天空偏振光分布模式是大自然中存在的一种固有属性,可以为偏振光导航提供稳定的导航信息源。点源式偏振光测试系统只能获取天空中局部的偏振信息,制成的导航传感器具有精度低,稳定性差等缺点。成像式偏振光测试系统能够同时获取全天空的偏振信息,是提高导航传感器精度与稳定性的有效途径,基于成像式偏振光测试系统的偏振光导航应用的研究成为了目前的研究热点。论文基于目前拟合太阳子午线采用的最小二乘法易受特征点分布发散的影响而提取精度降低,以及偏振光导航仍然未能实际应用的现状,主要从建立高精度的太阳子午线的提取方法和探索利用太阳子午线作为参考线的航向角获取方法两方面展开了研究,具体研究内容如下:本文首先从天空偏振光分布模式的形成原理出发,介绍了Rayleigh散射理论与Mie散射理论,建立了天空偏振光分布模式参考坐标系。阐述了基于Hough变换的太阳子午线提取方法,解释了利用太阳子午线获取航向角的基本原理。其次介绍了libRadtran仿真软件包,针对其中仿真效率低下的问题二次开发了天空偏振光分布模式仿真软件。搭建了成像式偏振光测试系统,测试并对比分析了偏振度分布模式与偏振方位角分布模式作为导航信息源的稳定性。结果表明:多云天气条件相比于晴朗天气条件的最大偏振度具有较大降幅,而偏振方位角分布模式的对称线依然清晰。相比于偏振度分布模式,偏振方位角分布模式在受天气条件变化的影响时稳定性更好,更加适合作为偏振光导航的信息源。再次针对最小二乘法在测试环境下因特征点分布发散而导致太阳子午线提取精度降低的问题,提出了基于Hough变换的太阳子午线提取方法。利用高斯噪声模拟了测试条件下的噪声干扰,得到了不同信噪比下的太阳子午线特征区域,仿真分析了基于Hough变换的太阳子午线提取方法与最小二乘法拟合太阳子午线在相同噪声干扰下的性能表现,通过测试实验进一步对比分析了提取方法的性能。结果表明:基于Hough变换的太阳子午线提取方法相比于最小二乘法拟合太阳子午线精确度更高。最后针对目前偏振光导航未能实际应用的现状,提出了一种获取航向角的方法,进行了航向角获取测试实验,分析了误差产生原因,经过对系统误差补偿后,航向角获取的精度在2°以内。为偏振光导航的实际应用提供了理论与实践参考价值。