自上世纪末GPS/INS组合导航技术被成功地引入航空摄影测量领域以来,对地目标定位的数据处理流程出现了相当大的变化。在严格检校出机载成像传感器、GPS和INS之间的几何关系之后,机载POS系统就能够高精度地输出成像传感器的外方位元素并直接用于地形图测图,这种方法通常被称为直接对地目标定位。与传统的间接对地目标定位方法相比,直接对地目标定位不再需要布测地面控制点,也不需要进行空中三角测量,因此可以大幅度降低航空摄影测量的内外业工作量。然而,由于缺少地面控制点和像方连接点的约束,利用直接对地目标定位方法计算出的地面点坐标非常容易受到系统误差的影响。航空摄影测量的各种数据成果最终都需要纳入到某种形式的国家坐标系,因此内业数据处理时一般直接选取该坐标系作为对地目标定位的计算坐标系。然而,由于国家坐标系并不是一种笛卡尔空间直角坐标系,而通常是采用等角地图投影,对地目标定位过程会不可避免地受到多种几何变形因素的影响。特别是对于直接对地目标定位方法,由于具有数据外推的性质,各种几何变形会直接传播到地面点坐标中。因此,为了提高国家坐标系下直接对地目标定位结果的精度,必须对这些几何变形进行高精度的改正。本文围绕国家坐标系下机载传感器的直接对地目标定位这一核心问题展开研究,主要内容包括：1)机载POS数据向国家坐标系转换方法的理论分析和精度评定为了实现国家坐标系下的直接对地目标定位,首先需要将机载POS数据处理软件输出的轨迹数据高精度地转换到国家坐标系下。本文详细推导了有代表性的三种姿态转换方法(旋转矩阵法、补偿矩阵法和坐标转换法)的计算公式,并设计了高精度的试验方法对这些姿态转换算法和两种商业软件(Applanix公司POSPac软件和Leica公司的IPAS CO软件)进行精度评定。试验结果显示旋转矩阵法的姿态转换误差完全可以忽略不计,而且计算代价通常小于其他方法,因此是最为推荐的机载POS姿态转换方法。而两种商业软件的姿态转换结果并不十分理想,最大误差已经超过了机载POS硬件系统的理论测量误差。2)国家坐标系下直接对地目标定位的几何变形模型本文对国家坐标系下直接对地目标定位过程中出现的几何变形进行了系统的分析,归纳出四类共七种几何变形因素,具体包括一种尺度变形(基准尺度变形)、一种高程变形(地球曲率变形)、两种长度变形(空间直线与大地线之间的长度变形和大地线与投影线之间的长度变形)和三种角度变形(标高差变形、截面差变形和方向改化),其中基准尺度变形、标高差变形和截面差变形是现有参考文献中没有研究过的。3)国家坐标系下机载激光雷达数据直接对地目标定位的几何变形改正算法本文推导了国家坐标系下机载激光雷达数据直接对地目标定位地图投影变形改正的高精度和实用计算公式。试验结果证明实用公式的计算精度远高于传统公式,而只需要多付出25%的计算代价；高精度改正公式的计算残差则几乎可以忽略不计。4)国家坐标系下航空影像直接对地目标定位的几何变形改正算法本文推导了国家坐标系下航空影像直接对地目标定位几何变形改正几种传统算法(传统地球曲率改正方法、改变航高法和改变主距法两种长度变形改正方法)的计算公式并设计了数种改进算法：等效竖直影像法、改变像方坐标法、改变物方坐标法和前方交会预测法。试验结果证明等效竖直影像法完全不受影像倾角变化的影响而且不会增加任何的计算量,性能优于传统的地球曲率改正方法；改变物方坐标法基本不会受到地形起伏的影响,计算精度通常优于两种传统的长度变形改正方法(改变航高法和改变主距法)；前方交会预测法可以将几何变形改正残差限制到可以忽略的程度,能够满足高精度的应用需求。