海洋占地球表面积约71%,海洋空间基准是水下水上导航定位、海洋调查、资源开发等海洋活动的重要基础设施,海洋基准观测也是开展海洋环境和海洋地质等科学研究重要数据。然而,水下定位精度主要取决于海面和海底控制网的几何构型和声学测距精度。因此,水下定位控制网进行优化设计对改善水下定位精度具有重要参考价值。此外,水下测距定位模型非线性强度、定位误差来源和观测数据质量控制等问题较常规地面定位相对复杂一些。本文围绕海面GNSS长基线阵列优化和水下非差定位方程解算等开展相关研究,主要研究内容和创新包括:(1)研究了常见水下定位系统工作原理和水下定位数学模型,并在此基础上,论述了水下定位控制网优化设计的原理和方法,针对水下短程测距方程,探讨了非线性参数估计相关理论和方法。(2)运用定位几何精度因子(GDOP)解析优化方法,研究了水下定位海面浮标布设的解析优化方法,提出了以区域GDOP均值和方差为优化目标,开展海面浮标布方案优化设计。本文以5个海面控制网阵列布设为例给出了最优构型解,并考虑水面GNSS浮标位于水面和存在高度角限制这一约束条件,搜索到了全部符合水下定位区域中心GDOP最小定位构型解,实现了水下定位海面控制网阵列解析优化。此外,考虑海面GNSS浮标导航定位服务是区域性的,以区域GDOP均值和方差最小为目标函数开展了海面控制网阵列优化设计方法,设计了区域GDOP均值最小构型搜索算法。仿真试验表明,论文所搜到的GDOP最小定位构型拥有最佳定位性能,表明优化海面控制网阵列是提高水下定位精度的重要途径。(3)鉴于水下测距方程为非线性模型,且多为短距离方程,非线性强度相对较大,研究了测距定位方程的直接解法、重心法、正则化和封闭牛顿法。研究表明,对于病态测距方程进行求解,封闭牛顿迭代法具有更好的局部收敛性质。此外,针对非线性问题的多解问题开展了相关研究。算例分析表明,当方程呈现病态性测距定位方程的解可能非常复杂,解析法和高斯-牛顿法会得到两个解,而封闭牛顿法会得到三个解,并且其中两个解与前两种算法相同。(4)利用实测水下定位数据,开展了水下数据处理与分析相关应用研究。