目前,基于位置服务的高精度定位和室内外导航技术已深入到包括智能城市、智能交通、智能穿戴等多个领域。目前,全球定位系统(Global Positioning ystem,GPS)是提供全天候、全时段、实时和事后高精度位置服务的主要手段。GPS进行全球定位的技术手段主要包括伪距单点定位技术(Standard Point Positioning,SPP)、实时相对定位技术(Real-time Kinematic,RTK)、精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)。其中,SPP技术通常只能提供米级甚至几十米的定位精度,一般用于对位置精度要求不高的导航领域,其优点在于数学理论模型简单、易于实现、单台接收机即可实现。RTK技术是利用基准站与流动站间的误差相似性和共性特点,采用双差模型实现高精度定位,是目前广泛应用的高精度定位手段。RTK的缺点在于定位精度受参考站与流动站间的基线距离的影响,对于长距离大范围应用,其定位精度明显降低,此外,RTK解算需要至少2台GPS接收机同时工作、硬件成本高。PPP技术的出现,很好地弥补了RTK和SPP的缺点,同时集成各自的优点,实现了单点高精度定位需求。因此,本文将以PPP定位技术为基础,进行相关研究,分别对传统的双频消电离层组合PPP技术和新的基于电离层时空约束和接收机硬件延迟时间约束的双频／单频非差非组合PPP技术的数学理论模型进行研究。然而单GPS系统下各定位技术的定位精度、连续性和可靠性受观测环境影响明显,特别是在城市、山区等复杂环境下,这种影响更为明显。为改善GPS性能,可通过改善GNSS导航卫星空间分布,增加导航卫星数,从而增加城市、山区等复杂环境下可观测的卫星数,以改善GPS定位性能。由于全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具备不可替代的社会经济与国防安全价值,部分国家和地区先后开始研制独立的卫星导航系统。目前在轨工作的卫星系统包括美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、我国北斗(BeiDou,BDS)系统和欧盟Galileo系统,此外还包括日本的准天顶区域系统QZSS(Quasi Zenith Satellite System)和印度的区域导航系统IRNSS (India Regional Navigation Satellite System)。相对于GPS系统,多GNSS系统使得可用卫星数提高数倍,可有效改善导航卫星在城市、山区等复杂环境下的可观测性、增加可用导航卫星数、改善定位精度因子、提高卫星定位结果的精度、可靠性和连续性。因此,本文在非差非组合PPP技术的基础上,进一步对多模GNSS PPP理论、参数建模和估计等数学模型进行深入研究。但是,在信号遮挡区(如隧道、树荫等),通过增加空间卫星的方法将失效。此时,通常采用GNSS与其他主动导航定位技术融合来达到改善定位性能的目的。其中,惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是一种有效的主动导航系统,其通过INS力学编排算法对惯性测量单元(三轴加速度计和三轴陀螺仪)输出载体的线速度信息和角速度信息进行积分解算,即可获取包括载体位置、速度、姿态等在内的导航参数。与GNSS相比,INS导航结果精度不受载体观测环境影响,只与惯性传感器本身的性能相关；其定位结果在短时间内具有很高精度,但随着导航时间增长,INS导航结果将趋于发散。将GNSS与INS进行组合,一方面可利用INS独立定位和短期高精度特性克服GNSS定位性能受观测环境影响的不足；另一方面可利用GNSS的长期高精度性,通过GNSS/INS组合完成对惯性传感器误差的在线标定与补偿,提高INS导航性能。根据GNSS与INS的组合类型,可分为GNSS/INS松组合、GNSS/INS紧组合和GNSS/INS深组合。