快速、准确的航姿测量对于小型UAV的飞行控制至关重要,随着小型UAV在军事、民用领域的广泛应用,航姿测量技术的发展越来越受到重视,对基于MEMS传感器的航姿测量系统进行研究、设计已经成为小型UAV领域的研究热点。本文针对小型UAV航姿测量实际需求,在研究MEMS传感器误差补偿、航姿解算等关键技术的基础上,设计开发了高性能航姿测量系统,为未来小型UAV的进一步应用提供了有力支撑。本文首先对各MEMS传感器的测量原理、误差特性进行了分析,考虑到陀螺仪在航姿解算中的重要性,研究了陀螺仪的Allan方差分析方法,并将ARMA时间序列分析技术用于陀螺仪漂移误差补偿,实验证明该技术有较好的漂移误差补偿效果。在此基础上,本文对TRIAD、NCF、EKF等航姿解算原理进行了仿真分析。获得分析结果:相比于NCF算法,EKF航姿解算精度高,但计算量大,实时性差,给机载处理器增加了负担。依据上述分析结果,本文提出了NCF-KF组合航姿解算方法,仿真结果表明NCF-KF以牺牲25%精度为代价,令EKF解算实时性提高了38%,该算法实现了解算精度与解算实时性的平衡,综合性能要优于NCF算法与EKF算法。本文采用双CPU架构进行航姿测量系统设计,主处理器选用STM32F427-100模块,协处理器选用RK3399模块。本文对整个航姿测量系统的硬件选型及搭建调试进行了详细介绍,并设计实现了STM32 Keil环境下的软件系统以及RK3399环境下的基于Linux的软件系统。本文设计的航姿测量系统是一款高性能开放测量平台,除小型UAV外,能够兼容应用于多种平台;同时向后兼容飞控系统,既可以单独作为航姿测量系统,也可以在某些场合下辅助飞控执行任务。最后,通过实测数据的验证,证明了该航姿测量系统功能完备,所提的NCF-KF航姿解算方法在实际应用中可以实现理论上的预期性能。在此基础上,本文指出了当前设计中存在的不足和改进想法,为接下来的工作做了规划安排。