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姿态基准系统又称为航姿参考系统(AHRS,Attitude and Heading Reference System ),通常由三轴加速度计、三轴陀螺仪以及数字磁力计组成,其主要任务是通过惯性传感器即时输出测量数据并应用一定的姿态解算算法得出运动载体的即时运动状态参数为运动载体提供姿态以及航向信息。传统的姿态基准系统成本高且体积较大,并不适用于手持导航测姿以及个人导航测姿。考虑到姿态基准系统的设计成本、功耗以及系统的体积,论文采用了基于微惯性器件与GPS组合的方式实现在手持设备以及个人导航测姿设备中的姿态测量。论文主要围绕AHRS姿态解算算法、AHRS与GPS组合姿态解算算法以及组合姿态基准系统的硬件实现和软件实现等一系列的姿态解算关键技术展开研究。论文首先对姿态基准系统中的基本理论做了简要的介绍说明,通过比较分析,选择了基于四元数的姿态解算算法;然后对基于扩展卡尔曼滤波的姿态解算算法做了详细的论述,并推导出AHRS姿态解算的状态方程和量测方程;结合微惯性传感器与GPS的数据融合,推导出AHRS与GPS组合导航测姿的状态方程和量测方程。最后通过应用Matlab仿真软件对单独AHRS姿态解算算法和AHRS与GPS组合姿态解算算法做了对比,证明了 AHRS与GPS组合测姿算法的姿态解算的精确性和算法的可行性。随后,从组合姿态基准系统的硬件实现和软件实现着手,详细的介绍了系统的硬件电路设计方案和软件设计方案。硬件电路设计主要围绕着微控制器芯片TM4C1294展开,选取九轴微惯性传感器芯片MPU9150和国产化GPS模块作为组合姿态基准系统的数据测量模块,以液晶显示屏作为导航测姿信息的显示接口。软件设计则是选用嵌入式软件开发工具IAR Embedded Workbench,基于模块化的设计思路完成了组合姿态基准系统的软件编程设计,实现了组合导航测姿、液晶屏实时显示测姿信息以及历史数据存储等功能。最后对组合姿态基准系统进行静态性能测试以及动态性能测试,测试结果表明了本文所设计的组合姿态基准系统在静态和动态环境下均能实现导航测姿,达到了预期的目标。