姿态测量是进行运动控制的基础,是导航领域的一个重要研究方向。常用的姿态测量方法包括惯性姿态测量技术、卫星导航定位测姿、电子磁罗盘测姿以及天文测量等,它们的测量精度、稳定性、自主性、连续性以及对工作环境要求各不相同,在不同的应用环境中,需要根据它们的优缺点,合理设计测姿系统结构,其中惯性姿态测量技术具有高度自主性,不易受环境影响,具有广泛的应用空间。MEMS(微机电系统)技术是近几十年来在微电子技术基础上结合精密仪器技术发展起来的一个新的科学技术领域,是集多个微传感器、信号处理、通信接口以及电源于一体的微型电子机械系统,其主要优点有尺寸小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、量程更大、抗冲击性更强以及具有更高的谐振频率和带宽等。随着MEMS惯性器件精度的提高,研究基于MEMS器件的惯性测量系统成为导航技术应用中的热点,国外已经开始在武器装备上应用MEMS惯性器件并取得良好的使用效果。本文从实际课题出发,针对水下高速运动体工作环境导致卫星定位测姿、地磁测姿等无法应用以及课题对姿态测量系统的小体积、低重量、低成本、低功耗需要,结合近期MEMS技术发展趋势,设计了基于MEMS惯性器件的小型捷联姿态测量系统。论文从系统的硬件平台设计和算法优化编程两个方面进行了详细的系统研究,主要内容包括：一、分析了常用的姿态测量方法原理以及它们的应用特点,介绍MEMS和微惯性技术发展状况,结合实际课题确定了捷联惯性姿态测量方案；二、针对捷联惯性测量技术研究现状,分析了倾斜仪、角速率陀螺以及无陀螺惯性姿态测量方法的算法流程,设计了系统姿态解算算法和硬件电气结构的总体实现方案；三、选用美国模拟器件公司MEMS产品ADIS16350作为惯性测量单元,开发了基于Cyclone系列FPGA芯片EPlC12Q240I7的导航计算机硬件平台和基于NIOSⅡ的嵌入式程序运行平台；四、对系统所用惯性测量单元进行了误差分析,分别建立单轴和三轴加速度计、陀螺仪的误差模型,标定了误差模型参数,并利用Allan方差分析法对惯性测量单元的随机噪声进行分析；分别设计了数字低通滤波器、卡尔曼滤波器和小波滤波器进行传感器信号处理仿真,对处理效果进行了对比分析,最后系统选择卡尔曼滤波器对传感器信号进行滤波处理；五、根据传感器性能指标,设计了一次修正粗对准方案,提高系统水平姿态角初始对准精度,通过对系统运动状态的分析,提出系统稳定运动判定条件,并根据该判定条件设计了由加速度计数据和陀螺仪四元数姿态解算组成的姿态角动态校正方案,实现了组合姿态测量；六、在完成系统算法编程和电路焊接调试后,对算法进行了无误差输入仿真、噪声输入仿真和半物理仿真,验证了姿态解算算法的正确性,对最终系统整体实物进行了静、动态测试和性能分析。通过实验测试分析,结果表明,基于MEMS惯性器件的小型姿态测量系统设计合理、软硬件工作稳定可靠,实现了设计目标。