海洋定位与导航是海洋科学研究、海上交通运输、海洋权益维护、海洋资源开发、海洋工程建设、海洋环境治理和海战场建设的基础,为人类一切海上活动提供全方位、全过程、全时段、多时空、多层次、多环节的海洋时空信息与位置服务。随着海洋开发活动的深入,海洋定位与导航的需求从水面以上转变为水上、水下的全部海洋空间,尽管全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)极大推动了大地测量与导航定位领域的全新发展,但电磁波在水体中快速衰减的特性使其无法直接用于水下目标定位与导航。由于声波在海水中具有良好的传播特性,GNSS-A(Global Navigation Satellite System-Acoustic)定位与导航技术得到了广泛研究应用,但复杂的海洋动态环境变化给高精度水下定位与导航带来了一系列的关键技术问题。论文系统性地总结了水下定位与导航的研究现状,针对GNSS-A水下定位与导航中存在的水下定位声线跟踪方法、水下差分定位模型优化、水下导航滤波算法等问题,开展了系统性的理论研究、方法改进和实验分析工作。论文主要研究内容如下:(1)顾及波束入射角的水下定位声线跟踪方法海水声速的时空变化会使声波沿传播方向发生折射,有效消除声波的折射效应对提高水下声学定位精度至关重要。在声速剖面已知的情况下,声线跟踪是削弱折射效应的有效方法,但现有的声线跟踪方法要求波束入射角已知,而基于距离交会原理的水下声学定位系统通常未对波束入射角进行直接观测。针对上述问题,提出了顾及波束入射角的水下定位声线跟踪算法,采用搜索法确定波束入射角,通过对声线跟踪与定位解算的迭代计算,实现波束入射角和目标坐标的渐次修正。为进一步提高计算效率,提出了迭代求解超越方程的解算法。实验结果表明,顾及波束入射角的水下定位声线跟踪方法能够有效利用声速剖面消除声线折射效应的影响,且解算法计算效率优于搜索法。(2)水下历元间静态单差定位方法与病态解算水下历元间静态单差定位方法是通过在相邻观测历元间做差分消除部分系统性误差的影响,但可能存在的病态性问题使历元间单差定位方法未能得到广泛应用。通过分析不同观测条件(航迹、升沉等)对历元间单差定位病态程度的影响,发现相邻观测历元间的几何入射角之差是影响病态性产生的主要因素之一,提出采用正多边形航迹改善历元间单差定位的病态性。针对已经存在历元间单差定位病态问题,提出了一种基于改进L曲线的LIU型估计方法,利用均方误差和残差二范数构成的L曲线确定LIU型估计参数的优化取值。实验结果表明水下历元间静态单差定位方法能够消除部分系统性误差影响,而基于改进L曲线的LIU型估计方法有效改善了历元间单差定位的病态估计结果。(3)水下基准间动态单差定位方法与网型设计针对水下动态多基准点非差定位方法无法消除系统误差影响的问题,提出了水下基准间动态单差定位方法,通过在同一观测历元的距离观测值间进行差分计算,消除部分系统性误差的影响。基于空间位置精度因子(PDOP,Position Dilution of Precision)对基准间单差定位的网型结构进行了设计优化,针对采用顶点差分基准点的正多边形网,由于方向余弦矢量近似相等导致网型结构较差的问题,提出采用中央差分基准点的正多边形辐射网进行优化设计。长基线定位实验表明,水下基准间动态单差定位方法能够消除系统性误差的影响,且采用中央差分基准点的正多边形辐射网有效增强了网型结构的强度。(4)基于交互多模型的水下导航Kalman滤波算法构建起与水下目标实际运动状态相一致的运动模型,是保证水下导航Kalman滤波精度和可靠性的重要前提。但在复杂海洋环境的影响下,水下动态目标的运动状态具有较强的多样性与随机性,往往无法根据先验信息采用与目标实际运动状态完全匹配的运动模型。当水下目标的运动状态在机动和非机动模式之间切换时,采用单一的机动或者非机动运动模型会使得滤波精度下降甚至滤波发散。为此提出了基于交互多模型的水下导航Kalman滤波算法,利用马尔可夫先验转移概率实现了多模型的加权融合,仿真实验表明相较于基于单模型的水下导航Kalman滤波算法,基于交互多模型的水下导航Kalman滤波算法表现出了更好的运动状态适应性。