论文系统研究了利用航空重力数据以及联合航空重力与地面重力数据确定高精度区域大地水准面的理论模型、实用算法和关键技术，细致分析了其中存在的关键问题，提出了多项思路、模型和方法以突破关键性难点。论文的主要工作和创新之处体现在：

(1) 提出一种用于Stokes和Hotine积分等球面积分直接离散求和的快速算法，解决球面积分离散求和计算效率太低的数值问题。对于10°×10°范围共计57 600个点的2.5′×2.5′格网重力数据，积分球冠区半径取3°时，新算法用于基于解析核的Stokes和Hotine积分时计算速度比普通算法快约48倍，用于基于级数核的Stokes和Hotine积分时分别比普通算法快约276倍和294倍。同时，新算法的计算效率也不低于一维FFT算法，且能保留球面积分形式简单、结果严密的特性，在引入不同形式的改化积分核函数等方面更为灵活，可代替一维FFT算法计算球面积分。

(2) 独立推导出Hotine解析核的截断系数计算公式，完善了Hotine积分远区贡献的逼近计算模型。通过对比分析4种最具代表性的改化积分核函数，优选了FEA改化核或VK改化核作为积分核函数，确定了最佳修改阶数，有效地降低了远区截断误差。建立了由Hotine积分解算大地水准面的实用计算模型，包括计算点贡献、近区贡献和远区贡献。利用EGM08位模型生成模拟重力观测值，加入标准差为2.5 mGal的高斯白噪声，基于FEA改化核的Stokes和Hotine积分解算重力大地水准面的精度分别达到了1.2 cm和1.1 cm。

(3) 提出了三阶中心差分结合迭代高斯滤波精密确定飞机速度和加速度的思路，解决对飞机位置作两次差分计算垂直加速度过程中测量噪声放大的问题。研究并发展了适用于航空重力数据的交叉点平差算法，显著改善了航空重力原始观测值的数据质量。基于EGM08位模型的模拟试验表明，经交叉点平差处理后交叉点差值的RMS由平差前的7.7 mGal减小至1.6 mGal，降低幅度达79%，空中测线处重力观测值的精度得到大幅度提升。

(4) 在第2类Helmert凝集法的框架内，分析了解析牛顿核函数用于航空重力地形影响归算的不足，研究了适用于带限航空重力数据的基于级数展开牛顿核的带限地形影响计算模型，包括直接和间接地形影响。基于SRTM地形高程数据的数值结果表明：基于级数展开牛顿核计算的带限地形影响与基于解析牛顿核计算并经低通滤波处理后得到的地形影响吻合较好，带限地形影响计算模型更适用于航空重力数据的地形影响归算。

(5) 提出了航空重力向下延拓的基于广义岭估计的逆Poisson积分法，初步克服了向下延拓过程中噪声放大的难题，实现了航空重力信号的稳定向下延拓。提出将具有多个正则化参数的广义岭估计用于求解逆Poisson问题，解决数据点间隔小、延拓高度大情况下强病态法方程难以稳定求解的问题。在求解精度和稳定性这两个方面，采用广义岭估计求解逆Poisson问题都要显著优于采用基于单个正则化参数的Tikhonov法或岭估计。从延拓精度、稳定性和边缘效应3个方面对比研究了基于广义岭估计的逆Poisson积分法、直接法和FFT方法，基于广义岭估计的逆Poisson积分法的向下延拓效果明显优于直接法和FFT方法。

(6) 提出基于矩谐分析的航空重力解算方案，采用扩展计算点范围的策略抑制周期延拓边缘效应，显著提高了矩谐分析的解算精度。系统研究并对比分析了两步法、一步法和矩谐分析这3种航空重力解算方案，利用EGM08地球位模型生成4 km飞行高度处的模拟重力扰动，加入标准差为1.5 mGal的高斯白噪声，采用两步法和一步法计算所得2.5′×2.5′区域大地水准面的精度分别为6.1 cm和3.3 cm，基于矩谐分析进行航空重力解算所得大地水准面的精度为2.2 cm。

(7) 提出了基于矩谐分析联合航空重力和地面重力数据解算区域大地水准面的方案，采用方差分量估计确定不同类型观测值在联合解算模型中的权以及正则化参数，解决定权和正则化这两个关键问题。对比研究了基于积分方法和矩谐分析的联合解算模型，基于EGM08位模型的模拟试验表明，对于分别加入标准差为1.5 mGal和2.5 mGal的高斯白噪声的空中重力扰动和地面重力异常模拟观测值，由积分方法联合解算所得2.5′×2.5′区域大地水准面的精度为5.5 cm，基于矩谐分析联合解算所得大地水准面的精度为2.2 cm。

(8)利用GRAV-D CS01实测航空重力数据和DTU10测高海洋重力数据，以USGG2009大地水准面作为基准值，验证了基于矩谐分析的航空重力解算方案和联合解算模型。单独利用CS01航空重力数据，基于矩谐分析进行航空重力解算所得2.5′×2.5′区域大地水准面相对于USGG2009大地水准面的均方差为4.7 cm。利用经EGM08模型重力扰动填充后的CS01航空重力数据所得大地水准面的均方差减小至3.1 cm。基于矩谐分析联合CS01航空重力扰动和DTU10海洋重力异常解算所得大地水准面的均方差为2.8 cm。