地理定位系统是运用GPS(Global Positioning System)、惯性导航系统(InertialNavigation System，INS)、摄影测量等各种技术手段，自动连续获取载体在地球空间的地理位置以及时间、速度、姿态等信息，可广泛应用于陆基与航空测绘、遥感测量、目标瞄准、运载体制导等场合。在现代大地测量中，由于人们对地球空间信息的需求越来越多，传统的获取地球空间信息手段不能满足庞大的数据采集需求和日新月异的更新速度，而基于地理定位系统的移动测图系统(Mobile Mapping System，MMS)通过安装在移动载体上的多传感器组合，可连续采集地球空间信息，并由地理定位系统为数据提供时间、位置和姿态信息，并最终转换为各种空间信息产品所需的数据格式。由于其高效率、高精度且较低的费用，移动测图日益成为现代测绘工作的重要工具。未爆炸弹(Unexplored Ordnance，UXO)的检测是一种特殊的移动测图应用，由地理定位系统及UXO探测传感器共同生成磁场图像，并通过一定的算法实现对UXO的识别。　　 本文以MMS和UXO检测等陆基地理定位应用为背景，研究基于差分GPS、中高精度IMU(Inertial Measurement Unit)、高精度激光测距(Ranging)的多传感器组合地理定位系统，设计其硬件平台，在对捷联惯性导航、差分载波相位GPS定位、IMU随机误差以及GPS/INS/Ranging组合算法研究的基础上，开发其应用软件，并通过大量实验数据，详细讨论GPS/INS/Ranging组合地理定位系统在各种环境下的精度特性。　　 本文的主要研究工作和创新点按照在文中出现的顺序可以归纳为以下五个方面：　　 1.INS捷联惯性导航与GPS定位：介绍了捷联惯性导航方程的一般形式，在此基础上详细讨论了捷联INS在地固系和导航系的导航算法，包括四元素法计算坐标变换矩阵、比力的坐标系变换以及积分计算位置，分析了两种坐标系导航计算的优缺点；讨论了INS的初始对准问题和误差的可观测性问题；GPS方面，介绍了GPS观测量，讨论了基于码伪距和载波相位的单点、单差和双差定位方法，介绍了模糊度问题；针对MMS和UXO定位对实时性要求不高的特点，使用载波相位双差模型，并以LAMDA方法作为实际模糊度动态解算算法(On-The-Fly，OTF)。　　 2.OPS/INS/Ranging组合算法：从贝叶斯估计理论出发，介绍GPS/INS组合系统滤波估计技术—离散卡尔曼滤波器，在此基础上，针对惯性导航系统的连续性和非线性，讨论了连续线性动态系统的离散化以及非线性系统的线性化问题；在地固系和导航系惯性导航原理的基础上，讨论了不同计算坐标系下的INS误差传播特性，构建了21阶卡尔曼滤波器误差状态方程；介绍了GPS/INS四种组合方式，详细讨论了松组合、码伪距紧组合和载波相位紧组合，并给出了各组合方式下的卡尔曼滤波器观测方程；在激光测距图像特征提取与匹配的基础上，推导了测距信息辅助INS的卡尔曼滤波方程，提出了激光扫描仪位置偏差与视轴偏角的校正方法。　　 3.多传感器组合地理定位系统硬件平台设计及软件开发：设计GPS/INS/Ranging组合地理定位系统的硬件平台，并针对UXO探测，特别设计了适宜于林地的推车式地理定位系统样机；在GPS、INS导航理论和多传感器组合理论的基础上，开发了基于Microsoft visual C++导航定位软件AIMS-Pro，具有事后GPS独立导航和GPS/INS/Ranging等多传感器组合两种工作模式；支持Honeywell、Northrop、Crossbow等公司多种IMU型号；支持地固系和导航系导航定位计算；支持松组合与紧组合两种组合方式。　　 4.IMU误差理论：讨论了IMU的主要误差源，使用Allan方差方法对导航级、战术级和速率级三种IMU进行了随机误差分析，并结合实际大量实验数据提出适合卡尔曼滤波器的误差模型，通过与设备制造商误差模型的对比实验证明了自定义误差模型的有效性。　　 5.GPS/INS/Ranging精度研究：在GPS连续观测条件下，详细研究了GPS/INS组合系统及组合滤波器，在不同级别IMU、计算坐标系以及组合方式下的定位精度，并在GPS连续观测条件下人为引入GPS全失锁与部分失锁，考察INS独立导航及不完全GPS约束条件下的误差特性；详细研究了在具有大量GPS短时中断环境中，INS辅助的GPS模糊度解算能力和组合定位精度。最后引入地面激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanning，TLS)作为激光测距传感器，通过实验研究GPS中断条件下激光测距辅助的INS定位精度，以及GPS连续观测条件下TLS的校正精度。