本文研究内容是为某小型无人机研制一款姿态测量系统，完成无人机姿态角的实时解算，为姿态稳定回路提供所需的测量反馈。基于小型化、低功耗和低成本的考虑，论文采用中等精度的MIMU与GPS组合进行无人机姿态的测量。针对小型无人机高机动飞行的特点，使用GPS导出的机体运动加速度补偿加速度计输出。用补偿后所得的重力场分量和重力场、磁场解算得到的航向角作为观测量，并将四元数微分方程作为状态方程建立扩展卡尔曼滤波器，实现对无人机姿态角的滤波估计。组合后的测姿系统克服了陀螺测姿随时间发散、不能长期使用的缺点，实现了无人机高机动、长航时飞行的精确测姿功能。为获得机动状态下，无人机重力加速度沿机体三轴的分量，论文对GPS导出加速度方法进行了研究。采用伪距率差分解算加速度，并使用渐消卡尔曼滤波器进行滤波，提高了机动状态下机体运动加速度的测量精度。从加速度计输出值中补偿掉运动加速度、哥式加速度和法向加速度，进而获得机动状态下机体重力加速度沿机体三轴的分量。一般情况下，MEMS陀螺测量精度较低，为提高系统的测量精度，论文采用Allan方差分析法分析了各误差项对陀螺随机误差的影响，为姿态解算过程中陀螺的随机误差模型的建立提供了依据。论文还通过渐消卡尔曼滤波器对陀螺的随机误差进行了补偿，解决了机动状态下使用常规卡尔曼滤波补偿效果不理想的问题。论文采用模块化的设计思想，进行各模块的软件设计，实现了无人机机动和非机动飞行、GPS失锁和有效等状态下的系统兼容，保证了不同飞行状态和条件下系统对无人机姿态的精确测量。论文应用基于“DSP+MIMU+GPS-OEM板”架构形式的嵌入式航姿系统硬件平台，并在此硬件平台上，采用论文所设计的测姿方法进行了模拟飞行试验，达到了预期的目标。