随着MEMS惯性器件精度的不断提升和旋转调制技术的逐渐成熟,基于旋转调制技术的MEMS惯性导航系统已经广泛应用到各个领域。基于MEMS的惯性导航系统多采用单轴旋转调制方案,由于该方案只能抑制与旋转轴垂直方向的惯性器件偏差,无法抑制旋转轴方向的器件偏差。因此,其对载体导航精度提升能力较为有限。为了设计更高精度的旋转MEMS惯导系统,本文首先对MEMS惯性器件相对载体系和地理系下的调制技术进行研究,分别分析了在上述两种不同参考坐标系下载体角运动对系统导航精度的影响。仿真实验表明,当转位方案相同时,MEMS惯性器件相对地理系下进行旋转调制对误差的抑制效果优于相对载体下进行旋转调制。针对相对地理系下单轴旋转调制导航系统误差仍相对较大的问题,提出了一种相对地理系下的MEMS双轴旋转调制方案,在该方案的基础上,对MEMS陀螺仪输出误差模型进行建模,并对该方案产生的误差累积进行分析,提出了一种最优转停时间分配方法。最后将本文方案与文献[42]中方案进行对比,仿真结果表明,本文设计的方案对惯性器件的误差抑制效果全面优于文献中方案。为了实际验证所提出的双轴旋转调制方案的有效性,对双轴旋转MEMS惯导系统软硬件平台进行了设计。首先,基于OMAPL138处理器完成了系统的外围电路原理图设计,主要包括电源模块、抗干扰SPI通信模块等。改良后的抗干扰SPI通信模块解决了SPI总线通信只适用于板卡级别的短距离通信的问题,有效地拓展了SPI通信的使用范围。其次,基于原理图完成了系统PCB板的层叠设计和布局布线设计,并完成PCB制板。最后,基于加工完毕的系统板完成了嵌入式软件环境搭建、MEMS惯性器件数据采集程序设计、转位机构控制程序设计、双核数据交换程序设计。为了对所提出的双轴旋转调制方案和最优转停时间分配方法进行测试,搭建了双轴旋转MEMS惯导系统原理样机,并完成了整个系统的硬件和软件功能测试。利用该原理样机和三轴转台分别开展了半物理仿真实验和三轴转台实验,实验结果表明,本文设计的方案与文献[42]中方案相比,系统的姿态角RMS指标降低了40%以上,速度RMS指标降低了60%以上,经纬度RMS指标降低了45%以上。本文提出的相对地理系下基于MEMS的双轴旋转方案和最优转停时间分配方法可以明显提高双轴旋转MEMS惯导系统的导航性能。