精度的姿态测量系统设计方案,将加速度计、陀螺仪和GPS结合使用,利用GPS输出的准确位置速度值计算得到精确的位置矩阵和位置速率,再与陀螺仪输出计算四元数、姿态矩阵,从而得到姿态角。当GPS失效时,则由加速度计和陀螺仪输出进行姿态解算。并将高精度的GPS输出的位置速度信息作为外部量测值输入,应用扩展卡尔曼滤波算法进行误差估计进行误差补偿。姿态测量系统主要包括数据采集子系统和姿态解算子系统。数据采集子系统主要包括FPGA核心控制器、惯性测量单元(IMU)和GPS接收单元。惯性测量单元输出加速度计和陀螺仪数据,GPS接收单元输出位置速度数据,FPGA模拟SPI接口和UART接口实现IMU和GPS的多路数据同时采集。姿态解算子系统以DSP作为核心控制器,负责姿态解算及运用卡尔曼滤波算法得到姿态信息。本文设计了纯捷联式姿态解算算法和基于扩展卡尔曼滤波的姿态解算算法。根据卡尔曼滤波算法基础理论,推导出姿态测量系统的状态方程和量测方程。并对运用姿态解算算法解算出的姿态角误差进行仿真分析,验证了姿态测量系统高精度姿态测量的可行性。系统姿态解算得到的姿态信息通过UART接口发送至上位机显示界面进行实时显示,本文设计了基于LabVIEW的串口通信界面,并进行了数据的自收自发测试及数据接收测试,验证了此设计的正确性。本文完成了高精度姿态测量系统的方案设计以及系统软硬件开发方案设计和调试,对系统进行了整机测试,验证了系统方案的可行性。并通过对姿态测量系统进行静态测试和动态测试,验证了系统在静态和动态环境下均能实现高精度姿态测量。