姿态信息是无人机实现导航和稳定控制最关键的前提信息,其测量精度直接决定了无人机飞行控制的精度。随着无人机的应用场景日渐广泛,对无人机姿态信息的测量精度要求也愈加严格。传统的姿态测量方法主要依靠以惯性器件为基础的惯性导航系统,但惯性器件往往价格高昂,硬件结构复杂,并且陀螺仪在长时间下会产生累积误差。全球定位系统(Global Positioning System,GPS)由于其高精度、全天候的特点成为姿态测量的另一重要工具。本文采用GPS载波相位姿态测量技术,设计了基于GPS多天线的无人机姿态测量系统。围绕该系统设计,开展了以下研究:1.利用了一机双天线接收机的两个天线共用一个内部时钟源的特点,区别于传统姿态测量方法的载波相位双差模型,建立了基于载波相位单差观测模型的基线解算方案。针对利用GPS载波相位进行姿态测量过程中的载波相位周跳问题,提出了基于卡尔曼滤波算法的周跳探测及其修复方法,该方法可以有效探测到周跳的发生,并在下一个历元就修复该周跳,可应用在各类接收机的观测数据中。2.研究了非校正相位延迟(Uncalibrated Phase Delay,UPD)产生的原因及对单差模型模糊度整周特性的影响,本文将非校正相位延迟作为一个未知参数与单差模型整周模糊度一起联合求解,并结合广义约束理论,提出了一种基于单差模型的模糊度固定方法,通过与传统双差模型模糊度固定方法LAMBDA法的实验对比,基于单差模型的模糊度固定方法不仅消除了非校正相位延迟对模糊度整周性的破坏性,还在保证模糊度解算精度的同时加快了模糊度固定速度。3.为了进一步提高GPS多天线姿态测量的精度和可靠性,本文研究了多个天线在无人机上的布局结构,并在该硬件布局的基础上,提出了基于无约束平差方法的无人机三维姿态角的最优估计模型。该模型充分利用了多天线解算出来的多条独立基线向量的冗余信息,有效提高了姿态角的解算精度和可靠性。4.综合上述的研究内容,设计了本文的无人机姿态测量系统,并进行了无人机姿态测量系统的实际飞行验证实验。实验结果表明,本文的无人机姿态测量系统测量得到偏航角的精度为0.6238度/(0.9863米基线),俯仰角精度可达0.5712度/(0.9863米基线),横滚角精度可达0.5291度/(0.9863米基线)。上述三维姿态角的测量精度均能满足无人机姿态测量要求。