垂线偏差信息是支撑大地测量、地球物理、资源探测以及惯性导航等学科及应用领域的重要基础。利用全球卫星导航系统(GNSS)与捷联惯性导航系统(SINS)组合可以在动态条件下高效地获取垂线偏差数据,是当前是重力测量领域的前沿技术和研究热点。论文基于对垂线偏差测量技术瓶颈的分析,提出一种GNSS/SINS组合测量垂线偏差的新方法,旨在提高船载动态条件下垂线偏差的测量精度,围绕新方法的理论建模、误差分析、垂线偏差信号的统计建模以及精度验证实验研究等方面问题展开研究,充分论证了该方法的可行性。论文的主要研究工作和研究成果归纳如下:(1)深入研究分析了已有的GNSS/SINS垂线偏差测量方法的误差机理。论文从惯性导航系统的误差模型出发,详细推导了由垂线偏差引起的GNSS/SINS组合姿态误差的解析表达式,揭示了GNSS/SINS组合姿态误差与垂线偏差的耦合规律。针对现有的两种测量方法进行误差仿真分析,并对理论推导的结论进行验证,结果表明:GNSS/SINS姿态误差与垂线偏差的耦合是制约GNSS/SINS组合垂线偏差测量方法精度提高的根本原因。这一结论为进一步探索提高垂线偏差测量精度的方法提供了理论指导。(2)提出了一种基于GNSS/SINS组合姿态误差观测的垂线偏差测量方法。首先,利用GNSS位置信息辅助激光陀螺实现姿态解算,构造与垂线偏差解耦的姿态参考基准,获取GNSS/SINS组合姿态误差观测量,建立相应的垂线偏差测量观测方程。然后,严格推导得到姿态参考基准误差传播的微分方程,通过解析求解和数值仿真对姿态参考基准误差的时频特性进行分析。根据最优估计理论分析垂线偏差信号与系统误差在频域内解耦的条件,将垂线偏差分解为中低频和高频两部分,由全球重力位模型直接计算低频部分,在垂线偏差最优估计算法中只对高频垂线偏差分量进行建模估计,并提出采用改进的2阶Gauss-Markov微分模型对高频垂线偏差扰动进行建模。最后,根据所建立的垂线偏差测量状态方程和观测方程,利用最优估计算法可实现垂线偏差的最优估计。(3)基于全球重力位模型理论深入研究了沿测量航迹高频垂线偏差频谱的一般特性。论文从重力扰动位误差阶方差出发,分析由此引起的垂线偏差计算误差的二维功率谱密度分布,并进一步得到测线上垂线偏差的频谱分布。以EIGEN-6C4模型为例,分别分析了由模型的截断误差和传播误差引起的高频垂线偏差误差的频谱特性,从而为垂线偏差统计模型参数的设置和模型的使用提供必要的参考。(4)通过仿真对基于GNSS/SINS组合姿态误差观测的垂线偏差测量方法的可行性进行验证。仿真结果表明:GNSS测量噪声和加速度计噪声是影响GNSS/SINS对高频垂线偏差的跟踪能力主要因素;陀螺的角随机游走和零漂将导致姿态参考基准误差的频谱在中高频区域内发生展宽,增大了与垂线偏差信号的耦合,引起垂线偏差测量误差;仿真还验证了论文提出的2阶Gauss-Markov微分过程用于高频垂线偏差建模的有效性和鲁棒性。(5)利用非调制捷联惯导系统与GNSS组合进行海上实船搭载实验,评估其垂线偏差测量的精度,充分验证论文提出的垂线偏差测量方法的有效性。实验结果表明:利用非调制捷联惯导与GNSS组合系统进行垂线偏差测量,其测量的内符合精度可以达到约0.3″,当采用波数相关滤波(WCF)算法消除了测量的随机误差后,可将测量的内符合精度提高到0.2″;比较不同航次的垂线偏差测量结果可知,系统的测量精度受惯性器件误差特性影响,采用零偏较为稳定和噪声较低的惯性器件可以有效地提高测量精度。(6)提出将旋转调制技术用于GNSS/SINS组合垂线偏差测量,以抑制载体转弯机动对垂线偏差测量结果的影响,通过仿真对该方案的可行性进行论证,对多套单轴旋转惯导系统与非调制捷联惯导进行同船搭载对比实验,以验证旋转调制技术对垂线偏差测量精度的提高作用。仿真和实验结果均表明:采用单轴旋转惯导进行垂线偏差测量可以隔离载体转弯机动的影响,提高等效水平加速度计零偏的可观测性,从而提高垂线偏差测量精度。实验结果表明:利用单轴旋转惯导进行垂线偏差测量,其内符合精度优于0.25″,采用WCF算法消除测量的随机误差后,可以进一步将测量的内符合精度提高到约0.1″。