本文针对微小型无人机的姿态估计问题,提出了一套航向姿态参考系统设计方法。以处理器集成陀螺仪、加速度计、磁强计9自由度微机电系统传感器,通过软件及硬件两方面的设计,最终完成了航向姿态参考系统的研发工作。论文的主要工作如下:首先,对航向姿态参考系统进行需求分析,从需求出发确定了系统输出姿态角的精度、范围。提出了系统的软件开发方案,根据系统的体积、功耗、成本等方面因素对系统的微处理器及传感器进行选型,并围绕选型给出了系统的硬件设计方案。其次,对系统的姿态测量方法进行了理论分析,对系统所涉及的坐标系与姿态角进行了定义,通过Allan方差分析法对陀螺仪的性能指标进行分析。对基本卡尔曼滤波算法与广义卡尔曼滤波算法进行了公式推导,对比研究了直接法滤波与间接法滤波之间的差异,提出了量测方程矩阵的自适应处理方法及载体在加速运动状态下的姿态测量办法,并对姿态解算算法进行了仿真验证,通过对仿真结果的分析确定以直接法滤波作为本文的姿态解算方法。然后,对系统的软件进行了详细设计,提出了传感器输出模型标定与误差补偿方法,有效地提高了传感器输出精度。利用Simulink对系统的姿态解算算法进行模块化设计,并利用模型规范化工具对模型进行优化与验证。最后,对航向姿态参考系统进行了工程实现,设计系统微处理器与传感器外围电路,编写微处理器底层驱动,优化代码执行效率,通过Simulink代码生成工具箱将Simulink模型转化为C代码,并将自动生成代码与嵌入式底层进行集成与联调,最终完成了航向姿态参考系统实验样机的研制工作。仿真及转台实验结果表明本文所设计的航向姿态参考系统静态精度优于0.5,动态精度优于2,系统可以应用于有短时间加速运动的载体,具有一定的工程应用价值。