天空偏振光分布模式具有丰富的地理位置信息,可为偏振光导航提供稳定的导航信息。太阳光属于一种自然光,而光是一种电磁波。太阳光在传输过程中,被大气层中的气体分子、气溶胶粒子、云等各种大气因素散射和吸收,并伴随地表的吸收和反射,在天空中形成稳定的天空偏振光分布模式。它提供了太阳子午线、中性点和偏振方位角等重要信息,这些信息对导航至关重要。因此,迫切需要建立接近实际大气的理论模型进行模拟分析,并对实际环境中的天空偏振模式进行定量测试研究。本文采用Lib Radtran软件模拟分析不同地表类型下不同地表反照率以及经纬度变化对偏振度和偏振方位角的影响。此外,进行了多次实地对比测试,为偏振光导航的实际应用提供了理论与实践参考价值。本文根据天空偏振模式的形成机理及其主要影响因素,介绍了瑞利散射理论和米氏散射理论。介绍了Libradtran的仿真软件包。天空偏振模式的模拟原理是利用蒙特卡罗方法的MYSTIC算法计算大气辐射传递过程。解释了天空偏振光测试所用的斯托克斯矢量法。此外,还开发了基于图像的天空偏振模式测试系统。对作为导航信息源的偏振度分布图和偏振方位角分布图的稳定性进行了测试和分析。分析结果表明,在阴天天气下,最大偏振度远低于晴天,而偏振方位角分布模式的对称性依然清晰。与偏振度分布模式相比,偏振方位角分布模式在阴天天气的影响下更稳定,更适合作为偏振光导航的信息源。此外,本文还测试了地表反照率对天空偏振模式的影响。在不同地表类型下利用Lib Radtran软件模拟了不同地表反照率对偏振度和偏振方位角的影响。测试地表分别为混凝土、海洋和沥青。研究发现,地表反照率对偏振度值有一定的影响。随着地表反照率的增大,最大偏振度值减小,偏振方位角没有明显变化。此外,本文还研究了经纬度对天空偏振模式的影响,对不同经纬度的太阳子午线方向进行模拟分析,并在不同的城市进行实地测试。研究结果表明,经度对太阳子午线方位角的影响大于纬度。在同一时间,太阳方子午线位角随着经度和纬度的增加而增加,随着经度和纬度的差异越来越大,太阳子午线方位角范围也越来越大。在实验期间,这两个地点都有一个明显的太阳子午线旋转角度。一天中在固定的时间段内太阳子午线的旋转角度先上升后下降。