随着卫星导航技术的飞速发展,姿态测量的应用场景越来越广泛,降低成本、提高稳定性、简化结构逐渐成为现在的研究趋势。姿态信息为载体提供了更丰富的运动状态信息,在无人驾驶、小型机器人、无人机等高科技领域发挥着不可代替的作用。采用多根天线的测姿技术中,对GPS天线的配置有很高的要求,因此在某些场景中受到了限制。同时,多天线测姿技术中存在着天线安装困难、天线之间结构易发生形变等问题。研究设计一套采用GPS单天线进行测姿的方案,可以简化设备装置、减小天线体积、降低测量成本,有效地扩大了姿态测量的应用范围。本文重点研究了GPS单天线的观测模型以及误差的消除,在此基础之上推导了单天线测姿模型,并讨论了求解姿态角的过程。首先,建立了GPS单天线测姿模型。在设计GPS单天线测姿算法的过程中,为了保证姿态测量的精度,需要解决的一个关键问题是提高不同时刻的相对定位精度。分析了观测模型中产生误差的原因,结合单差和双差观测模型,采用双差法可以有效地消除卫星和接收机中的大部分公共误差。经过线性化后,推导了基于时间序列的单天线测姿算法模型。其次,推导了姿态角的求解过程。分别采用直接法和最小二乘法求解姿态角,通过对比分析两种求解算法,最小二乘法求得的姿态精度更高。为了提高姿态测量系统的精度,分析了测姿过程中的随机误差,建立了误差模型,并给出了消除的方法。最后,对单天线测姿方案中的各个算法模块进行仿真实现。为了进一步提高姿态求解精度,基于最小二乘正交分解理论,给出了LAMBDA算法进行模糊度搜索。通过搭建硬件测试平台采集GPS原始观测数据,将上述数据进行算法测试分析,验证了单天线测姿系统方案的精度、稳定性以及可行性。实验结果表明,本文设计的GPS单天线测姿方案可以有效地提供稳定的姿态角,扩大了姿态测量的应用范围。