如何提高导航系统的自主性、精确性、可靠性以及降低导航系统的成本是当今组合导航领域重要的研究课题。偏振光辅助定向作为一种新颖的辅助导航方式正逐渐受到重视。这种导航方式具有自主定向、误差不随时间积累发散的特点，其导航设备体积小、质量轻、功耗低等优势使得偏振光辅助定向的应用前景十分广泛。本文根据天空偏振模式的特点，设计和搭建了天空偏振模式测量系统，进行了相关测量实验，并研究了利用天空偏振光辅助定向的导航算法。本文从大气散射的相关理论入手，首先，论述了天空中大气散射现象的成因，然后介绍了Rayleigh散射和Mie散射的相关理论，分析了天空中偏振模式产生的机理和分布规律，并阐述了利用天空偏振光辅助定向的基本原理，给出了偏振光方位角对平台误差角的观测模型。为了研究和分析天空偏振模式的特性，本文基于单次Rayleigh散射理论进行了全天域偏振模型的建模和仿真，并根据三维仿真结果进行二维投影映射。根据Mueller矩阵和Stokes矢量法自行设计并搭建了天空偏振模式测量系统，对系统进行了标定工作。此后利用该测量系统对天空偏振模式进行了大量的测量实验，根据测量结果分析了天空偏振模式的稳定性和对称性，并将实际的测量结果与理论仿真模型进行了对比分析。通过上述测量实验和理论分析，讨论了天空偏振特性（偏振度、偏振方位角）应用于辅助定向的可行性。为了增强SINS/GPS组合导航系统的性能，本文研究了利用天空偏振模式所携带的方位信息进行辅助定向的方法。论文最后通过联邦滤波对天空偏振光与SINS、GPS组合导航的误差估计进行了仿真。