导航技术是无人机系统的重要组成部分之一,随着人类社会发展和科学进步,传统的导航方式已经不能满足各行各业对导航技术更高性能的要求。除改进导航传感器制造工艺以提高测量精度外,研究全新的导航方式备受关注。近些年来,昆虫利用天空中稳定分布的偏振模式进行导航的现象不断被人们发现,作为地球的自然属性之一,偏振光导航具有强自主性、成本低、分布稳定等优点,无论是民用和军用都有着广阔的应用前景。针对这一背景,本文提出了两种基于偏振光的导航定姿方法,为无人机导航提供新的思路。本文首先分析了偏振光形成原理和大气偏振模式分布规律,为偏振信息获取和后续基于偏振光定姿方法打下理论基础。并分析了偏振光传感器测量原理,指出其存在测角模糊性,提出利用陀螺仪协助偏振光传感器实现量程扩展的方法,并通过实验验证了该方法的可行性。基于Paparazzi开源社区,设计了小型无人机实验平台,详细介绍小型无人机实验平台的软硬件组成部分,该飞控系统中使用磁力计与惯导组成航姿参考系统。进行相关传感器校准之后,该实验平台能够较好的完成自主飞行实验,按照预定轨迹飞行。通过仿真实验和实际实验表明该航姿参考系统能够准确的输出姿态角,能够为后续验证基于偏振光传感器的测角方法提供参考值。设计了一种利用偏振光传感器与惯导组合的定姿方法,利用自适应互补滤波算法进行姿态解算。主要利用陀螺仪、加速度计和偏振光传感器在频域上的特性,分别设计低通滤波器和高通滤波器进行信息融合,并针对加速度计测角时易受运动加速度干扰和偏振光传感器易受外界因素干扰的现象,设计了自适应补偿系数策略。通过实验表明该算法能够有效解决陀螺仪测角时存在误差累计问题,并具有强鲁棒性,计算简单等优点。提出了一种仅利用偏振光传感器实现全姿态角解算的方法。利用偏振光传感器量测太阳矢量在载体坐标系中的投影,并根据观测点所在位置的经纬度和观测时间解算出太阳矢量在导航坐标系中的投影,利用太阳矢量在不同坐标系中投影解算姿态矩阵计算三个姿态角。相比较于仅利用偏振光传感器测量航向角,该方法扩展了偏振光传感器的使用范围,能够取代其他测角传感器的应用。为无人机提供一种全新的导航方法。