激光跟踪仪是近十年发展起来的新型大尺寸空间测量仪器，不仅可对空间静止目标进行高精度三维直角坐标测量，而且还可对运动目标进行空间位置姿态的跟踪测量，具有安装操作简单、实时快速扫描测量、测量精度高等优点，是大尺寸工业测量和科学测量的重要手段，近年来得到了迅速发展。激光跟踪头结合高精度激光测距技术和经纬仪的精密测角技术，采用点测量方式实现对大尺寸目标工件的尺寸和形位误差测量，为大型部件的装配和检验提供实时测量基准，此外，激光跟踪测量头还可以通过扫描测量方式对平面和曲面进行快速面型测量。6D测量系统可实时监视目标的距离和姿态信息，在大系统的安装对接过程中具有重大的作用。激光跟踪头具有无导轨、动态快速测量、测量精度高、安装移动便捷等特点，在大科学工程安装检测、大型装备建造、航空航天、船舶、汽车、轨道铺设等大型零部件检测和装配过程中具有非常高的应用价值。本论文基于极坐标法测量原理，设计了由激光跟踪测量仪和合作目标组成的6D精密激光跟踪头测量系统，即对目标点的空间坐标（x,y,z）和姿态（俯仰角，偏航角，滚动角）进行测量。激光跟踪头结构部分主要包括干涉激光测距单元、绝对激光测距单元、二维精密跟踪经纬仪、伺服控制单元、空气折射率补偿单元、仪器支架、管理计算机单元、电控箱以及合作目标等。本课题基于3D便携式、多功能精密激光跟踪头项目，采用球坐标法测量原理，设计了单路激光跟踪仪与合作目标组成的六自由度信息测量系统，论文主要对合作目标的设计以及跟踪经纬仪进行了研究，主要工作包括：1.6D激光跟踪测量系统的技术路线。测量系统技术的关键所在，即如何由3D测量发展为6D测量，合作目标所获得数据如何转化为俯仰角、偏航角和滚动角。同时得出了在此系统中跟踪仪坐标系与被测物体坐标系之间的转换矩阵。2.激光跟踪头的整体设计。包括水平轴系、垂直轴系、跟踪反射镜等的设计。本论文的重点在于合作目标的设计，通过对目标反射镜的改装实现手动测量目标点偏航角、俯仰角和滚动角。3.对激光跟踪头进行了系统的精度分析与误差计算。包括跟踪经纬仪的测角精度、测量距离，由角锥棱镜、倾角传感器和位置敏感探测器所产生的合作目标测量误差等，通过计算证明各项误差均可达到所设技术指标。