仿生偏振导航是根据模仿自然界昆虫如沙蚁、蝗虫等通过检测天空偏振光进行导航的原理而发展起来的一种新型的自主性导航方法,具有隐蔽性好、抗干扰性强、导航误差不随时间积累、易于集成和小型化等优点,具有重要的研究意义和应用价值。在这一背景下,本文在对自然界生物利用偏振光导航进行研究的基础上,结合检测技术、图像处理和导航理论,提出了基于天空偏振模式的偏振光导航方法。本文通过大气偏振现象理论知识的介绍,在Rayleigh散射理论的基础上,建立了天空偏振光数学模型,分析了天空偏振模式的分布特征;为了获取天空偏振信息,根据图像式偏振测量原理,设计并搭建了一套基于图像式的多目偏振测量系统;针对系统存在安装的误差,设计了一套标定方案,对该系统进行了标定,并根据标定结果对系统进行了校正。通过数学模型推导,建立了天空偏振模式分布的三维仿真模型,并且通过复球面映射的方式,建立了天空偏振模式的二维仿真模型;根据天空偏振特性,推导了一种以太阳子午线方向为参考基准的航向角获取算法,以此得到航向角度信息;通过仿真验证了算法的精度,并且通过改变仿真条件分析了航向角计算精度的影响因素。最后进行室外实验,根据搭建的多目偏振测量系统对天空偏振信息进行测量,获取了观测区域的偏振度和偏振方位角分布信息,验证了天空偏振模式的分布特性;通过获取的天空偏振图像对航向角度进行解算,对实验装置和航向角获取算法进行了验证。