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水下航行器(Underwater Vehicle,UV)定位,尤其是民用领域UV,主要依赖有“水中卫星导航系统”之称的声学定位系统。然而,声学定位系统缺少导航用航姿信息。近几年,随着小型UV的快速发展,免校准超短基线(Ultra Short Base Line,USBL)声学定位系统越来越成为声学定位系统的主要形式,其对小尺寸、低功耗、高精度航姿传感器具有紧迫需求。针对以上需求和问题,本文设计了一款基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)的惯性器件和磁传感器构建的微型化航姿传感器系统。本系统采用高性能的32位微控制器STM32F411RET6为核心处理单元,以三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺仪和三轴微磁传感器作为载体运动信息感知单元,集成温度传感器监测系统工作环境温度。基于嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ研发了航姿传感器的数据处理软件系统,实现数据采集、误差补偿、融合运算、数据通信及数据存储等任务间的调度与管理,提高系统运行的实时性和稳定性。在分析传感器关键性能指标的基础上,通过系统硬件设计,降低系统整体功耗。针对传感器存在的不同误差类型,分别进行参数标定和随机误差补偿,消除传感器测量误差,提高系统测量精度;考虑深海等复杂的温度环境,结合传感器的温度特性,建立温度补偿模型,设计并开展高低温实验,采用最小二乘法拟合法求解模型参数,实时在线修正传感器的零偏及灵敏度系数随温度变化,增强系统环境温度适应性。采用自适应无迹卡尔曼滤波(Adaptive Unscented Kalman Filter,AUKF)算法对误差补偿后的传感器数据进行融合运算,提高航姿信息解算的稳定性和可靠性。经测试,本文设计的航姿传感器,系统功耗在0.125mW左右,大约为法国SBG公司相似产品Ellipse2-A的27%。在-30℃～50℃范围内,通过温度补偿以及AUKF数据融合,航向角的静态测量误差从补偿前的±0.85°减小到±0.3°,保持较好的测量精度和性能稳定性。