角度作为关键的基础几何量之一,实现其高精度测量对科研领域和工业应用具有重要意义。角度测量主要包含对绕坐标轴X轴、Y轴和Z轴旋转的俯仰角、偏摆角和旋转角的三维角度测量。在实际工程应用和科学研究中,许多领域需要对三维角度变化量进行同时测量。例如,坐标测量机的阿贝误差测量、卫星有效载荷姿态角测量、导弹发射位姿监测等都要求同时对三维角度进行高精度测量,测量精度通常要求在角秒甚至亚角秒量级。因此,亟需一种可实现高精度三维角度同时测量的技术和方法。围绕三维角度同时测量的需求,针对传统自准直方法无法实现三维角度测量问题,以及三维角度测量方法因耦合误差导致测量精度低和三维角度测量范围互相限制等问题,本论文提出了“基于光栅分光和组合靶标的自准直三维角度测量方法研究”,旨在实现高精度、测量范围独立的三维角度同时测量。论文主要研究内容如下:针对自准直方法无法实现三维角度同时测量的问题,提出了一种基于透射光栅和组合靶标的自准直三维角度测量方法。该方法利用光栅衍射特性将单束准直光转换为三束准直光,以该三束准直光为次级准直光,通过组合靶标将待测角度变化量转换为准直光束的传播方向变化,通过光电检测单元获取准直光束的方向变化实现三维角度同时测量。针对三维角度测量模型过于简化而忽略角度耦合对测量精度影响的问题,利用光学矩阵变换法建立了基于自准直原理的三维角度几何光学测量模型,该模型能够完整地描述角度耦合量与角度测量值的作用机理。在此基础上,提出了连续迭代算法来减小角度耦合对测量精度的影响。进一步,研究采用光学放大法提高旋转角的测量分辨力使三维角度测量分辨力保持一致。针对基于自准直原理的三维角度测量方法中角度测量范围相互限制的问题,提出了基于透射光栅和柔性偏转机构的跟踪式测量方法。该方法以组合靶标的旋转角度值作为反馈信号,控制柔性偏转机构使透射光栅跟踪组合靶标旋转,此时光电探测器的有效面元仅用来实现偏摆角和俯仰角的测量,旋转角度值可通过柔性偏转机构的输出角度值获取,利用该方法可以实现三维角度测量范围独立,解决角度测量范围相互限制的问题。另外,该方法在增大角度测量范围的同时不影响系统的角度测量分辨力,为提升基于自准直原理的角度测量范围提供了新的途径。针对组合靶标加工误差限制旋转角测量精度进一步提升的问题,提出了基于透射光栅的双反射面垂直度测量方法。基于该方法,首先分析了组合靶标加工误差（双反射面垂直度）对旋转角测量精度的影响机理,并建立了包含组合靶标加工误差的旋转角测量模型。然后,利用CMOS图像传感器结合准直法对双光束之间的平行度进行测量,根据双光束的平行度计算出组合靶标的加工误差,进一步提高旋转角的测量精度。最后,对设计的基于光栅衍射的三维角度测量实验装置及主要组成单元的性能进行测试,包括角度发生装置性能测试、光电检测系统有效分辨力测试、跟踪式测量模块性能测试、组合靶标加工误差测量和三维角度测量系统整体性能测试。实验结果表明,三维角度测量系统的三维角度测量分辨力均达到0.010″,三维角度测量范围相互独立,均为0～250″,偏摆角、俯仰角和旋转角在10″内的扩展不确定度分别为0.060″,0.060″和0.110″（k=2）。