垂线偏差自动测量系统集成GPS与CCD技术，根据天文大地测量原理，可以测量高精度的垂线偏差。垂线偏差是铅垂线与参考方向之间的夹角，表征重力的方向，反映了大地水准面相对于地球椭球的倾斜，在大地测量归算、地球重力场和大地水准面精化等具有重要应用。研究垂线偏差大小及其方向，对于监测地球质量迁移与能量积累、预测预报如地震等自然灾害、资源探测、大气异常监测等，具有重要意义。　　通过垂线偏差自动测量系统理论算法研究，本文完成以下工作与成果：　　（1）通过对FITS图像预处理，噪声消除，星象自动搜索，星象亚像素定位，星等测量等相关理论算法研究，利用MATLAB完成 CCD星象数据处理工作。提出了一种基于模板的星象自动搜索算法，准确实现亮星和暗星星象的搜索识别，保证了每颗星象的正确计算区域选取。并在已有亚像素定位的修正矩方法基础上，提出了一种利用迭代计算门限的改进二维修正矩方法。由一张3073*2048大小的CCD实测图像，25s内完成CCD图像中恒星影像自动搜索与亚像素定位，使恒星中心定位精度达到二十分之一像素的精度，CCD星等测量误差控制在0.5mag。　　（2）通过对Hipparcos、Tycho-2、UCAC-3星表处理，组建了数字天顶摄影仪匹配星表数据库，并利用曝光瞬间的GPS时间信号测定的Greenwich时角，建立了高精度的恒星视位置数学计算模型。视位置计算模型精度达到5-6mas。　　（3）提出了一种新的控制三角形匹配算法，依次实现CCD影像平面中星象与切平面中恒星的控制星和参考星识别匹配。根据数字摄影测量投影变换公式，利用迭代计算实现测站天文坐标高精度测量，根据天文大地测量原理，结合GPS测得的大地坐标，测得高精度垂线偏差。由一张3073*2048大小的CCD图像，30s内自动完成垂线偏差计算。并对各种系统误差及随机误差对垂线偏差造成的影响进行了评估研究，提出了改进措施与方法。