深组合是利用GNSS/INS松／紧组合结果和INS输出信息来提高GNSS接收机信号捕获灵敏度,但其核心算法是仍是GNSS/INS松／紧组合。由于紧组合是观测值层面的组合,其相对于定位结果层面的松组合模式具有更明显的优势,且目前国内外主要研究集中于RTK/INS组合,部分学者对双频消电离层PPP/INS紧组合技术进行了研究。因此,本文提出了多模非差非组合PPP/INS紧组合技术,以非差非组合PPP技术和多模PPP技术为基础,围绕多模GNSS PPP/INS紧组合进行深入研究,推导了PPP/INS紧组合数学模型以及其增强模型。基于本文研究内容的理论和数学模型,独立自主设计并研发了一套具备多模GNSS消电离层组合PPP/INS紧组合、非差非组合PPP/INS紧组合、单频非差非组合PPP/INS紧组合、GNSS/INS松组合、多模GNSS PPP数据处理能力的软件。以该软件为平台,本文对多模GNSS PPP性能、多模GNSS PPP/INS紧组合性能、INS辅助PPP性能、不同等级惯性传感器对PPP/INS紧组合性能影响等进行了深入细致的研究,并进一步研究了GNSS PPP/INS紧组合实时性能、单频GNSS PPP/INS紧组合性能和PPP/INS紧组合在铁轨不平顺检测中的应用。本文的主要工作包括：1、以GNSS原始观测方程为基础,建立了基于电离层时空约束和接收机硬件延迟时间约束的双频非差非组合PPP模型和单频非差非组合PPP模型,并进一步对多GNSS系统下的非差非组合PPP中的信号时延误差、系统间偏差和频间偏差进行研究,提出了统一的多模GNSS非差非组合PPP数学模型。2、以非差非组合PPP技术为基础,提出了单／双频非差非组合PPP/INS紧组合技术,对非差非组合PPP/INS紧组合理论、数学模型、参数建模等进行深入研究,并进一步研究了PPP/INS紧组合的增强模型,包括非完整约束模型、零速修正、里程计辅助、抗差-自适应滤波和方差分量估计等。3、根据本文理论和数学模型,自主设计研发了具备多模GNSS PPP和GNSS PPP/INS紧组合数据处理能力的软件。4、采用IGS跟踪站数据和中国地震监测网站数据,定量研究评估了电离层先验模型精度和接收机硬件延迟误差对非差非组合PPP收敛速度、初始定位精度的影响,在此基础上提出了基于非差非组合PPP技术的区域电离层模型。5、以研发软件为数据处理平台,定量分析了INS对PPP定位性能和收敛速度的影响、不同精度等级惯性传感器对PPP的作用、以及INS辅助非差周跳探测的功能。6、以GPS+GLONASS+BeiDou三系统数据为例,对实时多模GNSS PPP/INS紧组合性能进行了分析,并进一步研究了多模PPP/INS紧组合应用于形变检测的潜力。综上所述,本文以非差非组合PPP技术为基础,以多模GNSSPPP理论模型为切入点,结合GNSS/INS组合技术,围绕多模GNSS PPP/INS紧组合算法进行了深入研究,并独立研制了一套数据处理软件,通过对大量试验数据处理、统计、分析和评估,结果表明：(1)相对于消电离层组合PPP,基于高精度电离层先验模型的非差非组合PPP能有效改善PPP在复杂环境下的定位性能；(2)采用PPP/INS紧组合技术,可进一步改善非差非组合PPP技术的性能；(3)多模GNSS系统可有效改善PPP和PPP/INS的定位精度和可靠性；(4)PPP/INS增强模型可在一定程度上改善PPP/INS紧组合的性能；(5)在当前实时精密轨道和钟差精度情况下,多模GNSS PPP/INS紧组合可提供实时厘米级的动态定位结果；(6)可采用PPP/INS紧组合技术进行铁轨不平顺检测,等效距离测量精度可达到0.3 mm；(7)单频多模GNSS PPP/INS紧组合的车载定位精度可达到20 cm。根据本文研究成果,多模GNSS PPP/INS紧组合技术可广泛用于包括移动测绘、无人驾驶等高精度位置服务领域。