我国大规模高速铁路建设带来了对轨道几何状态精密测量的迫切需求,而现有的光学或其它测量手段难以兼顾测量精度和效率,因此亟需一种全新的快速精密测量方法。本文提出了基于带有辅助信息的惯性导航系统(A-INS)的轨道几何状态精密测量方法,利用惯导出色的运动感知能力和短期精度,在辅助信息的宏观修正下,在轨道局部里程区间内实现了亚毫米／毫米量级的相对测量精度,满足了轨道精密测量的苛刻需求,并显著提高了测量效率,为轨道几何状态的快速精密测量提供了一种新方法。作为该方法的理论支撑,建立了A-INS组合导航系统的误差传播模型,提供了一套分析A-INS轨道几何状态测量仪“仪器精度”的理论方法。主要研究工作包括以下几个方面：1.针对铁路轨道测量应用场景建立了A-INS测量误差传播模型。传统的导航系统误差研究只关注误差幅度,而本文针对轨道几何状态精密测量的对空间相对精度的需求,兼顾了误差序列的时间相关性,为此将A-INS组合导航看作一个由噪声激励的随机系统,将其导航误差作为随机过程来研究。当A-INS组合导航的连续时间卡尔曼滤波达到稳态时,系统简化成了由观测白噪声和驱动白噪声激励的线性时不变系统。研究该系统的传递函数,得到了各误差源与输出测量误差之间的传递关系,也即A-INS测量误差传播模型。基于该模型分析了导航误差的时间相关性和时间／空间相对精度。2.基于建立的A-INS测量误差传播模型研究了铁路轨道测量误差的随机过程特性,首次实现了对A-INS轨道几何参数测量误差的定量分析,论证了高精度A-INS组合导航系统实现亚毫米级相对测量精度的可行性,正面回答了“在厘米级的GNSS位置修正下惯导为什么能实现亚毫米级测量精度”的质疑。在此基础上,进一步指出了轨道对惯导运动状态的非完整性约束(NHC)对于提高A-INS相对测量精度的关键性作用；数据仿真结果为理论分析提供了有力的佐证；深入分析了惯导各主要误差源对轨道几何参数测量精度的定量影响,指出了影响测量精度的主要误差项,为系统设计过程中的器件选型提供了理论依据；最后讨论了运动速度和GNSS位置辅助信息更新率对测量精度的影响。上述理论分析成果为实际系统的结构设计和参数优化提供了理论指导。3.设计优化了一套A-INS轨检小车原型系统,并自主开发了全套数据处理软件,作为本文研究工作的实测验证平台。重点讨论了A-INS轨检小车硬件设计与实现的原则和关键技术细节,包括小车车体设计、传感器选型及多源数据的时间同步策略；设计实现了A-INS轨检小车测量数据处理算法,重点讨论了实现亚毫米级相对测量精度的关键技术细节,包括如何合理和充分地使用非完整性约束更新。4.通过大量的轨道实测数据全面而系统地评估了A-INS轨检小车的整体性能,并对本文建立的误差传播模型和定量分析方法进行了验证。1)通过与现有高精度测量手段进行对比,检验了A-INS轨检小车的轨道偏差量以及轨道轨向、高低不平顺、水平、轨距等参数的外符合精度。2)对比同一段轨道的多次独立测量结果,分析了A-INS轨检小车的内符合精度。轨道不平顺的实测精度与理论分析一致,验证了误差传播模型和定量分析的正确性和有效性；实测结果进一步验证了非完整性约束对测量精度的贡献。3)考察了A-INS轨检小车在曲线轨道上的测量性能,指出A-INS轨检小车在不同轨道线型上的测量精度并无明显差异。综上,本文研究工作的贡献可归结为：提出并解决了A-INS组合导航技术用于铁路轨道几何状态精密测量的核心理论和实践问题,提供了一种高效率、高精度且易于操作的轨道几何状态的动态精密测量方案。本文研究成果为方兴未艾的惯性精密测量技术(Inertial Surveying)提供了理论方法和工程实践上的参考案例。