与人类相同,自然界中绝大部分生物都需要解决导航问题。在漫长的进化过程中,几乎所有动物都进化出必要的导航能力,比如通过敏感偏振分布模式实现导航测向就是其中之一。本文基于天空光的偏振分布模式实现无人机的导航定姿,通过结合最优化理论和混合滤波模型设计新型航姿求解方法,为无人机导航控制提供新的解决方案。本文从分析导航系统航姿求解的基本数学模型入手,建立导航系统常用坐标系,并通过比较不同姿态描述方法的优势和不足,确定将四元数作为本文姿态解算的数学依据,并详细分析了偏振光传感器的导航定向原理,同时理论推导了一种基于双偏振矢量的全姿态信息快速获取方法。为验证偏振光数据融合算法的可靠性和准确性,本文设计了偏振光导航无人机航姿测量实验平台,详细介绍了偏振光导航实验平台的硬件及软件解决方案,并在飞行实验开展前期,利用精密旋转定位台进行偏振光传感器航向量程扩展方法有效性验证和飞控系统性能测试。之后开展的自主飞行实验结果表明,飞控系统中的参考算法控制精度能够满足需求,可以为后续偏振光导航控制系统提供航姿参考标准。针对现有偏振光导航控制算法定姿精度不高的问题,本文以四元数法和梯度优化理论为基础,利用偏振矢量场和重力矢量场设计航姿求解的动态步长梯度优化方法,并通过建立目标误差函数模型求解最优姿态四元数。实验结果表明,该方法不仅保证了求解姿态的静态稳定性,而且在动态情况下的航姿解算精度高于固定步长梯度方法,表现出良好的动态性能。为有效平衡姿态解算的准确性和实时性,本文进一步设计了基于梯度优化的混合滤波模型。静态实验和动态实验结果表明,该模型能够有效消除传感器内部噪声干扰,使得静态定姿精度进一步提高;同时在动态情况下,混合滤波方法克服了单独使用梯度优化方法时姿态估计超调的问题,表现出更好的跟踪效果和动态响应速度。针对无人机经常处于机动环境下飞行的特点,本文提出一种抑制运动加速度干扰的混合滤波自适应方案。实验结果表明,该方法能够有效抑制有害加速度的干扰,在保证姿态解算准确性的基础上,有效提高了偏振光导航系统的环境适应性和鲁棒性。