为了提高组合导航系统的可靠性与位姿估计的精度，把偏振定向传感器引入同步定位与建图过程，提出并设计一种新的偏振光辅助的视觉惯性组合导航系统。采集偏振定向传感器、单目视觉相机及微惯性测量单元的数据，对多传感器数据进行时间戳对齐和预处理后，利用最小二乘优化方法建立目标方程，通过求解非线性方程组获取最佳的运动估计。该系统根据天空偏振分布实现了方位角的可观性，并融合了多传感器数据。基于上述组合导航系统进行户外车载实验，实验结果表明：在2 km的长距离运行中，相比原始视觉惯性系统，偏振光辅助的视觉惯性导航系统的位置误差降低了16.7%，航向角精度提升了23.4%。偏振定向传感器的接入能够抑制惯性器件测量值的漂移，改善导航系统的位置精度和姿态角精度，可满足卫星信号受到干扰等环境下的位姿估计精度和可靠性要求。

为了提升偏振成像定向传感器的测角精度, 建立了基于斯托克斯矢量的偏振方位测量误差传播模型。对该模型受到的主点偏移、镜头畸变、CMOS平面倾斜等误差因素进行研究。根据斯托克斯矢量偏振测量原理推导出天空偏振方位角解算方法。将主点偏移、镜头畸变、CMOS平面倾斜、灰度响应不一致等因素对方位测量的影响进行讨论, 利用蒙特卡洛方法进行偏振成像方位测量误差分析, 通过仿真和天空偏振成像实验分析所建模型的正确性。实验结果表明: CMOS灰度响应不一致对方位测量误差的影响最大, 当灰度响应不一致在(-6, +6) pixel时, 测量误差在0.11°内, 角度均值整体有0.12°偏移; 在主点偏移(-1.5, +1.5) pixel, 镜头畸变(-1, +1) pixel, CMOS平面倾斜(-0.5°, +0.5°), CMOS灰度响应不一致(-6, +6) pixel的共同影响下, 太阳子午线的方位测量误差为0.236 3°(σ)。该误差传播模型能够反映误差源定量影响方位测量精度, 为偏振成像定向传感器的优化设计提供依据和参考。