传统的航姿系统精度虽高但是成本也很高,而且体积也偏大,往往只适用军事领域,在民用领域难以大规模使用。然而在越来越多的民用领域,如电子玩具、三维仿真、运动检测、机器人、VR游戏等领域,都急需低成本小型化航姿参考系统。随着嵌入式系统的飞速发展及新型高性能惯性元器件的出现,使得研究低成本小型化航姿参考系统成为可能。本文研究一种基于微机电系统(MEMS)传感器与数字信号处理器(DSP)的微小型航姿参考系统,具有低成本、小型化等特点,且具有较高的精度。本论文首先介绍了航姿参考系统的基本理论和工作原理,包括惯性系统中的常用坐标系的定义、载体的姿态表示与坐标转换、惯性导航系统的基本方程以及姿态方程,并对捷联姿态算法做了初步阐述。本文采用四元数法解算姿态矩阵,同时采用卡尔曼滤波算法修正摇摆载体的姿态误差来计算载体的姿态。其次,本论文给出了整个基于MEMS的航姿参考系统的总体设计方案。此系统由传感器模块、数据采集模块、微处理器及外围接口、串口通信模块及上位PC机等组成。系统的传感器模块采用ADI公司三轴惯性组合ADIS16350及Honeywell公司的三轴磁阻传感器HMC1021Z/1022组成;数据采集模块主要是为了解决信号拾取,信号放大,信号A/D转换与干扰抑制等诸多问题。通过DSP系统来完成导航计算,并将所计算的导航姿态信息通过串行通讯口在上位机上实时显示出来。本文给出了器件的选择方案,系统整体框图,硬件电路结构原理图,软件算法流程图和部分的应用程序,并对此进行了详细的阐述。最后,本文将软硬件系统进行集成、调试,形成了一个可独立运行的嵌入式DSP系统,并设计了验证实验。实验结果表明,系统基本能满足设计需要,与市场上现有成熟产品的结果相比,误差在可接受范围内。MEMS传感器作为数据采集单元,配合DSP作为运算和控制单元的航姿系统结构紧凑,重量轻,成本比采用传统光纤陀螺的捷联航姿系统要低,同时具有更高的可靠性,适用于对精度要求不高的场合。