随着经济的不断发展和城市化进程的不断推动,测绘用户针对开阔环境的高精度导航定位需求已经逐步转向了江海隧道、城市地铁、地下商场等呈现出封闭或半封闭状态的受限空间。受限空间中常常伴随着大埋深、高温高压和磁场干扰等多种多样复杂环境,而这些复杂环境对定位定向测量精度造成了一定的干扰,并对作业模式和安全隐患问题提出了新的挑战。此外,在受限空间内卫星信号无法正常接收导致了传统空间大地测量技术失效。在此情形下,开展受限空间复杂环境内精确而有效的定位定向测量工作,同时能够保证系统的可靠性和环境适应性是一项具有重要意义的研究工作。惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）是一种典型的无源导航,具有较强的自主性、较高的短期精度、实时连续、信息全面等优点,在众多军事和民用领域已经展现了其巨大潜能。并且,捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS）作为INS主流发展趋势,将惯性测量单元直接与载体相固连,利用所敏感的载体相对于惯性空间的观测值即可计算求解出载体的位姿感知信息。INS中陀螺仪的精度对最终的定位定向测量结果有着决定性作用,而SINS中所配备陀螺仪多采用光学陀螺,其中光纤陀螺（Fiber Optic Gyro,FOG）以其价格优势和高可靠性特点受到了国内外多家研究机构的关注,故而本文将光纤陀螺捷联惯导系统（Fiber Optic Gyro Strapdown Inertial Navigation System,FOG-SINS）作为了受限空间中定位定向测量的研究对象。FOG-SINS系统虽然具有很多的优势,但是它的误差会随时间的推移而逐渐累积增大,从而造成定位定向解算结果精度逐渐下降甚至出现不可用的严重后果。本文为了解决FOG-SINS的误差漂移问题,围绕受限空间复杂环境干扰下高精度定位定向的关键技术开展研究,主要从原始信号消噪处理（信号层面）、提高初始对准精度（初始条件）、磁悬浮陀螺辅助定向（定向传递）和里程计增强组合定位（定位修正）四个方面进行技术攻关,旨在实现受限空间内定位定向测量的精度改善和质量控制,并为实际的工程应用提供一定的参考解决方案。因此,本文的主要研究内容如下:1、信号层面:对FOG原始信号中所具有的时变性、非线性和非平稳性的随机噪声进行了分析,设计了一种基于经验模态分解的顾及有色噪声的自适应消噪算法。该算法依据理论噪声能量和改进的Hausdorff距离将分解得到的本征模态函数分为噪声模态、混合模态和信息模态三类,并分别对其进行处理。通过转台实验,将多组静态和动态测试数据进行了消噪处理,并从直观线型、频谱分析、Allan方差分析以及衡量指标统计等多个不同层面对处理效果进行了验证,结果均表明了该自适应处理算法相比传统方法的优越性。2、初始条件:将受限空间中面向测绘用户的初始对准条件分为了平稳理想的静基座、机械振动等干扰的晃动基座和大失准角非线性环境三类。分别对不同对准环境的不同对准模型进行了分析,具体包括传统的解析式粗对准、载体惯性系粗对准、基于Kalman最优估计的精对准、基于欧拉平台误差角的非线性误差方程和基于无迹Kalman非线性滤波等方法模型的构建和推导。通过仿真模拟和实测车载实验对静基座、晃动基座和大失准角条件下的初始对准模型进行了分类讨论,验证了不同对准环境下的模型适用性问题,为导航积分算法提供了较好的初始值保证。3、定向传递:针对初始航向角更难对准问题,引入了磁悬浮陀螺全站仪（GAT）作为外部辅助来提供稳定而精确的绝对航向信息,提出了将受限空间中复杂的干扰等效为观测数据优化问题的研究思路。为了更好地保证GAT定向传递精度,通过对寻北定向原理和动力学模型进行分析,针对干扰环境下GAT信号的不平稳特性,提出了一种联合排列熵与变分模态分解的滤波优效处理策略。对“引汉济渭”超长隧道的第5#和第6#支洞的定向测量实验中实地采集的干扰数据进行了滤波优效算法分析,四种典型的波动信号均获得了较理想的平稳化处理效果。4、定位修正:针对SINS系统定位解算误差会随时间推移而逐渐发散的问题,引入了无需无线电信号和特征数据库的里程计航位推算技术对其进行纠偏修正。通过对里程计测量原理和里程计位置解算方法的分析,对标SINS系统推导了里程计航位推算的误差方程,并构建了里程计辅助增强的组合定位的具体函数模型。参照西安地铁的现有线路,设计了两组典型线型的动态跑车模拟实验,分别利用单系统和组合系统模型实施定位解算后,对比结果表明了里程计增强的组合定位模型能够达到高精度载车定位的要求,实现了对SINS系统定位误差的修正作用。