随着我国自主研制的激光陀螺精度逐步提高，以激光陀螺为核心惯性元器件的船用高精度姿态测量技术成为了研究热点。本文以船用高精度激光陀螺捷联姿态测量系统为研究对象，研究了制约进一步提高姿态测量精度的关键因素和解决方法，内容包括惯性测量单元（IMU）系统级标定方法研究、重力场异常对姿态测量系统的影响及补偿方法研究、重力场辅助惯性测量研究、动基座对准研究、滤波延迟补偿方法研究等。论文的主要工作和创新如下：1．系统级标定方法研究。推导了在圆锥运动条件下IMU标定误差的误差传播公式，指出陀螺非正交安装误差与刻度因子误差是标定误差中引发圆锥误差的主要因素；引入了系统级标定方法基准坐标系的约束条件，设计了基于27维Kalman滤波器且仅以速度误差为观测量的系统级标定算法；规划了系统级标定方法的标定路径，并基于分段线性定常系统可观测性分析理论（PWCS）与奇异值分解法（SVD）对其可观测性进行了分析，提出了基于可观测度分析的加权反馈算法；仿真和实验结果表明系统级标定法的标定精度优于基于高精度姿态基准的分立标定法，陀螺非正交安装误差角标定精度优于2。2．重力扰动对高精度姿态测量系统的影响及补偿研究。进行了重力扰动影响的单通道原理性分析，指出垂线偏差是主要误差因素；推导了由垂线偏差产生的解算误差的理论表达式，并应用全球重力扰动数据库进行了仿真研究；研究了重力扰动对系统初始对准的影响，得到了垂线偏差将导致等量的初始对准姿态误差的结论；利用垂线偏差数据库对航天测量船搭载试验中在某海域的试验数据进行了补偿分析，补偿后系统精度有较大幅度提高。3.针对纯惯性姿态测量系统误差随时间积累的问题，开展了基于UKF的重力场辅助惯性姿态测量技术研究。区别于以往基于图形相关匹配算法的间接融合算法，设计了一种直接利用重力异常值作为观测量的信息融合方法，由于重力异常信息具有强非线性特征，选用UKF作为信息融合算法；提出了一种基于重力异常梯度加权的多周期反馈UKF滤波算法，仿真结果表明应用此算法后系统的位置、速度以及姿态误差均得到了较好的抑制，且算法对测量噪声与初始定位误差不敏感，与EKF算法相比无需计算局部重力场模型并对其线性化，在不同重力异常梯度下均具有较强的鲁棒性；基于航天测量船搭载试验数据开展了半实物仿真研究，结果进一步验证了本算法的可行性与适应性。4．动基座对准研究。应用PWCS理论研究了单轴旋转调制姿态测量系统动基座对准的可观测性问题，指出旋转调制能提高系统动基座对准的可观测性，降低了高精度动基座对准对载体机动的要求，研究结果表明在简单机动的情况下，单轴旋转调制姿态测量系统动基座对准的精度和速度都有所提高；针对动基座大方位失准角对准问题，推导了其非线性误差传播方程，并在此基础上设计了基于UKF的动基座非线性对准算法，仿真和实验结果均表明，UKF能很好地解决姿态测量系统动基座大方位失准角的问题。5．FIR滤波延迟补偿方法研究。针对机抖激光陀螺系统中FIR滤波器延迟将导致姿态输出实时性降低的问题，采用基于运动跟踪预测模型的Kalman滤波器，直接对有时间延迟的姿态角输出信息进行时间序列上的一步预测，得到当前时刻真实姿态角的估计值；通过对实测数据的分析，表明本方法能有效预测出运动载体的即时姿态角，提高了姿态测量系统的实时性。6．系统软硬件实现及航天测量船搭载试验。论述了基于机抖激光陀螺的高精度姿态测量系统的软硬件实现方案，研究了基于Vxworks实时操作系统的姿态测量软件开发问题，详细规划了各任务模块设计；开展了为期近7个月、行程达3万多海里的远洋航天测量船搭载试验，对论文研究的重力补偿、重力场辅助惯性测量、动基座对准可观测性、系统级标定方法进行了充分的验证分析。