为满足在粒子加速器准直过程中元件高精度安装的需求，需要提高激光跟踪仪测站坐标系恢复精度。本研究根据控制点在全局及测站坐标系下的三维坐标及其统计性质，构建恢复测站坐标系的数学模型；针对加权整体最小二乘算法(WTLS)中存在公式推导复杂且没有顾及旋转矩阵正交约束条件等问题，提出一种函数模型线性化方法，在考虑旋转矩阵正交约束条件的基础上迭代计算；通过理论推导建立误差模型，定性分析影响解算精度的因素，并进行仿真及实测实验验证。仿真结果表明，相较于WTLS,本研究在3～8个公共点情况下，均方根误差平均减小18μm,验证了本研究方法的正确性；实测结果表明，在相同公共点情况下，本研究方法相较于WTLS,均方根误差平均减小54.5%,且将非公共点坐标转换至全局坐标系下，坐标分量差值平均减小3μm,在一定程度上提高了测站坐标系恢复精度。