随着全球气温的逐渐升高,北极通航逐渐成为可能,同时,极地地区还蕴藏着丰富的自然资源,因此,针对极区空间和资源的争夺日趋激烈,而可靠的极区导航系统是保障人类极区活动的前提。所以本文以极区导航问题为研究背景,对极区导航系统进行了需求分析,给出了极区惯导和重力梯度仪相结合的组合导航系统方案,设计了惯导/重力梯度仪和惯导/重力梯度仪/卫星两种组合导航滤波器,主要内容如下:首先,论文给出了坐标系的定义和转换关系,建立了陀螺仪和加速度计测量模型。针对传统惯导解算方法在极区存在经线收敛的问题,推导了格网坐标系下的惯性导航系统力学编排方程,给出了旋转加速度计重力梯度仪的测量原理,分析了误差特性,为后续惯导/重力梯度仪组合导航系统建模奠定了基础。其次,对重力梯度图的获取方法进行研究。重力梯度由低频和高频两部分组成,低频部分主要由地质密度变化产生,高频部分由地形变化产生。针对这一特点,采用地球引力位球谐函数求偏微分的方法模拟重力梯度的低频部分,利用数字地形正高图模拟高频部分,从而完成重力梯度图的模拟,通过数学仿真进行了验证。然后,开展了惯导/重力梯度仪组合导航方法研究。基于格网坐标系惯导解算方程,建立系统状态模型,根据重力梯度仪测量原理,给出了12加速度计重力梯度仪测量模型。基于容积卡尔曼滤波算法设计了惯导/重力梯度仪组合导航滤波器,并对地形、飞行高度、速度以及传感器精度等关键要素进行了分析。最后,为进一步提高组合导航系统的精度和可靠性,提出了一种惯导/重力梯度仪/卫星传感器信息融合组合导航方法,采用分布式融合结构,基于容积信息滤波算法设计了组合导航滤波器,与惯导/重力梯度仪组合导航系统相比,该系统实现了精度和可靠性的双重提高。