近年来,导航技术在航空航天、深海潜航、交通运输等多领域已经得到广泛而深入的应用。目前,导航技术的发展趋势是小型化、智能化、强自主、高精度、快响应、强抗扰等。捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)作为典型的导航方式,因其体积小,自主性强,导航参数全,输出频率高等优点,已经成为导航领域核心的技术。但是,作为一种航迹推算导航,它的解算过程本质上是积分过程,导航误差随时间积累,较大误差的初始状态将导致导航状态计算失效。因此,在导航前需要高精度的初始状态。初始对准技术就是为了获取高精度的初始姿态和参数,关键的技术在于确定载体坐标系相对于导航坐标系间的初始姿态矩阵。但是,现有初始对准技术自主性低,且存在对准时间长、精度低等问题。学者发现沙蚁可以在长距离随机觅食后沿近乎于直线的路径返回巢穴,这为高精度的自主对准技术提供了生物学视角。受此启发,仿生偏振光传感器应运而生,作为一种新型仿生传感器可满足高精度、无累计误差且强抗干扰能力的自主式初始对准的要求。本文将仿生偏振光传感器(Polarized Skylight Sensor,PSS)与SINS组合建立惯性/偏振天空光传感器组合导航系统(SINS/PSS)。初始对准包括粗对准和精对准两阶段。在粗对准阶段,提出了基于大气偏振光的解析粗对准方法;在精对准阶段,分别从小失准角和大失准角两种不同的情形出发,建立了SINS/PSS线性及非线性模型,分析了模型的可观测性及可观测度。设计了卡尔曼滤波器(Kalman filter,KF)和无迹卡尔曼滤波器(Unscented Kalman filter,UKF)来实现初始对准方法。主要研究内容为:一、针对传统解析粗对准方法受陀螺精度影响问题,提出了一种基于偏振信息的解析粗对准方法,分析了仿生偏振光解析粗对准的误差特性,并通过仿真验证了当陀螺精度不满足粗对准要求时,可利用偏振信息来实现解析粗对准。二、针对小失准角初始对准下天向失准角对准精度低、对准时间长问题,在传统SINS线性模型的基础上,建立了基于偏振光信息的SINS/PSS组合导航系统线性模型。基于几何可观性和随机可观性分析方法,分析了SINS/PSS线性模型可观性和可观测度,设计了KF算法实现信息融合,分别通过仿真和实验对SINS和SINS/PSS两种模式进行了对比,证明了提出方法的有效性。三、针对大失准角初始对准下对准精度受失准角类型影响的问题,建立了SINS/PSS非线性误差状态模型。基于李导数的方法分析了SINS/PSS非线性模型的可观性,设计了UKF算法实现信息融合。通过仿真和实验对比,验证了在不同类型的大失准角下几乎不影响SINS/PSS非线性误差状态模型的初始对准时间及精度,且对准效果明显优于SINS。