计算机图形学中物体三维旋转通常用矩阵、欧拉角、四元数表示，用矩阵及欧拉角存在计算繁琐、旋转不均匀性及平衡环锁定等局限，四元数可以避免这些局限，并且几何意义明确，计算简单。研究用四元数表示物体的姿态，在四元数基本运算法则基础上提出并证明了“基于四元数的多个旋转运动合成规则”，然后将此规则为依据，推导出一种用来计算姿态非线性状态方程系数的方法，对非线性状态转移函数进行线性化，并且研究了测量方程函数的确定及线性化，借助扩展Kalman滤波实现了对姿态的跟踪。最后给出一滤波跟踪实例，验证此种方法是有效的。