导航系统是无人机控制系统中重要的组成部分。随着科学技术的不断发展,各种导航方式逐渐出现,目前的导航方式存在各自的优势和不足,应用场景不同。为了提高导航精度和导航系统的鲁棒性,除提高导航传感器的制造工艺以提高传感器的测量精度外,探索新型的导航方式也是重要的研究方向。利用天空中的偏振光信息进行仿生导航是国内外近年来的研究热点,其具有抗电磁干扰能力强、隐蔽性好的特点,是自主的导航方式。本文的研究内容是将偏振光传感器和惯导进行组合,对无人机进行三维定姿。本文涉及的主要工作内容如下:本文对与导航相关的概念进行了解释,对捷联式惯导系统的解算原理进行了推导,针对定位级别的高精度惯性测量单元和MEMS级别的低精度惯性测量单元利用Matlab进行了捷联惯导的仿真实验,通过实验证明了捷联惯导系统由于解算原理所致,其导航误差随时间累计,MEMS的低精度惯性测量单元只能用于无人机的三维定姿。针对基于偏振光传感器导航的实验需要搭建固定翼无人机实验平台。本无人机实验平台是以开源飞控项目Paparazzi为基础搭建的,利用了其易扩展的特性,从软硬件方面对实验平台进行了分析,利用实验平台进行了无人机自主飞行实验和偏振光传感器的机载数据采集实验。无人机的自主飞行实验成功证明了飞控系统输出的三维姿态准确,可以为后续算法验证提供参考标准。提出了基于偏振光传感器的四元数互补滤波算法。首先对互补滤波算法的结构进行了推导和证明,然后分别通过陀螺仪与加速度计的互补、IMU与偏振光传感器的互补,分别补偿了陀螺仪的XY轴误差项和Z轴误差项,通过实验数据表明设计的基于偏振光传感器的四元数互补滤波算法在准静态条件下能够输出准确的三维姿态角。提出了补偿运动加速度的互补滤波算法。针对基于偏振光传感器的四元数互补滤波算法只能适合无人机运动加速度为零的情况,对算法进一步优化,利用空速计补偿无人机在平稳飞行阶段的向心加速度。本文对比了补偿运动加速度前后的仿真实验结果,实验表明补偿运动加速的互补滤波算法能够在无人机平稳转弯情况下准确输出无人机姿态角。