随着现有导航手段的逐渐成熟,导航技术的应用领域愈来愈广泛,进而对新的导航信息来源提出了进一步的要求,于是偏振光导航作为一种新型的仿生导航手段应运而生。现代自主导航方法主要分为天文导航、卫星导航、惯性导航、无线电导航及其组合导航等。然而,无论是无线电导航、惯性导航,还是组合导航等,它们都离不开已有的导航手段与方法,测量手段本质上并没有发生多大变化,而且这些导航方法都有各自无法避免的缺点。利用偏振光进行导航定位是一种比较新颖的导航技术,该方法具有误差不随时间累积的优点,同时还具备体积小、功耗低、易于小型化的优势,但是在大气层内该方法受对流层天气影响比较严重。于是本文提出将偏振光导航应用到在云层之上的飞行器上,并进一步应用于卫星的姿态测量和轨道确定,此时利用偏振光导航将不再受对流层内天气的影响,可以获得更高的导航精度。但是将偏振光导航应用于卫星的自主导航仍然处于探索阶段。因此,研究基于自然偏振特性的卫星自主导航技术是十分必要的,不管是对丰富当前的导航手段,还是为各种组合导航提供新的信源支持都具有十分重要的意义。针对基于自然偏振特性的卫星自主导航技术,本文具体工作如下:第一,从天空偏振模式理论、生物偏振光感知机理、大气偏振模式的探测以及偏振光导航方法等四个方面综述了偏振光导航发展的历史与国内外现状,介绍了偏振光的三种描述方法,并较为详细地讲述了大气散射的两种过程,瑞利散射和米散射。第二,针对大气偏振模式建模及其测量方法进行了研究。基于单次瑞利散射模型,分析了大气偏振模式的形成机理,论证了天空中具有相对稳定的偏振模式,并分别对大气层内、外偏振模式进行了研究,比较了大气层内、外偏振模式的异同,分析了大气层外偏振模式的可观区域,讨论了影响大气偏振模式的主要因素。在大气偏振模式测量方面,研究了偏振测角敏感器与偏振相机的设计方案及其测量大气偏振模式的原理,并对偏振测角敏感器与偏振相机中偏振片的最佳分布角度分别进行了论证。第三,针对偏振测角敏感器的误差分析与补偿方法以及太阳矢量信息等导航信息的提取方法进行了研究。在误差分析与补偿方面,分析了导致偏振测角误差的主要因素,建立了偏振敏感器的测角误差模型,并分别对各种误差因素所引起的测角误差进行了理论分析与仿真验证,提出了基于最小二乘的测角误差补偿方法。在导航信息提取方面,提出基于偏振测角敏感器的三种太阳矢量信息获取方法,以及从偏振相机拍摄的大气层外偏振度图案中同时提取太阳矢量和地心矢量的方法,并进行了仿真验证。第四,研究了基于偏振及地磁场测量的卫星姿态确定方法。建立了卫星的姿态运动学模型和动力学模型,简要介绍了卫星在轨所受各种环境干扰力矩,给出了偏振测角敏感器、偏振相机和磁强计的测量模型,分析了双矢量定姿、多矢量定姿和状态估计法等三种进行卫星姿态确定方法,提出了基于偏振测角敏感器及磁强计的卫星姿态确定方法和基于偏振相机及磁强计的卫星姿态确定方法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,偏振测量能够有效辅助卫星进行姿态确定。第五,研究了基于偏振传感器的卫星自主导航技术。以卫星为研究对象,建立了相应的轨道动力学模型,对卫星在轨所受各项摄动力进行了分析,给出了卫星的自主导航系统状态方程,提出了基于偏振测角敏感器及红外地平仪的卫星自主导航方法以及基于偏振相机的卫星自主导航方法,分别建立了相应的观测模型,并结合扩展卡尔曼滤波算法,对这两种导航方法进行仿真验证。仿真结果表明,基于偏振测量的卫星自主导航方法是可行的。总之,本文在基于偏振测量的卫星自主导航技术方面做了大量研究,但是仍存在许多的不足。最后,作者对论文整体工作进行了概括与总结,并对下一步需要开展的工作和亟待研究的问题进行了展望。