地球重力场研究是大地测量学的核心任务之一。随着全球导航定位技术的发展,航空重力测量已成为高效测定中高频地球重力场信息的主要手段。航空重力测量与地面重力测量、海洋重力测量、卫星重力测量技术相互补充,形成了空天地一体化的地球重力场观测系统。在地面重力测量难以到达的困难区域开展航空重力测量,可以有效填补重力空白区域,有利于改善重力场数据的精度和分辨率及精化局部地球重力场和区域大地水准面,国家经济建设、军事和国防建设、地球物理学、海洋学、地球动力学、资源勘探等相关地球科学领域也将从中收益。以美国、加拿大、丹麦为首的发达国家率先开展了航空重力测量研究,并进行了大量的飞行实验,我国也在2002年成功研制了自己的航空重力测量系统CHAGS。众多研究结果表明,航空标量重力测量数据在5～10km的分辨率尺度上能够达到1～3mGal的精度,这也意味着航空标量重力测量技术已进入成熟阶段。航空矢量重力测量技术不仅能获取航空标量重力测量观测值(即重力矢量的垂直分量),也能测得重力矢量的水平分量,是目前大地测量领域的研究热点之一。迄今为止国内还没有航空矢量重力测量系统,在航空矢量重力测量数据处理方面也尚处于起步阶段。在此背景下,本文研究利用航空矢量重力测量数据确定区域地球重力场的理论与方法,研制航空矢量重力测量数据处理软件包,对我国航空矢量重力测量技术的发展具有重要的科学意义与应用价值。本文的主要工作及贡献如下：(1) Stokes积分、Hotine积分以及Possion积分都由近区贡献和远区贡献两部分组成,计算远区贡献的关键在于求解积分核函数的截断系数。基于截断系数的通用表达式,本文给出了截断系数的变步长高斯积分数值解法。因Stokes截断系数和Hotine标准核截断系数存在递推算法,通过比较递推法与变步长高斯积分法的计算结果,验证了变步长高斯积分法的有效性。(2)在Jekeli(1979)和李叶才(1989)的基础上,给出了Hotine改化核(级数展开式从2阶开始)截断系数的递推公式。通过比较变步长高斯积分法和递推法的有效性,验证本文给出的递推公式的正确性。(3)基于窗函数法和切比雪夫逼近法设计了两类适用于航空矢量重力测量的有限冲激响应(FIR)低通数字滤波器。先采用模拟的高度数据验证了滤波器性能,然后对实测静态GPS数据进行了低通滤波处理,并在数据处理中详细分析了滤波器的相位延迟和数据截短等影响。结果表明：(a)在相同的设计指标下,依照切比雪夫逼近法所设计的滤波器比采用窗函数法设计的滤波器具有更好的低通滤波效果；(b)对于静态GPS测量数据,依照切比雪夫逼近法所设计的滤波器能以±1-2mgal的精度确定垂直加速度,以优于±1mGal的精度确定水平加速度。(4)研究了航空矢量重力测量数据的归算方法,包括采用径向改正方法将航线高度处的重力观测值归算到平均飞行高度面上、采用两步交叉点平差法来进行测线系统误差的补偿、选用加权平均法和Shepard曲面拟合法对观测值作格网化处理。针对扰动重力水平分量,采用模拟算例验证了本文提出的平均高度面归算方法,结果表明参考场的阶次是影响水平分量归算精度的主要因素,且高阶次部分对归算精度的影响较低阶次部分要大。针对扰动重力垂直分量,依据本文提出的归算方案对美国大地测量局(NGS)发布的航空标量重力实测数据块EN01进行了数据处理,给出了6200m(大地高)高度处2°×3°的范围内5’×5’的规则格网重力扰动数据。相对于该区域的EGM2008格网重力扰动参考值,加权平均法和Shepard曲面拟合法输出结果的精度分别为±1.59mGal和±1.36mGal.(5)从第二类Helmert凝集法的基本原理出发,研究了基于牛顿积分的解析核与级数展开核的地形归算方法,并推导了地形对重力矢量水平分量的带限直接影响改正公式。基于级数展开核的地形归算公式可调节积分核函数的起始阶数和最大阶数,无需经过低通滤波即可获得与航空重力信号频谱范围一致的地形影响改正值。采用3"×3"SRTM地形高程数据的数值计算结果表明：基于级数展开核计算的带限直接地形影响和间接地形影响与基于解析牛顿核计算并经过低通滤波处理后得到的带限直接地形影响和间接影响吻合较好,二者计算的重力矢量各分量的直接地形影响差值的RMS在2.5mGal以内,大地水准面间接地形影响差值的RMS在3cm以内,基于级数展开核的带限地形影响计算公式可用于航空矢量重力测量数据的地形归算。(6)针对航空矢量重力测量的垂直分量,在频域内研究了逆Possion积分法、解析延拓法和迭代法等三种向下延拓算法,并采用上述三种方法将模拟生成的垂直分量向下延拓到大地水准面上。计算结果表明,逆Possion积分结合Wiener滤波的向下延拓方法在可靠性和稳定性方面明显优于解析延拓和迭代法。(7)针对低信噪比的水平分量,提出了基于频域输入输出理论的向下延拓方法。分析了白噪声的标准差分别为1.5mGal和6mGal时单输入单输出系统(即逆Possion积分结合Wiener滤波的快速算法)和双输入单输出系统对水平分量的向下延拓效果。研究结果表明：当水平分量的精度较高时,二者均能实现水平分量的稳定向下延拓；当水平分量的精度较低时,单输入单输出法的向下延拓效果较差,而双输入单输出法能实现水平分量的稳定向下延拓。(8)研究了利用航空矢量重力测量观测值的水平分量确定大地水准面的剖面积分法。利用EGM2008生成2km、3km、4km、5km飞行高度处的模拟水平分量,并加入高斯白噪声。当白噪声的标准差为6mGal时,采用剖面积分法所得相对大地水准面的精度在分米级,在某些极值点上误差最大可达40cm；当白噪声的标准差为1.5mGal时,采用剖面积分法所得相对大地水准面的精度分别为3.31cm、4.79cm、5.16cm、5.64cm。剖面积分的结果说明,当水平分量的噪声水平较低时,采用剖面积分法能确定高精度的相对大地水准面。(9)研究了利用航空矢量重力测量观测值的垂直分量确定绝对大地水准面的一步解法。利用EGM2008生成2km、3km、4km、5km飞行高度处的模拟垂直分量,加入标准差为1.5mGal的高斯白噪声,采用一步法所得绝对大地水准面的精度分别为5.08cm、5.64cm、6.23cm、6.54cm。(10)在联合航空重力矢量三分量求解大地水准面方面,本文采用频域输入输出法融合水平分量和垂直分量,数据融合后的输出为空中垂直分量,再采用一步法来确定大地水准面。分析了垂直分量的噪声水平为1.5mGal,水平分量的噪声水平分别为1.5mGal、3mGal、6mGal时,由H=2km、3km、4km、5km航线高度处的三分量联合确定大地水准面的精度。实验结果表明：(a)当水平分量的噪声水平明显高于垂直分量的噪声水平时,并不能改善大地水准面的精度：(b)当水平分量具有与垂直分量一致的精度水平时,由各航线高度处的重力矢量确定的绝对大地水准面的精度分别为4.32cm、4.90cm、5.41cm、5.88cm,较单独采用垂直分量时有所提高。